УДК 621.01

Казангапова Нургуль Буркитбаевна, к.г.н., заведующая лабораторией экологического мониторинга ТОО «КазНИИЛХ»

Абсеитов Ерболат Тлеусеитович к.т.н.

Казахский Агротехнический университет им. С. Сейфуллина г. Астана,

ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Токсичность выпускных газов дизеля определяется суммарным количеством содержащихся в них токсичных веществ. Главными компонентами, определяющими токсичность выпускных газов являются окиси азота и углерода, альдегиды, углекислый газ и сернистый ангидрид.

Вредные воздействия отдельных компонентов токсичности выпускных газов можно оценивать по индексу концентрации. Этот показатель выражается отношением

где, С и с соответственно фактическая и предельно допустимая концентрации вредного вещества в рассматриваемой среде. Оценка относительной вредности отдельных компонентов в общей токсичности выпускных газов может производиться по суммарному индексу концентрации, при этом доля отдельных компонентов вычисляется из соотношения 100%, где - индекс концентрации соответствующего компонента. Примерное распределение суммарного индекса концентрации по отдельным токсическим компонентам выпускных газов дизелей представлено на рисунке. Главное место среди токсических компонентов выпускных газов дизелей на всех режимах их работы занимают окислы азота. Доля этого компонента от суммарного индекса концентрации составляет 55-66% на режиме холостого хода и до 75-85% на режимах, соответствующих нагрузкам >20%.

Второе место среди учитываемых токсических компонентов занимает окись углерода, доля которой от суммарного индекса концентрации составляет около 5% на режимах средних нагрузок, возрастая до 10% на режимах полной мощности и до 20-25% на холостом ходу. Альдегиды оказывают заметное влияние на суммарный индекс концентрации лишь на режимах холостого хода и полной нагрузки. Доля их от суммарного индекса концентрации во всем диапазоне режимов работы дизеля примерно в два раза меньше, чем доля окиси углерода.

Следовательно, главная задача борьбы с загрязнением воздуха выпускными газами дизелей заключается в существенном уменьшении выделения окислов азота. Для снижения выхода окислов азота из цилиндров дизеля необходимо непосредственно воздействовать на его рабочий процесс, так как эффективность современных нейтрализаторов окислов азота в реальных условиях не превышает 10-20%.

На основе расчетных данных можно сделать вывод, что основными факторами, определяющими образование окиси азота в цилиндре дизеля, являются концентрация свободного кислорода, максимальная температура цикла и продолжительность высокотемпературного горения. Экспериментальные материалы показывают, что одним из средств уменьшения выделения окислов азота с отработавшими газами дизелей является применение рециркуляции отработавших газов. В этом случае снижение концентрации окислов азота в отработавших газах возможно вследствие уменьшения максимальной температуры цикла, концентрации кислорода и количества выбрасываемых в атмосферу отработавших газов. Последнее происходит в результате понижения коэффициента наполнения двигателя.

Наибольшее относительное уменьшение концентрации NO_x наблюдается при малых и средних нагрузках. При больших нагрузках эффект от рециркуляции отработавших газов значительно меньше (снижение выделения NO_x в 2-2,5 раза). Кроме того, рециркуляция увеличивает расход топлива и выделение окиси углерода.

Наиболее простым способом воздействия на токсичность отработавших газов является изменение регулировок угла опережения начала подачи топлива, который широко применяют в условиях эксплуатации. Угол опережения начала подачи топлива устанавливают путем снятия регулировочных характеристик для каждой марки дизеля, исходя из условий наивысшей возможности топливной экономичности.

Угол опережения начала подачи топлива, как правило, регулируется у дизелей в расчете на наивысшую топливную экономичность при частоте вращения, соответствующей максимальной мощности. Необходимо отметить, что анализ многопараметровых характеристик дизелей показывает существование наибольших уровней выбросов окислов азота во всем диапазоне сочетаний частот вращения и нагрузок, соответствующих лучшим удельным расходам топлива для дизелей с разделенными, полуразделенными и неразделенными камерами сгорания.

С увеличением угла впрыска топлива снижается дымность отработавших газов, содержание в них окиси углерода СО. Так на режимах нагрузок близких к номинальной изменение регулировки угла в сторону увеличения приводит к уменьшению содержания СО в отработавших газах дизелей на 0,071 г/м³ , содержание сажи приблизительно на 0,166 г/м³ дымность отработавших газов на 0,35 единицы БОШ.

Таким образом оптимальная регулировка угла необходимо различать как по топливной экономичности, так и по выбросу отдельных токсичных компонентов, и в первую очередь – окислов азота NO_x.

Уменьшение угла опережения впрыска топлива снижает содержание окислов азота в отработавших газах, так как уменьшается максимальная температура цикла. При этом увеличивается содержание продуктов неполного сгорания – окиси углерода и углеводородов. Исследования влияния угла опережения впрыска топлива на токсичность отработавших газов дизеля Д-37Е показали, что при уменьшении угла с 30 до 21º п.к.в. до ВМТ выброс окислов азота уменьшился на 60%, мощность дизеля снизилась на 1,8%, а выброс сажи увеличился в 1,5 раза. Для уменьшения выброса сажи на режиме полной нагрузки рекомендуется одновременно с уменьшением угла опережения впрыска топлива уменьшать на 20-25% максимальную цикловую подачу.

Цикловая подача топлива непосредственно влияет на полноту сгорания топлива, так как определяет состав смеси в КС, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха α.

В этой связи он определяет как экономические, так и экологические показатели дизеля. С уменьшением коэффициента избытка воздуха ухудшаются эти показатели, причем особенно резко при приближении к пределу дымления. Наиболее неблагоприятной оказывается зона низкой частоты вращения при работе дизеля с турбонаддувом на режимах внешней скоростной характеристики. Здесь наблюдается уменьшение давления ОГ перед турбиной и, как следствие снижение мощности турбины, уменьшение давления наддува и снижение α.

Так, на примере, при работе дизеля КамАЗ-7406 на режимах внешней скоростной характеристики и уменьшении n ниже частоты вращения максимального крутящего момента (n_m=1400мин ^-1) давление наддува уменьшается до р_к=0,14 … 0,13 Мпа.

Зависимости концентраций окиси углерода (СО) и твердых частиц (ТЧ) в ОГ имеют выраженный минимум при α = 4 6.Увелечение их эмиссии при больших α объясняется ухудшением качества процесса смесеобразования при малых цикловых подачах топлива. По абсолютной величине выбросы СО, углеводородов (С_х Н_у), ТЧ достигают своих максимальных значений на режимах внешней скоростной характеристики с пониженной n и низкими α. Уменьшение цикловой подачи снижает абсолютные величины выбросов ТЧ и других продуктов неполного сгорания. В частности при подачах равных 60 … 70% от полной, выбросы ТЧ составляют не более 10 … 30% своего максимального значения.

Эмиссия оксидов азота монотонно уменьшается с увеличением α, что обусловлено снижением температур сгорания при уменьшении цикловой подачи (g_u). Зависимость эмиссии С_х Н_у от α подтверждается близким характером протекания характеристик α и концентрации С_х Н_у в отработанных газах в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимах работы дизеля.

Проведенный анализ показывает, что эффективным средством улучшение экологических и экономических показателей дизелей в широком диапазоне эксплуатационных режимов работы является обеспечение оптимальных значений α. Это можно достичь одновременным управлением подачи воздуха и цикловой подачи топлива.

Наибольшей эффективностью при улучшении экологических показателей дизеля отличается известное управление топливоподачи, позволяющая обеспечить работу дизеля в областях с приемлемым α, высокой топливной экономичностью и допустимыми экологическими показателями.

Поэтому целесообразно в процессе эксплуатации при определенных условиях переводить транспортный дизель на указанные режимы работы. Это обеспечивается путем реализации рациональных законов управления с помощью системы автоматизированного управления топливоподачи и массой находящегося в цилиндре воздуха.

Литература

1. В.К. Горбаченко, В.В.Курманов. Электронные системы управления подачей топлива в дизелях: Обзорная информация. –М.:ЦНИИ-ТЭИавтопром, 2003.-51с.

2. Б.А.Взоров, К.К.Молчанов. Снижение расхода топлива сельскохозяйственными тракторами путем оптимизации режимов работы двигателей// Тракторы и сельхозмашины.-2001-№ 6 - с.10-14.

3. Под редакцией А.Л.Новоселова. Повышение экологической безопасности автотракторной техники. АГТУ им. И.И.Ползунова. Сборник статей. Барнаул 2002.