Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах

Скрябин Максим Леонидович

Санкт-Петербург - 2009



Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Лиханов Виталий Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Петриченко Михаил Романович

доктор технических наук профессор Капустин Александр Александрович

Ведущая организация: Чебоксарский политехнический институт (филиал) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет», (г. Чебоксары)

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. профессор Т.Ю. Салова



1. Общая характеристика работы

оксид азот дизельный топливо

Актуальность темы. В настоящее время уменьшение загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми автомобильным транспортом, является одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством. Загрязнение воздуха оказывает вредное воздействие на человека и окружающую среду.

Среди всех видов транспорта именно автомобильный наносит наибольший ущерб окружающей среде. В России в местах повышенного загрязнения воздуха проживает около 64 млн. человек, среднегодовые концентрации загрязнителей воздуха превышают предельно допустимые более чем в 600 городах России.

Результаты исследований показывают, что тип двигателя, его конструктивные особенности, техническое состояние, регулировки основных систем и узлов, а также многочисленные эксплуатационные факторы существенно влияют на количество вредных выбросов с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

В исследованиях отечественных ученых отсутствуют данные по снижению содержания оксидов азота в современных дизелях, имеющих турбонаддув с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха (ПОНВ) и усовершенствованную систему топливоподачи при работе на альтернативных видах топлива. Нужно отметить, что использование альтернативных видов топлива способствует не только экономии нефтяного топлива, но и позволяет улучшить эффективные и экологические показатели. Приоритетность использования природного газа, как наиболее перспективного экологически чистого альтернативного топлива, очевидна для многих стран мира.

Поэтому снижение содержания оксидов азота в ОГ дизелей с туробнаддувом и ПОНВ при работе на природном газе (ПГ) является актуальной научной задачей.

Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР ФГОУ ВПО Вятская ГСХА (г. Киров) на 2006...2010 гг. (номер государственной регистрации 01.2.006-09891^_).

Целью исследований является улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах.

Практическое применение научной задачи состоит в улучшении экологических и эффективных показателей дизелей с турбонаддувом и ПОНВ, работающих на ПГ автобусов и грузовых автомобилей, эксплуатируемых на дорогах общего пользования, путем снижения содержания токсичных компонентов, в том числе оксидов азота в ОГ и экономии нефтяного моторного топлива.

Объект исследований: автомобильный дизель 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ (Д-245.7) жидкостного охлаждения, устанавливаемый на автомобили ГАЗ-3309 и автобусы ПАЗ-3205-70, работающий на альтернативном топливе - природном газе - по газодизельному процессу.

Предмет исследований: экологические, мощностные и экономические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ (Д-245.7) при работе на ПГ, процессы образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля.

Научную новизну работы представляют:

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ПГ на процессы образования и разложения оксидов азота, экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания (КС) ЦНИДИ;

- химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ с запальной порцией дизельного топлива (ДТ);

- математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ, с КС ЦНИДИ при работе на ПГ;

- результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре и в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ путем снижения содержания оксидов азота в ОГ при работе дизеля на ПГ.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.

Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий, Чебоксарском политехническом институте (филиале) Московского государственного открытого университета при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 110301, 190601 и 190603.

Экономическая эффективность. Годовой экономический эффект от экономии дизельного топлива составляет 43152 руб./год на один автомобиль ГАЗ-3309 при работе на ПГ при среднегодовом пробеге 60 тыс. км. (в ценах на 01.07.2008 г.). С учетом экономии от снижения токсичности ОГ срок окупаемости составит 0,86 года.

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 53-й научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Вятской ГСХА, 2006 г. (ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», г. Киров); 6-ой, 7-ой и 8-ой городских научных конференциях аспирантов и соискателей «Науке нового века - знание молодых» 2006...2008 гг. (ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», г. Киров); Региональной научно-практической конференции вузов приволжского региона «Инновации в образовательном процессе», 2006 г. (Чебоксарский институт (филиал) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет», г.Чебоксары); Научно-практической конференции «Совершенствование технологии и средств механизации производства продукции растениеводства и животноводства», 2006 г. (НИИСХ Северо-Востока, г. Киров); 17-ой Региональной научно-практической конференции кафедр «Тракторы и автомобили» вузов Поволжья и Предуралья, 2007 г. (ФГОУ ВПО «Нижегородская ГСХА», г. Н. Новгород); I и II-ой Всероссийских научно-практических конференциях «Наука - Технология - Ресурсосбережение», 2007, 2008 гг. (ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», г. Киров); IX-ой и X-ой Международных научно-практических конференциях «Мосоловские чтения», 2007, 2008 гг. (ГОУ ВПО «Марийский ГУ», г. Йошкар-Ола); Международной научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, докторантов и аспирантов «Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий», 2008 г. (ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский ГАУ», г. Санкт-Петербург-Пушкин); Международной научной конференции «Гидродинамика, механика, энергетические установки», 2008 г. (Чебоксарский политехнический институт (филиал) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет», г. Чебоксары).

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 23 печатных работах, включая монографию объемом 9,43 п.л., 2 статьи в центральном журнале, входящем в перечень изданий ВАК РФ для публикации трудов соискателей ученых степеней и статей общим объемом 7,40 п.л., 9 статей в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций. Без соавторов опубликовано 5 статей общим объемом 1,8 п.л.

На защиту выносятся следующие основные результаты исследований:

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ПГ на процессы образования и разложения оксидов азота, экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с КС ЦНИДИ;

- химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ с запальной порцией ДТ;

- математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ, с КС ЦНИДИ при работе на ПГ;

- результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре и в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ путем снижения содержания оксидов азота в ОГ при работе дизеля на ПГ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 202 страницах, в том числе 148 стр. текста, содержит 41 рисунок и 8 таблиц. Список литературы изложен на 14 стр. включает 188 наименований, в том числе 6 на иностранных языках.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена научная новизна и практическая ценность работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе сделан анализ работ, посвященных исследованию образования и разложения оксидов азота. Большой вклад результатами теоретической работы и экспериментальных исследований в вопросах образования и разложения оксидов азота в результате высокотемпературного горения внесен такими учеными как С.А. Абрамов, В.Л. Аксенов, И.Л. Варшавский, Н.А. Гуревич, О.И. Жегалин, Л.С. Заиграев, В.А. Звонов, Я.Б. Зельдович, С.В. Истомин, А.А. Капустин, А.Р. Кульчицкий, В.Ф. Кутенев, Н.В. Лавров, В.А. Лиханов, О.П. Лопатин, Р.В. Малов, В.А. Марков, А.В. Николаенко, В.В. Померанцев, Ю.П. Райзер, Н.Ф. Разлейцев, П.А. Садовников, А.М. Сайкин, Т.Ю. Салова, Ю.Б. Свиридов, И.Я. Сигал, В.И. Смайлис, П.П. Фесенко, Д.А. Франк-Каменецкий, А.И. Френкель, В.В. Фурса, В.С. Шкрабак и др.

Анализ результатов научных исследований показывает, что отечественными и зарубежными исследователями разработаны предпосылки и проведен ряд экспериментальных работ по изучению процессов образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля. К сожалению, в отечественной литературе полностью отсутствуют численные данные о влиянии туробнаддува с ПОНВ на токсичность ОГ дизелей малой размерности.

Необходимо отметить, что исследования, проводимые по использованию ПГ в качестве моторного топлива, чаще направлены на изучение эффективных показателей без изучения комплексного влияния на экологические показатели и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля. При применении турбонаддува с ПОНВ предполагается улучшение не только экологических, но и эффективных показателей, на основании чего можно предположить, что при использовании альтернативного вида топлива - природного газа можно не только сэкономить топливо нефтяного происхождения, но и улучшить экологические показатели за счет снижения содержания оксидов азота в ОГ.

В связи с выше изложенным можно предположить, что улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота является актуальной научной задачей, имеющей важное значение для улучшения экологической ситуации в стране и экономии нефтяного топлива. На основании поставленной цели сформулированы задачи исследований:

- провести лабораторно-стендовые и теоретические исследования влияния применения ПГ на процессы образования и разложения оксидов азота, экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с КС ЦНИДИ;

- разработать химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ с запальной порцией ДТ;

- разработать математическую модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ, с КС в поршне при работе на ПГ;

- провести расчет показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре и в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- разработать рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ путем снижения содержания оксидов азота в ОГ при работе дизеля на ПГ.

Во втором разделе предложены теоретические предпосылки по анализу процессов образования и разложения оксидов азота в КС дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ с запальной порцией ДТ.

При работе дизеля на ПГ с запальной порцией ДТ создаются высокие локальные концентрации активных центров цепных реакций, возникающих в результате окисления и распада углеводородов ПГ в окрестностях испаряющихся и горящих капель дизельного топлива. В этих условиях образование оксидов азота отличается двумя главными особенностями: во-первых, решающую роль в этом процессе играет не только тепловое, но и цепное ускорение реакций за счет высоких локальных концентраций активных частиц; во-вторых, процессы их образования тесно связаны конкуренцией в потреблении активных частиц и кислорода. Образование NO_х происходит через сложные превращения продуктов реакций топливных радикалов с азотом метановоздушной смеси (МВС) газов в предпламенной и послепламенной зонах.

Горение МВС в цилиндре дизеля с ПОНВ, воспламененной распыленным ДТ, впрыснутым через многоструйную форсунку, увеличивает масштаб турбулентных пульсаций, что приводит к интенсификации тепломассообмена в факеле и значительно увеличивает скорость образования и разложения оксидов азота.

Используя результаты моделирования кинетических систем для расчета кинетики образования оксидов азота при горении ПГ и ДТ в условиях сгорания в дизелях, суммируя известные данные протекания элементарных реакций при сгорании ПГ и выделяя из них наиболее весомые, механизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля с ПОНВ можно представить в виде определенной последовательности этапов и ветвей образования промежуточных и конечных элементов, как это видно из рисунка 1.

При температурах, близких к максимальным, и большом количестве воздуха основными являются реакции окисления СН₄, которые определяют тепловой режим в цилиндре газодизеля с ПОНВ. Образование и разложение NO по термическому механизму Я.Б. Зельдовича происходит главным образом по реакциям цепей X, XI (рис. 1). Так как во время горения концентрация атомарного кислорода не доходит до равновесной, атомы азота не начинают цепной реакции. Таким образом, в газодизеле с ПОНВ основное количество термических оксидов азота образуется после окончания первой стадии горения МВС. Здесь происходит практически полный расход углеводородных топлив с образованием максимальных концентраций промежуточных продуктов сгорания.

В химических соединениях продуктов сгорания ПГ содержатся различные оксиды азота, термодинамическую устойчивость которых можно расположить в ряд по возрастанию: N₂O₅, N₂O₄, N₂O₃, NO₂, N₂O, NO.

Закономерностью процессов образования оксидов азота в цилиндре дизеля с ПОНВ при работе на ПГ является то, что большая часть NO_х образуется по термическому механизму Я. Б. Зельдовича. Количество термических NO_х во много раз превосходит количеств всех остальных, образовавшихся в результате горения СН₄.



Рис. 1. Схема процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с ПОНВ: I - образование NO по бимолекулярной реакции; II - окисление NO до NO₂ в предпламенной зоне; III - образование и разложение гемиоксида азота N₂O; IV - образование NO за счет расхода NO₂; V - термический пиролиз молекулы ДТ; VI - термический пиролиз метана; VII - взаимодействие молекулярного азота с углеводородными фрагментами; VIII - превращение HCN• в CN; IX - образование быстрого NO; Х - образование термического NO по механизму Я.Б. Зельдовича; ХI - образование термического NO через радикалы ОН·; XII - окисление NO до NO₂ в запламенной зоне

Скорость горения распыленного ДТ в потоке МВС в общем случае определяется скоростями различных «элементарных» процессов. К ним относятся: прогрев, испарение, разгон и дробление капель ДТ, смешение паров ДТ и ПГ с окислителем, химические реакции и т. п.

Рис. 2. Схема горения капли ДТ в турбулентном потоке МВС с избытком окислителя



На рис. 2 показано горение капли ДТ в турбулентном потоке метановоздушного вихря (МВВ) с избытком окислителя. При испарении топлива вокруг капли ДТ 1 образуется зона паров горючего 2, навстречу которой из среды диффундирует окислитель 5. В результате вокруг капли образуется горючая смесь. Горение полученной смеси происходит в тонком слое 3, концентрация горючего в котором близка к стехиометрической. Толщина слоя 3, называемого фронтом горения, обычно составляет несколько долей миллиметра. Продукты сгорания 6 и 7, образующиеся в зоне горения 3, диффундируют в двух направлениях: в сторону капли - в зону паров горючего 2 и в противоположную сторону - в зону их догорания 4. Таким образом, объем, занимаемый факелом, делится на две части: внутреннюю, состоящую из паров топлива и продуктов сгорания, диффундирующих из фронта горения в сторону капли ДТ, и внешнюю, состоящую из продуктов сгорания и диффундирующего навстречу им воздуха. Вследствие пульсаций МВС фронт пламени теряет четкие очертания и местами разрывается.

Дробление капель ДТ в основном определяется двумя видами сил: силой, определяемой скоростным напором, действующим на каплю ДТ, и касательными силами трения.

Интенсивность сил первого вида характеризуется числом Вебера, а силы трения зависят от числа Рейнольдса:

(1); (2),

где W_e - число Вебера; с, u - плотность и скорость СН₄; R_e - число Рейнольдса;

v, a - скорость и диаметр капли ДТ; у - коэффициент поверхностного натяжения капли ДТ;

м - вязкость СН₄.

Время деформации, предшествующей дроблению, представляет собой следующую зависимость:

, (3)

где - время деформации; с_ДТ - плотность ДТ; k - коэффициент, характеризующий КС дизеля.

Капля ДТ делится на две части, сразу после того как критерии дробления достигнут критического значения. В этих предположениях координата сечения, в котором происходит дробление, определяется условием:

, (4)

где We* - критическое значение числа Вебера; l, t - координаты сечения, в котором происходит дробление.

Скорость испарения единичной капли ДТ может быть представлена в виде:

, (5)

где D - коэффициент диффузии; Nu - число Нуссельта; - массовая концентрация паров горючего на поверхности капли ДТ; - массовая концентрация паров горючего в бесконечности (полагается = 0).

Уравнение теплового баланса, соответствующее режиму послойного испарения, имеет вид:

, (6)

где - тепловой поток, идущий к капле ДТ; Т_s - температура поверхности капли ДТ; - начальная температура капли ДТ; с_ДТ - теплоемкость ДТ; о(T_s) - теплота испарения при температуре T_s.

Тепловой поток, идущий к капле ДТ, можно записать в виде:

, (7)

где Т - температура МВС в межкапельном пространстве; - среднее значение удельной теплоемкости при постоянном давлении в интервале температур T...T_s.

Подставляя соотношения (5) и (7) в формулу (6), получим соотношение, определяющее температуру поверхности капли ДТ в режиме послойного испарения:

. (8)

Для изотермического объемного режима испарения уравнение прогрева капли ДТ, соответствующее этой модели, имеет вид:

. (9)

где - концентрация паров ДТ на поверхности капли; - скорость образования паров ДТ.

Скорость испарения капли ДТ зависит от теплообмена между газовой средой МВВ и каплей. Время испарения капли ДТ найдем из уравнения теплового баланса, выражающего равенство количества теплоты, затрачиваемой на прогрев и испарение капли ДТ и теплоты, полученной каплей из окружающего ее потока МВС:

, (10)

где Т_к и Т₀ - температура кипения и начальная температура ДТ; л_п - теплота парообразования горючего; dV = Fdr - уменьшение объема капли за промежуток времени dф; q - удельный тепловой поток из зоны горения, отнесенный к единице поверхности капли в единицу времени; F - поверхность капли в определенный момент времени.

Проинтегрировав уравнение (10) получим время полного сгорания капли ДТ, характеризующее время сгорания смеси в КС дизеля с ПОНВ при работе на ПГ:

, (11)

где r₀ и r - начальный и текущий радиусы капли, м.

В КС дизеля с ПОНВ при работе на ПГ между МВС и частицами ДТ происходит конвективный и лучистый теплообмен. Удельные тепловые потоки конвекции q_к, излучения q_л и коэффициент теплоотдачи конвекцией б_к определяются из выражений:

(12); (13); , (14)



где б_к, б_л - коэффициент теплоотдачи; Т_f - температура среды в зоне теплообмена; T_s - температура поверхности капли ДТ; N_u - критерий Нуссельта; л - коэффициент теплопроводности среды; d - определяющий диаметр капли ДТ.

Для частиц малого размера, число Рейнольдса которых меньше R_e < 1, критерий Нуссельта равен:

. (15)

Коэффициент теплоотдачи излучением б_л не зависит от размера капель ДТ. Поэтому для мелкораспыленных форсункой капель ДТ значения б_к >> б_л и определяющим способом теплообмена между МВС и каплей ДТ является конвективный теплообмен, удельный тепловой поток которого выражается формулой (12).

Учитывая время деформации и скорость испарения капли ДТ, время полного сгорания капли ДТ с учетом уравнения теплового баланса, выражающего равенство количества теплоты, затрачиваемой на прогрев и испарение капли ДТ и теплоты, полученной каплей из окружающего ее потока МВС определяем константу скорости горения:

. (16)

Принимаем во внимание, что k ~ k^/, где k^/ - константа скорости образования оксидов азота. С учетом константы скорости горения рассчитываем константу скорости реакций, дающих наиболее весомый вклад в процесс образования оксидов азота в цилиндре дизеля с ПОНВ, при работе на ПГ по уравнению:



. (17)

Уравнение скорости образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ПГ с ПОНВ с учетом уравнения Клайперона-Менделеева имеет вид:

, (18)

где - константа скорости i-той реакции; r_i - объемное содержание i-го компонента.

Изменение доли оксидов азота в продуктах сгорания, образовавшихся ранее:

. (19)

Рассчитывая значения величин, входящих в выражение (17), и подставляя их, получаем значение константы скорости прямой реакции.

Результаты расчетов констант скоростей химических реакций образования и разложения оксидов азота, которые наиболее вероятны в цилиндре дизеля с турбонаддувом и ПОНВ, дающее наиболее весомый вклад в процесс образования и разложения оксидов азота представлены таблице 1.

Результаты теоретических расчетов по изменению объемного содержания r _{NOх теор} и массовой концентрации С _{NOх теор} оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на ПГ и ДТ в зависимости от угла п.к.в. для номинальной частоты вращения n = 2400 мин ^-1, р_е= 0,947 МПа и частоты вращения максимального крутящего момента n = 1700 мин ^-1, р_е= 1,036 МПа при работе на оптимальных установочных угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) представлены на рис. 3 (оптимальный установочный УОВТ при работе на ДТ И_впр = 9є п.к.в. до в.м.т., при работе на ПГ И_впр = 7є п.к.в. до в.м.т.).

Таблица 1. Результаты расчета основных реакций образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ПГ

№ реакции	Реакция	Константа реакции, м3/кмоль•с
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

где Т_пс - температура в конце расчетного участка, К.

Анализ результатов расчетов показывает, что максимальное теоретическое значение объемного содержания оксидов азота r_{NOх мах теор} в цилиндре при работе дизеля на ДТ при n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа (рис. 3, а) составляет 966 ppm, максимальная массовая концентрация С_{NOх мах теор} составляет 1,391 г/м³ при ц_{NOх мах теор} = 13,0є п.к.в. после в.м.т. Объемное содержание оксидов азота r_{NOх вых теор} в цилиндре в момент открытия выпускного клапана ц_{NOх вых теор} = 130,0є п.к.в. после в.м.т. составляет 743 ppm при массовой концентрации С_{NOх вых теор} 1,069 г/м³.

Максимальное теоретическое значение объемного содержания оксидов азота r_{NOх мах теор} в цилиндре при работе дизеля на ПГ при n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа составляет 941 ppm, максимальная массовая концентрация С_{NOх мах теор} составляет 1,355 г/м³ при ц_{NOх мах теор} = 15,5є п.к.в. после в.м.т. Объемное содержание оксидов азота r_{NOх вых теор} в цилиндре в момент открытия выпускного клапана ц_{NOх вых теор} = 130,0є п.к.в. после в.м.т. составляет 570 ppm при массовой концентрации С_{NOх вых теор} 0,820 г/м³. Снижение теоретического объемного содержания r_{NOх вых теор} и теоретической массовой концентрации С_{NOх вых теор} оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ПГ при ц_{NOх вых теор} = 130,0 є п.к.в. после в.м.т. составляет 23,3 %.

Максимальное теоретическое значение объемного содержания оксидов азота r_{NOх мах теор} в цилиндре при работе дизеля на ДТ при n = 1700 мин ^-1, р_е = 1,036 МПа (рис. 3, б) составляет 1041 ppm, максимальная массовая концентрация С_{NOх мах теор} составляет 1,499 г/м³ при ц_{NOх мах теор} = 7,0є п.к.в. после в.м.т. Объемное содержание оксидов азота r_{NOх вых теор} в цилиндре в момент открытия выпускного клапана ц_{NOх вых теор} = 130,0є п.к.в. после в.м.т. составляет 801 ppm при массовой концентрации С_{NOх вых теор} = 1,153 г/м³.

Максимальное теоретическое значение объемного содержания оксидов азота r_{NOх мах теор} в цилиндре при работе дизеля на ПГ при n = 1700 мин ^-1, р_е = 1,036 МПа составляет 957 ppm, максимальная массовая концентрация С_{NOх мах теор} составляет 1,378 г/м³ при ц_{NOх мах теор} = 9,5 є п.к.в. после в.м.т. Объемное содержание оксидов азота в цилиндре в момент открытия выпускного клапана ц_{NOх вых теор} = 130,0є п.к.в. после в.м.т. (выходное тео-ретическое значение в момент открытия выпускного клапана) составляет 603 ppm при массовой концентрации 0,868 г/м³. Снижение составляет 24,6 %.

В результате расчетов по экспериментальным данным r _{NOх расч} и С_{NOх расч} в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на ПГ подтверждена высокая сходимость полученных теоретических расчетов r _{NOх теор} и С_{NOх теор} на основании предложенного химизма процесса образования оксидов азота и разработанной математической модели для расчета скоростей реакций образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ПГ. Разница между теоретическими и расчетными данными не превышает 4 %.

а)

б)

---- - дизельный процесс, - - - - газодизельный процесс

Рис. 3. Результаты теоретических расчетов по изменению объемного содержания r_NOх и массовой концентрации С_NOх оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 ПОНВ при работе на ПГ и ДТ в зависимости от изменения угла п.к.в. двигателя при работе на оптимальных установочных УОВТ: а - n = 2400 мин ^-1, б - n = 1700 мин ^-1

В третьем разделе рассмотрены особенности использования методик, которые применялись в экспериментальных исследованиях, а также созданные экспериментальные установки, используемые приборы и оборудование.

При монтаже оборудования и приборов, стендовых испытаниях дизеля, газовом анализе ОГ учитывались требования ГОСТа 14846-81, ГОСТа 17.2.1.02-76, ГОСТа 17.2.2.01-84, ГОСТа 17.2.2.02-98, ГОСТа 17.2.2.05-97, ГОСТа Р 17.2.2.06-99, ГОСТа Р 17.2.2.07-2000, ГОСТа 27577-2000, ГОСТа 18509-88, ГОСТа Р ИСО 3046-1-99, ГОСТа Р ИСО 8178-7-99. Экспериментальная установка включала в себя электротормозной стенд SAK-N670 производства Германии с балансирной маятниковой машиной, дизель 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ, измерительную аппаратуру, газобаллонное оборудование. Испытания проводились на всех нагрузочных и скоростных режимах работы дизеля с использованием летнего дизельного топлива и моторного масла М-10-Д(м), ПГ для газобаллонных автомобилей из месторождения «Ямбургское».

Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля осуществлялась с помощью ПЭВМ по программе ЦНИДИ-ЦНИИМ. Отбор и анализ проб ОГ производился с помощью автоматической системы газового анализа АСГА-Т с соблюдением требований инструкции по эксплуатации. Для проведения стендовых испытаний дизеля при работе на природном газе использовался передвижной газовый заправщик на базе тракторного прицепа 2ПТС-4 и газобаллонного оборудования автомобиля ЗИЛ-138А.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований по улучшению экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота. Исследования проводились с целью определения и оптимизации основных параметров работы дизеля при работе на ДТ и ПГ. Проведенные испытания показали, что дизель устойчиво работает на ПГ при соотношении на номинальном режиме: ПГ - 80…85 %, запального ДТ - 15…20 %.

На рис. 4, а представлено влияние применения природного газа на токсичность ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ.

а) б)

Рис. 4. Влияние применения природного газа в дизеле 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ при n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа: а - на токсичность ОГ; б - на показатели процесса сгорания в цилиндре, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в ОГ; ---- - дизельный процесс, - - - - газодизельный процесс

Сравнивая оптимальные установочные УОВТ следует отметить, что при n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа содержание NO_x в ОГ при работе дизеля на ПГ составляет 499 ppm, а при работе дизеля на ДТ - 650 ppm. Таким образом, снижение содержания оксидов азота при работе дизеля на ПГ на установочном УОВТ И_впр = 7є до в.м.т., n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа составляет 151 ppm или 23 %. Для оптимальных установочных УОВТ характерна устойчивая работа дизеля, «жесткость» рабочего процесса (dр/dц)_max находится в пределах допустимых значений и составляет менее 1,0 МПа/град.

Снижение содержания оксидов азота при возрастающей температуре при работе дизеля на ПГ связано с температурной неравномерностью в зоне продуктов сгорания, а также с тем, что время нахождения продуктов сгорания в зоне максимальных температур снижается вследствие более интенсивного процесса сгорания топлива. При совместном использовании турбонаддува с ПОНВ при работе на ПГ снижается коэффициент избытка воздуха б, увеличивается скорость охлаждения продуктов сгорания, так как топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндр, имеет более низкую температуру.

На рис. 4, б показано влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания в цилиндре, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при n = 2400 мин ^-1и р_е = 0,947 МПа в зависимости от установочного УОВТ. Как видно из графиков с увеличением значения установочного УОВТ при работе дизеля на ДТ и ПГ возрастают объемное содержание r_{NOx опыт} и массовая концентрация C_{NOx опыт} оксидов азота, а также максимальные давление газов р_{z max} и максимальная температура Т_max в цилиндре двигателя.

Сравнивая оптимальные установочные УОВТ, следует отметить, что при n = 2400 мин ^-1 происходит снижение значения объемного содержания r_{NOх опыт} и массовой концентрации С_{NOх опыт} оксидов азота с 650 ppm и 0,936 г/м³ при работе дизеля на ДТ до 499 ppm и 0,718 г/м³ при работе дизеля на ПГ. Расчетные значения объемного содержания r_{NOх расч} и массовой концентрации С_{NOх расч} составляют, соответственно, 715 ppm (1,029 г/м³) и 548 ppm (0,789 г/м³). Снижение объемного содержания r_{NOх пыт} и массовой концентрации С_{NOх опыт} оксидов азота по опытным данным составляет, соответственно, 151 ppm и 0,218 г/м³ или 23 %. Незначительное увеличение расчетных значений объемного содержания r_{NOх расч} и массовой концентрации С_{NOх расч} оксидов азота можно объяснить тем, что при движении ОГ до автоматической системы газового анализа происходит дальнейшее разложение оксидов азота на элементарные составляющие.

На рис. 5, а показано влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при n = 2400 мин ^-1и р_е = 0,947 МПа в зависимости от изменения угла п.к.в. при работе на оптимальных УОВТ.

Из графиков видно, что при изменении угла п.к.в. r_{NOх мах расч} и С_{NOх мах расч} следуют сразу за максимальной температурой цикла и значительно превышают концентрацию оксидов азота в ОГ. Значение r_{NOх мах расч} в цилиндре при работе дизеля на ДТ составляет 929 ppm, а значение С_{NOх мах расч} = 1,338 г/м³ при ц_{NOх мах расч} = 13,0є п.к.в. после в.м.т. Объемное содержание r_{NOх вых расч} в цилиндре в момент открытия выпускного клапана ц_{NOх вых расч} = 130,0є п.к.в. после в.м.т. составляет 715 ppm при массовой концентрации оксидов азота С_{NOх вых расч} = 1,029 г/м³.

При работе дизеля на ПГ значение r_{NOх мах расч} в цилиндре составляет 905 ppm, значение С_{NOх мах расч} составляет 1,303 г/м³ при ц = 15,5є п.к.в. после в.м.т. Содержание r_{NOх вых расч} в цилиндре в момент открытия выпускного клапана ц_{NOх вых расч} = 130,0є п.к.в. после в.м.т. составляет 548 ppm при массовой концентрации оксидов азота 0,789 г/м³. Снижение максимальных значений объемного содержания r_{NOх мах расч} и массовой концентрации С_{NOх мах расч} оксидов азота в цилиндре составляет 24 ppm или 0,034 г/м³.

Разница между значениями r_{NOх вых расч} и С_{NOх вых расч} оксидов азота в цилиндре в момент открытия выпускного клапана составляет 167 ppm или 0,240 г/м³. Таким образом, при работе дизеля на ПГ происходит снижение выходных значений объемного содержания r_{NOх вых расч} и массовой концентрации С_{NOх вых расч} оксидов азота на 23 %.

На рис. 5, б показано влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания в цилиндре, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения нагрузки.



а) б)

---- - дизельный процесс, - - - - газодизельный процесс

Рис. 5. Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре и в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на оптимальных установочных УОВТ: а - в зависимости от изменения угла п.к.в. при n = 2400 мин ^-1и р_е = 0,947 МПа; б - в зависимости от изменения нагрузки при n = 2400 мин ^-1

Из графиков видно, что значение максимальной осредненной температуры Т_max при работе дизеля на ПГ на оптимальных установочных УОВТ увеличивается на 330 К или на 16 %. При работе дизеля на ПГ максимальное давление процесса увеличивается на 0,8 МПа или на 6 %. Уменьшение коэффициента избытка воздуха б при работе дизеля на ПГ составляет 15 %. Объемное содержание r_{NOx опыт} и массовая концентрация C_{NOx опыт} оксидов азота при работе дизеля на ПГ с возрастанием нагрузки увеличиваются соответственно с 365 ppm и 0,52 г/м³ на минимальной нагрузке при р_е = 0,126 МПа до 499 ppm и 0,72 г/м³ при р_е = 0,947 МПа. Снижение объемного содержания r_{NOx опыт} и массовой концентрации C_{NOx опыт} оксидов азота при работе дизеля на ПГ на оптимальных установочных УОВТ n = 2400 мин ^-1 составляет 151 ppm или 23 %.

На рис. 6 показано влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в ОГ при работе на оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала.

Из графиков видно, что при работе дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ПГ показатели процесса сгорания изменяются во всём диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала. При работе дизеля на ДТ с увеличеним частоты вращения коленчатого вала уменьшается объемное содержание оксидов азота в ОГ с 750 ppm при n = 1400 мин ^-1 до 650 ppm при n = 2400 мин ^-1. Уменьшение объемного содержания NO_х составляет 13,3 %. Массовая концентрация оксидов азота при увеличении частоты вращения коленчатого вала также уменьшается с 1,08 г/м³ при n = 1400 мин ^-1 до 0,936 г/м³ при n = 2400 мин ^-1.

Рис. 6. Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в ОГ при работе на оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала:

---- - дизельный процесс,

- - - - газодизельный процесс

Если рассматривать изменение показателей токсичности ОГ при работе дизеля на ПГ можно сделать следующие выводы: при увеличении частоты вращения уменьшается r_{NOx опыт} в ОГ от 583 ppm при n = 1400 мин ^-1 до 499 ppm при n = 2400 мин ^-1. Уменьшение содержания NO_х составляет 14,4 %. Массовая концентрация оксидов азота С_{NOx опыт} при увеличении частоты вращения коленчатого вала также уменьшается с 0,839 г/м³ при n = 1400 мин ^-1 до 0,718 г/м³ n = 2400 мин ^-1.

При работе дизеля на ПГ объемное содержание r_{NOх опыт} и массовая концентрация С_{NOх опыт} оксидов азота ниже в среднем на 20 % во всем диапазоне нагрузок и частот вращения коленчатого вала двигателя. Такой характер изменения показателей содержания NO_x объясняется интенсификацией процессов разложения NO_x в цилиндре дизеля при работе на ПГ.

В пятом разделе рассчитана эффективность использования природного газа в качестве моторного топлива в автомобильном дизеле 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при установке на автомобиль ГАЗ-3309. При переходе на ПГ годовой экономический эффект от экономии дизельного топлива с учетом снижения вредного воздействия на окружающую среду составляет 44812 руб./год на один автомобиль ГАЗ-3309 при среднегодовом пробеге 60 тыс. км. (в ценах на 01.07.2008 г.). С учетом экономии от снижения токсичности ОГ срок окупаемости составит 0,86 года.



Общие выводы

1. На основании проведенных лабораторно-стендовых исследований работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ (Д - 245.7) обоснована возможность улучшения экологических показателей дизеля при использовании ПГ, в частности снижения содержания оксидов азота в ОГ, экономии ДТ, улучшения эффективных показателей. Определены оптимальные установочные УОВТ: при работе дизеля на ПГ оптимальный установочный УОВТ И_впр = 7є до в.м.т., при работе на ДТ И_впр = 9є до в.м.т.

2. На основании теоретических исследований предложены химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ и математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ.

3. Теоретическими исследованиями рабочего процесса в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ДТ и ПГ определены значения r_{NOx теор} и C_{NOx теор} в зависимости от угла п.к.в. и установлено, что для дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе с оптимальными установочными УОВТ при n = 2400 мин ^-1 и р_е = 0,947 МПа максимальные значения C_{NOx мах теор} снижаются с 1,391 г/м³ при работе на ДТ до 1,355 г/м³ при работе на ПГ; максимальные значения r_{NOx мах теор} снижаются с 966 ppm при работе на ДТ до 941 ppm при работе на ПГ; снижение значений объемного содержания r_{NOх теор} и массовой концентрации С_{NOх теор} оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ПГ при одинаковом положении коленчатого вала, соответствующем максимальному содержанию оксидов азота в цилиндре при работе на ДТ составляет 4,8 %; выходные значения C_{NOx вых теор} снижаются с 1,069 г/м³ при работе на ДТ до 0,820 г/м³ при работе на ПГ (на 23 %); выходные значения r_{NOx вых теор} снижаются с 740 ppm при работе на ДТ до 570 ppm при работе на ПГ (на 23 %).

4. Определены опытные значения r_{NOх опыт} и С_{NOх опыт} в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ДТ и ПГ в зависимости от установочного УОВТ при n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа и при n = 1700 мин ^-1, р_е = 1,036 МПа: при работе на ПГ изменение установочного УОВТ И_впр с 5є до 9є до в.м.т. при n = 2400 мин ^-1 и р_е = 0,947 МПа приводит к изменению С_{NOх опыт} с 0,432 до 0,756 г/м³ (увеличение на 75 %). При работе на ДТ изменение установочного УОВТ с 7є до 11є до в.м.т. при n = 2400 мин ^-1 и р_е = 0,947 МПа приводит к изменению С_{NOх опыт} с 0,864 до 0,993 г/м³ (увеличение на 15 %). При работе на оптимальных УОВТ снижение С_{NOх опыт} при работе на ПГ составляет 0,218 г/м³, т.е. 23 %; при работе на ПГ изменение установочного УОВТ И_впр с 5є до 9є до в.м.т. при n = 1700 мин ^-1 и р_е = 1,036 МПа приводит к изменению С_{NOх опыт} с 0,619 до 0,792 г/м³ (увеличение на 28 %).

5. Исследованиями рабочего процесса в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ДТ и ПГ и проведенными расчетами определены r_{NOx расч} и C_{NOx расч} в зависимости от угла п.к.в. и установлено, что для дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе с оптимальными установочными УОВТ при n = 2400 мин ^-1 и р_е = 0,947 МПа максимальные значения C_{NOx мах расч} снижаются с 1,338 г/м³ при работе на ДТ до 1,303 г/м³ при работе на ПГ; максимальные значения r_{NOx мах расч} снижаются с 929 ppm при работе на ДТ до 905 ppm при работе на ПГ; снижение значений объемного содержания r_{NOх расч} и массовой концентрации С_{NOх расч} оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ПГ при одинаковом положении коленчатого вала, соответствующем максимальному содержанию оксидов азота в цилиндре при работе на ДТ составляет 4,8 %; выходные значения C_{NOx вых расч} снижаются с 1,029 г/м³ при работе на ДТ до 0,789 г/м³ при работе на ПГ (на 23 %); выходные значения r_{NOx вых расч} снижаются с 715 ppm при работе на ДТ до 548 ppm при работе на ПГ (на 23 %).

6. Определены опытные значения r_{NOx опыт} и С_{NOx опыт} в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПНОВ при работе на ДТ и ПГ, в зависимости от изменения нагрузки: при оптимальных установочных УОВТ на режиме номинальной нагрузки при n = 2400 мин ^-1 и р_е = 0,947 МПа происходит снижение объемного содержания r_{NOx опыт} и массовой концентрации С_{NOx опыт} оксидов азота с 650 ppm и 0,936 г/м³ при работе на ДТ до 499 ppm и 0,720 г/м³ при работе на ПГ, т.е. на 23 %; при оптимальных установочных УОВТ на режиме максимального крутящего момента при n = 1700 мин ^-1 и р_е = 1,036 МПа происходит снижение объемного содержания и массовой концентрации С_{NOx опыт} оксидов азота на 24 %.

7. Определены опытные значения r_{NOx опыт} и С_{NOx опыт} в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ДТ и ПГ, в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала при оптимальных установочных УОВТ: при работе дизеля на ДТ при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя с n = 1400 мин ^-1 до n = 2400 мин ^-1 происходит уменьшение r_{NOx опыт} с 750 до 650 ppm и С_{NOx опыт} c 1,08 до 0,936 г/м³; при работе дизеля на ПГ при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя с n = 1400 мин ^-1 до n = 2400 мин ^-1 происходит уменьшение объемного содержания r_{NOx опыт} с 583 до 499 ppm и массовой концентрации С_{NOx опыт} c 0,839 до 0,718 г/м³.

При работе дизеля на ПГ r_{NOx опыт} и С_{NOx опыт} в ОГ ниже в среднем на 20 % во всем диапазоне изменения частот вращения коленчатого вала двигателя.

8. Годовой экономический эффект от экономии дизельного топлива составляет 43152 руб./год на один автомобиль ГАЗ-3309 при работе на ПГ при среднегодовом пробеге 60 тыс. км. (в ценах на 01.07.2008 г.). С учетом экономии от снижения токсичности ОГ срок окупаемости составит 0,86 года.



Публикации

1. Лиханов В.А., Лопатин О.П., Скрябин М.Л. Исследование процессов образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе: монография. - Киров: Вятская ГСХА, 2008. - 150 с.

2. Улучшение эффективных показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе / М.Л. Скрябин [и др.]. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. - № 6. - С. 19-21.

...