Study of nitrogen oxides content in the cylinder of turbocharged tractor diesel engine operating on natural gas

Full Text

Введение Сжигание топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания в условиях высоких температур при локальном или общем недостатке окислителя в смеси приводит к значительному загрязнению окружающей среды токсичными веществами и сажей. Вред, наносимый экологической системе загрязняющими веществами, может быть обусловлен изменением концентрации компонентов газа в атмосфере и накоплением в ней частиц и химически активных веществ. Оксиды азота входят в число наиболее токсичных химических соединений, содержащихся в отработавших газах (ОГ) дизельных двигателей. Они образуются в процессе горения, главным образом как результат химических реакций атмосферного кислорода и азота. Взаимодействуя с парами воды в воздухе, оксиды азота образуют азотную кислоту, которая разрушает легочную ткань, вызывая хронические заболевания. Цель исследования Анализ проблемы загрязнения атмосферы ОГ дизелей и определение наиболее опасных из их токсичных компонентов позволяют сделать вывод о необходимости снижения содержания оксидов азота в ОГ. Внедрение эффективных методов снижения содержания этого токсичного компонента - важная научная задача, требующая практического решения. Материалы и методы В Вятской ГСХА на кафедре тепловых двигателей, автомобилей и тракторов проведены исследования по переводу тракторного дизеля с турбонаддувом Д-245.12С (4ЧН 11,0/12,5) на компримированный природный газ (КПГ) [1, 2]. Дизель используется на тракторах МТЗ-100, МТЗ-102, гусеничных тягачах ГАЗ-34031, ГАЗ-34039. Исследования дизеля с турбонаддувом при работе на КПГ предусматривали проведение стендовых испытаний по дизельному и газодизельному процессам с целью определения и оптимизации основных параметров работы двигателя. Испытания показали, что дизель устойчиво работает на КПГ на номинальном режиме при соотношении 80% газа и 20% запальной порции дизельного топлива. Исследования рабочего процесса проводились в дальнейшем именно при таком соотношении. В качестве загрузочного устройства при испытаниях дизеля применялся электротормозной стенд SAK-N670 (рис. 1, а, б) с балансирной маятниковой машиной. Установка была оснащена необходимым измерительным оборудованием и приборами. Частоту вращения коленчатого вала дизеля измеряли электронным цифровым тахометром ТЦ-1; расход основного топлива - электронным расходомером АИР-50; время опыта - электронным секундомером. Расход газа определяли объемным способом с помощью газового расходомера ГФК-6 с модернизированной системой отсчета на базе счетчика МЭС-66; расход потребляемого дизелем воздуха - с помощью газового счетчика РГ-400, установленного перед впускным ресивером и счетчиком импульсов МЭС-66. Для индицирования процесса сгорания в цилиндре дизеля применяли электропневматический индикатор МАИ-5А. Двухступенчатый газовый редуктор для снижения давления газа смонтировали непосредственно рядом со счетчиком для измерения расхода газа. Здесь же расположили фильтр с электромагнитным клапаном для обеспечения безаварийной работы, управляемый с пульта управления. Разрежение во впускном трубопроводе до и после смесителя-дозатора измеряли U-образными жидкостными манометрами; влажность и барометрическое давление окружающего воздуха - психрометром и барометром-анероидом; температуры окружающего воздуха и топлива - ртутными термометрами; температуру ОГ дизеля - хромель-алюмелевыми термопарами. В качестве вторичного прибора применяли логометр М-64. Для проведения стендовых испытаний на КПГ использовали передвижную заправочную станцию на базе тракторного прицепа 2ПТС-4. Отбор проб ОГ производили газозаборниками системы АСГА-Т (рис. 1, в), установленными на выпускном трубопроводе двигателя. Дымность ОГ измеряли дымомером Bosch EFAW-68A. Регулировку и проверку топливного насоса осуществляли на бестормозном стенде для испытаний топливной аппаратуры КИ-22205; форсунок - на стенде для проверки форсунок КИ-3333. Результаты и их обсуждение В работе представлены результаты экспериментальных исследований влияния КПГ на показатели токсичности и дымности ОГ, характеристики процесса сгорания, содержание и массовую концентрацию оксидов азота NOx в цилиндре дизельного двигателя [3, 4]. Были сняты регулировочные характеристики дизеля в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) Θвпр при работе по дизельному и газодизельному процессам с одновременным индицированием рабочего процесса [5] и определением токсичности и дымности ОГ (рис. 2). Характеристики снимались для определения оптимального значения установочного УОВТ при работе по дизельному и газодизельному процессам при равных значениях средних эффективных давлений, а также для оптимизации экологических и эффективных показателей дизеля и показателей процесса сгорания. Из представленных на рис. 2 графиков токсичности ОГ для частоты вращения коленчатого вала двигателя n = 1900 мин-1, соответствующей максимальному крутящему моменту, видно, что с увеличением установочного УОВТ содержание NOx в ОГ при работе двигателя по дизельному процессу возрастает от 205 ppm при Θвпр = 5° до 244 ppm при Θвпр = 17°. При работе двигателя по газодизельному процессу содержание NOx в ОГ составляет 173 ppm при Θвпр = 5° и 197 ppm при Θвпр = 14°. Во всем диапазоне изменения установочного УОВТ содержание оксидов азота в ОГ при газодизельном процессе на 14-15% меньше, чем при дизельном. Так, при Θвпр = 11° содержание NOx снижается с 225 до 190 ppm, т.е. на 15,5%. Это связано с уменьшением коэффициента избытка воздуха, что приводит к меньшему окислению азота кислородом. Содержание суммарных углеводородов СНх с увеличением установочного УОВТ в целом снижается как у дизеля, так и у газодизеля, но при этом газодизельный процесс сопровождается увеличением содержания СНх в ОГ в 11-18 раз по сравнению с дизельным процессом. Так, при Θвпр = 11° при работе по дизельному процессу содержание СНх в ОГ составляет 0,01%, а при работе на природном газе - 0,17%, т.е. в 17 раз выше. Это вызвано нарушением процесса сгорания при работе на КПГ. Содержание сажи при работе по дизельному процессу с увеличением установочного УОВТ снижается с 2,2 ед. по шкале Bosch при Θвпр = 5° до 1,1 ед. по шкале Bosch при Θвпр = 17°. При работе по газодизельному процессу содержание сажи практически не зависит от установочного УОВТ и составляет 0,1 ед. по шкале Bosch. При Θвпр = 11° при газодизельном процессе содержание сажи в ОГ в 19 раз ниже, чем при дизельном на том же установочном УОВТ. Это объясняется высокой турбулизацией заряда, приводящей к интенсификации процессов выгорания сажевых частиц в цилиндре газодизеля. Содержание СО при дизельном процессе с увеличением установочного УОВТ возрастает с 0,03% при Θвпр = 5° до 0,064% при Θвпр = 17°. При работе двигателя на КПГ содержание СО, наоборот, снижается. При Θвпр = 11° оно составляет 0,05%, что на 18% ниже, чем при дизельном процессе при том же установочном УОВТ. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что с точки зрения снижения токсичности ОГ дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе по дизельному и газодизельному процессам оптимален установочный УОВТ, равный 11°, поскольку на этом угле минимальна суммарная токсичность ОГ. На рис. 3 представлены объемное содержание и массовая концентрация оксидов азота и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ для частоты вращения коленчатого вала n = 1900 мин-1, соответствующей максимальному крутящему моменту. Из графиков на рис. 3 видно, что с увеличением УОВТ при работе по дизельному и газодизельному процессам возрастают объемное содержание и массовая концентрация NOx, а также максимальные давление газов и температура в цилиндре двигателя. При всех значениях установочных УОВТ при переходе на газодизельный процесс происходит снижение объемного содержания и массовой концентрации NOx, увеличение максимальных давления газов и температуры в цилиндре двигателя [6, 7]. Так, при работе по газодизельному процессу при Θвпр = 5° значения объемного содержания и массовой концентрации NOx составляют соответственно 258 ppm и 0,0346 г/м3, что на 2,6% ниже, чем при дизельном процессе. При работе по газодизельному процессу при Θвпр = 11° значения объемного содержания и массовой концентрации NOx составляют соответственно 262 ppm и 0,035 г/м3, что на 2,2% ниже, чем при дизельном процессе. Это связано с неравномерным распределением температуры в зоне горения, что значительно влияет на выход оксидов азота. Таким образом, по показателям объемного содержания и массовой концентрации NOx и показателям процесса сгорания для газодизеля необходимо принять оптимальный установочный УОВТ, равный 11°. Увеличение показателей процесса сгорания и характеристик тепловыделения при работе по газодизельному процессу на всех исследуемых УОВТ объясняется в первую очередь тем, что при работе на КПГ увеличивается угол, соответствующий периоду задержки воспламенения, т.е. процесс сгорания происходит за меньший период времени и более интенсивно, что, в свою очередь, препятствует окислению азота. Метано-воздушная смесь в условиях недостатка кислорода замедляет процесс образования оксидов азота в цилиндре, и их содержание в ОГ дизеля снижается. Индикаторные диаграммы дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе по дизельному и газодизельному процессам при установочном УОВТ, равном 11°, частоте вращения коленчатого вала n = 1900 мин-1 и нагрузке, соответствующей максимальному крутящему моменту, представлены на рис. 4. Из графиков на рис. 4 видно, что при работе по газодизельному процессу увеличивается угол, соответствующий периоду задержки воспламенения, и значительно возрастает максимальное давление в цилиндре. Угол наклона кривой давления увеличивается, что свидетельствует о возрастающей жесткости процесса сгорания. На линии расширения кривая давления газодизельного процесса проходит ниже аналогичной кривой дизельного процесса. Графики объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота, осредненной температуры и давления газов в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения угла ПКВ при работе по дизельному и газодизельному процессам для оптимального установочного УОВТ, равного 11°, и частоты вращения n = 1900 мин-1 представлены на рис. 5. Из графиков на рис. 5 видно, что максимальные значения объемного содержания и массовой концентрации NOx в цилиндре следуют сразу за максимальной температурой цикла, значительно превышают концентрацию NOx в ОГ и увеличиваются с увеличением максимальной температуры цикла. Так, при Θвпр = 11° и n = 1900 мин-1 при работе по газодизельному процессу максимальное объемное содержание NOx в цилиндре составляет 277 ppm, что на 4% выше содержания NOx в цилиндре при работе по дизельному процессу и на 37% выше содержания NOx в ОГ газодизеля на этом же режиме. Максимальное значение объемного содержания NOx при работе по дизельному процессу составляет 267 ppm; при этом же значении угла ПКВ объемное содержание NOx при работе по газодизельному процессу составляет 262 ppm, что на 2% ниже, чем при дизельном процессе. Максимальное значение массового содержания NOx при работе по дизельному процессу составляет 0,0357 г/м3; при этом же значении угла ПКВ массовое содержание NOx при работе по газодизельному процессу составляет 0,035 г/м3, что на 2% ниже, чем при дизельном процессе. Увеличение процентного выгорания топлива в начальный период при работе по газодизельному процессу приводит к снижению доли потерь тепла в этот период. Это вызывает увеличение коэффициента активного тепловыделения, что предопределяет более эффективное использование тепла в цилиндре дизеля в начальный период сгорания основной части топлива [8-10]. Графики объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота, максимальных температуры и давления газов в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки для установочного УОВТ, равного 11°, представлены на рис. 6. Из графиков на рис. 6 видно, что с увеличением нагрузки при работе по дизельному и газодизельному процессам возрастают объемное содержание и массовая концентрация NOx, максимальные давление газов и температура в цилиндре двигателя. Во всем диапазоне изменения нагрузок при переходе на газодизельный процесс происходит снижение объемного содержания и массовой концентрации NOx, увеличение максимальных давления газов и температуры в цилиндре. Так (см. рис. 6, а), при работе по газодизельному процессу при ре = 0,84 МПа значения объемного содержания и массовой концентрации NOx составляют соответственно 257 ppm и 0,0345 г/м3, что на 3% ниже, чем при дизельном процессе. Графики объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота, максимальных температуры и давления газов в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе по дизельному и газодизельному процессам при установочном УОВТ, равном 11°, в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя представлены на рис. 7. Из графиков на рис. 7 видно, что с увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя происходят снижение объемного содержания и массовой концентрации NOx и максимального давления газов в цилиндре, а также увеличение максимальной температуры цикла [11]. Так, при работе по газодизельному процессу при увеличении частоты вращения коленчатого вала с 1200 до 2400 мин-1 происходит уменьшение объемного содержания оксидов азота с 267 до 257 ppm и их массовой концентрации c 0,0357 до 0,0344 г/м3. При переходе на газодизельный процесс объемное содержание и массовая концентрация NOx ниже в среднем на 3% во всем диапазоне изменения частот вращения коленчатого вала. Выводы Представленные графики достаточно убедительно свидетельствуют о возможности снижения содержания оксидов азота в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с наддувом при работе на КПГ. Так, при оптимальном установочном УОВТ, равном 11°, при переходе на газодизельный процесс на режиме максимального крутящего момента происходит снижение содержания оксидов азота в ОГ на 15,5%, сажи - в 19 раз, оксида углерода - на 18%.

About the authors

V. A Likhanov

Vyatka State Agricultural Academy

DSc in Engineering Kirov, Russia

O. P Lopatin

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru
PhD in Engineering Kirov, Russia

References

Supplementary files