Analysis and development of the heat exchanger for the exhaust gas recirculation system of the transport diesel engine

Full Text

Введение В настоящее время дизель занимает доминирующее положение среди существующих энергетических установок с мощностью больше 120 кВт в секторе автомобильного транспорта. Основными направлениями совершенствования показателей транспортных дизелей (ТД) являются: снижение токсичности отработавших газов (ОГ); уменьшение удельного эффективного расхода топлива, уровня вибрации и шумности двигателя, удельной массы двигателя; увеличение срока службы моторного масла, литровой мощности, интервала между техническими обслуживаниями, ресурса работы двигателя [2]. На протяжении последнего десятилетия основной движущей силой развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и в частности ТД, является происходящее через определенные промежутки времени ужесточение нормативных ограничений по токсичности ОГ. Так, например, действующие в Европе нормативы для ТД Euro 5 по сравнению с нормативами Euro 4 характеризуются ужесточением требования по выбросам оксида азота - NOx на 43 %, при этом ужесточения требований по выбросам «твердых» частиц, углеводородов и монооксида углерода не происходит (табл. 1). По опыту ведущих зарубежных производителей и исследовательских институтов для достижения ТД нормативов Euro 5 требуется модернизация целого ряда деталей и агрегатов двигателя [5]. Наряду с необходимостью снижения токсичности ОГ следует учитывать важность снижения финансовых затрат на топливо, которые составляют примерно 30 % всех затрат, идущих на жизненный цикл грузового автомобиля. Как показывает практика, использование традиционных способов снижения токсичности ОГ в ТД, в том числе и за счет уменьшения угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ), приводит, при переходе на более высокий уровень нормативов по экологии, к постепенному ухудшению топливной экономичности двигателя. Поэтому актуальной становится задача снижения токсичности ОГ при сохранении высокой топливной экономичности двигателя. Ввиду присутствия в дизеле процесса неравномерности и нестабильности топливоподачи происходит ухудшение основных показателей двигателя, таких как мощность, расход топлива и экология [3]. С целью снижения токсичности ОГ необходимо применение в ТД дополнительных систем очистки и нейтрализации токсичных компонентов ОГ, а также, например, системы рециркуляции отработавших газов совместно с оптимизацией конструктивных и регулировочных параметров двигателя. Опыт применения рециркуляции отработавших газов в дизелях Рециркуляция ОГ, как способ снижения выбросов NOx, известен с начала 60-х годов прошлого века. Однако на серийно выпускаемых дизелях она стала использоваться только с 1990-х годов, когда началось интенсивное ужесточение нормативов по токсичности ОГ. В настоящее время система рециркуляции ОГ нашла широкое применение пока только в дизелях для легковых автомобилей. Это в значительной степени связано, во-первых, с тем, что дизелю для легкового автомобиля по сравнению с ТД труднее соответствовать нормативам по токсичности ОГ и у него хуже топливная экономичность вследствие меньшего рабочего объема и диаметра поршня. Во-вторых, в связи с меньшими величинами расхода воздуха и КПД турбокомпрессора в дизелях для легковых автомобилей легче реализовать рециркуляцию ОГ по схеме высокого давления в области высоких нагрузок [4]. В работе А.Н. Воинова [1] отмечается, что в дизеле существенного уменьшения выбросов NOx удается достигнуть снижением максимальных температур пламени путем разбавления засасываемого воздуха какими-либо инертными газами (H2O, CO, N2). Наиболее простым и практически сравнительно легко реализуемым способом является использование частичной рециркуляции ОГ, отбираемых из выпускного тракта, которые после их очистки от сажевых частиц и некоторого охлаждения добавляются к засасываемому двигателем воздуху. Использование «охлаждаемой» рециркуляции ОГ более предпочтительно нежели «неохлаждаемой», так как улучшает наполняемость цилиндров воздушным зарядом, а также обеспечивает более низкие температуры газов в период сгорания, что будет способствовать уменьшению количества образующих NOx. В.И. Смайлисом [7] было установлено, что наиболее эффективным способами снижения выбросов NOx с ОГ в дизеле является перепуск части ОГ на всасывание и уменьшение УОВТ. Однако оба этих мероприятия в ряде случаев приводят к увеличению химической неполноты сгорания топлива, а следовательно, к росту выделения двигателем таких вредных веществ, как окись углерода - СО, альдегиды, сажа и др. Экспериментальное исследование транспортного дизеля с системой рециркуляцией отработавших газов Задачами экспериментального исследования являются: - проверка целесообразности применения в ТД теоретически разработанной организации рабочих процессов с использованием рециркуляции ОГ и характеристик управления основными регулировками процесса сгорания; - определение оптимального для ТД состава системы рециркуляции ОГ высокого давления с точки зрения достижения наилучших соотношений между выбросами вредных веществ с ОГ (достижение экологического уровня Euro 5) и топливной экономичностью двигателя. Объект исследований и испытательное оборудование Исследования проводились на транспортном дизеле 8ЧН 12/13, основные параметры которого приведены в табл. 2 Исследуемый двигатель комплектовался: - макетной системой рециркуляции ОГ (EGR); - головками цилиндров с моментом вихря Мв = 1,6±0,1 кГ·см. Схема системы EGR представлена на рис. 1. Испытания двигателя проводились на стенде, оборудованном асинхронной машиной Dynas3 HD 460 фирмы Schenck, расходомером топлива модели КМА 4000 фирмы Pierburg и другими измерительными приборами в соответствии с требованиями ГОСТ 14846-81, ГОСТ Р 41.49-2004. Измерение концентрации газообразных выбросов вредных веществ (ВВВ) с ОГ, в том числе оксидов азота (NOx), оксида углерода (СО), суммарных углеводородов (СН), величины степени рециркуляции (Kрец), проводилось газоанализатором модели MEXA-7400D фирмы HORIBA, частиц (РТ) - микротоннелем модели MICROTROL 5 фирмы NOVA-MMB; ВВВ ОГ проводилось по методике Правил № 49(I)-04 ЕЭК ООН на стационарных режимах работы (цикл ESC). Для имитации комплектации двигателя в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН при испытаниях двигателя на режиме номинальной мощности устанавливалось противодавление в системе выпуска ~1600 мм вод.ст., а разрежение на впуске составляло ~750 мм вод.ст. Двигатель испытывался без вентилятора, компрессора и насоса гидроусилителя руля, а также при различных регулировках по степени рециркуляции ОГ. Расчет ВВВ с ОГ проводился с учетом мощности, потребляемой вентилятором (рис. 2). Степень рециркуляции регулировалась изменением положения заслонок по наддувочному воздуху (далее - заслонка НВ) и по рециркулируемым газам (далее - заслонка РГ) (поз. 8.1 и 8.2, рис. 1). Увеличение Крец осуществлялось двумя способами: 1) открытием заслонки РГ при полностью открытой заслонке НВ; 2) закрытием заслонки НВ при полностью открытой заслонке РГ. ВВВ с ОГ измерялись без рециркуляции и с рециркуляцией ОГ. Измерения ВВВ с ОГ проводились в двух вариантах настроек таблиц аппликационных параметров (ТАП): в базовой настройке двигателя (ТАП-1) и в настройке с корректированными значениями углов опережения впрыскивания топлива (ТАП-2). Настройка ТАП-2 проведена с целью снижения выбросов NOx. Значения углов опережения впрыскивания топлива и давления в рейле ТА по режимам 13-ступенчатого ESC цикла представлены в табл. 3. Охлаждение рециркулируемых газов в теплообменнике EGR осуществлялось водой. При снятии регулировочных характеристик подвод воды к теплообменнику EGR осуществлялся из внешнего контура стендовой системы охлаждения, температура воды при этом составила 10…19 ºС. При испытаниях по ESC циклу подвод воды к теплообменнику EGR производился из внутреннего контура системы охлаждения двигателя, температура воды при этом составила 74…80 ºС. Для оценки показателей теплообменника EGR проведен расчет с использованием следующих величин. Эффективность теплообменника EGR [6]: , %, где Т1, Т2 - температура РГ, соответственно, на входе в теплообменник «EGR» и на выходе из него; Тw1 - температура воды на входе в теплообменник EGR. Тепловой поток теплообменника EGR (количество теплоты, отводимое при охлаждении РГ): , кДж/ч, где Gw, Gрг - массовые расходы охлаждающей и охлаждаемой сред (воды и РГ); Сw, Срг - средние удельные теплоемкости охлаждающей и охлаждаемой сред для воды: Сw = 4,187 кДж/(кг·К), для РГ: Срг = 1,162 кДж/(кг·К); - перепад температуры воды в теплообменнике; - перепад температуры РГ в теплообменнике. Расход РГ: кг/ч, где Gог - общий расход ОГ; Gв, Gт - расход воздуха и топлива, соответственно. Расчетный расход воды: , кг/ч. Тепловая нагрузка на систему охлаждения (мощность, необходимая для охлаждения РГ): , кВт. Оценка теплообменника EGR проведена на режиме с наибольшими значениями расхода РГ и температуры воды на входе в теплообменник. Результаты испытаний транспортного дизеля 8ЧН 12/13 На первом этапе определяли показатели выбросов вредных веществ без применения рециркуляции ОГ и с применением при различных регулировках угла опережения впрыскивания топлива. В табл. 4 представлены значения удельных ВВВ с ОГ. Экспериментально установлено, что испытанная система EGR в диапазоне работ двигателя n = 1250…1750 мин-1 обеспечивает степень рециркуляции Kрец = 0,013…0,09 (рециркуляцию ОГ в количестве 1,3…9 % от Gог). Большие значения Kрец наблюдаются на высоких частотах вращения коленчатого вала двигателя, соответственно, там, где соотношение Рт/Рк1 более высокое. Из двух способов управления степенью рециркуляции предпочтительным является способ 1 (регулировка заслонкой РГ при открытой заслонке НВ), второй способ управления (регулировка заслонкой НВ при открытой заслонке РГ) неприемлем в виду увеличения сопротивления в смесителе (п. 8.1, рис. 1) при закрытии заслонки НВ и значительного падения давления наддувочного воздуха (на ~ 0,2…0,8 кгс/см2), снижения расхода воздуха (Gb уменьшается на ~70…370 кг/ч) и, как следствие, ухудшения топливной экономичности двигателя (ge ухудшается на 8…14 г/лсч). Наибольшая эффективность системы EGR по снижению удельных выбросов оксидов азота достигается при полностью открытой заслонке РГ (при наибольшей степени рециркуляции). Исходя из этого, испытания по циклу ESC проводились при полностью открытой заслонке РГ. Из анализа результатов ESC цикла следует, что в базовом варианте двигателя (ТАП-1, без рециркуляции) выполнение норм Евро 5 возможно при снижении NOx на ~81 %. Испытанная система EGR снижает NOx на ~28 %, а совместно с корректировкой углов опережения впрыскивания топлива - на ~46 %. Установлено, что величина Крец зависит от температуры РГ (температуры Т2), т.е. от эффективности теплообменника EGR. Так, из сравнения режимов регулировочных характеристик и ESC цикла, имеющими разное значение Т2, следует, что при снижении Т2 на 1 °С степень рециркуляции увеличивается на ~0,002…0,019 %. По рекомендациям фирмы MODINE (производит теплообменники EGR для средних и тяжелых грузовых автомобилей) рециркулируемые газы необходимо охлаждать до температур ~150…180 °С. Испытанный теплообменник EGR на режимах с большими значениями расхода РГ и температуры воды на входе в теплообменник (режимы С100 и С75 ESC цикла) не обеспечивает достаточной эффективности охлаждения РГ (Е = 66…67,5 %), температура РГ на выходе из теплообменника составляет ~220…250 °С. Для оценки необходимых параметров теплообменника системы EGR с уровнем рециркуляции 25 % проведен предварительный расчет, представленный в табл. 5. Из расчета следует, что при повышении рециркуляции ОГ до 25 % для поддержания температуры РГ после теплообменника EGR на уровне 150 °С необходим теплообменник с эффективностью ~88 %, обеспечивающий отвод теплоты в количестве ~261 МДж/ч, тепловая нагрузка на систему охлаждения при этом оставляет ~73 кВт, расчетное количество расхода воды для перепада ∆Тw = 10 °С составляет ~6 м3/ч. Заключение Экспериментально показано, что применение в ТД теоретически разработанной организации рабочих процессов с использованием рециркуляции ОГ и характеристик управления основными регулировками процесса сгорания целесообразно. Для исследования возможности снижения выбросов NOx ТД 8ЧН 12/13 до уровня Euro 5 рекомендуется повысить степень рециркуляции системы EGR до 25 %, увеличив пропускную способность смесителя. А также необходимо использовать радиатор системы охлаждения с большей на 73 кВт тепловой мощностью или применить дополнительный низкотемпературный контур охлаждения для теплообменника EGR. Таблица ١ Экологические требования (предельные значения по ESC и ELR тестам) Выбросы/Стандарты Монооксид углерода (СО), г/кВт·ч Углеводород (НС), г/кВт·ч «Твердые» частицы (РТ), г/кВт·ч Оксид азота (NOx), г/кВт·ч Euro 4 1,5 0,46 0,02 3,5 Euro 5 1,5 0,46 0,02 2 Euro 6 1,5 0,25 0,02 2 Таблица ٢ Параметры транспортного дизеля ٨ЧН ١٢/١٣ Тип двигателя V-8 Диаметр цилиндра, мм 120 Ход поршня, мм 130 Рабочий объем, л 11,76 Степень сжатия 17,9 Номинальная мощность, кВт 324 Частота вращения при номинальной мощности, мин-1 1900 Максимальный крутящий момент, Н·м 210 Частота вращения при максимальном крутящем моменте, мин-1 1300±50 Количество клапанов на цилиндр 2 впускных 2 выпускных Система наддува ТКР+ОНВ Экологический уровень Euro 4 Рис. 1. Схема системы EGR: 1 - двигатель; 2 - охладитель наддувочного воздуха (ОНВ); 3 - коллектор выпускной левый; 4 - коллектор выпускной правый; 5 - компрессор ТКР; 6 - турбина ТКР; 7 - теплообменник EGR: 7.1 - полости рециркулируемых газов (РГ), 7.2 - полости охлаждающей жидкости (ОЖ); 8 - узел подготовки смеси воздуха и РГ: 8.1 - заслонка наддувочного воздуха с пневмоцилиндром, 8.2 - заслонка РГ с пневмоцилиндром, 8.3 - смеситель (сопло Вентури); А - воздух на входе в компрессор; Б - наддувочный воздух после ТКР; В - наддувочный воздух с РГ до ОНВ; Г - надувочный воздух с РГ после ОНВ; Д - ОГ до турбины; Е - РГ до теплообменника EGR; Ж - РГ после теплообменника EGR; И - ОГ после турбины; К - подвод охлаждающей жидкости; Л - отвод ОЖ Рис. 2. График мощности, потребляемой вентилятором Таблица ٣ Значение УОВТ и давления в рейле ТА Режим n, мин-1 Нагрузка, ٪ Угол опережения впрыскивания топлива, град Давление в рейле, бар ТАП-١ ТАП-٢ 1 х.х. 600 0 0 0 500 2 А١٠٠ 1250 100 6 1 1600 3 В٥٠ 1500 50 2 -5 1600 4 В٧٥ 1500 75 3 -4 1600 5 А٥٠ 1250 50 2 -5 1580 6 А٧٥ 1250 75 3 -3 1580 7 А٢٥ 1250 25 1 -4 1300 8 В١٠٠ 1500 100 6 0 1600 9 В٢٥ 1500 25 1 -5 1380 10 С١٠٠ 1750 100 7 2 1600 11 С٢٥ 1750 25 1 -3 1400 12 С٧٥ 1750 75 3 -1 1600 13 С٥٠ 1750 50 2 -2 1560 Таблица ٤ Значение удельных ВВВ с ОГ Вариант NOx СН СО РТ г/кВт·ч Без рециркуляции ОГ ТАП-١ 10,46 0,19 0,47 0,012 ТАП-٢ 7,91 0,18 0,33 0,014 С рециркуляцией ОГ ТАП-١ 7,57 0,17 0,52 0,014 ТАП-٢ 5,69 0,17 0,38 0,016 Предельные нормы Euro 5 2 0,46 1,5 0,020 Таблица ٥ Результаты предварительного расчета Kрец Т1, °С Т2, °С Тw1, °С Тw2, °С Е, % Gог, кг/ч Gрг, кг/ч Qрг, кДж/ч Gwp, кг/ч Nт, кВт 0,250 650 150 90 80 88 1800 450 261450 6051 72,63

About the authors

R. E.H Zaripov

Naberezhnye Chelny Institute of Kazan Federal University

V. N Nikishin

Naberezhnye Chelny Institute of Kazan Federal University

DSc in Engineering

A. S Kulikov

Scientific and Technical Center of PJSC «KAMAZ»

Email: rivalzaripov@mail.ru

References

Supplementary files