Применение топливоподающей аппаратуры с увеличенным давлением впрыска для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение экологической безопасности автотракторной техники и снижение техногенной нагрузки на окружающую среду является одной из основных проблем, решаемых в настоящее время мировым сообществом. Это объясняется колоссальным ростом количества мобильной техники, использующей в качестве топливного окислителя кислород воздуха и загрязняющей отработавшими газами окружающую среду. В свою очередь, загрязнение окружающей среды вызывает целый ряд необратимых последствий, в том числе, связанных с потеплением климата, выпадением кислотных осадков, ухудшением климатических условий и т.д.

К настоящему времени многие автомобильные и транспортные дизельные двигатели оснащаются топливными системами с электронным управлением. Это позволяет более точно оптимизировать рабочий процесс на всех характерных режимах эксплуатации и добиться уменьшения вредных выбросов. По мнению многих исследователей, электронное управление в сочетании с высоким давлением впрыска в пределах 135200 МПа, позволяет разрешить противоречие в достижении наиболее высокой экономичности и наиболее низкой токсичности дизелей [1, 2].

Применение аккумуляторных систем «Common-Rail (CR)» увеличивает перспективы управления рабочими процессами дизелей, например, за счет управления давлением и характеристикой впрыска [3, 4].

Наряду с расширением возможностей электронного управления ставится вопрос и о целесообразности увеличения давления впрыска вплоть до 1800 МПа. Вместе с тем в эксплуатации остаются миллионы дизелей с традиционной топливоподающей аппаратурой (ТПА).

Проблемам повышения экологического качества поршневых двигателей посвящены работы Варшавского И.Л., Малого Р.В., Воинова А.Н., Луканина В.Н., Кутенева В.Ф., Кисуленко Б.Г., Звонова В.А., Иващенко Н.А., Смайлиса В.И., Горбунова В.В., Патрахальцева Н.Н., Демочки О.И., Кульчицкого А.Р., Фомина В.Ф., Кузнецова И.В., Новоселова А.Л., Корнилова Г.С., Панчишного В.И, Каменева В.Ф., Сырбаева В.И., Kitamir T., Taylor K.C., Heywood J.B., Dumesic J.A., Lee T., Topsoe N.Y., Koltakis G.C., Chanders K., Pontikakis G.N., Chatterjee D.L. и других российских и зарубежных инженеров исследователей [1-8].

Возможности снижения токсичности отработавших газов дизеля путем увеличения давления впрыска топлива в цилиндре также отмечаются рядом исследователей [1–4, 7].

Проблема снижения вредных выбросов поршневых двигателей внутреннего сгорания с отработавшими газами является актуальной в настоящее время, так как выполнение стандартов ЕВРО 4/5/6 становится все более сложно как для новой автотракторной техники, так и для уже находящейся в эксплуатации.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Настоящее исследование направлено на решении важной прикладной задачи – сокращение вредных выбросов в атмосферу и снижение техногенной нагрузки на окружающую среду путем увеличения давления впрыска топлива в цилиндре.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Авторами настоящей работы изучены вопросы о возможности снижения токсичности отработавших газов дизеля путем увеличения давления впрыска топлива в цилиндре для различных модификаций дизелей размерности 15/18 по результатам стендовых испытаний.

Для получения сравнительных данных были отобраны результаты испытаний, включающие измерения по ГОСТ 31967-2012, ГОСТ Р 51249-99 и ГОСТ 24028-2013 выбросов вредных веществ с отработавшими газами и их дымности. Дизели были собраны согласно общим техническим условиям по ГОСТ 10150-2014. Методы испытаний соответствуют ГОСТ 10448-2014.

Были испытаны дизели 6Ч15/18 (7Д6-150) с номинальной мощностью 110 кВт при 1500 мин^-1, удельным эффективным расходом топлива 224 г/(кВт·ч) и угаром масла 0,32% от расхода топлива, предназначенного для дизель-генераторных установок.

Испытания проводились на топливе по ГОСТ 305-2013 Л-0,2-40, использовалось масло МТ-16П. Испытания проводились в следующих условиях окружающей среды: температура воздуха в боксе Т₀ = 294–296 К, атмосферное давление Р₀ = 747–752 мм рт. ст., относительная влажность воздуха составляла W₀ = 76–80%.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При испытаниях на установившихся режимах был проведен отбор отработавших газов дизеля на анализ их состава и определение дисперсности твердых частиц (ТЧ) при увеличении давления впрыска топлива затяжкой пружин форсунок.

На рис. 1 представлены данные о влиянии затяжки пружины форсунки на выбросы ТЧ дизелем 4Ч13/14. С увеличением затяжки пружин P_В снижаются выбросы твердых частиц с отработавшими газами и повышается топливная экономичность дизеля.

 

Рис. 1. Влияние затяжки пружины форсунки на выбросы ТЧ дизеля 4Ч13/14 при 1750 мин^-1, $\overline{N_e}$=100%.

 

В результате испытания обнаружено, что при увеличении затяжки пружин форсунок P_В со 160 до 185 кПа выбросы оксида азота (NO_х) уменьшаются на 15%, оксида углерода (СО) – на 15%, углеводородов (С_хН_у) – на 54%, твердых частиц – на 33%.

В табл. 1 представлены данные о влиянии давления впрыска на уровни вредных выбросов дизеля Д6Н-250 (6ЧН15/18) по основным компонентам отработавших газов.

 

Таблица 1. Влияние давления впрыска на уровни вредных выбросов с отработавшими газами дизеля

Table 1. Influence of injection pressure on levels of harmful emissions from diesel exhaust gases

Оценочные показатели	Значения оценочных показателей, г/(кВт·ч)							Степень превышения допустимых выбросов по стандартам ЕВРО-3/4/5/6/РФ для Рв=185 кПа
	допустимые стандартами					действительные при Рв
	ЕВРО-3	ЕВРО-4	ЕВРО-5	ЕВРО-6	для России (с 2021 г.)	160 кПа	185 кПа
	5,00	3,50	2,00	0,40	6,00	14,51	12,35	2,47/3,53/6,18/30,88/2,05
	2,10	1,50	1,50	1,50	3,50	14,31	12,55	5,97/8,36/8,36/8,36/3,59
	0,60	0,46	0,25	0,13	0,40	0,52	0,24	0,4/0,52/0,96/1,85/0,6
	0,10	0,02	0,02	0,01	0,10	0,49	0,33	3,3/16,5/16,5/33/3,3

 

Анализ данных табл. 1 показал, что при изменении давления впрыска со 160 до 185 кПа на исследуемом дизеле можно рассчитывать на то, что выбросы NO_х будут превышать нормы ЕВРО-3 в 2,47 раза, и ЕВРО-4 – в 3,53 раза, ЕВРО-5 в 6,18 раз, ЕВРО-6 в 30,88 раз, России в 2,05 раза. Выбросы С_хН_у снижаются и удовлетворяют нормам как ЕВРО-3, так и ЕВРО-4, ЕВРО-5 и России.

Изменение выбросов СО при увеличении Р_В объясняется улучшением смесеобразования и лучшей подготовкой топлива к сгоранию. Выбросы С_хН_у свидетельствуют о значительном улучшении полноты сгорания топлива в цикле работы дизеля.

Выбросы твердых частиц с отработавшими газами снижаются из-за интенсификации смешения воздуха и паров топлива, способствующего более полному выгоранию сажи в цилиндре.

Результаты влияния давления начала впрыска топлива на уровни вредных выбросов твердых частиц, оксида углерода, углеводородов и оксидов азота в составе отработавших газов дизеля Д6Н-250 (6ЧН15/18) по нагрузочной характеристике при 1500 мин^-1 представлены на графиках рис. 2, 3, 4.

 

Рис. 2. Влияние давления начала впрыска топлива на уровни выбросов ТЧ дизеля Д6Н-250 (6ЧН15/18) по нагрузочной характеристике при 1500 мин^-1.

 

Рис. 3. Влияние давления начала впрыска топлива на уровни выбросов оксида углерода и углеводородов дизеля Д6Н-250 (6ЧН15/18) по нагрузочной характеристике при 1500 мин^-1.

 

Рис. 4. Влияние давления начала впрыска топлива на уровни выбросов оксидов азота дизеля Д6Н-250 (6ЧН15/18) по нагрузочной характеристике при 1500 мин^-1.

 

Результаты оценки показали, что техногенная нагрузка составила Н_ТН=51,34 ут/г при Р_В =160 кПа и Н_ТН = 43,66 ут/г при Р_В=185 кПа, что свидетельствует о снижении техногенной нагрузки в 1,17 раза или на 15%.

Для оценки возможности использования фильтров твердых частиц в системе выпуска изучена дисперсность ТЧ при изменении давления впрыска топлива. Результаты обработки фильтров, полученные с помощью дымомера Bosch, представлены на графиках (рис. 5).

 

Рис. 5. Дисперсность ТЧ при изменении давления впрыска топлива дизеля Д6Н-250 (6ЧН15/18).

 

Изменение давления впрыска топлива дизеля с 185 до 140 кПа приводит к увеличению среднего диаметра твердых частиц в отработавших газах дизеля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

По результатам проведенных исследований были сделаны следующие выводы:

1. Повышение давления впрыска является одним из путей снижения техногенной нагрузки на окружающую среду.
2. Вопрос о влиянии давления впрыска на уровни вредных выбросов требует тщательного изучения для объяснения воздействия в цикле на формирование концентраций отдельных компонентов отработавших газов.
3. Выполнение требований, предусмотренных стандартами ЕВРО-4/5/6 на последующие годы затруднительно без применения дополнительных комплексных мероприятий.
4. Снижения вредных выбросов с отработавшими газами дизелей до требуемых норм можно достичь, например, одновременным применением топливоподающей аппаратуры с увеличенным давлением впрыска топлива в цилиндр и установкой каталитического нейтрализатора, сажевого фильтра в систему последующей обработки отработавших газов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.А. Мельберт ― подготовка к испытаниям, обработка результатов исследования, написание текста рукописи; Ч.Х. Нгуен ― обзор литературы, проведение испытаний, обработка результатов исследования, редактирование текста рукописи; А.В. Машенский ― проведение испытаний, обработка результатов, редактирование текста рукописи, создание изображений. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. A.A. Melbert ― preparation for testing, processing the results of the study, writing the text of the manuscript; Tr.H. Nguyen ― literature review, testing, processing of research results, editing the text of the manuscript; A.V. Mashensky ― conducting tests, processing the results, editing the text of the manuscript, creating images. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Об авторах

Алла Александровна Мельберт

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Email: aamelbert@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3973-8315
SPIN-код: 5949-5831

д.т.н., профессор, заведующая кафедрой безопасности жизнедеятельности

Россия, Барнаул

Чан Хынг Нгуен

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Email: hungtnut.nguyen@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0276-2303
SPIN-код: 5702-0442

аспирант кафедры безопасность жизнедеятельности

Россия, Барнаул

Александр Викторович Машенский

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Автор, ответственный за переписку.
Email: aleksandr.mashenskiy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4013-8648
SPIN-код: 6339-5630

инженер, соискатель кафедры безопасность жизнедеятельности

Россия, Барнаул

Список литературы

Дополнительные файлы