Possibility of reduction of the environmental impact of a diesel engine by means of changing the compression ratio

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Ежегодный рост количества мобильных машин и энергетических установок с дизельными двигателями во много раз опережает темпы улучшения их экологических качеств [1]. Вопреки всем прогнозам, в настоящее время применение экологически чистых двигателей, способных составить конкуренцию поршневым двигателям, ограничено в сельскохозяйственном производстве. В то же самое время, сельскохозяйственное производство само по себе является источником загрязнения воздуха, в связи с чем решение проблемы снижения вредных выбросов с отработавшими газами ДВС, применяющихся в АПК, является одним из эффективных методов снижения техногенной нагрузки на окружающую среду [2, 3].

Мировые стандарты на вредные выбросы с отработавшими газами ДВС постоянно становятся жёстче. Это свидетельствует о всё более усложняющемся их выполнении. Поэтому разработка и применение новых технических средств в решении вопроса уменьшения техногенной нагрузки является перспективным и актуальным направлением [1–12].

Возможности снижения токсичности отработавших газов дизеля путем изменения степени сжатия использованы большинством фирм и отмечены рядом исследователей [1, 4–12].

Цель работы — поиск способов уменьшения техногенной нагрузки на окружающую среду от вредных выбросов дизелей мобильных машин путём изменения степени сжатия.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В настоящей работе конкретно описаны экспериментальные данные, полученные при стендовых испытаниях дизеля 4ЧН 15/18(БМ-4). Стенды были оборудованы по ГОСТ 14846-2020. Дизели были собраны согласно общим техническим условиям по ГОСТ 10150-2014. Методы испытаний соответствовали ГОСТ 10448-2014.

Условия испытаний: номинальная (эффективная) мощность N_e=250 кВт, частота оборотов коленчатого вала n=1900 мин^-1, удельный эффективный расход топлива g_e=224 г/кВт·ч, угар масла ∆m=0,29%. температура окружающей среды Т₀=290…292 К, атмосферное давление Р₀ =0,100…0,101 МПа, относительная влажность воздуха ϕ₀=80…83%. В эксперименте использовали дизельное топливо по ГOCT 305-2013, марка Л-0,2-40, и моторное масло по ГОСТ 6360-2020, марка МТ-16П.

Исследование выбросов вредных веществ (СО, С_xH_y, NO_x) проводили на газоанализаторе АВГ-4-0-5-01 по ГОСТ 31967-2012. Измерение дымности (с пересчётом на выбросы твёрдых частиц — ТЧ) по ГОСТ 24028-2013, на дымомере BOSCH [2, 3, 13].

Все измерения произведены на установившихся режимах (по ВСХ — по мощности, оборотам и по часовому расходу топлива).

По программе испытаний отбирались отработавшие газы дизеля, проводился анализ их состава и дисперсности твёрдых частиц при степенях сжатия ε=13,5…14,5…15,5 по нагрузочной характеристике при 1900 мин^-1. Все испытания при различных значениях ε были проведены предприятием-изготовителем дизелей.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате испытания было обнаружено, что увеличение степени сжатия ε с 13,5 до 15,5 приводит к снижению выбросов с отработавшими газами твердых частиц (ТЧ), углеводородов (C_xH_y) и оксида углерода (СО) (рис. 1). В то же время по всей нагрузочной характеристике от Р_е=0 до Р_е=1,24 МПа при 1900 мин^-1 возрастают выбросы оксидов азота (NO_x) (рис. 1, а). Этот результат можно объяснить тем, что при увеличении степени сжатия и неизменной цикловой подаче температура в цилиндре становится выше, положение Тmax сдвигается к ВМТ, в то время как вероятность окисления азота возрастает.

 

Рис. 1. Влияние степени сжатия на уровни вредных выбросов дизеля 4ЧН15/18 по нагрузочной характеристике при 1900 мин¹: a — содержание оксидов азота (С_NOx) и твёрдых частиц (С_ТЧ) в отработавших газах при изменении степени сжатия ε с 13,5 до 15,5; b — содержание оксида углерода (С_Со) и углеводородов (С_СхНу) в отработавших газах при изменении степени сжатия ε с 13,5 до 15,5; с — дисперсность твёрдых частиц (d_ТЧ) при изменении степени сжатия ε с 13,5 до 15,5.

Fig. 1. Impact of the compression ratio on levels of harmful emissions of the 4ChN15/18 diesel engine at the load curve at 1900 rpm: a — the content of nitrogen oxides (С_NOx) and solid particles (С_hm) in the exhaust gases with a change in the compression ratio ε from 13.5 to 15.5; b — is the content of carbon monoxide (С_Со) and hydrocarbons (С_СхНу) in the exhaust gases when the compression ratio change from 13.5 to 15.5; с — is the dispersion of solid particles (d_pm) with a change in the compression ratio ε from 13.5 to 15.5.

 

Изменение выбросов при увеличении степени сжатия объясняется тем, что полнота сгорания возрастает, период задержки воспламенения становится короче и время, отводимое на сгорание топлива, увеличивается в цикле. Выбросы твёрдых частиц (ТЧ) с отработавшими газами значительно сокращаются с 0,122 до 0,063 (при Р_е=1,24 МПа и n=1900 мин^-1) или практически в два раза (см. рис. 1, а). Изменение выбросов C_xH_y представлено на рис. 1, b.

Рост ε приводит к более высокому прогреву заряда вблизи холодных стенок гильзы цилиндра, что повышает полноту сгорания.

В соответствии с поставленными задачами была изучена дисперсность ТЧ при изменении степени сжатия в цилиндрах (см. рис. 1, c).

 

Таблица 1. Влияние степени сжатия на величины оценочных показателей вредных выбросов дизеля 4ЧН 15/18

Table 1. Impact of the compression ratio on values of the indicators of harmful emissions of the 4ChN15/18 diesel engine

Оценочные показатели вредных выбросов	Значение оценочных показателей, г/(кВт·ч)								Кратность превышения допустимых оценочных показателей по стандартам: Stage 2/3a/3b/4/РФ при ε = 14,5
	Допустимые стандартами					Действительные при степени сжатия, ε
	Stage 2	Stage 3a	Stage 3b	Stage 4	для РФ (с 2021 г.)	13,5	14,5	15,5
$q_{OЦ N{O}_x}$	6,00	4,0	2,00	0,40	6,00	9,75	11,30	18,35	1,88/2,83/5,65/28,3/1,88
$q_{OЦ CO}$	3,50	3,50	3,50	3,50	3,50	11,60	10,50	9,50	3/3/3/3/3
$q_{OЦ C_x{H}_y}$	1,00	1,00	0,19	0,19	0,40	1,82	1,70	1,34	1,7/1,7/8,95/8,95/4,25
$q_{OЦ ТЧ}$	0,20	0,20	0,20	0,02	0,10	0,15	0,14	0,13	0,7/0,7/0,7/7/1,4

Анализ данных табл. 1 показал, что при изменении степени сжатия с 13,5 до 15,5 оценочные показатели значительно изменяются: по оксидам азота — в 1,88 раза; по оксиду углерода — в 1,22 раза; по углеводородам — в 1,35 раза; по твёрдым частицам — в 1,15 раза.

Техногенная нагрузка на окружающую среду была рассчитана по методике, приведённой в [2, 3], и составила Н_тн=78,31 ут/г при серийной комплектации при ε=13,5 и Н_тн=90,4 ут/г при ε=14,5, что свидетельствовало об её снижении в 1,15 раза при уменьшении ε до 13,5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Степень сжатия может быть принята за регулируемый параметр при решении задач снижения выбросов оксидов азота с отработавшими газами;
2. Степень сжатия незначительно влияет на изменение выбросов ТЧ и СО.
3. При уменьшении степени сжатия с 14,5 до 13,5 техногенная нагрузка на окружающую среду снижается в 1,15 раз.
4. Снижения вредных выбросов с отработавшими газами дизелей до требуемых норм стандартов Stage и РФ можно достичь применением комплексных методов, например, одновременным изменением степени сжатия и установкой каталитического нейтрализатора или сажевого фильтра.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.А. Мельберт ― подготовка к испытаниям, обработка результатов исследования, написание текста рукописи; Е.А. Машенская ― обзор литературы, проведение испытаний, обработка результатов исследования, редактирование текста рукописи; А.Ю. Калин ― проведение испытаний, обработка результатов, И.С. Литвиненко ― 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, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

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

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

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions. A.A. Melbert ― preparation to the tests, processing the study results; writing the text of the manuscript; E.A. Mashenskaya ― literature review, conducting the test, processing the study results; editing the text of the manuscript; A.Yu. Kalin ― conducting the tests, results processing; I.S. Litvinenko ― conducting the test, results processing, editing the text of the manuscript, creating the figures. 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, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Disclosure of interests. The authors declare that they have no competing interests.

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

作者简介

Alla Melbert

Altay State Technical University named after I.I. Polzunov

编辑信件的主要联系方式.
Email: aamelbert@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3973-8315
SPIN 代码: 5949-5831

Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Life Safety Department

俄罗斯联邦, 46 Lenina ave, Barnaul, 656038

Ekaterina Mashenskaya

Altay State Technical University named after I.I. Polzunov

Email: suzuki468@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3122-0412
SPIN 代码: 8323-5725

Applicant, Life Safety Department

俄罗斯联邦, 46 Lenina ave, Barnaul, 656038

Aleksander Kalin

Altay State Technical University named after I.I. Polzunov

Email: aleksandr.aleksandr.74@bk.ru
ORCID iD: 0009-0005-2028-798X
SPIN 代码: 6446-5236

Cand. Sci. (Agriculture), Associate Professor of the Life Safety Department

俄罗斯联邦, 46 Lenina ave, Barnaul, 656038

Ilya Litvinenko

Altay State Technical University named after I.I. Polzunov

Email: litvinenko.i.s@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-1213-4503
SPIN 代码: 3516-0704

Lecturer of the of the Life Safety Department

俄罗斯联邦, 46 Lenina ave, Barnaul, 656038

参考

补充文件