Implementation of a boost strategy for a diesel engine neutralization system based on integrated design techniques

Full Text

Введение Несмотря на наступление электрических транспортных двигателей роль тепловых двигателей внутреннего сгорания остается значительной и останется такой в течении следующих десятилетий. Основное преимущество электрической трансмиссии лежит в области экологии. Однако совершенствование рабочих процессов тепловых двигателей и их систем способно существенно сократить преимущества электрической трансмиссии. Одна из основных систем, определяющих экологическое совершенство ДВС, - система нейтрализации, снижающая токсичность отработавших газов до экологических норм. Совершенствование систем нейтрализации является, таким образом, одной из актуальных задач снижение экологической нагрузки. Суть законодательства, регулирующего нормы токсичности ДВС, заключается в нормировании набора токсичных веществ, содержащихся в отработавших газах. История регулирования насчитывает более 50 лет и более 6 степеней регулирования. В конце ХХ века прошел процесс глобализации гармонизации требований к уровню безопасности, в том числе по экологическим характеристикам, на базе Женевского соглашения, сформулированные в форме Правил Европейской экономической комиссии (ЕЭК ООН). В Северной Америке, Японии действуют свои правила, гармонизированные с Правилами ЕЭК ООН. Правила ЕЭК ООН, действующие в Российской Федерации и Таможенном союзе, образуют гармоничную систему, описывающую требования по эмиссии токсичных веществ в отработавших газах транспортных средств, Нормативная база экологических требований нацелена на обеспечение значительного снижения объема выбросов традиционных загрязнителей воздуха [1]. Стремления Правительства РФ ограничить экологические последствия, связанные с выбросами транспортных средств, приводят к стремительному техническому развитию основного источника загрязнений - двигателю внутреннего сгорания. Сокращение выбросов без совершенствования ДВС и связанных с введением все более жестких ограничений на предельные выбросы в основном для новых транспортных средств невозможно. Даже при существующей тенденции к переходу на электрическую тягу автотранспортные средства (далее - АТС) продолжат использование ДВС в ближайшие 30-50 лет. За прошедшее десятилетие технологии сокращения токсичных выбросов, используемые в конструкции транспортных средств, силовых установках, устройствах ограничения выбросов, при создании различных видов топлива, а также в конструкции трансмиссии были существенно улучшены. Транспортные средства, а это 100 % выпускаемых в мире и соответствующих современным предписаниям о выбросах, оснащены такими высокотехнологичными техническими устройствами ограничения выбросов, как каталитические преобразователи, дизельные сажевые фильтры и системы селективного каталитического восстановления, а также специально разработанными электронными системами управления работой двигателя. Существенное сокращение выбросов достигнуто при общем повышении мощности и экономичности ДВС. В работах В.Ф. Кутенева [2], Г.С. Корнилова [4, 5, 6], В.А. Звонова [9, 10], В.Н. Луканина [3], В.А. Маркова [7], А.Р. Кульчицкого [8], М.Г. Шатрова [11] рассмотрены вопросы влияния автомобильного транспорта на атмосферный воздух. В странах Таможенного союза нормы для атмосферного воздуха установлены ниже защитно-приспособительных реакций. В этом заключается отличие в подходе к нормированию по отношению к другим странам, в которых под критерием вредности загрязнения атмосферы понимается заболеваемость человека. Другим отличием законодательства Таможенного союза является период в 2-3 года, на который отстает время введения норм в Таможенном союзе от введения аналогичных норм в Европе. Это дает возможность тщательно прорабатывать технические решения, предлагаемые к внедрению. Работ по системам нейтрализации огромное количество, как посвященных разработке теоретических основ работы систем нейтрализации [12, 13, 14], так и практическим решениям [15-19]. Цель исследования При принятии решения форсирования двигателя или разработке нового с учетом технических заделов необходимо принимать решение по разработке и составу системы нейтрализации, учитывающее целый ряд факторов, и оперативно оценивать возможности технических решений в приложении к конкретному разрабатываемому двигателю. Цель исследования - оценка возможности выбора основных направлений стратегии форсирования и их технической реализации. Материалы и методы Рассмотрим возможную стратегию принятия решения по составу системы нейтрализации при форсировании дизеля. Шестицилиндровый двигатель ЯМЗ-6566 относится к семейству V-образных дизелей, включающему несколько вариантов исполнения с номинальными мощностями от 230 до 300 л.с. Семейство включает двигатели в конфигурации V-8 с соотношением хода поршня к диаметру цилиндра S/D 130×140, с диапазоном мощностей 330-420 л.с. (табл. 1). Семейство V-образных двигателей ЯМЗ имеет давнюю историю и неоднократно подвергалось модернизации. Последние версии двигателей оснащены современной системой питания с общей топливной магистралью и современной системой управления. Требования Евро-4 на этом двигателе достигаются применением системы SCR. Основные направления совершенствования рабочего процесса заключаются в мероприятиях, приведенных в табл. 2. Результаты работ существенно влияют на «сырой» выброс двигателя, но окончательное соответствие экологическим нормам устанавливается системой нейтрализации двигателя Результаты мероприятий в сочетании с вариантами системы нейтрализации и применения EGR представлены на рис. 1. Существенное увеличение давления в топливной рампе и давления впрыска способно привести к упрощению состава системы нейтрализации при высоких экологических показателях. Но это технически сложно реализуемо и существенно увеличивает стоимость системы питания дизеля. Сравнительный технический и экономический анализ решений применяемых при форсировании систем нейтрализации приведен в табл. 3. Уровень форсирования прототипа относительно современных двигателей в комплектациях Евро-4, Евро-5,6 ниже по сравнению с основными параметрами двигателей прототипов. Данные показывают, что производители дизельных двигателей активно используют все доступные технические решения EGR, SCR, DPF и другие для достижения актуальных экологических норм. Однако необходимо отметить следующее: при выборе в качестве базового решения варианта с системой рециркуляции EGR для достижения высокого экологического класса приходится применять сочетание EGR с селективным восстановлением оксидов азота SCR. При выборе в качестве базового решения SCR возможно достижение уровня Евро-6 без применения систем рециркуляции. Данный вывод существенен для анализа стратегии достижения промежуточного экологического класса Евро-5, что, как было показано выше, актуально для российских условий. Конструирование систем рециркуляции на практике приводит с существенному изменению компоновки двигателя и связано с большими материальными и временными затратами. Приведенные данные позволяют проследить тенденции изменения литровой мощности в зависимости от внедрения очередных экологических требований (рис. 2). Производители двигателей уделяют больше внимания вопросам улучшения топливной экономичности, снижению массы и увеличению межсервисных побегов. Двигатель-прототип ЯМЗ-6566 имеет потенциал для форсирования, ограниченный прочностью деталей цилиндропоршневой группы. В настоящий момент величина литровой мощности этого двигателя (19,8 кВт/л) находится ниже среднестатистической (21,97 кВт/л) по парку грузовых автомобилей для двигателей со сравнимым рабочим объемом. Оценим возможный диапазон для дальнейшего форсирования с учетом выполнения экологических требований Евро-5 и Евро-6. Для определения потенциала прототипа в отношении выполнения экологических требований Евро-5 и Евро-6 необходимо оценить необходимую эффективность проектируемой системы последующей обработки отработавших газов (СПООГ). С этой целью, на основе имеющихся данных по прототипу и аналогичным двигателям (табл. 4), построим зависимость выбросов РМ от NOx. Используя результаты испытаний двигателей КАМАЗ-740.64-420 и КАМАЗ-740.73-400 как облако точек на плоскости NOx-PM, определены коэффициенты аппроксимирующего уравнения вида Y = a ⋅ x4 + b ⋅ x3 + c ⋅ x2 + + d ⋅ x + e. Затем смещаем кривую (1) до совпадения с известным результатом испытаний двигателя-прототипа ЯМЗ-6566 (рис. 3). Как показывает рисунок, система SCR способна обеспечить достижение требований Евро-5 при эффективности 88 %. Дальнейшее развитие СПООГ под требования Евро-6 возможно только с применением системы фильтрации частиц с эффективностью не ниже 50 % и системы снижения NOx с эффективностью более 95 %. Такие уровни очистки обеспечивают только современные системы DPF и SCR. Форсирование двигателя при росте выбросов NOx до уровня 10-11 г/кВт⋅ч, потребует еще большей эффективности СПООГ в отношении NOx (до 97 %) с возможным применением системы EGR. Результаты и обсуждение Таким образом, форсирование двигателя ЯМЗ-6566 по предварительным данным предполагает разработку высокоэффективной СПООГ с использованием полного комплекса технологий очистки - DPF+SCR для обеспечения соответствия требованиям Евро-6 при отказе от использования EGR. Во ФГУП НАМИ была проведена отработка системы нейтрализации для двигателя ЯМЗ-6566 (рис. 4) по прогнозу стратегии, описанной выше. В основе проведенных работ лежала созданная комплексная методика разработки, включающая расчетные и опытные методики доводки характеристик системы последующей обработки отработавших газов: газодинамических, тепловых, кинетических и акустических. Проведен большой объем отработки участков впрыска мочевины, гидролиза и термолиза, различных конфигураций каталитических блоков. Предварительно оценивалась эмиссия отдельных токсичных компонентов с отработавшими газами дизеля ЯМЗ-6566, не оснащенного какими-либо антитоксичными устройствами (т.н. «сырой выброс»), после чего монтировались и испытывались в соответствии с разработанными методиками системы нейтрализации и подсистемы управления регенерацией и блоком селективной очистки. Заключение Проведенные исследования подтвердили правильность выбранной стратегии на основе созданной многопараметрической диффузионной модели и синтезированной конструкции. На рис. 5 показано сравнение эффективности конверсии NOx синтезированной конструкции (вариант с 16-блочным нейтрализатором), 96,6 % по сравнению с типовым вариантом (вариант DOC+DPF+SCR) - 87,5 %. Полученный результат показывает возможность существенного снижения токсичности ОГ на практически неподготовленном двигателе. Подтверждена возможность принятия стратегических решений по форсированию системы нейтрализации и последующая их техническая реализация при достижении поставленных, как цели, значений экологических показателей двигателя. Таблица ١ Характеристики базового двигателя ЯМЗ ٦٥٦٦ Показатель Значения Диаметр и ход поршня, мм 130×140 Рабочий объем двигателя, л 11,15 Номинальная мощность, брутто, кВт (л.с.) 198,6 (270) Полезная мощность (Правила ООН № 85), кВт (л.с.) 197 (269) Номинальная частота вращения, мин-1 1900 Максимальный крутящий момент, брутто, Н·м (кгс·м) 1275 (130) Таблица ٢ Направления работ, направленных на достижение экологических норм Направление работ Stage 3b (Евро-4) Stage 4 (Евро-٥) Stage 5 (Евро-٦) Камера сгорания/степень сжатия Оптимизация формы камеры сгорания, e = 17…18 Оптимизация формы камеры сгорания, e = 18…19 Оптимизация формы камеры сгорания, e > 19 Стратегия впрыска Многоразовый 3…4 впрыска/цикл, Pinj =1600 бар Многоразовый 5…8 впрысков/цикл, Pinj = 1800 бар Многоразовый 5…8 впрысков/цикл, управление передним фронтом, Pinj > 2000 бар Турбонаддув Регулируемый 1-ступенчатый, Pk = 1,8…2 бар Регулируемый 1-ступенчатый, Pk = 2…2,2 бар Регулируемый 2-ступенчатый, Pk = 2,2…2,8 бар Рис. 1. Варианты конструкций экологических систем Таблица ٣ Сравнительный анализ решений для форсирования систем нейтрализации дизельных двигателей Критерии оценки SCR Рециркуляция без охлаждения и SCR Рециркуляция с пром. охлаждением и SCR Сложности компоновки Нейтрально Позитивно Негативно Надежность двигателя Позитивно Нейтрально Негативно Надежность системы Нейтрально Нейтрально Нейтрально Технический риск реализации Нейтрально Негативно Позитивно Стоимость двигателя Позитивно Нейтрально Негативно Стоимость системы Негативно Нейтрально Негативно Расход топлива Позитивно Нейтрально Нейтрально Расход мочевины Негативно Позитивно Позитивно Расход топлива на регенерацию фильтра Позитивно Позитивно Нейтрально Возможность форсирования системы Позитивно Негативно Позитивно Стоимость разработки Негативно Нейтрально Негативно Сложность калибровки Позитивно Нейтрально Негативно Рис. 2. Зависимость литровой мощности от уровня экологических требований для современных двигателей грузовых автомобилей классов 4…6 Таблица ٤ Интегральные «сырые» удельные выбросы двигателей КАМАЗ и ЯМЗ, вычисленные по методике Правил ٤٩ с учетом весовых коэффициентов режимов циклов ESC (данные испытаний по адаптации изделий НТЦ МСП) Тест Удельные выбросы вредных веществ с ОГ, г/кВтч Двигатели NOx CH CO PT ESC 7,69 0,06 1,27 0,016 КАМАЗ-740.64-420 ESC 7,96 0,07 1,11 0,014 ESC 7,97 0,04 1,44 0,016 ESC 8,04 0,04 1,01 0,015 ESC 8,17 0,04 1,06 0,015 ESC 8,49 0,2 0,72 0,016 ESC 9,36 0,05 1,01 0,015 КАМАЗ-740.73-400 ESC 7,1 0,05 0,8 0,019 ESC 9 0,3 1 0,018 ЯМЗ-6566 Рис. 3. Аппроксимированная кривая NOx-PM для двигателя-прототипа ЯМЗ-6566 Рис. 4. Опытная установка СПООГ для ЯМЗ-6566 (моторный бокс №17 ФГУП НАМИ) Рис. 5. Эффективность мероприятий по форсированию СПООГ ЯМЗ 6566

About the authors

G. G Nadarejshvili

Central scientific research automobile and automotive engine institute «NAMI»

Email: givi.nadareishvili@nami.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files