CC BY
11
УДК 621.431.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ВЫБРОСОВ УГЛЕВОДОРОДОВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДВИГАТЕЛЕМ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ ПРИ РАБОТЕ НА БЕНЗИНЕ И ТОПЛИВНОМ ГАЗЕ
Л. И. Ковальчук, В. Н. Соболин
EXPERIMENTAL AND THEORETICAL MODELS FOR ESTIMATING
EMISSIONS OF HYDROCARBONS FROM EXHAUST GASES WITH A SPARK-IGNITION ENGINE WHEN RUNNING ON GASOLINE
AND FUEL GAS
L. I. Kovalchuk, V. N. Sobolin
Целью исследования является разработка экспериментально-теоретических моделей, позволяющих дать сравнительную оценку выбросов токсичных углеводородов с отработавшими газами двигателем с принудительным зажиганием в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов при работе на бензине и топливном газе [1-5].
Для решения задачи были проведены испытания V-образного шестицилиндрового двигателя 6Ч 9,1/7,з с принудительным зажиганием, распределенной системой впрыска бензина, дополнительно оснащенного газобаллонным оборудованием четвертого поколения.
Испытания проводились без каталитического нейтрализатора токсичных выбросов с отработавшими газами по серии нагрузочных характеристик в диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя от 1400 до 2200 мин-1, с шагом An = 200 мин-1. В качестве газомоторного топлива использовался сжиженный углеводородный газ марки ПТБ, ГОСТ Р 52087-2003. Замеры выбросов углеводородов производились многокомпонентным газоанализатором «Автотест - 02.03». Отбор проб осуществлялся на срезе выпускной системы, в которую для снижения температуры отработавших газов были вмонтированы дополнительные расширители, что позволило довести время замеров на каждом режиме до значений, предусмотренных технической характеристикой газоанализатора.
Обработка результатов замеров выбросов углеводородов производилась специально разработанным методом, что позволило минимизировать влияние погрешностей исходных данных на конечные результаты расчета параметров моделей, описывающих выбросы углеводородов с отработавшими газами в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов.
Разработанные модели позволили дать сравнительную количественную оценку выбросов углеводородов с отработавшими газами при работе двигателя на бензине и топливном газе.
Показано на конкретном примере, что при работе двигателя на топливном газе, в зависимости от режима работы, может быть достигнуто существенное снижение выбросов углеводородов с отработавшими газами.
двигатель внутреннего сгорания, работа на бензине и топливном газе, выбросы углеводородов с отработавшими газами
The aim of the study is to develop experimental and theoretical models to give a comparative evaluation of toxic hydrocarbons emissions from exhaust gases with a spark-ignition engine in a wide range of speed and load modes on petrol and fuel gas.
To solve the problem, a V-shaped 6-cylinder engine 6Ч 9,1/7,3 with spark ignition, distributed petrol injection system of additionally equipped with the fourth generation gas-cylinder equipment was tested.
The tests were carried out without a catalytic converter of toxic emissions with exhaust gases in a series of load characteristics in the range of engine speed from 1400 to 2200 rpm, in increments An = 200 min-1. As a gas engine fuel, liquefied petroleum gas of the PTB brand, GOST R 52087-2003 was used. Measurements of hydrocarbon emissions were made by the multi-component gas analyzer "Autotest-02.03". Sampling was carried out at the end of the exhaust system in which additional extensions were built in order to reduce the temperature of the exhaust gases which allowed bringing the measurement time in each mode to the values specified in the technical specification of the gas analyzer.
The processing of the results of hydrocarbon emission measurements was carried out by a specially developed method which allowed minimization of the influence of the errors of the initial data on the final results of calculating the parameters of models describing hydrocarbon emissions with exhaust gases in a wide range of speed and load regimes.
The developed models allowed us to give a comparative quantitative assessment of hydrocarbon emissions with exhaust gases when the engine runs on gasoline and fuel gas.
It is shown, by a specific example, that when the engine runs on the fuel gas depending on the operation mode, a significant reduction in hydrocarbon emissions with exhaust gases can be achieved.
internal combustion engine, operation on gasoline andfuel gas, emissions of hydrocarbons with exhaust gases
ВВЕДЕНИЕ
Углеводороды (CnHm) состоят из исходных или распавшихся молекул топлива и масла, которые не принимали участия в процессе сгорания. Количество различных углеводородов, входящих в эту группу токсичных веществ, превышает 200 [1, 2]. В концентрациях, где CnHm содержится в воздухе даже в зонах с самым интенсивным движением автотранспорта, они не приносят значительного вреда здоровью человека, однако могут вызывать реакции, ведущие к образованию соединений, вредных и при незначительной концентрации. Под воздействием солнечных лучей углеводороды могут взаимодействовать с оксидами азота, образуя биологически активные вещества, которые раздражающе действуют на глаза и органы дыхания [2].
Особое значение имеют выбросы бензола, толуола, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и в первую очередь бенз(а)пирена (C20H12). Эта группа высокотоксичных веществ образуется в результате разложения легких и
средних фракций топлива при температуре 600...700 К. Такие условия возникают во время рабочего хода в цилиндре вблизи его холодных поверхностей при недостатке кислорода. Количество ПАУ в отработавших газах тем больше, чем выше концентрация в топливе бензола. ПАУ относятся к канцерогенным веществам, они не выводятся из организма человечка, а со временем накапливаются в нем, способствуя проявлению злокачественных болезней [2].
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ВЫБРОСОВ УГЛЕВОДОРОДОВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ПРИ РАБОТЕ ДВИГАТЕЛЯ НА БЕНЗИНЕ
И ТОПЛИВНОМ ГАЗЕ В процессе испытаний двигателя производились замеры следующих параметров: Б - перемещение дроссельной заслонки, мм; п - частота вращения коленчатого вала, мин-1; СН - выбросы углеводородов, ррт.
В последующих расчетах использовались безразмерные параметры
С "о = 7";7"; 5 о =7"; п0 = (1)
где индексом «Н» обозначены нормирующие параметры, численные значения которых приняты одинаковыми при работе двигателя на бензине и топливном газе и равными: Бн = 24 мм; пн = 2200 мин-1; СНн = 145 ррт.
Применение безразмерных параметров исключает вопрос о размерностях левой и правой частей моделей и в условиях, когда исходные данные измерены с погрешностями, способствует устойчивости определения параметров моделей.
На рис. 1 приведена графическая интерпретация результатов испытаний двигателя по серии нагрузочных характеристик при работе на бензине. Непосредственно из рисунка следует, что нагрузочные характеристики СН0=/(Б0) имеют нелинейный характер. Поэтому каждая из них может быть аппроксимирована полиномом второго порядка вида:
С Н 0 = х ! ( п 0 I +х 2 ( п 0 0+ х з ( п 0 ), (2)
где х х ( п 0 ), х 2 ( п 0 ), х з ( п 0 ) - искомые зависимости определяемых параметров от частоты вращения коленчатого вала.
Для определения зависимостей х;=/(п0) используем систему полиномов, аппроксимирующих выбросы углеводородов по нагрузочным характеристикам, в явном виде:
СН0 = 7,5093 * - 16,791 * 50 + 10,283, п0 = 1;
СН0 = 8,8334 * - 19,793 * 50 + 12,058, п0 = 0,909;
С Н0 = 9,455 1 * 52 - 2 1, 187 * 50 + 12,987, п0 = 0, 8 1 8; (3)
СН0 = 10,072 * Б* - 22,967 * 50 + 14,235, п0 = 0,727;
СН0 = 12,768 * Б* - 27,919 * 50 + 16,693, п0 = 0,636. Система полиномов (3) позволяет определить закономерности изменения определяемых параметров х;=/(п0) при переходе от одной нагрузочной характеристики к другой.
Рис. 1. Закономерности изменения зависимостей CHo = /(So) по нагрузочным
характеристикам при работе двигателя на бензине Fig. 1. Patterns of dependency changes CHo = /(So) on load characteristics when
the engine runs on gasoline
На рис. 2 зависимости xi = /(no) представлены графически. В данном случае это нелинейные зависимости. Поэтому система аппроксимирующих полиномов имеет вид:
х1 = 23,626* По — 51,57 * п0 + 35,712;
х2 = - 3 6,969 * п0 + 88,42 7 * п0 - 68, 7 1 5 ; (4)
х3 = 14,526 * По -40,245* п0 + 36,212.
Подстановкой (4) в (2) получено уравнение поверхности, образованной смещением зависимости CHo=/(So) при переходе от одной нагрузочной характеристики к другой.
С Н0 р = (2 3,62 6 * п0 - 5 1, 5 7 * п0 + 3 5, 7 1 2 ) * S2 + + ( - 36,969 * п0 + 88,42 7 * п0 - 6 8, 7 1 5) * S0 + (5)
+ (14,526*п2 -40,245*п0 + 3 6, 2 1 2 ).
Рис. 2. Зависимости xi = /(no) при работе двигателя на бензине Fig. 2. Dependence xi = / (no) when the engine runs on petrol
На рис. 3 приведена гистограмма распределения погрешностей расчета выбросов углеводородов с отработавшими газами по уравнению (5) при работе двигателя на бензине по всему массиву исходных данных. Видно, что уравнение (5) воспроизводит весь массив исходных данных с погрешностью, не превышающей ± 2,5 %.
Рис. 3. Гистограмма распределения погрешностей расчета выбросов
углеводородов по уравнению (5) по всему массиву исходных данных
Fig. 3. Distribution histogram of hydrocarbon emissions calculation errors on equation (5) around the original data array
Модель для оценки выбросов углеводородов с отработавшими газами при работе двигателя на топливном газе построена на основе следующих исходных данных:
- использованы результаты замеров выбросов углеводородов в процессе стендовых испытаний, приведенные на рис. 4;
- при переходе от абсолютных значений информативных параметров к относительным значения нормирующих параметров при работе двигателя на бензине и топливном газе приняты одинаковыми.
С учетом названных условий для оценки выбросов углеводородов с отработавшими газами при работе двигателя на топливном газе получено следующее уравнение:
С Н ¿р = ( 2 9, 1 8 1 * n 0 - 7 1, 789 * n0 + 50,883) * SI +
+ ( -28,094 * n I + 9 2 ,4 * n 0 - 8 1, 9 9 1) * S 0 + (6)
+ ( - 0, 2 1 3 9 * n0 - 24,603 * n0 + 34, 785).
Расчеты выбросов углеводородов по уравнениям (5) и (6) выполнены для одних и тех же скоростных и нагрузочных режимов. Результаты расчетов приведены на рис. 5 в виде зависимости ( ), которая аппроксимирована полиномом первого порядка
С Н 0 б=0, 9 1 5 4* С Н0 г +0, 44 1 2. (7)
Уравнение (7) удобно использовать для сравнительной оценки выбросов углеводородов с отработавшими газами при работе двигателя на бензине и топливном газе. Например, если выбросы СИоб = 0,5 при работе двигателя на топливном газе, то при работе двигателя на этом же режиме на бензине СН0б = 0,9, т. е.
увеличиваются в 1,8 раза, при СНог = 3,0, СИоб = 3,19 увеличение составляет всего 1,06 раза. Другими словами, приведенные сравнительные оценки выбросов углеводородов с отработавшими газами при работе двигателя на бензине и топливном газе свидетельствуют о том, что существенное снижение выбросов углеводородов достигается на повышенных скоростных и нагрузочных режимах. Со снижением частоты и нагрузки это различие уменьшается, в данном случае примерно по линейному закону.
Рис. 4. Закономерности изменения зависимостей CHo=/(So) по нагрузочным
характеристикам при работе двигателя на топливном газе Fig. 4. Patterns of dependency changes CH0 = /(S0) on load characteristics when
the engine runs on fuel gas
4,5
СНоб
4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
СНог
Рис. 5. Зависимость СИоб=/(СНог) для сравнительной оценки выбросов углеводородов с отработавшими газами при работе двигателя на бензине
и топливном газе
Fig. 5. Dependence of CH0b = / (CH0g) for comparative assessment of hydrocarbon emissions from the exhaust gases of the engine on gasoline and fuel gas
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Морозов, К. А. Токсичность автомобильных двигателей / К. А. Морозов. -Москва: Легион, 2001. - 80 с.
2. Кульчицкий, А. Р. Токсичность поршневых ДВС. Образование вредных веществ при горении топлив: учеб. пособие / А. Р. Кульчицкий. - Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. - 80 с.
3. Ковальчук, Л. И. Экспериментально-теоретические модели выбросов диоксида углерода с отработавшими газами двигателем с принудительным зажиганием при работе на бензине и топливном газе / Л. И. Ковальчук, И. В. Мишачков // Известия Калининградского государственного технического университета. -2016.- № 42. - С. 205-212.
4. Белов, М. Б. Моторное топливо XXI века / М. Б. Белов, М. В. Варанкин, Я. Ю. Новицкий // Транспорт на альтернативном топливе. - 2014. - № 6 (42). -С. 14-19.
5. Ковальчук, Л. И. Сравнительная оценка выбросов оксида углерода с ОГ двигателем с принудительным зажиганием при работе на бензине и топливном
газе / Л. И. Ковальчук, И. В. Мишачков // Транспорт на альтернативном топливе. -2016. - № 5 (53). - С. 40-45.
REFERENCES
1. Morozov K.A. Toksichnost' avtomobil'nykh dvigateley [Toxicity of automobile engines]. Moscow, Legion., 2001, 80 p.
2. Kulchytsky A.R. Toksichnost'porshnevykh DVS. Obrazovanie vrednykh vesh-chestv pri gorenii topliv [Toxicity of reciprocating internal combustion engines. Formation of harmful substances during combustion of fuels: student's book]. Vladimir, Vladimirskij Gos. Univ., 2010, 80 p.
3. Kovalchuk L. I., Mishachkov I. V. Experimental and theoretical models of emissions of carbon dioxide with the fulfilled gases the engine with compulsory ignition during the work on gasoline and fuel gas [Experimental and theoretical models of emissions of carbon dioxide by the sparkle-ignition engine when running on gasoline and fuel gas]. Izvestija Kaliningradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2016, no.42, pp. 205-212.
4. Belov M. B., Varankin M. V., Novitsky YA.YU. Motor XXI centuries fuel [Motor fuel of the XXI century]. Transport na al'ternativnom toplive, 2014, no. 6 (42), pp. 14-19.
5. Kovalchuk L. I., Mishachkov I. V. Sravnitel'naja ocenka vybrosov oksida ugleroda s OG dvigatelem s prinuditel'nym zazhiganiem pri rabote na benzine i top-livnom gaze [Comparative assessment of carbon oxide emissions with burnt gas by the spark-ignition engine running on gasoline and fuel gas]. Transport na al'ternativnom toplive, 2016, no. 5 (53). pp. 40-45.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ковальчук Леонид Игнатьевич - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВО «КГТУ»; доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобильный транспорт и сервис автомобилей»; E-mail: kafedra_avto@bga.gazinter.net
Kovalchuk LeonidIgnatevich - Baltic fishing fleet state academy FSBEI HE «KSTU»; Doctor of engineering, Professor at the Department of automobile transport and car service; E-mail: kafedra_avto@bga.gazinter.net
Соболин Владимир Николаевич - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВО «КГТУ»; кандидат педагогических наук, доцент, декан транспортного факультета; E-mail: sobolin_tf@bga.gazinter.net
Sobolin Vladimir Nikolaevich - Baltic fishing fleet state academy FSBEI HE «KSTU»; PhD in pedagogy, Associate-professor, Dean of the Transport Faculty; E-mail: sobolin_tf@bga.gazinter.net
