CC BY
39
УДК 621.431.7
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
EXPERIMENTAL AND THEORETICAL MODELS OF CARBON DIOXIDE EMISSIONS WITH EXHAUST GASES BY A SPARK-IGNITION ENGINE WHEN OPERATING ON PETROL AND FUEL GAS
L. I. Kovalchuk, I. A. Mishachkov
В работе излагаются теоретические предпосылки формирования моделей, позволяющие дать количественную оценку токсичных выбросов в поле возможных режимов работы. На этой основе разработан алгоритм проведения экспериментальных исследований и обработки их результатов.
Показано, что для построения названных моделей наиболее подходящими исходными данными являются результаты стендовых испытаний двигателя по серии нагрузочных характеристик. Для решения этой задачи на кафедре «Автомобильный транспорт и сервис автомобилей» Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота разработана и изготовлена экспериментальная установка на базе V-образного шестицилиндрового двигателя 6Ч 9,1/7,3 с принудительным зажиганием, распределенной системой впрыска бензина, дополнительно оснащенного газобаллонным оборудованием четвертого поколения.
Испытания проводились без каталитического нейтрализатора в диапазоне частот вращения 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 токсичных выбросов производились многокомпонентным газоанализатором «Автотест 02.03». Отбор проб выполнялся 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.
В качестве примера построены экспериментально-теоретические модели выбросов диоксида углерода при работе двигателя на бензине и топливном газе, позволяющие дать их количественную оценку в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Показано, что при работе двигателя на топливном газе достигается снижение выбросов диоксида углерода в среднем на 16 %.
двигатели внутреннего сгорания, вредные выбросы в окружающую среду, возможности снижения вредных выбросов, модели выбросов, диоксид углерода
The paper presents theoretical background of formation of models that allow us to quantify toxic emissions in possible operation modes. On this basis we have created an algorithm for carrying out experimental research and processing results.
It is shown that for the construction of the models, the most appropriate baseline data is the results of the bench tests of the engine according to a set of load characteristics. In order to solve this problem, the department of automobile transport and automobile service of Baltic Fishing Fleet State Academy has designed and manufactured an experimental setup on the basis of v-shaped 6-cylinder engine 6CH 9.1/7.3 with forced ignition, port fuel injection of petrol, additionally equipped with port fuel injection of the fourth generation fuel gas.
Tests have been carried out without a catalyst in a range of rotation speeds from 1400 to 2200 min-1, with a pitch An = 200 min-1. As a natural gas motor fuel, liquefied hydrocarbon gas of PTB brand, GOST R 52087-2003, was used. Measurements of toxic emissions were conducted by means of multicomponent gas analyzer «Autotest 02.03».
For illustrative purposes, we have built experimental and theoretical models of carbon dioxide emissions when the engine is running on petrol and fuel gas. These models allow us to quantify these emissions in a wide range of speed and load modes. It is shown that with the engine running on fuel gas, carbon dioxide emissions decrease by 16% on average.
internal combustion engines, emissions into the environment, possibility of reducing harmful emissions, emission models, carbon dioxide
Сгорание топлива в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) сопровождается образованием большого количества различных токсичных веществ, состоящих из продуктов неполного сгорания и термического разложения углеводородов топлива. Снижение токсичности отработавших газов представляет собой сложную научно-техническую задачу, при решении которой большое значение имеет стоимость тех или иных мероприятий, а также необходимость сохранения высоких экономических, энергетических и других показателей двигателя.
Диоксид углерода (CO2) представляет собой продукт полного окисления углерода. Основное количество CO2 производится природными источниками (вулканы, пожары, окисление, гниение и т.д.), и только 1...3% связаны с производственной деятельностью человека (антропогенные выбросы), которые могут так нарушить равновесие в атмосфере, что послужат причиной возникновения парникового эффекта [1]. Из всех антропогенных парниковых газов значения для усиления парникового эффекта имеет только CO2.
Формирование экспериментально-теоретических моделей выбросов диоксидов углеводородов при работе двигателя на бензине
Экспериментальные исследования выбросов диоксида углерода проводились по серии нагрузочных характеристик шестицилиндрового V-образного двигателя 6Ч 9,1/7,3 с искровым зажиганием и распределенной системой впрыска бензина. Испытания проходили без каталитического нейтрализатора в диапазоне частот вращения от 1400 мин-1 до 2200 мин-1 с шагом An = 200 мин-1. Для измерения токсичных выбросов с отработавшими газами использовался многокомпонентный газоанализатор модификации «Автотест - 02.03». Отбор проб выпол-
нялся 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.
В процессе испытаний производились замеры следующих параметров:
- частота вращения двигателя п, мин-1;
- перемещение дроссельной заслонки S, мм;
- часовой расход бензина Gт, кг/ч;
- выбросы диоксида углерода CO2, %.
Для исключения вопроса о размерностях в последующих вычислениях использованы безразмерные значения определяющих и определяемых параметров.
С02=-^; § = ^ й = А (1)
«Н» обозначены значения приняты следующими:
В приведенных отношениях индексом нормирующих параметров, которые С 02 н = 1 5, 3 3 кг/ч; 5Н = 2 7 мм ; пн = 2 200 м ин _
В процессе проведения экспериментальных исследований выбросы диоксида углерода на всех режимах в процентном выражении изменялись в пределах 12-13 %.
На рис. 1 приведены зависимости С 02р = Г(п) при п 0 = с о п б t. Видно, что это нелинейные зависимости. Поэтому каждая из них аппроксимируется полиномом второго порядка вида
С О2 р = х х( п) ■ § 2 + х2 (п) ■ п + х 3( п),
(2)
где х !( п), х 2( п), х 3( п) - искомые зависимости определяемых параметров от частоты вращения.
1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2
CO2
>
4 ' J*
S
0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05
Рис. 1. Зависимость С 02р = f(S) по нагрузочным характеристикам при работе
двигателя на бензине Fig. 1. Dependence С 02р = f(S) on load characteristics when the engine is running
on petrol
Для определения закономерностей х ; = Г ( п) используем систему полиномов, аппроксимирующих зависимости С О 2р = Г (п) по каждой нагрузочной характеристике. В данном случае система полиномов имеет вид:
1. С02 = -2,922 7 ■ П2 + 6, 5 3 2 ■ П - 2,6062, при п = 1, 0;
2._С02 = -2,8 10 5 ■ П2 + 6, 1 1 2 5 ■ П - 2,4 1 8 5 , при п = 0,909;
3.Т02 = - 3, 19 1 1 ■ П2 + 6,4604 ■ П - 2,5 539, при п = 0, 8 1 8; (3)
4. С02 = - 3,5 702 ■ П2 + 6,8846 ■ П - 2,7 1 6, при п = 0, 72 7;
5. С02 = - 3,82 16 ■ п2 + 7, 1 43 1 ■ п - 2,8569, при п = 0,636. Система полиномов (3) позволяет определить закономерности изменения
численных коэффициентов х ; = Г ( п) при переходе от одной нагрузочной характеристике к другой.
На рис. 2 приведена графическая интерпретация зависимостей х ; = Г ( п). Видно, что в данном случае эти зависимости имеют нелинейный характер. Система полиномов, аппроксимирующая зависимости ( п), принимает вид:
х ! = - 6,2 596 ■ п2 + 1 3, 0 5 1 ■ п - 9,6469;
п п ; (4)
х з = - 5,9292 ■ п2 + 10,584 ■ п - 7,2 22 6.
Рис. 2. Зависимость коэффициентов х j = f ( п) для С 02р при работе двигателя
на бензине
Fig. 2. Dependence of the coefficients х j = f ( n) to С 02р when the engine is running
on petrol
После подстановки (4) в (2) получим уравнение поверхности, образованной смещением зависимостей С 02 р = f (S) при переходе от одной нагрузочной характеристики к другой
С02 р = ( - 6,2 596 ■ п 2 + 1 3 , 0 5 1 ■ п - 9,6469) ■ S2 + ( 12, 3 54 ■ п 2 --22,403 ■ п + 1 6,48 1) ■ S + ( - 5,9292 ■ п2 + 10,584 ■ п - 7,2 22 6). (5)
Гистограмма распределения погрешностей расчета приведена на рис. 3. Видно, что уравнение (5) воспроизводит весь массив исходных данных с погрешностью, не превышающей ± 4,0%.
4 3 2 1 0 -1 -2 -3
%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
N
Рис. 3. Гистограмма распределения погрешностей расчета CO2 при работе
двигателя на бензине Fig. 3. Distribution histogram of CO2 calculation errors when the engine is running
on petrol
Следует отметить, что модель (5) воспроизводит опытные данные с погрешностью, не превышающей погрешности их измерения, только для определенных скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя. При изменении условий сгорания рассогласование между замеренными величинами С 02э и рассчитанными по уравнению (5) будет неизбежно увеличиваться.
Формирование экспериментально-теоретических моделей выбросов диоксидов углеводородов при работе на топливном газе
В процессе испытаний производились замеры следующих параметров:
- частота вращения двигателя n, мин-1;
- перемещение дроссельной заслонки S, мм;
- часовой расход газа Gn кг/ч (плотность топливного газа 2,2 кг/м3);
- выбросы диоксида углерода CO2, %.
Для построения экспериментально-теоретической модели выбросов диоксида углерода с отработавшими газами, предварительно были определены абсолютные величины выбросов как часть общего количества продуктов сгорания. Необходимость таких расчетов возникла потому, что на всех исследованных режимах работы двигателя на топливном газе значения выбросов изменялись в пределах 9,4 ^ 12%.
В последующих расчетах использованы безразмерные значения параметров:
С02=-^; S = -; n = -, (6)
С02н SH nH
где индексом «Н» обозначены значения нормирующих параметров, которые в данном случае приняты следующими С О 2 н = 1 0 , 7 1 к г / ч; S н = 2 5 м м ; пн = 22 00 м ин _ 1.
На рис. 4 приведены закономерности изменения зависимостей С 02 = по серии нагрузочных характеристик, каждая из которых может быть аппроксимирована полиномом вида:
С02 р = X ! (п) ■ £2 + X2( п) ■ Б + X3( п), (7)
где X !( п), X 2( п), X з (п) - переменные коэффициенты полинома, функции частоты вращения коленчатого вала двигателя.
1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
CO2
/
/
V
V У у*
•—"
S
0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05
Рис. 4. Зависимость С 02р = f(S) по нагрузочным характеристикам при работе
двигателя на топливном газе Fig. 4. Dependence С О 2 р = f(S) on load characteristics with the engine running
on fuel gas
Система полиномов, аппроксимирующих зависимости С О 2 р = f (S), принимает вид:
1. СО^ = 5,7268 ■ S^ - 8,7044 ■ S_+ 3,9786, при n = 1, 0;
2._С02 = 4,4674 ■ S2 - 6,5009 ■ S + 2,95 3, при п = 0,909;
3.СО2 = 3, 562 3 ■ S2 - 5, 0 8 1 6 ■ S + 2,3 287, при й = 0, 8 1 8; (8)
4. С02 = 2,6409 ■ S2 - 3,687 1 ■ S + 1,7589, при S = 0, 72 7;
5. С02 = 1,7978 ■ S2 - 2,3 774 ■ S + 1,2087, при S = 0,63 6.
На рис. 5 приведена графическая интерпретация зависимостей х j = f ( S). Система полиномов, аппроксимирующих эти зависимости, имеет вид: х ! = 8, 13 83 ■ S2 - 2, 2 62 1 ■ S - 0,2 1 04;
х2 = - 18,099 ■ S2 + 12,088 ■ S - 2,5666; (9)
х з = 1 0, 0 6 ■ S2 - 8,883 2 ■ S + 2,7 398.
Рис. 5. Зависимость коэффициентов х j = f ( п) для С О 2 р при работе двигателя на
топливном газе
Fig. 5. Dependence of the coefficients х j = f ( n) to С 02 р when the engine
is running on fuel gas
После подстановки (9) в (7) получено уравнение поверхности, образованной смещением зависимостей С О 2 р = f (S) при переходе от одной нагрузочной характеристики к другой
С02гр = (8, 13 83 ■ п2 - 2,2 62 1 ■ п - 0, 2 1 04) ■ S2 + ( - 18,099 ■ п2 + + 12,088 ■ п - 2,5666) ■ S + ( 1 0, 0 6 ■ п2 - 8,8832 ■ п + 2, 7398) (10)
Гистограмма распределения погрешностей расчета приведена на рис. 6. Видно, что уравнение (10) воспроизводит весь массив исходных данных с погрешностью, не превышающей ± 4,0%.
4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 -1,0 -2,0
%
I I ■
| | | | ■ 1
■ — ■
1 ■ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
N
Рис. 6. Гистограмма распределения погрешностей расчета CO2 при работе
двигателя на топливном газе Fig. 6. Distribution histogram of CO2 calculation errors when the engine is running
on fuel gas
Следует отметить, что уравнение (10) воспроизводит опытные данные с погрешностью, не превышающей погрешности их измерения, только для определенных скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя УОЬУО-В280Б. За пределами области, ограниченной указанными выше скоростными и нагрузочными режимами, расхождение опытных и расчетных значений будут увеличиваться. Другими словами, наиболее подходящими исходными данными для построения экспериментально-теоретических моделей токсичных выбросов с отработавшими газами являются универсальные характеристики конкретного двигателя.
Изложенные подходы формирования данных моделей при работе на бензине и топливном газе позволяют сравнить выбросы диоксида углерода в указанном диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Значения выбросов С О 2 при работе на топливном газе ниже в среднем на 16%, чем при работе на бензине.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Звонов, В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В. А. Звонов. - Москва: Машиностроение, 1981. - 160 с.
REFERENCES
1. Zvonov V. A. Toksichnost' dvigateley vnutrennego sgoraniya [Toxicity of internal combustion engines]. Moscow, Mechanical engineering, 1981, 160 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ковальчук Леонид Игнатьевич - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота; доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобильный транспорт и сервис автомобилей»; E-mail: mail@bffsa.com
Kovalchuk LeonidIgnatievich - Baltic Fishing Fleet State Academy; PhD, Professor of the department of automobile transport and automobile service; E-mail: mail@bffsa.com
Мишачков Илья Викторович - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота; аспирант кафедры «Автомобильный транспорт и сервис автомобилей»; E-mail: tranceportnik@mail.ru.
Mishachkov Ilya Viktorovich - Baltic Fishing Fleet State Academy; graduate student of the department of automobile transport and automobile service; E-mail: tranceportnik@mail.ru
