CC BY
42
ВЕСТНИК БЕЛОРУССКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ _АКАДЕМИИ № 3 2016_
МЕХАНИЗАЦИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ
МА ШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.436.068.8:66.067.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРА-НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
В. А. БЕЛОУСОВ, А. Н. КАРТАШЕВИЧ
УО «Белорусская государственная орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия» г. Горки, Могилевская область, Беларусь, 213407
А. В. КРАВЕЦ
СООО «Белросагросервис» г. Минск, Беларусь, 220094
(Поступила в редакцию 12.05.2016)
Электрофизическая очистка отработавших газов является одним из перспективных направлений теоретических и экспериментальных исследований по разработке систем снижения токсичности. Сущность электрофизической очистки заключается в использовании электроразрядной энергии для воздействия на поток отработавших газов с целью изменения их качественных и количественных характеристик. Применение электрофильтра-нейтрализатора, использующего внешнюю область коронного разряда, является эффективным методом снижения дымности и токсичности отработавших газов дизельных двигателей. Проведены стендовые моторные исследования разработанной конструкции электрофильтра-нейтрализатора совместно с дизелем Д-243. Главный параметр, определяющий эффективность работы электрофильтра-нейтрализатора, это - степень очистки отработавших газов от токсичных компонентов. При номинальном режиме работы двигателя в плазме стационарного коронного разряда обеспечивается снижение уровня дымности на 92,8 %, снижение концентрации оксидов азота на 12,8 %. Наряду с этим существуют эксплуатационные показатели электрофильтра-нейтрализатора, косвенно влияющие на работу дизельного двигателя. К таким показателям можно отнести газодинамическое сопротивление и шумовые характеристики. Приведена схема и описано устройство установки для экспериментального определения газодинамического сопротивления электрофильтра-нейтрализатора. Дана методика определения газодинамического сопротивления и приведены результаты экспериментальных исследований по определению газодинамического сопротивления электрофильтра-нейтрализатора. По экспериментальным данным построены графические зависимости газодинамического сопротивления электрофильтра-нейтрализатора от относительного объемного расхода отработавших газов и газодинамического сопротивления по внешней скоростной характеристике дизеля Д-243. Результаты исследования свидетельствуют, что применение на дизельном двигателе Д-243 вместо серийного глушителя шума электрофильтра-нейтрализатора не вызывает превышение максимально допустимого газодинамического сопротивления выше рекомендованного значения 7 кПа.
Ключевые слова: дизельный двигатель внутреннего сгорания, отработавшие газы, газодинамическое сопротивление, электрофильтр-нейтрализатор.
Electrophysical purification of exhaust gases is one of the promising areas of theoretical and experimental research into the development of systems of toxicity decrease. The essence of electrophysical purification is the use of electric-charge energy to influence the flow of exhaust gases in order to change their qualitative and quantitative characteristics. Application of electrostatic-converter using the outer region of the corona discharge is an effective method of reducing smoke and toxicity of diesel exhaust emissions. We have conducted stand motor research into the developed design of electrostatic-converter in conjunction with diesel engine D-243. The main parameter that determines the efficiency of electrostatic-converter is the degree ofpurification of exhaust gases from toxic components. At nominal mode of engine operation, in plasma of stationary corona discharge there is reduction of smoke level by 92.8%, decrease in the concentration of nitrogen oxides by 12.8%. In addition, there are performance indicators of the electrostatic-converter which indirectly affect the operation of diesel engine. These indicators include gas-dynamic resistance and noise characteristics. We have presented the scheme and described the device for the experimental determination of the gas-dynamic resistance of electrostatic-converter. We have presented methods of determining gas-dynamic resistance, and the results of experimental research into determination of gas-dynamic resistance of electrostatic-converter. According to experimental data, we constructed a graph of dependence of gas-dynamic resistance of electrostatic-converter on the relative volumetric flow of exhaust gases and gas-dynamic resistance according to outside speed characteristics of diesel D-243. Results of research show that the use of electrostatic-converter on diesel engine D-243 instead of serial noise muffler does not raise maximally allowable gas-dynamic resistance above the recommended value of 7 kPa.
Keywords: diesel internal combustion engine, exhaust gases, gas-dynamic resistance, electrostatic neutralizer.
Введение
Использование современной техники, оборудованной дизельными двигателями, при интенсивном сельскохозяйственном производстве способствует увеличению производительности и эффективности труда, однако оно сопряжено и с отрицательными последствиями, исключение и минимизация которых является одной из насущных задач «экологизации» аграрного сектора. Загрязнение окружающей среды токсичными продуктами отработавших газов приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, продуктивности животноводства, разрушению строительных материалов, повышенным концентрациям вредных веществ в кабинах тракторов и помещениях цехов. Поэтому очевидна актуальность и необходимость разработки и внедрения эффективных средств и методов очистки отработавших газов для дизелей с повышенным ресурсом работы, не снижающих топливно-экономических показателей двигателя. В настоящее время это одна из важнейших задач отечественного и зарубежного двигателестроения.
Электрофизическая очистка отработавших газов является одним из перспективных направлений теоретических и экспериментальных исследований по разработке систем снижения токсичности. Сущность электрофизической очистки заключается в использовании электроразрядной энергии для воздействия на поток отработавших газов с целью изменения качественных и количественных характеристик в целом. Электроразрядные газоочистители обладают рядом преимуществ по сравнению с другими альтернативными вариантами. К ним относятся следующие: высокая степень очистки; малая величина удельных энергозатрат процесса газоочистки; незначительная величина газодинамического сопротивления; возможность очищать газовые потоки от твердых частиц и токсичных газообразных компонентов в одном газоразрядном объеме.
Стендовые моторные испытания разработанной конструкции электрофильтра-нейтрализатора на дизельном двигателе Д-243 показали возможность эффективного снижения содержания основных токсичных компонентов в отработавших газах. Главный параметр, определяющий эффективность работы электрофильтра-нейтрализатора, это степень очистки отработавших газов от токсичных компонентов. При номинальном режиме работы двигателя в плазме стационарного коронного разряда обеспечивается снижение уровня дымности на 92,8 %, снижение концентрации оксидов азота на 12,8 %.
Наряду с этим существуют эксплуатационные показатели электрофильтра-нейтрализатора, косвенно влияющие на работу дизельного двигателя. К таким показателям можно отнести газодинамическое сопротивление и шумовые характеристики. Таким образом, исследование предлагаемой конструкции электрофильтра-нейтрализатора должно включать весь спектр исследуемых величин.
Противодавление выпуску (газодинамическое сопротивление) ограничивается в настоящее время только ТУ на тракторные дизели. Большинство зарубежных производителей гарантируют декларированные ими показатели дизелей при противодавлении 38 мм рт. ст. (500 мм вод. ст.), или 76 мм рт. ст. (1000 мм вод. ст.).
Испытания, проведенные ПО ММЗ по влиянию противодавления выпуску на показатели работы дизеля Д-245 [1], выявили, что повышение противодавления на каждые 1 кПа (100 мм вод.ст.) в среднем приводят на номинальном режиме: к увеличению удельного расхода топлива на 0,45 г/кВт-ч; к уменьшению давления наддува на 0,008 кг/см2; к повышению температуры отработавших газов перед турбокомпрессором на 4,6 °С. На режиме максимального крутящего момента ухудшение данных показателей примерно такое же.
Противодавление выпуску оказывает влияние на показатели токсичности и дымности отработавших газов, в связи с чем при проведении сертификационных испытаний дизелей производства ПО ММЗ [2] в перечне обязательных требований к условиям испытаний оговаривается противодавление не более 10 кПа (1000 мм вод. ст.).
Для конструктивной схемы глушителя активного типа на конкретном двигателе имеется определенная зависимость величины шумозаглушения ДL, противодавления Рп и объема корпуса V. При большем противодавлении (до определенного предела) необходимый уровень шумозаглушения может быть получен при меньших габаритах глушителя.
Однако при чрезмерном увеличении противодавления (и возрастания скорости отработавших газов в некоторых элементах глушителя) в нем начинает возникать внутренний шум, уменьшающий и даже полностью устраняющий эффективность глушителя. Для устранения этого явления в соответствии с рекомендациями [3] требуется устанавливать минимальное проходное сечение отработавших газов — S0 в глушителе, исходя из зависимости:
So > (Уг-104) / (3600^),
где Vг — объемный расход отработавших газов, м3/ч.
Исходя из вышеизложенного и согласно методике ОСТ 23.3.23-88 [4], следует рекомендовать желаемый уровень противодавления до 7 кПа (700 мм вод. ст.) при предельно допустимом значении 10 кПа (1000 мм вод. ст.).
Основная часть
Сложный характер движения потока отработавших газов внутри устройства не позволяет аналитически определить основные газодинамические характеристики электрофильтра-нейтрализатора, а также рассчитать траекторию движения сажевых частиц в межэлектродном промежутке. Характер движения потока усложняется вследствие турбулентных пульсаций, вызванных рабочим процессом двигателя, изменением величины проходного сечения разрядной камеры на протяжении всего пути движения газов, а также влиянием электрического ветра.
Величина газодинамического сопротивления (противодавления) процесса выпуска в электрофильтре-нейтрализаторе определялась экспериментальным методом с учетом рекомендаций, приведенных в работах [1, 2, 3, 5].
Электрофильтр-нейтрализатор монтировался вместо стандартного глушителя шума в системе выпуска двигателя Д-243, установленного на испытательном моторном стенде (рис. 1).
Рис. 1. Схема установки для экспериментального определения газодинамического сопротивления электрофильтра- нейтрализатора
Установка состоит из дизельного двигателя 1, нагрузочного генератора постоянного тока 2, весового механизма 3. Дизельный двигатель снабжен системой замера расхода воздуха, состоящей из ресивера 4, диафрагменного расходомера воздуха 5 и дифференциального и-образного манометра 6.
Топливный бак 7 подключен к системе питания двигателя через расходомер топлива 8. Электрофильтр-нейтрализатор 9, установленный в системе выпуска, имеет источник питания 10 мощностью 350 Вт, работающий от аккумуляторной батареи либо от источника постоянного тока с рабочим напряжением 12 В. Реактор также может быть подключен к источнику питания 11 с усилителем 12 мощностью до 1,3 кВт, работающем от сети переменного тока. Задвижки 13 и 14 использовались для изменения количества отработавших газов, проходящих через разрядную камеру. Расход отработавших газов определялся диафрагменным расходомером, содержащим диафрагму 15 и дифференциальный и-образный манометр 16. Температура отработавших газов в системе выпуска контролировалась автоматическим потенциометром 17 посредством термопар 18, а плотность отработавших газов определяется согласно известной методике. Величина статического давления определялась дифференциальным манометром 19.
Кроме описанных, экспериментальный испытательный стенд был оборудован всеми необходимыми устройствами, приборами и приспособлениями для контроля показателей и режимов работы двигателя в соответствии с установленными требованиями [6].
Полный расход отработавших газов определялся при помощи измерительной диафрагмы 15. Расход отработавших газов через электрофильтр-нейтрализатор находился как разница между общим расходом и расходом через измерительную диафрагму 15 на данном режиме работы двигателя. Полный расход отработавших газов измеряется при закрытой задвижке 13 и открытой задвижке 14. Средняя скорость газового потока в сечениях находится исходя из их площади и замеренной величины расхода отработавших газов, проходящих через соответствующее сечение. Для определения газодинамического сопротивления электрофильтра-нейтрализатора место подключения дифференциального манометра в системе выпуска выбирается на прямолинейном участке трубопровода на расстоянии (30-50) ^ от местных сопротивлений, где d - диаметр трубопровода.
Величина потерь давления в электрофильтре-нейтрализаторе определяется исходя из разности общего газодинамического сопротивления участка системы выпуска с электрофильтром-нейтрализатором и газодинамического сопротивления участка системы при отсоединенном электрофильтре-нейтрализаторе.
В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что величина газодинамического сопротивления электрофильтра-нейтрализатора зависит от объемного расхода отработавших газов в системе выпуска. При увеличении объемного расхода величина газодинамического сопротивления увеличивается. Параметры электрического ветра в разрядной камере и его интенсивность существенно не изменяют значение определяемой величины, на основании чего влиянием последнего при расчетах можно пренебречь. Кроме того, является очевидным, что величина противодавления в системе выпуска, создаваемого электрофильтром-нейтрализатором, не зависит от количества собранной реактором сажи, что не является характерным для корпускулярных уловителей с фильтрующими элементами, газодинамическое сопротивление которых увеличивается в процессе их эксплуатации.
На рис. 2 представлена графическая зависимость газодинамического сопротивления электрофильтра-нейтрализатора Рп от относительного объемного расхода отработавших газов в системе выпуска GОГ/GОГн, построенная по экспериментальным данным. На рис. 3 представлена графическая зависимость газодинамического сопротивления электрофильтра-нейтрализатора Рп в системе выпуска по внешней скоростной характеристике дизеля Д-243, построенная по экспериментальным данным.
Рис. 2. Зависимость газодинамического сопротивления Рис 3. Зависим°сть газ°динамическ°г°
электрофильтра-нейтрализатора от относительного сопрошвления элекгрофильтра-нейтрализатора
объемного расхода отработавших газов по внешней стар^тот харжтержтатс дизеля Д-243
Как видно из приведенных данных, максимальная величина параметра Рп по скоростной внешней характеристике соответствует номинальному режиму работы двигателя Д-243 (пдв = 2200 мин"1), а его значение Рп = 6,65 кПа на 3,35 кПа меньше величины предельного противодавления выпуску 10 кПа, и на 0,35 кПа меньше величины рекомендуемого значения противодавления выпуску [1, 4], а также меньше максимально допускаемого значения для корпускулярных уловителей с фильтрующими элементами в процессе эксплуатации до регенерации (15 кПа).
Сложный характер зависимости газодинамического сопротивления электрофильтра-нейтрализатора по внешней скоростной характеристике дизеля Д-243 (рис. 3) объясняется изменением массового расхода GmОГ и температуры отработавших газов, что приводит к изменению объемного расхода GVОГ. Особенно это заметно на режимах близких к максимальному крутящему моменту и номинальной мощности.
Заключение
Применение электрофильтра-нейтрализатора на дизельном двигателе внутреннего сгорания Д-243 вместо серийного глушителя шума показывает, что максимальная величина газодинамического сопротивления составляла не более 6,65 Па, что меньше величины рекомендуемого значения противодавления выпуску. При этом электрофильтр-нейтрализатор обеспечивает значительное снижение уровня шума и токсичных компонентов в отработавших газах.
Л И Т Е Р А Т УР А
1. Определение влияния на показатели дизелей Д-240 и 245 повышения сопротивления на выпуске. Технический акт ММЗ №3890/Д от 12.02.87 г.
2. Протокол №5092-98 испытаний согласно Правилам №24 ЕЭК ООН. Институт по исследованию автотранспортных средств. - Прага, 1998. - 6 с.
3. Выбор оптимального проходного сечения глушителя шума выпуска дизеля / И. А. Коваль [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. - 1978. - №6. - С. 14-15.
4. ОСТ 23.3.23-88. Дизели тракторные и комбайновые. Предельные значения шумовых и вибрационных характеристик. Методы определения.
5. И д е л ь ч и к, И. Е. Аэродинамика промышленных аппаратов / И. Е. Идельчик. - Л.: Энергия, 1964. - 288 с.
6. ГОСТ 18509-88. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1999. - 52 с.
