CC BY
233
УДК 621.43
А.В. Ахромешин, асп., 8-920-742-66-96, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ В ДВС С УПРАВЛЯЕМЫМ ГАЗООБМЕНОМ
Рассматриваются работы, посвященные применению системы рециркуляции отработанных газов на бензиновых и дизельных двигателях. На основе выполненного обзора делается заключение о перспективности применения системы рециркуляции и направлениях дальнейшего развития.
Ключевые слова: рециркуляция отработанных газов, тепловыделение, оксиды азота, твердые частицы.
Ужесточение экологических требований к транспортным двигателям является одной из причин совершенствования рабочих процессов (РП) ДВС. Улучшение РП за счет выбора конструктивных и регулировочных характеристик двигателя и топливной аппаратуры не позволяет достичь уровня токсичности отработанных газов (ОГ), соответствующих требованиям нормативов EURO IV при сохранении на высоком уровне топливной экономичности [1]. Одним из способов достижения данных требований является применение системы рециркуляции отработанных газов (EGR - Exhaust Gas Recirculation).
Впервые на серийных двигателях система рециркуляции ОГ появилась в начале 1970-х годов [7]. Система рециркуляции предназначена для снижения токсичности (оксидов азота) ОГ на режимах прогрева и резкого ускорения. Принцип работы системы основан на возвращении строго определенного количества ОГ во впускной коллектор.
Один из вариантов системы рециркуляции представлен на рис. 1.
Общеизвестно, что система рециркуляции не работает при запуске холодного двигателя и прогреве до 40...600 С, на прогретом двигателе на оборотах ХХ; клапан закрывается при достижении определенных оборотов (примерно 4000 об/мин); при максимальном открытии дроссельной заслонки (мощностной режим работы двигателя). Система работает на средних оборотах работы двигателя (900.4000 об/мин), при малой и средней нагрузке.
Различают системы рециркуляции с электрическим, гидравлическим, пневматическим, мембранным и смешанным приводом клапана EGR.
За счет рециркуляции ОГ увеличивается общее наполнение цилиндра при неизменном количестве свежей смеси, вследствие чего достигается более низкий расход топлива.
К достоинствам системы рециркуляции можно отнести следующие [2]: уменьшение насосных потерь на впуске; уменьшение потерь на
диссоциацию и теплопередачу; увеличение термического КПД двигателя; уменьшение процентного содержания кислорода в камере сгорания, максимальной температуры горения и, как следствие, снижение количества оксидов азота NOx; улучшение экономических показателей работы двига-
Рис. 1. Схема рециркуляции: 1 - электронный блок управления; 2 - датчик положения дроссельной заслонки; 3 - клапан рециркуляции; 4 - 1-зонд;
5 - нейтрализатор
6
К недостаткам применения системы рециркуляции ОГ относятся: увеличение длительности процесса сгорания; резкое увеличение выбросов СН при достижении определенного количества рециркулируемых ОГ; значительный рост количества выбросов сажи при максимальной нагрузке в дизельных двигателях; ухудшение топливной экономичности двигателя при больших значениях рециркуляции.
Существует оптимальный интервал работы системы рециркуляции [4]. При степени рециркуляции 15.. .20 % происходит уменьшение выбросов NOx до 60.80 %. При степени рециркуляции более 10 % наблюдается ухудшение экономичности двигателя. Значительное увеличение выбросов СН происходит при увеличении доли перепущенных ОГ более 20 %.
Механизм действия рециркуляции ОГ можно объяснить следующим образом [3]. При введении ОГ в цилиндр парциальное давление кислорода в горючей смеси цилиндра падает, но объем топлива, необходимого для горения, остается постоянным. При том же объеме добавленного тепла и приблизительно той же продолжительности горения снижается максимальная температура горения. Удельная теплоемкость рециркулирующего выхлопного газа больше, чем у воздуха, т.к. содержащиеся в ОГ , пары воды и двуокиси имеют более высокие удельные теплоемкости, чем у азота и кислорода воздуха. Наличие трехатомных газов ведет к уменьшению температуры пламени внутри камеры сгорания и к снижению NOx.
Рециркуляция наиболее эффективна с применением промежуточного охлаждения ОГ. Снижение температуры ОГ на 60 0С приводит к допол-
теля на определенных режимах работы.
нительному снижению выбросов NOx на 3 % и уменьшению расхода топлива на 2 %.
Различают внешнюю и внутреннюю рециркуляцию. Внешняя рециркуляция ОГ осуществляется при помощи системы рециркуляции, внутренняя обеспечивается в двигателях с переменными фазами газораспределения за счет раннего открытия впускного клапана либо раннего закрытия выпускного клапана.
Для дизельных двигателей система рециркуляции ОГ не получила широкого распространения, т.к. создание надежного и эффективного теплообменника для охлаждения рециркулирующих газов является сложной задачей из-за отложений и загрязнений, выделяющихся при работе дизеля [2]. Несмотря на это, как в отечественной [1, 3, 4], так и в зарубежной литературе [5-7] много исследований посвящено применению таких систем для дизельных двигателей.
В таких организациях, как Oak Ridge National Laboratory (США), рассматриваются вопросы исследования зависимости доли перепущенных ОГ и устойчивости сгорания в дизельных двигателях в целях снижения выбросов NOx при одновременном уменьшении количества твердых частиц в ОГ.
На рис. 2, 3 приведены экспериментальные зависимости тепловыделения и образования токсичных компонентов (NOx, CH) в зависимости от степени рециркуляции ОГ. При увеличении степени рециркуляции уменьшаются тепловыделение, максимальная температура сгорания, максимальное давление в цилиндре.
Рис. 2. Зависимость тепловыделения от степени рециркуляции
Наглядно видно резкое увеличение количества углеводородов при достижении степени рециркуляции в 45 %, вместе с тем наблюдается сни-
жение оксидов азота и уменьшение тепловыделения при увеличении доли перепущенных газов.
Степень рециркуляции, %
Рис. 3. Зависимость выделения NOx, CH от степени рециркуляции
В работе [б] представлены данные об образовании количества твердых частиц в ОГ дизельного двигателя. На ри 4 показаны зависимости количества твердых частиц от степени рециркуляции для различных размеров этих частиц.
|f 0.9
0 10 20 30 40 50
Степень рециркуляции, %
Рис. 4. Зависимость количества твердых частиц от степени рециркуляции ОГ
Из рис. 4 видно, что количество наиболее крупных частиц резко увеличивается при 35 %-ной степени рециркуляции. Твердые частицы, повтор-
238
но участвующие в процессе сгорания, являются активными центрами для образования более крупных частиц. В то же время частицы небольших размеров (менее 20 нм) при горении распадаются.
Таким образом, применение системы рециркуляции является перспективным направлением совершенствования рабочего процесса поршневых ДВС с целью улучшения экологических и экономических характеристик двигателя. Дальнейшее развитие данных систем связано с улучшением быстродействия клапана FGR, созданием новых алгоритмов управления системой, взаимодействием количества перепущенных газов с законами перемещения впускных и выпускных клапанов (ФГР).
Список литературы
1. Голиков В.П. Улучшение экологических и топливноэкономических показателей транспортного дизеля за счет применения рециркуляции отработавших газов и совершенствование рабочих процессов: автореф. дис.... канд. техн. наук. Ярославль, 2004. 18 с.
2. Двигатели внутреннего сгорания: в 3кн. Кн. 1 Теория рабочих процессов: учебник для вузов; под ред. В.Н. Луканина. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2005. 479 с.
3. Кирпиченков С.В. Регулируемая рециркуляция отработавших газов в системе комплексного снижения токсичных выбросов среднеоборотного дизеля речного судна: дис. ... канд. техн. наук. М., 2002. 152 с.
4. Чуб Т.В. Рециркуляция отработавших газов судового дизель-генератора как средство снижения выбросов оксидов азота: дисс. . канд. техн. наук. М., 2000. 138 с.
5. Analysis of Exhaust Gas Composition of Internal Combustion Engine Using Liquefied Petroleum Gas / S. Moskus [et al.] // Journal of Environmental Engineering and Landscape Management. 2006. Vol. XIV. No. 1. P.16-22.
6. Extending Exhaust Gas Recirculation Limits in Diesel Engines / M. Wagner [et al.] // A&WMA 93rd Annual Conference and Exposition Salt Lake City, UT. June 18-22, 2000.
7. Stefanopoulou A., Kolmanovsky I. Dynamic Scheduling of Internal Exhaust Gas Recirculation Systems // Proc. IMECE 1997. DSC Vol. 61. P. 671-678.
A. Akhromeshin
Application the Exhaust Gas Recirculation System in the ICE with Controlled Gas Exchange
The operations devoted to application of exhaust gas recirculation system on petrol and diesel engines are considered. On the basis of the executed survey it is concluded pers-pectivity of application to use the EGR system and directions of the further development.
Keywords: recycling of exhaust gases, heat, nitrogen oxides, particulate matter.
Получено 12.01.10
