CC BY
46Расчётные исследования способов подачи воды в цилиндры дизельного двигателя
В.А. Марков,
профессор, заведующий кафедрой «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н., А.С. Кулешов, профессор кафедры
«Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н., А.Д. Денисов,
старший преподаватель кафедры «Технологии машиностроения и систем автоматизированного проектирования» (ТМС и САПР) Коломенского института (филиал) ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет», А.Н.Зенкин,
студент кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана, А.С. Землемерова,
студентка кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Рассмотрены возможности использования подачи воды в цилиндры для снижения выбросов токсичных компонентов отработавших газов дизелей. Проведены расчётные исследования дизеля типа Д-245 (4 ЧН 11/12,5) производства Минского моторного завода с различными способами подачи воды во впускную систему дизеля и непосредственно в цилиндр. Проведён сравнительный анализ показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов при подаче воды во впускной коллектор до и после компрессора, во впускной патрубок вблизи впускного клапана и при непосредственном впрыскивании воды в цилиндр дизеля.
_ КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
двигатель внутреннего сгорания, дизельный двигатель, вода, водотопливная эмульсия, топливная экономичность, показатели токсичности отработавших газов.
Введение
Наиболее актуальными проблемами современного двигателестроения является обеспечение наилучших показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [1-3]. Необходимость экономного расходования топлива обусловлена продолжающимся истощением мировых запасов нефти, повышением цен на нефтепродукты и ростом выбросов в атмосферу основного парникового газа - диоксида углерода (углекислый газ) СО2 [4, 5].
Другой важнейший показатель работы ДВС - токсичность их ОГ. В настоящее время снижению токсичности ОГ двигателей внутреннего сгорания придаётся большое значение в связи с расширением сферы их применения и увеличением общего количества автомобилей, автобусов и других машин с силовыми установками с ДВС.
Двигатели внутреннего сгорания играют значительную роль в загрязнении атмосферы. В крупных городах они являются одним из главных источников токсичных веществ, выбрасываемых в окружающую среду [6-8]. Так, доля автомобильного транспорта в выбросе вредных веществ в атмосферу города Москвы составляет 85 % [2, 9].
В настоящее время в США, Японии, странах Западной Европы действуют ограничения, устанавливающие максимально допустимые выбросы с ОГ ДВС следующих токсичных веществ - оксидов азота N0^ монооксида углерода СО, лёгких несгоревших углеводородов СН, твёрдых частиц [2, 9]. Причём нормы на токсичность ОГ ДВС непрерывно ужесточаются. Нормирование токсичности ОГ проводится с учётом особенностей транспортных средств (их грузоподъёмности) и характерных условий эксплуатации.
В табл. 1 представлены нормы на токсичность ОГ дизелей серийных автомобилей полной массой более 3,5 тонн. На рис. 1 показана динамика ужесточения норм предельно допустимых выбросов вредных веществ в странах Европейского союза и РФ. По приведённым данным можно отметить, что за последние 10 лет требования к выбросам оксидов азота N0X и твёрдых частиц ужесточились в 2-2,5 раза. Поэтому, наряду с улучшением экономических показателей дизелей, снижение токсичности их ОГ становится серьёзной проблемой.
Таблица 1
Нормы на выбросы токсичных компонентов с ОГ дизельных двигателей транспортных средств полной массой более 3,5 тонны
Нормы Нормы выбросов токсичных компонентов )Г, г/(кВт^ч)
Оксиды азота КОх Монооксид углерода СО Лёгкие углеводороды СН Твёрдые частицы (для двигателей мощностью более 85 кВт)
Евро-0 (Еи0) 14,4 11,2 2,4 -
Евро-1 (Еи1) 8,0 4,5 1,1 0,36
Евро-2 (ЕТО) 7,0 4,0 1,1 0,15
Евро-3 (Еи3) 5,0 2,1 0,66 0,10
Евро-4 (Еи4) 3,5 1,5 0,46 0,02
Евро-5 (Еи5) 2,0 1,5 0,46 0,02
Ужесточение нормативов, ограничивающих вредное воздействие ДВС на окружающую среду, заставляет производителей двигателей искать пути решения проблемы снижения токсичности ОГ. В качестве эффективного средства воздействия на рабочий процесс дизеля с целью снижения выброса наиболее значимых токсичных компонентов ОГ является подача воды в цилиндры двигателя [2, 9-12]. Это обусловлено тем, что эмиссия оксидов азота сильно зависит от максимальных температур в камере сгорания (КС) двигателя. При подаче воды, обладающей большой теплотой парообразования = 2260 кДж/кг при I = 100 °С; у нефтяных дизельных топлив - Qп = 220.. .300 кДж/кг), в цилиндры дизеля и её последующем испарении значительно уменьшаются температуры сгорания топлива, что приводит к уменьшению эмиссии оксидов азота [10]. Следует также отметить, что вода даже в незначительных количествах действует как катализатор, ускоряющий многие химические реакции. При повышенной температуре она может окисляться атомарным кислородом по реакции Н2О+О-оН2О2, взаимодействует с монооксидом углерода СО и углеводородами СН (в частности, по реакциям Н2О+СО^СО2+Н2 и Н2О+СН4^СО+3Н2) и образует химически активные радикалы, участвующие в окислении топлива [10].
''»агимм»*
г/(кВт-ч)
Е1Л> Россия
Еи1 ЕШ
Е112
Б|>]Х)па ииз Е1Л ЕШ Еи£ 11 ,
1990 1995 гооо 200« 201(1 2015
Годы
Рис. 1. Динамика изменения предельно допустимых выбросов оксидов азота с отработавшими газами транспортных дизелей в странах Европейского союза и РФ
В связи с этим определённый интерес представляют исследования дизелей, в которых реализованы различные способы подачи воды в цилиндры.
Способы подачи воды в цилиндры дизеля
Разработано несколько способов подачи воды в цилиндры двигателя (рис. 2) [10]. Возможна подача воды в жидкой фазе или в виде пара. Подача водяного пара в камеру сгорания может быть реализована в силовых установках, имеющих контур утилизации теплоты (теплоты ОГ, охлаждающей воды, смазывающего масла), отводимой от двигателя и используемой для подогрева воды и её испарения. Для быстроходных двигателей транспортных средств предпочтительным является подача воды в КС в жидкой фазе. Наибольшее практическое применение нашли следующие способы: применение в качестве топлива водотопливных эмульсий (ВТЭ), впрыскивание воды непосредственно в цилиндры, подача воды на всасывание (во впускной трубопровод).
Проведены многочисленные исследования дизелей, работающих на водотопливных эмульсиях различного состава [9-20]. Они подтвердили эффективность использования эмульгированных топлив в дизелях. Но применение ВТЭ в качестве моторного топлива имеет и ряд недостатков. К ним можно отнести необходимость использования оборудования для эмульгирования топлив, нестабильность ВТЭ, проблемы износа деталей цилиндропоршневой группы и топливной аппаратуры. Следует также отметить проблемы фильтрации ВТЭ и необходимость перехода на работу на дизельном топливе (ДТ) при пуске и остановке дизеля [21, 22]. Часть этих недостатков устраняется при подаче воды во впускную систему дизеля или непосредственно в его цилиндры.
Улучшение ряда показателей дизелей может быть достигнуто при подаче воды во впускную систему двигателя. При введении во впускной коллектор воды или водяного пара они играют роль не только инертного разбавителя рабочей смеси, но и принимают участие в реакции горения, приводя к увеличению выделившейся теплоты и снижению эмиссии токсичных компонентов ОГ.
Возможна подача воды во впускную систему как в паровой фазе, так и в жидкой. Во втором случае вода подаётся либо через специальный карбюратор, установленный
Рис. 2. Способы подачи воды в цилиндры двигателя
во впускной системе, либо впрыскивается форсункой во впускной трубопровод дизеля. Последнее мероприятие наиболее целесообразно в дизелях с высоким наддувом, в которых испаряющаяся во впускной системе вода охлаждает наддувочный воздух. В ряде случаев это позволяет избежать организации промежуточного охлаждения наддувочного воздуха при использовании двухступенчатой системы наддува.
Наибольший эффект при такой организации рабочего процесса отмечается по выбросам оксидов азота, что обусловлено снижением максимальных температур сгорания, приводящим к уменьшению содержание NOх в ОГ дизеля. Об этом свидетельствуют, в частности, результаты исследований дизеля Д-242 (4 Ч 11/12,5), проведённых в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете [23]. При испытаниях дизеля на стенде с подачей воды на впуске (во впускной коллектор) отмечено заметное уменьшение концентраций в ОГ оксидов азота СШх (рис. 3), причём наибольшее снижение отмечено на форсированных режимах с максимальными температурами сгорания Гтах. В частности, при Ттах = 2100 К и отношении подачи воды Ов во впускную систему к подаче топлива Ст, равном Св/Ст = 30 %, концентрация С^ снизилась на 40 %. Но на нефорсированных режимах снижение температур сгорания, вызванное испарением подаваемой в КС воды, может привести к неполному сгоранию топлива, что влечёт за собой увеличение эмиссии продуктов неполного сгорания и ухудшение топливной экономичности. Поэтому такие исследования должны проводиться в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов дизеля.
В работе [11] проведён анализ показателей дизеля Д-240 (4 Ч 11/12,5) при различных количествах подаваемой во впускной трубопровод воды. Эти исследования показывают, что при такой подаче воды наибольшее снижение содержания NOх в ОГ происходит при максимальной частоте вращения (рис. 4). В частности, на режиме полной нагрузки при п = 2200 мин1 подача воды в количестве, равном цикловой подаче топлива, позволяет снизить содержание NOх в ОГ с 1100 до 500 ррт. На режиме с полной нагрузкой при п = 1000 мин1 такое снижение концентрации NOх в ОГ составило 450 ррт.
0,9
0,8 0,7
0,6 0,5
2'
10
20
30
40 вв1вг,%
Рис. 3. Зависимость относительной концентрации оксидов азота в ОГ дизеля Д-242 от отношения подачи воды Св во впускную систему к подаче топлива Ст при различных максимальных температурах сгорания Ттах [К]: 1 - 1800; 2 - 1900; 3 - 2100
При этом эффект от подачи воды снижается по мере уменьшения нагрузки. Увеличение относительной подачи воды ОъЮт от 0 до 1,5 сопровождается ростом концентрации СО и бенз(а)пирена (СБП) в ОГ соответственно в 2,0 и 1,5 раза. Топливная экономичность начинает ухудшаться при ОвЮт > 2,5.
Приведённые данные показывают, что при смене режима целесообразно изменять и количество подаваемой во впускной трубопровод воды. Это реализуется системой регулирования подачи воды, обеспечивающей соотношение ОъЮт< 1,0___1,5. Увеличение этого показателя ведёт к заметному росту выбросов СО, С, СН при незначительном уменьшении концентрации ЫОх в ОГ и ухудшении экономичности дизеля.
В работах [11, 24] исследован дизель Д-21А1 (2 Ч 10,5/12), работающий с подачей воды на впуске (во впускной коллектор). Количество подаваемой воды Св/Ст изменялось в диапазоне от 0 до 200 %. Результаты испытаний (рис. 5) показывают, что наибольшее влияние подача воды оказывает на содержание в ОГ оксидов азота N0^ Так, на режиме с п = 1800 мин1 при увеличении подачи воды от 0 до 100 % и от 0 до 200 % концентрация N0X в ОГ снижается в 2 и 4 раза соответственно (рис. 5а). Аналогичная закономерность отмечена и на режиме с п = 2 000 мин1. При этом наблюдается незначительный рост содержания в ОГ монооксида углерода СО, углеводородов СН и сажи С.
Влияние подачи воды в цилиндры дизеля Д-21А1 на содержание N0X в ОГ сказывается во всём диапазоне нагрузок (рис. 56). При увеличении отношения Ов/От выброс N0X заметно снижается. Анализ полученных результатов показывает, что основное количество N0X образуется в КС дизеля в период быстрого сгорания. Образование оксидов азота на режимах с малыми нагрузками при интегральной максимальной температуре цикла менее 1300_ 1500 оС связано с наличием в области сгорания топлива локальных зон с повышенной температурой. Наличие локальных температур,
Сио.-Ю1, %
С со, %
К,, ед Возс11 Сбп-103 г/м*
да, г/(кВТ'Ч)
1600
1200
800
400
1200
800
400
1200
800
400
л=1000 миц-у**\ \к п=1000 МИН'1 )Р 1 ■0,5 ! п = 1000 мин-1 , -6 ' п =1000 МИН"1 -12 / л = 1000 мин"1 О 1 "36° А-2 300 13 " 3
п=1600 мин"' Ш □X 17=1600 МИН-' 1. -0,15 -0,10 ^ л=1600 мин1 : У П=1В00 МИН'1 -12 { ' 1 /7=1600 МИН"1 ■360 А
п-2200 мин1 / д-й «=2200 мин"' - 0,15 К £010 1ЦЛГ л =2200 мин-1 :: ) л=2200 мин'1 - 6 ^ 1 1 , л=2200 мин-1 -збсл\ 300 ■240
0,25 0,75
0,25 0,75 0,25 0 75 0,25 0,75
0,25 0,75 Ые
Рис. 4. Зависимость содержания в ОГ оксидов азота Сыо% , монооксида углерода ССО , бенз(а)пи-рена СБП , дымности ОГ Кх и удельного эффективного расхода топлива ge на различных режимах работы дизеля Д-240 от количества воды, подаваемой во впускной трубопровод: 1 - Св/Ст = 0; 2 - 0,5; 3 - 1,0; 4 - 1,5
выравнивающихся по объёму КС со скоростью звука в областях гетерогенного сгорания, и определяет уровень образования ЫОх на режимах с малыми нагрузками. Дальнейшее повышение содержания ЫОх в ОГ по мере возрастания нагрузки до её средних значений связано с увеличением локальных температур и, особенно, со временем их существования. При работе дизеля на режимах с максимальными нагрузками образование ЫОх сокращается из-за возрастающего дефицита кислорода при снижении коэффициента избытка воздуха а. Подача воды в цилиндры дизеля сопровождается снижением максимальной температуры цикла на величину до 200 оС. Это вызывает снижение содержания оксидов азота в ОГ на всех нагрузочных режимах, но характер кривых концентрации ЫОх в ОГ в целом остаётся таким же, как и при работе дизеля по дизельному циклу.
Зависимости концентрации токсичных компонентов в ОГ дизеля Д-21А1 от скоростного режима, показанные на рис. 5в, свидетельствуют о том, что количество подаваемой на впуск воды снижает содержание ЫОх в ОГ во всём диапазоне частот вращения. Наибольший эффект наблюдается на режимах с п = 1200...1400 мин1. При увеличении частоты вращения эффект от подачи воды уменьшается. Снижение температуры
■'»ащмм»*
Рис. 5. Зависимость содержания в ОГ оксидов азота СыО% , монооксида ССО и диоксида ССО2 углерода, углеводородов ССН и дымности ОГ Кх дизеля Д-21А1 от соотношения подач воды и топлива Св/Ст (а), среднего эффективного давления ре (б) и скоростного режима п (в): а: 1 - на режиме п=1800 мин-1; 2 - на режиме п=2000 мин-1; б, в: 1 - дизельный процесс (Св/Ст=0); 2 - Св/Ст=50 %; 3 - Св/Ст=100 %
стенок цилиндра, температуры холодного пристеночного слоя при подаче воды приводит к дополнительному образованию монооксида углерода ССО и углеводородов ССН . Анализ показателей дизеля Д-21А1 при подаче воды во впускной трубопровод показывает, что температура ОГ снижается на 20...40 °С, но при этом снижаются коэффициент наполнения п и коэффициент избытка воздуха а. Мощностные показатели остаются на уровне, характерном для дизельного цикла.
Проблемы создания устройств подачи воды во впускной трубопровод решаются с учётом особенностей дизеля, количества подаваемой воды и необходимости создания устройств, регулирующих подачу воды в зависимости от температуры двигателя и других факторов. В работах [11, 24] предложена система подачи воды на впуск дизеля Д-21А1 трактора Т-25А, содержащая беспоплавковый карбюратор. В этой системе расход воды, примерно равный расходу топлива, устанавливается с помощью регулировочной иглы карбюратора. Система включается в работу после прогрева двигателя путём подключения карбюратора к баку с водой. Отключение карбюратора производится в конце работы за 10.15 мин до остановки двигателя.
Кроме описанной простейшей схемы подачи воды во впускной трубопровод дизеля в работах [11, 24], предложена более сложная система для дизеля ЯМЗ-240 самосвала БелАЗ-540А. Система состоит из следующих элементов: термостатического устройства, вакуумного автомата и карбюратора. Эксплуатационные испытания системы подачи воды во впускной трубопровод дизеля ЯМЗ-240 автомобиля БелАЗ-540А при подаче воды в его впускную систему в количестве Ов/От = 30.40 % показали, что выбросы ЫОх снижаются в среднем на 30 %. При этом температура ОГ уменьшилась на 20.50 °С, а нагарообразование в цилиндрах дизеля снизилось в 2-3 раза. Наработка пяти автосамосвалов с системой подачи воды составила от 5 000 до 20 000 км. Проведённый на трёх двигателях микрометраж деталей цилиндропоршневой группы после пробега автомобилей от 12 000 до 20 000 км значительного снижения долговечности этих деталей не выявил.
Следует отметить, что подача воды в цилиндры дизеля по рассмотренным схемам позволяет заметно уменьшить выбросы токсичных компонентов с ОГ. Этот метод
Рис. 6. Конструктивная схема системы раздельной подачи ДТ и воды в цилиндры дизеля: 1 - выпускной трубопровод; 2 - выпускной клапан; 3 - топливная форсунка; 4 - водяная форсунка; 5 - головка блока; 6 - блок цилиндров; 7 - поршень; 8 - цилиндр; 9,11 - топливопровод; 10 - ТНВД для подачи воды; 12 - штатный ТНВД
является недорогим и одним из наиболее эффективных по улучшению экологических показателей ДВС.
Непосредственное впрыскивание воды в цилиндры может быть осуществлено с использованием двойной системы топливоподачи, в которой топливо и вода впрыскиваются в КС двумя отдельными форсунками, к которым дизельное топливо и вода подаются отдельными топливными насосами высокого давления (ТНВД) [10, 11, 25]. Такой рабочий процесс реализован в системе непосредственной подачи воды в КС дизеля, разработанной в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете [23]. Исследован дизель Д-242 (4 Ч 11/12,5), работающий как на чистом ДТ, так и при впрыскивании воды дополнительной форсункой 4 (рис. 6). При испытаниях на номинальном режиме с п = 1800 мин1 изменяемыми параметрами являлись количество подаваемой воды Ов и угол начала ее впрыскивания фв .
Результаты безмоторных исследований показали, что на номинальном режиме с птн = 900 мин1 при неизменном положении рейки ТНВД объёмная цикловая подача воды увеличивается в среднем на 4.6 % по сравнению с работой на ДТ вследствие уменьшения её дросселирования при истечении из распыливающих отверстий форсунок. Затраты мощности на привод ТНВД для подачи воды составили 0,5 кВт. Однако эти затраты компенсируются уменьшением потребляемой мощности на привод агрегатов основной системы охлаждения двигателя. Проверка гидроплотности прецизионных пар этого ТНВД и герметичности форсунки в сборе до и после 125 ч работы выявила отсутствие повышенного износа прецизионных деталей [23]. При моторных испытаниях отмечено, что на нагрев впрыснутой воды, её испарение и перегрев образовавшегося пара затрачивается часть теплоты рабочей смеси, в результате чего снижается их температура, замедляется образование оксидов азота ЫОх и уменьшается их содержание в ОГ. Кроме того, вода разбавляет горючую смесь, уменьшая тем самым относительную концентрацию кислорода, что также приводит к снижению содержания ЫОх в ОГ. Чем больше количество подаваемой воды и чем раньше она подаётся в КС, тем значительнее снижается температура по сравнению с обычным дизельным циклом.
до
Рис. 7. Зависимость удельных выбросов оксидов азота дизеля Д-242 от количества подаваемой воды Св/Ст и угла начала её впрыскивания фв [°ПКВ]: 1 - 6° до ВМТ; 2 - 3° до ВМТ; 3 - ВМТ; 4 - 6° после ВМТ; 5 - 9° после ВМТ; 6 - 12° после ВМТ; 7 - 15° после ВМТ
Интенсивное образование оксидов азота наступает при температуре Г=1900 К, и их эмиссия удваивается при повышении температуры на 200.250 К. При впрыскивании воды сокращается продолжительность периода температур фШх , соответствующая интенсивному образованию оксидов азота. Если в штатном дизельном цикле она составляет фШх=32° поворота коленчатого вала (ПКВ), то при впрыскивании воды в количестве Ов/От = 50 % (от подачи топлива Ст) и угле опережения её впрыскивания фв = 3° ПКВ до верхней мёртвой точки (ВМТ) продолжительность этого периода сокращается до фШх = 23° ПКВ. Более позднее впрыскивание воды в количестве Св/Ст = 50 %, соответствующее началу подачи воды фв = 12° ПКВ после ВМТ, приводит к увеличению периода максимальных температур до фШх = 27° ПКВ [23]. В цикле с подачей воды снижается максимальная температура цикла Гтах. Так, при работе по дизельному циклу эта температура составляет Ттах = 2280 К, при (т^Ют = 50 % и фв =3° ПКВ до ВМТ - Ттах = 2150 К, при Ов/вт = 50 % и фв = 12° ПКВ после ВМТ - Ттах = 2260 К.
Снижение максимальных температур сгорания при впрыскивании воды создаёт условия для снижения выбросов оксидов азота с ОГ. Но при этом повышается удельный эффективный расход топлива gе и снижается эффективная мощность двигателя Ые. Если при работе на номинальном режиме только на ДТ расход топлива составлял gе = 252 г/(кВт-ч), а эффективная мощность дизеля Ые = 49,6 кВт, то при подаче воды в количестве Ов/От = 50 % в момент времени фв = 12° ПКВ после ВМТ эти показатели оказались равны ge= 257 г/(кВт-ч) и Ые = 48,63 кВт [23]. Установлено, что наибольшее снижение эмиссии оксидов азота ОГ дизеля Д-242 достигается при подаче воды в количестве Св/Ст = 30.40 %, причём наибольший эффект получен при раннем впрыскивании воды в момент времени фв = 6° ПКВ до ВМТ (рис. 7).
Для достижения наибольшей эффективности впрыскивания воды необходимо оптимизировать параметры Ов/От и фв на каждом режиме. Так, на номинальном режиме
при впрыскивании воды в количестве Св/Ст = 30 % в момент времени фв = 3° ПКВ до ВМТ выброс оксидов азота составил еМОх = 3,9 г/(кВт-ч), а в дизельном цикле он равен еШх = 24,5 г/(кВт-ч) - эмиссия еМОх уменьшилась более чем в шесть раз. На этом режиме при впрыскивании воды с указанными параметрами эффективная мощность дизеля составила N = 41,2 кВт, а удельный расход топлива ge= 261 г/(кВт-ч). Для дизельного цикла эти показатели оказались равны N = 43,8 кВт и ge = 253 г/(кВт-ч). При Св/Ст = 35 % и фв = 12° ПКВ после ВМТ показатели N = 43 кВт и ge= 255 г/(кВт-ч) практически соответствуют показателям дизельного цикла. Таким образом, в работе [23] подтверждена возможность значительного снижения выбросов оксидов азота при подаче в КС порции воды при небольшом увеличении удельного эффективного расхода топлива (на 1.6 %).
В работе [26] представлены результаты проведённых в Мюнхенском институте двигателестроения исследований влияния добавки воды и метанола на эффективные мощность N и удельный расход топлива gе, период задержки воспламенения, дымность ОГ и эмиссию оксидов азота ЫОх дизелем с непосредственным впрыскиванием топлива в неразделённую КС. Исследования проведены на одноцилиндровой установке с рабочим объёмом Ук = 1,58 л, степенью сжатия е = 19, цилиндрической КС в поршне и впрыскиванием топлива горизонтально расположенной (по радиусу КС) односопловой форсункой. В одном варианте струя топлива впрыскивалась под углом 50° относительно оси форсунки, в другом - по оси форсунки в направлении центра КС. Впрыскивание воды или метанола осуществлялось форсункой, установленной на противоположной стороне относительно основной форсунки.
Анализ механизмов воздействия воды и метанола на процесс сгорания показал, что эти добавки как химические реагенты не оказывают непосредственного влияния на концентрацию составляющих продуктов сгорания. Только при значительном недостатке воздуха они эффективно способствуют торможению реакции сажеобразования. В этом случае вода оказывает более сильное влияние на образование сажи, чем метанол.
Малоизученные вопросы кинетики образования сажи пока не позволили определить роль неравновесных реакций в этих процессах. Доминирующее влияние на сажеобразо-вание оказывает охлаждающее действие испаряющейся воды. Оно снижает температуру в КС и увеличивает период задержки воспламенения (ПЗВ), что улучшает гомогенизацию смеси и снижает сажеобразование.
Отмечено, что добавка воды не способствовала повышению КПД дизеля, поскольку её испарение снижало температуру цикла. Несмотря на то, что в связи с увеличением ПЗВ при подаче воды скорость тепловыделения в начальной фазе сгорания возрастала, сгорание протекает медленнее, чем при использовании ДТ. Наиболее эффективной является зависящая от нагрузки подача воды или метанола непосредственно в зону горения. Количество подаваемой воды должно составлять меньше 50 % от массовой цикловой подачи ДТ. При максимальной подаче воды максимальная температура цикла снижалась на 250 К. При впрыскивании метанола температура цикла снизилась на 100 К вследствие большей теплоты испарения метанола по сравнению с ДТ.
Двойные системы топливоподачи (см. рис. 6) предполагают наличие двух автономных топливных систем с двумя форсунками для подачи ДТ и воды. Это усложняет конструкцию системы топливоподачи и головки блока цилиндров. Более рациональной представляется подача этих двух компонентов через одну форсунку. Такая система раздельной подачи топлива и воды через общую форсунку в КС высокооборотного дизеля исследована в Японии [27]. В этой системе подачи топливо от ТНВД 1 (рис. 8) через нагнетательный клапан 2 по топливопроводу 3 и каналу 17 подается в подыгольную полость 21 форсунки 19. В процессе нагнетания игла форсунки поднимается, и топливо через сопловые
ДО
отверстия 22 распылителя впрыскивается в КС. Одновременно топливо поступает в полость 14 дозатора воды 13, воздействует на вытеснитель 12 и смещает поршень 9 влево до упора 6, деформируя пружину 4. В результате в полости 10 создаётся разрежение, и она заполняется водой, всасываемой из ёмкости 8 через клапан 7 и трубопровод 5. После окончания подачи (после отсечки) при посадке нагнетательного клапана 2 давление в топливопроводах 3, 16 уменьшается, и пружина 4 смещает поршень 9 вправо. Возрастающее давление в полости 10 закрывает клапан 7 и открывает клапан 11, подавая воду через трубопровод 15 и каналы 18, 20 к распылителю форсунки. При этом вода вытесняет оставшееся там топливо в КС дизеля. Затем часть воды впрыскивается в цилиндр, а часть - остаётся в распылителе до следующего цикла впрыскивания.
Таким образом, подача воды осуществляется в начале и в конце периода впрыскивания топлива. Такая организация процесса подачи топлива и воды позволяет существенно снизить выбросы оксидов азота и продуктов неполного сгорания топлива, повысить на 1...2 % топливную экономичность.
Результаты испытаний дизеля типа TDI фирмы Volkswagen, работающего с подачей топлива и воды в КС через одну форсунку, приведены в работе [28]. Дизель имел размерность S/D = 95/79,5, рабочий объём Vh = 0,47 л, степень сжатия е = 20, среднее эффективное давление ре = 0,8 МПа, мощность Ne = 81 кВт. Процесс топливоподачи организован таким образом, что вода подаётся в распылитель форсунки в период между впрыскиваниями, когда давление топлива минимально. В это время вода поступает в полость перед распыливающими отверстиями форсунки. При последующем впрыскивании она вместе с ДТ подаётся в КС дизеля.
В процессе испытаний исследовалось влияние геометрии проточной части распылителя форсунки на показатели дизеля, работающего на ДТ без подачи воды и с дополнительной подачей воды в КС в количестве 25 и 40 % от цикловой подачи ДТ. Применялось два типа распылителей: с пятью распыливающими отверстиями (гр = 5) диаметром = 0,170 мм и с двенадцатью отверстиями (гр = 12) диаметром = 0,126 мм.
Исследования показали, что в дизеле, работающем только на ДТ, замена распылителей с гр = 5 на распылители с /р = 12 сравнительно слабо влияет на удельный эффективный расход топлива ge и заметно снижает содержание в ОГ оксидов азота CNOx (на номинальном режиме - примерно на 30 %), но при этом значительно возрастает дымность ОГ Кх (на номинальном режиме - более чем в 2 раза, рис. 9).
Рис. 8. Схема системы раздельной подачи ДТ и воды в цилиндр дизеля: 1 - ТНВД; 2 - нагнетательный клапан; 3,16 - топливопроводы; 4 - пружина; 5,15 - трубопроводы; 6 - упор; 7,11 - клапаны; 8 - ёмкость с водой; 9 - поршень; 10,14 - полости; 12 - вытеснитель поршня; 13 - дозатор воды; 17,18,20 - каналы; 19 - форсунка; 21 - подыгольная полость; 22 - распыливающие отверстия
а б
Рис. 9. Зависимости расхода топлива ge, содержания в ОГ оксидов азота CNO% и дымности ОГ Кх дизеля типа TDI фирмы Volkswagen, оснащённого распылителями с пятью (а) и двенадцатью (б) распыливающими отверстиями:
1 - без подачи воды; 2 - с подачей 25 % воды; 3 - с подачей 40 % воды
Оснащение дизеля распылителями с гр = 12 и одновременная подача воды в КС в количестве 40 % от цикловой подачи ДТ обеспечивают наилучшее сочетание основных показателей двигателя.
Преимуществом систем подачи топлива и воды через одну форсунку является возможность гидроочистки распылителей при закоксовывании распыливающих отверстий [29]. Это особенно важно для дизелей, работающих на тяжёлых нефтяных и альтернативных топливах (например, растительных маслах), склонных к коксованию в КС дизеля [10, 30]. Недостатком описанной организации процесса подачи является сложность регулирования количества подаваемой воды и момента её подачи в КС дизеля.
Система впрыскивания ДТ и воды в КС дизеля через одну форсунку без их предварительного перемешивания описана в работе [31]. Испытания опытного быстроходного дизеля, оборудованного высокоскоростной кинокамерой, показали, что применение такой системы питания обеспечивает расслоение рабочей смеси и способствует уменьшению выбросов оксидов азота N0^ снижению дымности ОГ при повышении индикаторного КПД п .
Проведённый выше анализ продемонстрировал перспективность подачи воды во впускную систему и непосредственно в цилиндр дизеля при улучшении показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов исследованных дизелей. Вместе с тем этот анализ не выявил наиболее эффективного метода подачи воды в цилиндры дизеля, поскольку рассматривались дизели различного назначения и различных конструкций. Кроме того, в рассмотренных информационных источниках исследовались,
в основном, дизели без турбонаддува, которые вытесняются более совершенными двигателями с газотурбинным наддувом. В связи с этим следует провести сравнительные исследования дизеля с турбонаддувом, оснащённого различными системами подачи воды в КС дизеля. Такие исследования целесообразно провести расчётным путём с использованием современных программных комплексов для моделирования и оптимизации рабочего процесса дизелей. Их использование позволяет сократить материальные и временные затраты при таких исследованиях и рассмотреть большое количество различных схем подачи воды в цилиндры дизеля.
Окончание в следующем номере.
_ ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / В.П. Алексеев, В.Ф. Воронин, Л.В. Грехов и др. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.
- М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.
2. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.
3. Машиностроение. Энциклопедия. Том IV. Двигатели внутреннего сгорания / Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, Н.А. Иващенко. - М.: Машиностроение, 2013. - 784 с.
4. Вальехо Мальдонадо П.Р. Энергосберегающие технологии и альтернативная энергетика: Учебное пособие для вузов. - М.: РУДН, 2008. - 204 с.
5. Нефтяные моторные топлива: экологические аспекты применения / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2014. - 691 с.
6. Автотранспорт и экология мегаполисов / А.А. Ипатов, В.Ф. Кутенев, В.А. Лужко, А.С. Те-ренченко, Н.А. Хрипач. - М.: Экология. Машиностроение, 2010. - 253 с.
7. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. - М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 1998. - 216 с.
8. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. - Владимир: Изд-во Владимирского государственного университета, 2000. - 256 с.
9. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. Учебник для вузов. - М.: Изд-во «ЛегионАвтодата», 2005. - 344 с.
10. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2012. - 791 с.
11. Лиханов В.А., Сайкин А.М. Снижение токсичности автотракторных дизелей. - М.: Колос, 1994. - 224 с.
12. Парсаданов И.В. Повышение качества и конкурентоспособности дизелей на основе комплексного топливно-экологического критерия. - Харьков: Изд-во Харьковского политехнического института, 2003. - 244 с.
13. Гладков О.А., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. - Л.: Судостроение, 1990. - 112 с.
14. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. - Л.: Судостроение, 1988. - 105 с.
15. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Исследование работы дизеля КамАЗ-740 при использовании водотопливной эмульсии // Вестник РУДН. Серия «Инженерные исследования». - 2004.
- № 2. - С. 16-19.
16. Марков В.А., Девянин С.Н., Шумовский В.А., Тарантин С.А. Работа дизелей на водото-пливных эмульсиях // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 3. - С. 67-71.
17. Марков В.А., Тарантин С.А., Девянин С.Н. Использование водотопливных эмульсий в качестве топлива для дизелей // Грузовик. - 2012. - № 8. - С. 33-42.
18. Andrews G.E., Bartle K.D., Pang S.W. et al. The Reduction in Diesel Particulate Emissions, Using
Emulsified Fuels // SAE Technical Paper Series. - 1988. - № 880348. - P. 1-9.
19. De Vita A. Multi-Cylinder D.I. Diesel Engine Tests with Unstabilized Emulsion of Water and Ethanol in Diesel Fuel // SAE Technical Paper Series. - 1989. - № 890840. - P. 1-15.
20. Strey R., Simon C. Russ- und NOx- Reduktion dank Dieselkraftstoff-Wasser-Mikroemulsion // MTZ. - 2005. - Jg. 66. - № 6. - S. 485.
21. Klopfer M., Lang H.-P., Weiser T. Wasserabscheidekonzept fur druckseitige Dieselkraftstoff-Filtersysteme // MTZ. - 2005. - Jg. 66. - № 6. - S. 460-464.
22. Okada H., Furuya T., Chol C. et al. Application of Emulsified Heavy Fuel to Marine Diesel Engines // Bulletin of Marine Engineering Society in Japan. - 1992. - Vol. 20. - № 1. - P. 1-9.
23. Снижение выбросов оксидов азота тракторных дизелей путём организации рабочего процесса на водотопливной смеси / А.В. Николаенко, В.С. Шкрабак, Т.Ю. Салова и др. // Двига-телестроение. - 2000. - № 1. - С. 35-37.
24. Опыт снижения токсичности отработавших газов дизелей за счёт подачи воды / А.К. Болотов, В.А. Лиханов, В.М. Попов и др. // Двигателестроение. - 1982. - № 7. - С. 48-50.
25. Birkenhagen S., Rulfs H. Untersuchungen zur direkten. Reduktionsmittel- und Wassereinspritzung bei mittelschnelllaufenden Dieselmotoren // MTZ. - 2001. - Jg. 62. - № 11. - S. 946-954.
26. Heinrich G., Prescher K., Finsterwalder G. Wasser- und Methanolzusatze bei Dieselmotorischer Verbrennung // MTZ. - 1984. - Jg. 45. - № 5. - S. 183-188.
27. Water Injection in Diesel Engines // Journal Marine Engineering Society of Japan. - 1988. -№ 4. - P. 251-256.
28. Rainer P., Simon C. Einfluss der geschichteten Wassereinspritzung auf das Abgas- und Verbrauchsverhalten eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung // MTZ. - 2004. - Jg. 65. - № 1. - S. 49-55.
29. Середа А.С. Теоретическое обоснование гипотезы о гидроабразивном механизме очистки распылителей // «Повышение эффективности судовых энергетических установок»: Сборник научных трудов Новосибирского института инженеров водного транспорта. - Новосибирск, 1989. - С. 103-115.
30. Maxson T., Logan B., O'Brien S. Performance in Diesel and Biodiesels of Fluorosilicone Rubber Materials user for Automotive Quick Connector Fuel Line ORings and Other Sealing Applications // SAE Technical Paper Series. - 2001. - № 2001-01-1124. - P. 1-9.
31. Takasaki K., Fukuyoshi T., Otsubo M. et al. Improvement of Diesel Combustion using a Fuel-Water-Fuel Injection System // International Journal Japan Society of Mechanical Engineers. Part B. -1998. - Vol. 41. - № 4. - P. 975-982.
32. Грехов Л.В., Кулешов А.С. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 64 с.
33. Кулешов А.С., Грехов Л.В. Расчётное формирование оптимальных законов управления дизелями на традиционных и альтернативных топливах // Безопасность в техносфере. - 2007. -№ 5. - С. 30-32.
34. Кулешов А.С. Многозонная модель для расчёта сгорания в дизеле. Расчёт распределения топлива в струе // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. Специальный выпуск «Двигатели внутреннего сгорания». - 2007. - С. 18-31.
35. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. - Харьков: Вища школа, 1980. - 169 с.
36. Kuleshov A.S. Model for Predicting Air-Fuel Mixing, Combustion and Emissions in DI Diesel Engines over Whole Operating Range // SAE Technical Paper Series. - 2005. - № 2005-01-2119. -P. 1-10.
37. Kuleshov A.S. Multi-Zone DI Diesel Spray Combustion Model and its Application for Matching the Injector Design with Piston Bowl Shape // SAE Technical Paper Series. - 2007. - № 2007-01-1908. - P. 1-10.
38. Кулешов А.С. Развитие методов расчёта и оптимизация рабочих процессов ДВС: Дисс. ... д.т.н.: 05.04.02. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. - 235 с.
39. Montgomery D.T., Reitz R.D. Optimization of Heavy-Duty Diesel Engine Operating Parameters Using a Response Surface Method // SAE Technical Paper Series. - 2000. - № 2000-01-1962. - P. 1-21.
40. Марков В.А., Девянин С.Н., Семенов В.Г., Багров В.В., Зыков С.А. Моторные топлива, производимые из растительных масел / Под ред. В.А. Маркова. - Рига: Lambert Academic Publishing, 2019. - 420 с.
до
