CC BY
13\\\\\\\\\\\\ч
Научные разработки и исследования
Снижение дымности отработавших газов дизеля в условиях высокогорья
10 лет
журналу
25
Н.Н. Патрахальцев, профессор РУДН, д.т.н.,
Л.А. Ластра, профессор Национального инженерного университета Перу (UNI), г. Лима, к.т.н.,
О.В. Камышников, профессор Национального университета Сан Августина (UNSA), Перу, г. Аррекипа, к.т.н.
Проблема снижения дымности ОГ и повышения экономичности дизеля в условиях высокогорья может решаться добавкой к дизельному топливу жидкой фазы сжиженного углеводородного газа (СУГ) - пропан-бутана топливного. Физико-химические и моторные свойства СУГ позволяют сохранить допустимый уровень дымности ОГ при коэффициенте избытка воздуха более низком, чем в традиционном дизеле в тех же условиях, а, следовательно, частично компенсировать «высокогорные» потери мощности, экономичности и экологичности двигателя.
Работа проведена в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве между университетами РФ и Перу.
__Ключевые слова:
дизель, газодизель, альтернативное топливо, сжиженный углеводородный газ (СУГ), высокогорье, токсичность выбросов, дымность отработавших газов.
Перу для реализации договора о научно-техническом сотрудничестве между университетами РФ и Перу был поставлен испытательный стенд с дизелем 2Ч 8,5/11, на котором были проведены исследования в нормальных условиях на уровне моря в г. Лима, а также в условиях высокогорья - в г. Аррекипа, расположенном на высотах 2200...2500 м над уровнем моря. Проведение данной работы в районе Аррекипы было согласовано с региональным управлением здравоохранения [1], поскольку ее результаты должны были дать рекомендации для снижения выбросов сажи в условиях городского движения автотранспорта.
Известно, что при работе дизеля в условиях высокогорья, когда снижаются давление и плотность окружающего воздуха, дизель при исходной регулировке работает с пониженным коэффициентом избытка воздуха, ухудшенными показателями теплообмена и т.д. Это приводит к снижению его мощности, повышенному удельному расходу топлива, а также возрастанию токсичности и особенно дымности его выбросов.
Наиболее существенным источником загрязнения окружающей среды в г. Аррекипа является автомобильный транспорт. Проблема защиты окружающей среды становится особенно актуальной, если учесть топографические особенности расположения этого города
^Cou»^
и провинции - окруженное горами плато, где затруднено естественное ветровое удаление загрязнителей атмосферы. Индексы предельно допустимых концентраций (например, сажи) в окружающем воздухе разработаны для нормальных условий эксплуатации, то есть на уровне моря. В то же время, согласно последним исследованиям гигиенистов, вредность и токсичность сажи увеличиваются с ростом высоты над уровнем моря.
Известно, что физико-химические и моторные свойства применяемого топлива существенно влияют на показатели эффективности, экономичности и токсичности выбросов двигателей. Применение ряда альтернативных топлив (прежде всего природного и сжиженного углеводородного газов) существенно улучшает эти показатели.
В Перу около 15 тыс. баррелей СУГ в месяц производит основной производитель - фирма РЕТКОРЕЯи. Еще около 5 тыс. баррелей в месяц - другие производители, прежде всего ЯЕРЗОЬ. Сейчас СУГ применяется в основном для домашнего пользования и в качестве топлива для автомобильных газобаллонных двигателей с искровым зажиганием. Реже - на газодизелях со смешанным смесеобразованием (с внешним смесеобразованием для СУГ и внутренним с запальным дизельным топливом - ДТ). С ростом числа заправочных станций, а также с расширением применения природного газа в домашнем хозяйстве увеличиваются возможности использования СУГ и в качестве топлива для дизелей и газодизелей. С учетом более простой транспортировки СУГ его применение перспективно, хотя и требует определенных переделок двигателя (особенно дизеля) в газодизель со смешанным смесеобразованием, также при этом повышаются требования к условиям технического обслуживания и т.д. Представляется, что не только для Перу, но и для РФ применение СУГ в дизелях путем впрыскивания его штатной
системой топливоподачи (по принципу внутреннего смесеобразования, типичного для дизелей) [2] может быть наиболее целесообразно, особенно при модернизационном решении задачи, то есть без существенных переделок серийного двигателя.
В условиях Аррекипы, то есть на высоте порядка 2500 м над уровнем моря, давление окружающего воздуха составляет около 85 % от нормального. Особенностью климатических условий в Перу является возрастание температуры воздуха до высоты около 2000...2500 м, когда она достигает уровня 103 % от нормального. При этом плотность окружающего воздуха оказывается на 25 % ниже, чем в нормальных условиях, причем на 5 % ниже, чем в аналогичных условиях Европы. В результате на 3 % снижается коэффициент наполнения, на 27 % - действительный расход воздуха и давление начала сжатия, также уменьшается коэффициент избытка воздуха. В дизеле в условиях высокогорья из-за снижения давления и температуры конца сжатия возрастает период задержки воспламенения. Все это приводит к ухудшению протекания рабочего процесса дизеля - снижению мощности до 30 %, экономичности на 22 %, росту токсичности и особенно дымности выбросов. Даже перерегулировка дизеля на постоянство состава горючей смеси, то есть уменьшение подачи топлива примерно на 25.30 %, не восстанавливает экономичности двигателя, индикаторный и эффективный КПД которого остаются ниже, чем при работе на уровне моря [1].
Испытания дизеля в условиях высокогорья в штатном исполнении при работе на дизельном топливе (рис. 1) проведены сначала без изменения регулировок, которые имел дизель в условиях на уровне моря. Затем проведены испытания в ситуации, когда уменьшением подачи топлива на каждом скоростном режиме достигался состав смеси, равный тому, который двигатель имел на этом
режиме в нормальных условиях. Результаты испытаний показали, что при отсутствии корректировок дизеля по другим параметрам у него отмечены существенные потери мощности и экономичности, а также возрастание дымности выбросов (рис. 2).
Характеристики показывают, что даже при дефорсировании дизеля (то есть при потере мощности) в условиях высокогорья уменьшением подачи топлива до уровня, обеспечивающего поддержание состава смеси, соответствующего составу в условиях на уровне моря, заметно снижаются показатели экономичности. Сохранение неизменными коэффициентов избытка воздуха хотя и снижает мощностные показатели еще сильнее, чем недостаток воздуха, но практически восстанавливает уровень дымности нормальных условий, за исключением режимов пониженных частот вращения.
В целом, при работе на высоте с неизменной «равнинной» регулировкой (см. рис. 1, 2) дизель при номинальной частоте вращения вала имеет на 18 % пониженную мощность, на 28 % более низкий коэффициент избытка воздуха и в 1,6-2,0 раза более дымный выпуск в диапазоне частот от номинальной до минимальной. Дизель в нормальных условиях имеет а0=1,55...1,6. Состав смеси предела дымления в этих условиях равен 1,45. В высокогорье дизель с «равнинной» регулировкой по подаче топлива имеет состав смеси ан=1,15...1,16.
Если провести настройку дизеля на высоте на состав смеси «равнинной» регулировки (а'н=а0), то эффективность (мощность) дизеля (№еН) снижается по сравнению с исходной «равнинной» (Ые0) на 30.35 % при потере до 2.3 % по абсолютному значению экономичности. При этом уровень дымности ОГ несколько снижается на повышенных частотах вращения, но возрастает на 30 % при пониженных частотах. Таким образом, простая регулировка дизеля на условия
Рис. 1. Внешние скоростные характеристики дизеля 2Ч 8,5/11 при работе в нормальных условиях на уровне моря (индекс «0»), на высоте Н=2500 м над уровнем моря с неизменной «равнинной» регулировкой (индекс «Н») и при работе на высоте с уменьшением подач топлива до уровня составов смеси, соответствующих «равнинной» регулировке (индекс «'»):
Ме - крутящий момент; г|е - эффективный КПД; Ст - часовой расход топлива
высокогорья путем сохранения неизменным (по сравнению с нормальными условиями) состава горючей смеси не обеспечила достаточной компенсации потерь экономичности и экологических качеств двигателя при очевидной значительной потере мощности.
Поэтому проблемы компенсации потерь эффективности, экономичности, экологических качеств в условиях высокогорья требуют применения специальных методов и средств организации рабочих процессов. В публикациях [3, 4] имитацией работы дизеля типа Рикардо в высокогорных условиях показаны возможности частичной
10 лет
журналу
27
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Рис. 2. Внешние скоростные характеристики дизеля 2Ч 8,5/11 при работе на уровне моря («0»), в высокогорье с неизменной «равнинной» регулировкой («Н») и с уменьшением подач топлива до исходного «равнинного» состава смеси («'»): Ов, г|„, а - часовой расход воздуха дизелем, коэффициент наполнения и коэффициент избытка воздуха; В - дымность отработавших газов
компенсации высокогорных потерь добавкой к топливу сжиженного углеводородного газа. По существу, этот метод относится к созданию газодизелей с внутренним смесеобразованием. Разработке таких процессов в нормальных условиях эксплуатации посвящены работы [5], где в дизель подавалась предварительно подготовленная смесь основного дизельного топлива и СУГ, и [6], где СУГ вводился в линию высокого давления топливной системы вблизи форсунки через клапан регулирования начального давления (РНД) [7]. Впрыскивание в дизель заранее подготовленной смеси дизельного топлива и СУГ дает высокий эффект по показателям экономичности, эффективности, эко-логичности. Однако метод сложен в организации, так как подача СУГ или его смеси с ДТ через штатный ТНВД осложняется проблемой создания и хранения такого смесевого топлива, возможностью парообразования в линиях
низкого и высокого давления в процессе топливоподачи, повышенной сжимаемостью смесевого топлива, утечками газа в окружающую среду через зазоры в ТНВД и т.д.
Способ подачи СУГ к штатной форсунке с помощью клапана РНД более оперативен и конструктивно менее сложен. Топливная аппаратура включает элементы штатной системы, источник с сжиженным углеводородным газом, элементы фильтрации СУГ и аварийной защиты, а главное - клапан РНД, подключенный вблизи штатной форсунки. (Следует отметить, что по предложению профессора МГТУ им. Баумана Грехо-ва Л.В. этот клапан более удачно назван клапаном импульсной подачи добавки к топливу. В нашей работе сохранена старая терминология, так как функцией клапана является не только ввод добавок к основному топливу, но и повышение или стабилизация начального давления в ЛВД перед очередными циклами то-пливоподачи). Узел клапана РНД включен вблизи форсунки через специальные элементы крепления. Подача СУГ в дизельное топливо в линии высокого давления (ЛВД) в максимальной близости к форсунке происходит между циклами впрыскивания, когда при отсечке подачи топливным насосом и посадке нагнетательного клапана в седло в ЛВД формируется волна пониженного давления, которая, подходя к клапану РНД, открывает его, и СУГ под действием перепада давления входит в ЛВД, перемешиваясь с ДТ. А в очередных циклах топливопо-дачи созданное таким образом смесевое топливо впрыскивается в дизель обычным порядком.
Анализ регулировочных характеристик топливной системы дизеля 2Ч 8,5/11 с клапаном РНД показал, что в штатном состоянии топливной системы клапан РНД не обеспечивает ввод добавки в ЛВД. Потребовались увеличение длины ЛВД до 600 мм, ограничение хода клапана РНД величиной 0,4 мм,
а также увеличение объема разгрузки нагнетательного клапана до 26 мм3, что позволило получить достаточные расходные характеристики СУГ через клапан. После отладки и регулировки системы с РНД на топливном стенде она была установлена на дизеле. Стенд с дизелем был снабжен измерителями расхода ДТ, СУГ и воздуха, измерителями частоты вращения и крутящего момента, дымомером типа BOSCH и другой необходимой аппаратурой. Установка РНД на модернизированную топливную систему позволяет не только восстановить (после увеличения длины нагнетательного трубопровода), но и повысить производительность системы топливоподачи на всех скоростных и нагрузочных режимах. Применение клапана РНД практически не влияет на степень коррекции топливной аппаратуры, что важно для топливной системы автотракторного двигателя. При подаче через клапан РНД дизельного топлива повышение производительности системы составляло 20.40 %.
После отладки системы на дизельном топливе проведены исследования с подачей СУГ. Показано (рис. 3), что массовая доля расхода СУГ Gcyr через клапан РНД в случае сохранения мощностной характеристики и G^j - при сохранении исходного «равнинного» состава смеси будет около 20.25 % от полного массового расхода ДТ. Более важным представляются доли XQ и X'Q и абсолютные значения тепла Q, вводимого с СУГ
(Осуг и ОсУГ ').
Показано, что по отношению ко всей теплоте, вводимой в цилиндры дизеля со смесевым топливом, доля СУГ составляет от 20 до 22 % во всем диапазоне скоростных режимов при работе по внешней скоростной характеристике (ВСХ).
Испытания двигателя с подачей в цилиндры СУГ проведены в следующих условиях (рис. 3, 4).
На всех скоростных режимах газодизель регулировался на получение того
Рис. 3. Характеристики газодизеля с внутренним смесеобразованием на базе дизеля 2Ч 8,5/11 при работе на высоте Н=2500 м над уровнем моря:
--добавка СУГ из условия
сохранения характеристики дизеля МеН («ГД»);
----- добавка СУГ при условии
сохранения неизменной дымности ОГ на номинальном скоростном режиме на уровне 5=2,3 ед. BOSCH («ГД '»); G^j. и G^ - часовые расходы СУГ; G/ и G/ - часовые расходы дизельного топлива; Q - часовой ввод тепла с дизельным топливом («д»), с СУГ («СУГ») и суммарный («Z»); X - доля теплоты, введенной с СУГ
крутящего момента (МеН), который он имел при работе по ВСХ на высоте в дизельном варианте с исходной «равнинной» регулировкой. Следовательно, эта характеристика газодизеля является не внешней скоростной, а корректированной, так как положение рейки на каждом режиме подбиралось таким, чтобы обеспечить нужный крутящий момент.
29
Рис. 4. Характеристики газодизеля с внутренним смесеобразованием при регулировках подачей СУГ на неизменную характеристику МеН и неизменную дымность номинального режима 5=2,3 ед. BOSCH (обозначения см. рис. 3)
При этом расход СУГ определялся особенностью работы топливной аппаратуры и специальными средствами не регулировался.
На номинальном скоростном режиме подбором положения рейки (при автоматически получаемом расходе СУГ) двигатель регулировался на уровень дымности ОГ В=2,3 ед. BOSCH, то есть не выше того, который двигатель имел на номинальном режиме в нормальных условиях.
При этом на номинальных скоростных режимах расход дизельного топлива составлял порядка 1,7.. .1,8 кг/ч, а расход СУГ - около 0,4 кг/ч. Иначе говоря, с подачей СУГ в цилиндр вводилось около 20 % теплоты от всего введенного в двигатель тепла смесевого топлива. Во втором случае положение рейки ТНВД при В=2,3 ед. BOSCH фиксировалось как номинальное и далее снималась ВСХ двигателя, то есть без изменения положения рейки.
Во втором случае произошло уменьшение мощности двигателя на номинальном скоростном режиме от 7,3 до 6,75 кВт. Повысился от 1,14 до 1,21 коэффициент избытка воздуха, практически сохранилась экономичность двигателя, а дым-ность ОГ снизилась от 3,0 до указанного уровня в 2,3 ед. BOSCH.
Сравнивая показатели дизеля при исходной регулировке с показателями газодизеля с внутренним смесеобразованием при одинаковых значениях крутящего момента (МеН и МеНгд) (рис. 5), можно отметить следующее. Так, экономичность газодизеля (пгдеН) возросла на пониженных частотах вращения на 2 % и несколько снизилась на номинальном режиме. Газодизель, как и дизель, работает при обогащенном составе смеси. Дымность ОГ у газодизеля снижается на 10. 30 % по сравнению с дизелем. Реализовать такую корректорную скоростную характеристику из-за переменности положения рейки достаточно сложно.
При работе газодизеля по ВСХ при условии непревышения дымности ОГ в нормальных условиях момент газодизеля составляет 90.97 % от момента дизеля, а эффективный КПД практически сохраняется на неизменном уровне.
Рис. 5. Сравнение эффективного КПД (г|е) и дымности (В) ОГ дизеля со штатной «равнинной» регулировкой и газодизеля в высокогорье при условии равенства развиваемых крутящих моментов
шшшшшшш
По работе могут быть сделаны следующие основные выводы:
1. Исследованы метод и средства компенсации снижения мощности и экономичности, а также метод снижения дымности выбросов дизеля типа 2Ч 8,5/11, эксплуатирующегося в условиях высокогорья, впрыскиванием в цилиндры сжиженного углеводородного газа (СУГ) в смеси с дизельным топливом.
2. Разработана система топливопода-чи с клапанами регулирования начального давления (РНД) малоразмерного быстроходного дизеля типа 2Ч 8,5/11, обеспечивающая использование СУГ как добавки к основному дизельному топливу с целью регулирования рабочего процесса дизеля изменением физико-химических свойств топлива. По существу, реализован метод организации газодизельного процесса с внутренним смесеобразованием путем впрыскивания в цилиндры смесевого топлива, состоящего из ДТ и СУГ.
3. Дизель в исходной модификации, отрегулированный для работы в нормальных условиях, на высоте 2500 м над уровнем моря теряет около 17 % мощности, причем его дымность возрастает в 1,65 раза, а удельный расход топлива
увеличивается на 20 %. При этом происходит снижение коэффициента избытка воздуха с 1,59 до 1,14. Благодаря проведенной модернизации топливной аппаратуры удается подавать в дизель через клапан РНД такое количество СУГ, которое соответствует 20. 22 % всей теплоты, вводимой в двигатель со сме-севым топливом. Это необходимо для сохранения дымности ОГ газодизеля в условиях высокогорья при номинальном режиме на уровне дымности номинального режима дизеля в нормальных условиях (В=2,3 ед. BOSCH).
4. При перерегулировке дизеля для высокогорья на ту характеристику по составу смеси, которую двигатель имел в нормальных условиях, номинальная мощность снижается на 35. 40 % при одновременном уменьшении дымности до 2,1 ед. BOSCH, что ниже, чем на номинальном режиме дизеля в нормальных условиях.
5. При реализации газодизельного варианта двигатель в условиях Н=2500 м может развивать мощность, которую он имел в этих же условиях при неизменной «равнинной» регулировке, при практически той же экономичности, но с пониженной в 1,35 раза дымностью ОГ на номинальном режиме.
Литература
1. Патрахальцев Н.Н., Камышников О.В., Хосе Гальдос Гомез. Применение сжиженного нефтяного газа в дизеле для снижения токсичности и дымности выбросов в условиях высокогорья // Двигателестроение. - 2006. - № 3 (225). - С. 35-39.
2. Патрахальцев Н.Н. Аппаратура для газодизельного процесса // Автомобильная промышленность. - 1988. - № 7. - С. 16-17.
3. Ластра Луис, Качо Г.Л., Патрахальцев Н.Н. Альтернативный метод повышения эффективности работы дизеля в условиях высокогорья форсировкой рабочего процесса по составу смеси // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1995. - № 4-6. - С. 38-45.
4. Луис Ластра, Патрахальцев Н.Н. Разработка альтернативных методов организации рабочего процесса дизеля в условиях высокогорья // Двигателестроение. - 1993. - № 5. -С. 12-14.
5. Мамедова М.Д. Работа дизеля на сжиженном газе. - М.: Машиностроение, 1980. - 60 с.
6. Возможности экономии дизельного топлива при организации дизельного процесса с внутренним смесеобразованием / Н.Н. Патрахальцев, В.И. Куличков, О.В. Камышников и др. // Тракторы и сельхозмашины. - 1990. - № 10. - С. 8-9.
7. Патрахальцев Н.Н. Системы топливоподачи с регулируемым начальным давлением // Двигателестроение. - 1980. - № 8. - С. 32-35.
10 лет
журналу
31
