Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 4ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливной эмульсии Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

т

Транспорт и экология

Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливной эмульсии

В.А. Лиханов,

профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВПО «Вятская ГСХА», д.т.н., О.П. Лопатин,

доцент кафедры ФГБОУ ВПО «Вятская ГСХА», к.т.н.

Приведены результаты исследования тракторного дизеля Д-240 (4Ч 11,0/12,5) для улучшения экологических показателей путем применения этаноло-топливной эмульсии. Установлена возможность улучшения экологических показателей дизеля путем применения этаноло-топлив-ной эмульсии, в частности, снижения оксидов азота в ОГ, экономии дизельного топлива, повышения эффективных показателей.

Ключевые слова: дизель, этаноло-топливная эмульсия, оксиды азота.

lowering of the content of nitrogen oxide in the completed diesel engine gases 4Ч 11,0/12,5 by applying ethanol fuel emulsions

V.A. Lihanov, O.P. Lopatin

Probes of tractor diesel engine D-240 are carried out in the Vjatsky state agricultural academy (4Ч 11,0/12,5) for improvement of ecological indexes by application of ethanol fuel emulsion . On the basis of the made laboratory-bench probes of working process of a tractor diesel engine 4Ч 11,0/12,5 at operation on ethanol fuel emulsion possibility of improvement of ecological indexes of a diesel engine by application of ethanol fuel emulsion, in particular lowerings of nitrogen oxide in EG, saving of solar oil, heightening of effective indexes is erected.

Keywords: diesel, ethanol fuel emulsions, nitrogen oxide.

Экспериментальные исследования по улучшению экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ) путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах (ОГ) проведены на базе научно-исследовательской

лаборатории кафедры ДВС Вятской ГСХА с целью определения и оптимизации основных параметров работы дизеля при использовании ДТ и ЭТЭ.

Испытания показали, что дизель устойчиво работает на ЭТЭ при следующем соотношении (%) на

номинальном режиме: этанол - 25, вода - 7, ДТ - 67,5, С-5А - 0,5.

Для исследования особенностей сгорания топлива в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при его работе на ЭТЭ индицировался процесс сгорания на номинальном скоростном режиме при частоте вращения п=2200 мин-1 и на максимальном крутящем моменте с частотой вращения п=1700 мин-1. Нагрузки при работе дизеля на ЭТЭ устанавливались такими же, как и при работе на ДТ, чем обеспечивалось поддержание одинаковых значений среднего эффективного давления при работе дизеля на ЭТЭ и ДТ, что было необходимо для сравнения этих двух процессов.

Как следует из графиков (рис. 1а), максимальное объемное содержание оксидов азота гМОх тах в цилиндре при работе дизеля на ДТ составляет 1250 ррт, максимальная массовая концентрация оксидов азота СМОх тах=1,80 г/м3 при ф.=18,2° п.к.в. после в.м.т. Объемное содержание оксидов азота в цилиндре в момент открытия выпускного клапана ф.=124° п.к.в. после в.м.т. гМОх=965 ррт, при массовой концентрации СМОх=1,39 г/м3.

При работе дизеля на ЭТЭ г... =950 ррт, С... =1,29 г/м3

ЫОх тах ' ЫОх тах '

при ф.=16,80 п.к.в. после в.м.т. В момент открытия выпускного клапана ф.=124,0° п.к.в. после в.м.т. гМОх=730 ррт при СМОх=0,99 г/м3.

Таким образом, при работе дизеля на ЭТЭ происходит снижение максимальных значений объемного содержания гМОх тах на 300 ррт, или на 24,0 %, а также массовой

концентрации С

на 0,51 г/м3,

или на 28,3 %. Разница между значениями объемного содержания гМОх и массовой концентрации СМОх оксидов азота в цилиндре в момент открытия выпускного клапана

»ЮПФйявби

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.

анспорт и экология

а б Рис. 1. Влияние применения ЭТЭ на показатели процесса сгорания, объемное содержание г11Ох и массовую концентрацию СМОх оксидов азота в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения угла п.к.в двигателя при установочном угле опережения впрыска топлива (УОВТ) ©впр = 23° до в.м.т.: а - п = 2200 мин1, ре = 0,64 МПа; б - п = 1700 мин1, ре = 0,76 МПа;--дизельный процесс;------ЭТЭ

составляетсоответственно 235 ррт и 0,40 г/м3, что ниже дизельного процесса на 32,2 и 28,8 %.

Для сравнения показателей содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при переходе с ДТ на ЭТЭ рассмотрим объемное содержание гМОх и массовую концентрацию СМОх оксидов азота в цилиндре при постоянном объеме цилиндра, то есть при одинаковом положении коленчатого вала. При ф.=18,2° п.к.в. после в.м.т. и при работе на ДТ г... =1250 ррт, С... =1,80 г/м3.

ЫОх тах "" ' ЫОх тах '

При переходе на ЭТЭ гМОх=948 ррт, что ниже на 24,2 %, а С... =1,29 г/м3,

' ' ЫОх ' '

что ниже на 28,3 %.

Как следует из графиков (рис. 16), максимальное объемное содержание оксидов азота в цилиндре при работе дизеля на ДТ г... =1280 ррт, максималь-

" ЫОх тах "" '

ная массовая концентрация оксидов азота СМОх тах=1,82 г/м3 при ф.=8,0° п.к.в. после в.м.т. В момент

открытия выпускного клапана ф .=124,0° п.к.в. после в.м.т. объемное содержание оксидов азота в цилиндре гМОх составляет 980 ррт при массовой концентрации оксидов азота СМОх=1,40 г/м3.

При работе дизеля на ЭТЭ максимальное объемное содержание оксидов азота в цилиндре г... =770 ррт, максимальная мас-

Шх тах "" '

совая концентрация оксидов азота С... =1,13 г/м3 при ф=12,5° п.к.в.

ЫОх тах ' ^ ~ I '

после в.м.т. В момент открытия выпускного клапана ф.=124,0° п.к.в. после в.м.т. объемное содержание в цилиндре оксидов азота гМОх=592 ррт при массовой концентрации оксидов азота СМОх=0,87 г/м3. Таким образом, при работе дизеля на ЭТЭ происходит снижение максимального объемного содержания г... на 39,8 % и мас-

м " ЫОх тах '

совой концентрации на 37,9 %. Разница между значениями объемного содержания гМОх и массовой

концентрации СМОх оксидов азота в цилиндре в момент открытия выпускного клапана составляет 388 ррт и 0,53 г/м3, что ниже дизельного процесса на 39,6 и 37,9 % соответственно.

Как следует из графиков (рис. 2а), максимальное объемное содержание оксидов азота в цилиндре при работе дизеля на ДТ гМОх тах=1360 ррт, максимальная массовая концентрация оксидов азота СМОх тах=1,96 г/м3 при ф.=10,0° п.к.в. после в.м.т. В момент открытия выпускного клапана ф.=124° п.к.в. после в.м.т. объемное содержание в цилиндре оксидов азота гМОх=1045 ррт при массовой концентрации СМОх=1,49 г/м3.

При работе дизеля на ЭТЭ максимальное объемное содержание оксидов азота в цилиндре г =1050 ррт, максимальная

ЫОх тах "" '

массовая концентрация оксидов азота С... =1,41 г/м3 при

" ЫОх тах ' ^

ф.=14,4° п.к.в. после в.м.т. В момент

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.

¡Й) 1Л1 «йв ВШ МИШ

*с0в к*»**

Транспорт и экология

открытия выпускного клапана ф=124,0° п.к.в. после в.м.т. объемное содержание оксидов азота в цилиндре гМОх=800 ррт при массовой концентрации оксидов азота СМОх=1,09 г/м3. Таким образом, при работе дизеля на ЭТЭ происходит снижение максимального объемного содержания гМОх тах на 310 ррт, или на 22,8 %, массовой концентрации С... на 0,55 г/м3, или на

^ ^ ЫОх тах ' '

28,1 %. Разница между значениями объемного содержания гМОх и массовой концентрации СМОх оксидов азота в цилиндре в момент открытия выпускного клапана составляет 245 ррт и 0,40 г/м3, что ниже дизельного процесса на 23,5 и 26,9 % соответственно.

Как следует из графиков (рис. 2б), при работе дизеля на ДТ максимальное объемное содержание оксидов азота в цилиндре г... =1380 ррт, максимальная

ЫОх тах "" '

массовая концентрация оксидов азота С... составляет 1,96 г/м3

ЫОх тах

при ф1.=7,20 п.к.в. после в.м.т. В момент открытия выпускного клапана ф=124,0° п.к.в. после в.м.т. объемное содержание оксидов азота в цилиндре гМОх составляет 1060 ррт при массовой концентрации оксидов азота СМОх=1,51 г/м3.

При работе дизеля на ЭТЭ гМОх тах составляет 910 ррт, максимальное значение массовой концентрации оксидов азота СМОх тах - 1,33 г/м3 при ф=10,8° п.к.в. после в.м.т. В момент открытия выпускного клапана ф=124,0° п.к.в. после в.м.т. объемное содержание оксидов азота в цилиндре гМОх составляет 795 ррт при массовой концентрации оксидов азота СМОх=1,02 г/м3. Таким образом, при работе дизеля на ЭТЭ происходит снижение максимальных значений объемного содержания г... на 34,1 % и массовой концен-

ЫОх тах ' ^

трации на 32,1 %. Разница между значениями объемного содержания гМОх и массовой концентрации СМОх оксидов азота в цилиндре

в момент открытия выпускного клапана составляет 265 ррт и 0,49 г/м3, что ниже дизельного процесса на 25,0 и 32,5 % соответственно.

Скоростные характеристики изменения содержания токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 на оптимальном установочном УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала представлены на рис. 3.

Анализируя изменение содержания токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при переходе с ДТ на ЭТЭ при его работе на оптимальном установочном УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала, можно отметить следующее. Происходит значительное снижение содержания оксидов азота при работе дизеля на ЭТЭ во всем диапазоне изменения частоты вращения. Так, при п=1200 мин-1 содержание ЫОх снижается с 1175 ррт при работе

Рис. 2. Влияния применения ЭТЭ на объемное содержание г1Юх и массовую концентрацию СМОх оксидов азота в отработавших газах и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения угла п.к.в. двигателя при УОВТ ©впр = 26° до в.м.т.: а - п = 2200 мин1, р = 0,64 МПа; б - п = 1700 мин1, р = 0,69 МПа;--дизельный процесс;------ЭТЭ

»ЮПФйявбИ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.

б

а

анспорт и экология

lijitil

NOv.ppm 1100 950 800 650 500

СО,% 0,25 0,20 0,15 0,10

СНДТ, %

0,06 0,04 0,02

NO

Д

- —

* ■ ^ Т"С

COj / -V >

со

СН -

— —,-н — -

—

vT

с

СО .% 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0

СНЭТЭ, % 0,60 0,40 0.20 0

С, ед. bosch 3,0 2,0 1.0

1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 л.МИН

Рис. 3. Влияние применения ЭТЭ на токсические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала: --дизельный процесс;------ЭТЭ

дизеля на ДТ до 785 ррт при его работе на ЭТЭ. Снижение составляет 33,2 %. При п = 2400 мин-1 содержание NOx при работе дизеля на ДТ составляет 830 ррт, а при его работе на ЭТЭ - 605 ррт. Снижение составляет 27,1 %.

Содержание СН в ОГ при работе дизеля на ЭТЭ повышается. Так, при работе на дизельном топливе на частоте вращения п=1200 мин-1 содержание СН составляет 0,046 %, а при работе на ЭТЭ - 0,07 %. При работе на дизельном топливе с частотой вращения п=2400 мин-1 содержание СН составляет 0,074 %, а при работе на ЭТЭ - 0,35 %.

Содержание СО2 при работе на дизельном топливе с частотой вращения п=1200 мин-1 составляет 7,0 %, а при работе на ЭТЭ - 7,9 %. На частоте вращения п=2400 мин-1 эти показатели снижаются соответственно до 6,4 и 6,1 %, то есть снижение составляет 4,7 %.

При переходе дизеля на ЭТЭ происходит снижение содержания СО. Так, на дизельном топливе при частоте вращения n=1200 мин-1 содержание СО составляет 0,23 %, а при работе на ЭТЭ - 0,15 %, что ниже на 34,78 %. На частоте вращения n = 2400 мин-1 при работе на дизельном топливе содержание СО равно 0,12 %, а при работе на ЭТЭ - 0,10 %, то есть снижение составляет 16,7 %.

Существенно уменьшается в ОГ содержание сажи при работе дизеля на ЭТЭ во всем диапазоне изменения частоты вращения. Так, при n=1200 мин-1 при работе дизеля на ДТ дымность составляет 2,5 ед. по шкале Bosch, а при работе дизеля на ЭТЭ -0,9 ед. по шкале Bosch.

При увеличении частоты вращения до n=2400 мин-1 значения дымности соответственно равны 3,1 и 1,4 ед. по шкале Bosch, то

есть этот показатель снижается более чем в 2 раза.

Анализируя изменение содержания токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 при переходе с ДТ на ЭТЭ, отметим, что при работе дизеля на ЭТЭ во всем скоростном диапазоне содержание в ОГ дизеля оксида углерода СО уменьшается, диоксида углерода СО2 и суммарных углеводородов СН повышается.

При этом значительно снижаются содержание оксидов азота NOx и дымность ОГ.

На основании проведенных лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения альтернативного топлива (ЭТЭ) на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические, мощностные и экономические показатели работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания в поршне типа ЦНИДИ с непосредственным впрыскиванием топлива установлена возможность улучшения его экологических показателей, в частности, снижения содержания оксидов азота в ОГ, экономии ДТ, повышения эффективных показателей.

Экспериментальными исследованиями для снижения содержания оксидов азота в ОГ, объемного содержания гМОх и массовой концентрации СМОх в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ЭТЭ определены оптимальные установочные углы опережения впрыскивания топлив: для ДТ - 23° п.к.в., для ЭТЭ - 23° п.к.в.

При работе дизеля на ЭТЭ содержание оксидов азота в ОГ, объемное содержание гМОх и массовая концентрация СМОх в цилиндре дизеля ниже на всех режимах работы дизеля.

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.

t jBkДШИ .....ттигятп,.,