Снижение выбросов твердых частиц с отработавшими газами на двигателях V8 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

m

■'"boimirfû

Транспорт и экология

Снижение выбросов твердых частиц с отработавшими газами на двигателях ¥8

И.Ф. Гумеров, заместитель генерального директора ОАО «КАМАЗ» - директор по развитию, к.т.н., Р.Х. Хафизов, заместитель главного конструктора по исследованиям двигателей НТЦ ОАО «КАМАЗ»

Приведены результаты опытно-конструкторских работ по достижению уровня выбросов твердых частиц с отработавшими газами дизельных двигателей КАМАЗ в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН № 49 Евро-3, -4 (-5).

Ключевые слова: выбросы вредных веществ, выбросы твердых частиц, отработавшие газы, топливная аппаратура, цилиндропоршневая группа, степень сжатия.

Специалистами, занимающимися разработками, исследованиями и производством дизелей для автотранспортных средств (АТС), признано, что наибольшие затраты при проведении НИОКР приходятся на достижение уровня токсичности отработавших газов (ОГ), соответствующего требованиям Правил ЕЭК ООН № 49 и 96 [1, 2], которые регламентируют выбросы оксидов азота NОx и твердых (дисперсные) частиц РТ. Две эти составляющие в выбросах с ОГ особенно вредны для живых организмов и загрязняют окружающую среду опасными для здоровья людей веществами, а две других - оксид углерода СО и углеводороды СН - являются несгоревшими продуктами работы двигателей. Для доведения их выбросов до уровня, указанного в действующих нормах, не требуется особых затрат. В основном они достигаются при снижении выбросов NО и РТ.

х

Еще на этапе подготовки к принятию требований Евро-3 по выбросам вредных веществ (ВВ) двигателями с воспламенением от сжатия разработчиками рассматривались разные варианты достижения этого уровня [3-6 и др.] - от применения нейтрализаторов для

NOx и фильтров для улавливания топливных систем с высоким давле-PT до совершенствования рабочих нием (до 150 МПа). Второго направ-процессов за счет использования ления придерживались, например,

Таблица 1

Выбросы ВВ с ОГ, регламентированные Правилами ЕЭК ООН № 49 (05) при испытаниях по циклу ESC

Евро CO СН РТ

г/кВ т • ч

3 2,1 0,66 5,0 0,10

4 1,5 0,46 3,5 0,02

5 1,5 0,46 2,0 0,02

ТА

ЦПГ

Степень сжатия

Таблица 2

Комплектации двигателей Евро-3 и -4

Вариант

Традиционные топливные насосы высокого давления (ТНВД) с V-образным (ОАО «ЯЗДА») или P-рядным (фирма Bosch) расположением плунжерных пар, электронным регулятором и максимальным давлением впрыска топлива 120 МПа форсунками с распылителями, имеющими шесть сопловых отверстий

Комплект уплотнительных колец:

• первое компрессионное кольцо

- двухсторонняя трапеция с углом 6°, хром-керамическим покрытием и рабочей поверхностью типа «смещенная бочка»;

• второе компрессионное кольцо

- односторонняя трапеция с углом 7°,

с расположением рабочей поверхности относительно зеркальной гильзы под минутным углом, поверхность - чугунная с азотированием.

Маслосъемное кольцо высотой 4 мм

16,8

Аккумуляторного типа CR (фирма Bosch) с максимальным давлением впрыска топлива 160 МПа электромагнитными инжекторами CRIN 2 с распылителями, имеющими семь сопловых отверстий

Комплект уплотнительных колец:

• первое компрессионное кольцо -двухсторонняя трапеция с углом 15°, хром-алмазным покрытием и рабочей поверхностью типа «смещенная бочка»;

• второе компрессионное кольцо -прямоугольное, с расположением рабочей поверхности относительно зеркальной гильзы под минутным углом, поверхность из специального чугуна без покрытия.

Маслосъемное кольцо высотой

3 мм

18

Евро-3

Евро-4

Транспорт и экология

lijitil

специалисты известной фирмы AVL, рекомендовавшие центральное расположение форсунки относительно камеры сгорания для соблюдения показателей Евро-3 (табл. 1) на двигателях КАМАЗ.

Исследовательские работы по достижению уровня выбросов PT, соответствующих требованиям Евро-3, -4 (-5), на примере двигателей КАМАЗ проводились по трем направлениям (табл. 2):

• повышение давления впрыска топлива путем применения топливной аппаратуры (ТА) с электронной системой управления двигателем;

• улучшение эффективности уплотнений в цилиндропоршневой группе (ЦПГ) с помощью комплектов колец для снижения расхода масла на угар;

• повышение степени сжатия в камере сгорания.

В табл. 3 представлены сравнительные данные по результатам испытаний двигателя с вариантами ТА и различными давлениями впрыскивания топлива.

Анализ представленных результатов показывает явное преимущество аккумуляторной системы топливоподачи, которая, в отличие от традиционных ТА, позволяет регулировать также впрыски по углу начала и их числу в каждой режимной точке работы двигателя.

Уровень выбросов NOx топливной аппаратуры типа CR соответствует показателям Евро-4, что достигается применением системы нейтрализации ОГ типа SCR (селективное каталитическое восстановление).

Расположение уплотнительных колец ЦПГ двигателей Евро-3 и -4 и зависимость уровня выбросов РТ от относительного расхода масла на угар (проценты от расхода топлива), представленные на рис. 1 и 2,

Таблица 3

Результаты испытаний двигателя КАМАЗ

Комплектация Евро СО СН N0, РТ

ТА впрыска, МПа г/кВтч

Р7100 120 3 0,58 0,19 4,89 0,094

CR 160 4 0,80 0,20 11,11 0,017

180 0,74 0,14 10,58 0,006

Таблица 4

Выбросы ВВ с ОГ при различных степенях сжатия

Степень CH СО РТ

сжатия г/кВтч

21 4,56 0,10 0,50 0,058

19 4,50 0,10 0,56 0,061

17 4,42 0,11 0,56 0,068

Выбросы РТ, г/кВтч

0,1 ол

Расход масла на угар, % Рис. 2. Гистограмма уровня выбросов РТ в зависимости от расхода масла на угар

щ

Транспорт и экология

подтверждают результаты, полученные по второму направлению исследований.

Анализ результатов работ по оценке влияния степени сжатия на выбросы РТ показывает (табл. 4), что наблюдается тенденция их снижения.

Таким образом, можно сказать, что выполненные опытно-конструкторские работы по всем трем направлениям исследований позволили достигнуть пятикратного снижения выбросов твердых частиц с ОГ двигателей У8 уровня Евро-4 по сравнению с показателями Евро-3. Следует при этом отметить, что наибольший эффект по уменьшению выбросов РТ достигнут за счет применения современных топливоподающих аккумуляторных систем. Это еще раз подтверждает важность дальнейшего развития ТА типа СК в части повышения давления впрыска топлива.

Литература

1. Правила ЕЭК ООН № 49(05) «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия и двигателей, работающих на природном газе, а также двигателей с принудительным зажиганием, работающих на сжиженном нефтяном газе, и транспортных средств, оснащенных двигателями с воспламенением от сжатия, двигателями, работающими на природном газе, и двигателями с принудительным зажиганием, работающими на сжиженном нефтяном газе, в отношении выделяемых ими загрязняющих веществ».

2. Правила ЕЭК ООН № 96 (02) «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия для установки на сельскохозяйственных тракторах и внедорожной технике, в отношении выброса загрязняющих веществ этими двигателями».

3. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1973. - 200 с.

4. Марков В^. Баширов P.M., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 376 с.

5. Новиков Л.А. Анализ потенциала модернизации дизелей семейства ЧН21/21 для достижения действующих норм вредных выбросов // Двигате-лестроение. - 2011. - № 4 (246). - С. 31-38.

6. Мельник Г.В. Технологии снижения вредных выбросов дизелей. Состояние и перспективы развития. По материалам конгресса CIMAC 2010 // Двига-телестроение. - 2011. - № 4 (246). - С. 48-56.

7. Мельник Г.В. Тенденции развития двигателестроения за рубежом. По материалам конгресса CIMAC // Двигателестроение. - 2012. - № 2 (248). - С. 39-53.