CC BY
13яшш
Транспорт на КПГ
Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения природного газа и рециркуляции
I
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.
В Вятской государственной сельскохозяйственной академии на базе научно-исследовательской лаборатории кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов проведены исследования тракторного дизеля Д-240 (4Ч 11,0/12,5) для улучшения экологических показателей путем применения природного газа и рециркуляции отработавших газов (ОГ). На основании проведенных лабораторно-стендовых исследований рабочего процесса тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,50 на природном газе с рециркуляцией установлена возможность улучшения его экологических показателей, в частности, снижения оксидов азота в ОГ, экономии дизельного топлива, повышения эффективных показателей.
__Ключевые слова:
дизель, дизельное топливо, природный газ, рециркуляция отработавших газов,
отработавшие газы, токсичность, оксиды азота.
кспериментальная тормозная установка включала электротормозной стенд SAK-N670 с балансирной маятниковой машиной, дизель 4Ч 11,0/12,5, измерительную аппаратуру, газобаллонное оборудование, систему рециркуляции ОГ. Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля на различных режимах осуществлялась с помощью ПЭВМ по программе ЦНИДИ-ЦНИИМ. Отбор и анализ проб ОГ проводился на автоматической системе газового анализа АСГА-Т. Для проведения стендовых испытаний на природном газе была использована передвижная заправочная станция на базе тракторного прицепа 2ПТС-4
и газобаллонного оборудования автомобиля ЗИЛ-138А [1].
Принципиальная схема дизеля при работе на КПГ (20 % запальная порция ДТ, 80 % природный газ) с рециркуляцией ОГ представлена на рис. 1.
Индикаторные диаграммы дизеля 4Ч 11,0/12,5 представлены на рис. 2. На графиках видно, что при работе по газодизельному процессу с рециркуляцией ОГ увеличивается угол, соответствующий периоду задержки воспламенения, снижается максимальное давление газов в цилиндре. При работе газодизеля с 10%-ной рециркуляцией ОГ максимальное давление газов в цилиндре составляет р^^^ МПа, при газодизельном
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
ШШ
"""воци»«^
I
Транспорт на КПГ
I ж\\\\\\\\\\\\\\\\
процессе ртах=8,5 МПа, при дизельном процессе ртах=8,1 МПа. Применение 20%-ной рециркуляции ОГ на газодизеле приводит к повышению периода задержки воспламенения, а 10%-ная рециркуляция практически оставляет период задержки воспламенения на уровне чисто газодизельного процесса. С увеличением степени рециркуляции уменьшается угол наклона кривой давления, что свидетельствует о снижении жесткости процесса сгорания.
Графики объемного содержания оксидов азота, усредненной температуры газов, динамики выделения теплоты, скорости ее отвода и полезного выделения в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала представлены на рис. 3. На графиках видно, что максимальное содержание оксидов азота в цилиндре следует
Рис. 1. Принципиальная схема дизеля при работе на КПГ (20 % запальная порция ДТ, 80 % природный газ) с рециркуляцией ОГ: 1 - дизель; 2 - впускной коллектор; 3 - выпускной коллектор; 4 - рециркуляционный трубопровод; 5 - газовый смеситель;
6 - охладитель рециркулируемых газов;
7 - искрогаситель; 8 - заслонка; 9 - привод; Ов - массовый расход воздуха; Осм - массовый расход топливовоздушной смеси;
Ор - массовый расход рециркулируемых газов
Рис. 2. Влияние применения природного газа и рециркуляции ОГ на индикаторные диаграммы дизеля 4Ч 11,0/12,5 при п=2200 мин-1,ре=0,64 МПа и ©впр=23 °ПКВ: ©впр - угол опережения впрыскивания топлива;
Фщ - угол поворота коленчатого вала при дизельном процессе;
Ф> гд - угол поворота коленчатого вала при газодизельном процессе; Ф> гдр 10% - угол поворота коленчатого вала при газодизельном процессе с 10%-ной РОГ; Ф> гдр 20% - угол поворота коленчатого вала при газодизельном процессе с 20%-ной РОГ; ртах д - максимальное давление сгорания в цилиндре при дизельном процессе; ртах - максимальное давление сгорания в цилиндре при газодизельном процессе; ртах гдр 10% - максимальное давление сгорания в цилиндре при газодизельном процессе с 10%-ной РОГ;
ртах гдр 20% - максимальное давление сгорания в цилиндре при газодизельном процессе с 20%-ной РОГ;
-дизельный процесс;
— — — газодизельный процесс;
---------газодизельный процесс с 10%-ной
рециркуляцией ОГ;
---------газодизельный процесс с 20%-ной
рециркуляцией ОГ
яшшшшш
сразу за максимальном температурой цикла, значительно превышая их содержание в ОГ, и увеличивается с ростом максимальной температуры цикла. Так, при работе по газодизельному процессу с 20%-ной рециркуляцией ОГ максимальное содержание оксидов азота в цилиндре составляет 0,16 %, что ниже на 29,8 и 8,6 % соответственно, чем при газодизельном и дизельном процессах, но выше на 53,1 % содержания оксидов азота в ОГ на этом же режиме. Это говорит о том, что с уменьшением температуры происходит активное снижение содержания оксидов азота [2].
При работе по газодизельному процессу с рециркуляцией ОГ уменьшается скорость активного выделения теплоты. Для этого процесса характерно уменьшение усредненной температуры газов в цилиндре, смещение максимального значения в сторону от ВМТ. При работе газодизеля с 10%-ной рециркуляцией на номинальном режиме происходит снижение максимальной усредненной температуры газов в цилиндре с 3000 К при чисто газодизельном процессе до 2850 К. При работе газодизеля с 20%-ной рециркуляцией максимальная усредненная температура составляет 2700 К, что ниже на 300 К.
Характеристики тепловыделения и содержания оксидов азота в зависимости от изменения нагрузки в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 представлены на рис. 4. На графиках видно, что применение рециркуляции ОГ снижает содержание оксидов азота в цилиндре газодизеля во всем диапазоне нагрузок. При работе по газодизельному процессу с 40%-ной рециркуляцией в диапазоне изменения нагрузки от 0,13 до 0,26 МПа происходит уменьшение содержания оксидов азота от 45,0 до 57,6 %.
Значения активного выделения теплоты при максимальных давлении, температуре или скорости тепловыделения при работе по газодизельному процессу уменьшаются с увеличением степени рециркуляции во всем
Рис. 3. Влияние природного газа и рециркуляции ОГ на характеристики тепловыделения и содержание оксидов азота в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения угла ПКВ двигателя при п=2200 мин-1, р е=0,64 МПа и ©впр=23 °ПКВ: С^ - концентрация оксидов азота в цилиндре; % - относительное тепловыделение от сгорания топлива; % - активное тепловыделение; dх/dty - относительная скорость активного тепловыделения; Т - усредненная температура цикла в цилиндре;
-дизельный процесс;
— — — газодизельный процесс;
---------газодизельный процесс с 10%-ной
рециркуляцией ОГ;
---------газодизельный процесс с 20%-ной
рециркуляцией ОГ
диапазоне изменения нагрузок. Значения фГшах на всех нагрузочных режимах с ростом степени рециркуляции ОГ увеличиваются по отношению к чисто газодизельному процессу.
Содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки представлено на рис. 5. На графиках видно, что применение КПГ в дизеле 4Ч 11,0/12,5 приводит к увеличению содержания оксидов азота в ОГ. Так, на номинальном режиме
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
Ш I
Транспорт на КПГ
\т\\\\\\\\\\\\\\\\\
24
работы это увеличение составляет 24,1 %, а при ре=0,13 МПа выброс оксидов азота увеличивается на 60,5 %. Применение рециркуляции снижает содержание оксидов азота в ОГ во всем диапазоне нагрузок.
Рис. 4. Влияние природного газа и РОГ на характеристики тепловыделения и концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при п=2200 мин-1 и ©впр=23 °ПКВ: С^ тах - максимальная концентрация оксидов азота в цилиндре; фТтах - угол поворота коленчатого вала при максимальной температуре цикла; Xi Ртах - активное тепловыделение при максимальном давлении; Xi Ттах - активное тепловыделение при максимальной температуре цикла; (^х/^ф)тах - максимальная относительная скорость активного тепловыделения;
-дизельный процесс;
— — — газодизельный процесс;
---------газодизельный процесс с 10%-ной
рециркуляцией;
---------газодизельный процесс с 20%-ной
рециркуляцией;
--------газодизельный процесс с 30%-ной
рециркуляцией;
..............газодизельный процесс с 40%-ной
рециркуляцией
Рис. 5. Влияние природного газа и рециркуляции ОГ на показатели токсичности ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при п=2200 мин-1 и ©Впр=23 °ПКВ;
□-□ дизельный процесс;
о--------о газодизельный процесс;
X---------X газодизельный процесс с 10%-ной
рециркуляцией;
д--------д газодизельный процесс с 20%-ной
рециркуляцией;
о-------о газодизельный процесс с 30%-ной
рециркуляцией;
п..........п газодизельный процесс с 40%-ной
рециркуляцией
При работе по газодизельному процессу с 40%-ной рециркуляцией ОГ в диапазоне изменения нагрузки от 0,13 до 0,26 МПа происходит снижение N0^ на 63,4 %. При работе газодизеля на номинальном режиме с 10%-ной рециркуляцией содержание N0^ в ОГ ниже на 24,1 % в сравнении с газодизельным процессом и соответствует дизельному процессу.
Применение рециркуляции неоднозначно влияет на содержание суммарных углеводородов в ОГ. Так, при работе газодизеля с 40%-ной рециркуляцией на малых нагрузках от 0,13 до 0,26 МПа происходит снижение содержания СН на 8,7...14,5 %, но при ре=0,51 МПа происходит увеличение на 42,5 %. При работе на номинальном режиме с 10%-ной
mmmmmmw»
рециркуляцией содержание СН снижается на 9,9 %, а при увеличении степени рециркуляции до 20 % выброс СН с ОГ увеличивается на 10,2 % относительно чисто газодизельного процесса. Необходимо отметить, что значительный рост суммарных углеводородов на больших нагрузках обусловлен неполнотой сгорания топлива в условиях недостатка окислителя с увеличением степени рециркуляции.
Существенно снижается в отработавших газах содержание сажи при работе по газодизельному процессу. Влияние рециркуляции на содержание этого компонента в ОГ газодизеля незначительное.
Применение рециркуляции на газодизеле приводит к незначительному росту СО и СО2 во всем диапазоне изменения нагрузок. Так, при работе с 10%-ной рециркуляцией на номинальной нагрузке увеличение составляет 6,3 и 5,1 % для СО и СО2 соответственно.
Подводя краткие итоги по влиянию применения природного газа и охлаждаемой рециркуляции ОГ на дизеле 4Ч 11,0/12,5 можно отметить, что на номинальном режиме работы необходимо снижать степень рециркуляции до 10 %, а на малых нагрузках можно увеличивать ее до 40 %. Использование данной закономерности подачи рециркулируемых газов и КПГ позволяет снизить содержание оксидов азота и суммарных углеводородов.
Литература
1. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизелей путем применения альтернативных видов топлива: Монография. -Киров: Вятская ГСХА, 2009. - 500 с.
2. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля с турбонаддувом путем применения природного газа // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2010. - № 1. - С. 11-13.
J
1
БЮТЙ1
000 «Балсити» - ведущий производитель автомобильных баллонов для сжиженного углеводородного газа, занимающий лидирующую позицию на российском рынке. Компания является эксклюзивным поставщиком газовых баллонов на конвейер Горьковского автомобильного завода (ГАЗ).
г.Москва, 119071, Ленинский проспект 29, офис Nq 628 +7 (495) 955-41-95 balcity@balcity.ru www.balcity.ru
ПРОДУКЦИЯ;
АВТОМОБИЛЬНЫЕ БАЛЛОНЫ ДЛЯ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА:
Тороидальные и спаренные баллоны - от 42 до 95 л. Цилиндрические баллоны - от 30 до 220 л, Газгольдер: 480 л.
На предприятии компании внедрена и действует система менеджмента качества в соответствии с ГОСТ Р ИС0 9001-2008 (ISO 9001-2008). Баллоны сертифицированы по Международным правилам ЕЭК ООН №67-01 с дополнениями 1-9, а также на соответствие требованиям Технического регламента "О безопасности колесных транспортных средств".
