Влияние степени рециркуляции отработавших газов на эффективные и токсические показатели тракторного дизеля 4ч 11,0/12,5 Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

АГРОИНЖЕНЕРИЯ

УДК 621.43

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ НА ЭФФЕКТИВНЫЕ И ТОКСИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ 4Ч 11,0/12,5

С.П. Силкин, инженер,

ФГБОУ ВО Пермская ГСХА,

ул. Героев Хасана, 113, г. Пермь, Россия, 614025

E-mail: [email protected]

Аннотация. Актуальность проблемы охраны атмосферного воздуха от вредных выбросов растет год от года. В настоящее время во многих регионах страны сложилась крайне негативная экологическая обстановка, обусловленная тем, что масштабы хозяйственной деятельности человека формируют существенное повышение допустимых нагрузок на природные комплексы, а восстановление нарушенных геосистем происходит крайне медленно. Поэтому проблема снижения загрязнения атмосферы давно перешагнула границу отдельных государств и даже целых континентов, приобрела международный характер и стала практически общей для всех стран мира.

Регулировочные и нагрузочные характеристики по дизельному и дизельному с рециркуляцией отработавших газов процессам, полученные в результате стендовых испытаний на дизеле 4411,0/12,5, доказывают возможность улучшения экологических показателей тракторных и автомобильных дизелей путем применения охлаждаемой рециркуляции отработавших газов. Применение 40 %-ной степени рециркуляции отработавших газов при ©впр = 23 градуса и ре = 0,51 МПа приводит к снижению содержания оксидов азота в отработавших газах на 86,4 %, увеличению суммарных углеводородов на 9,0 %, оксида углерода - на 70 %, диоксида углерода - на 30,9 % и дымности - на 50,0 %. При этом обнаружено постоянство эффективных, токсических показателей, характеристик процесса сгорания и тепловыделения дизелей.

Ключевые слова: рециркуляция, оксид азота, отработавшие газы, дизельный двигатель.

Введение. Общепризнанно, что охрана окружающей среды, в том числе атмосферного воздуха, - одна из самых актуальных проблем современности. Двигатели внутреннего сгорания загрязняют атмосферу вредными веществами, картерными газами и топливными испарениями. При этом 95...99% вредных выбросов современных автомобильных двигателей приходится на отработавшие газы, представляющие собой аэрозоль сложного, зависящего от режима работы двигателя состава.

Группу токсических веществ составляют: окись углерода СО, окислы азота NOx, многочисленная группа углеводородов СпНт, далее следуют альдегиды ЯСНО, сажа. При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы - сернистый ангидрид 8О2 и сероводород Н28.

Улучшением экологических показателей двигателей внутреннего сгорания занимались многие исследователи [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Одним из эффективных методов снижения содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 является применение их рециркуляции [1...3]. В работе приведены результаты исследований влияния охлаждаемых рециркуляцией отработавших газов на эффективные и токсические показатели тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5.

Методика. В соответствии с целью и задачами исследований при проведении стендовых испытаний необходимо было снизить содержание оксидов азота и суммарных углеводородов в отработавших газах дизеля 4411,0/12,5 при работе его по дизельному процессу. В основу методики проведения стендовых испытаний был положен сравни-

тельный метод. Стендовые испытания проводили в несколько этапов.

На первом этапе предусматривалась разработка и оптимизация процесса рециркуляции отработавших газов для дизеля 4411,0/12,5. При этом определяли токсические, мощностные и экономические показатели работы двигателя на различных нагрузочных и скоростных режимах работы по дизельному процессу с рециркуляцией отработавших газов.

На втором этапе снимали регулировочные характеристики по установочному углу опережения впрыскивания топлива и определяли оптимальный угол впрыскивания, а также эффективные показатели, такие как эффективная мощность и удельный расход топлива. При снятии нагрузочных и скоростных характеристик определяли показатели токсичности и дымности отработавших газов.

Третий этап включал в себя проведение индицирования рабочего процесса с обработкой индикаторных диаграмм на установочных углах опережения впрыскивания топлива по дизельному процессу с рециркуляцией отработавших газов. При этом проводили анализ параметров процесса сгорания и тепловыделения, показателей токсичности и дымности

отработавших газов с определением концентрации компонентов для КОх, СНх, СО, СО2 и сажи.

Результаты. Эффективные показатели дизеля на установочных углах опережения впрыскивания топлива 23 и 26 градусов и при частоте вращения 2200 мин- , в зависимости от изменения степени рециркуляции отработавших газов, представлены на рис. 1.

Из графиков следует, что увеличение степени рециркуляции отработавших газов приводит к снижению часового расхода воздуха, коэффициента избытка воздуха, эффективного к.п.д., температуры отработавших газов и увеличению удельного эффективного расхода топлива, часового расхода топлива, температуры рециркулируемых газов. Так, при работе с 40 %-ной рециркуляцией отработавших газов при ©впр = 23 градуса и ре = 0,51 МПа происходит снижение часового расхода воздуха на 40,9 %, коэффициента избытка воздуха - на 50,0 %, эффективного к.п.д. - на 11,9 %, температуры отработавших газов - на 50оС, увеличение удельного эффективного расхода топлива на 13,8 %, часового расхода топлива -на 12,8 %, температуры рециркулируемых газов - на 17оС.

а

4,0

3,0

Ле 0,400 0,350 0,300 От,кг/ч 14 12 10

рг'

70 60 50

Ов

а ч' ч

Ле

де

.От

___ 1

лг

ь- — ■ — ч 1— — ь — - — —1

■ V ^ л 1-" ""*

- - — г-'

10

20

30

а

О в, кг/ч а

300 4,0

250 3,0

200 Ле

0,400

д г 0,350

"е'кВт> ч

300 0,300

250 От,кг/ч

200 14

ь: с 12

600 10

500 ^рг»С

400 70

60

50

40 р,%

Ов

Ов,КГ/ч

300

250

200

д, г

е кВт. ч 300

250

200

ь: с 600 500 400

10

20

30

40 р,%

б

- ре = 0,63 МПа; п---о - ре = 0,51 Мпа; а - ©впр = 23 градуса;

б - ©впр = 26 градусов;

Рис. 1. Эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения степени рециркуляции отработавших газов при п = 2200 мин-1

а

Л

е

рг

0

0

Эффективные показатели дизеля на установочных углах опережения впрыскивания топлива 23 и 26 градусов и частоте вращения 1700 мин-1, в зависимости от изменения степени рециркуляции отработавших газов, представлены на рис. 2.

Из графиков следует, что характер изменения кривых при п = 1700 мин-1 аналогичен

характеру изменения при частоте вращения 2200 мин-1. С увеличением степени рециркуляции происходит снижение часового расхода воздуха, коэффициента избытка воздуха, эффективного к.п.д., температуры отработавших газов, увеличение удельного эффективного расхода топлива, часового расхода топлива, температуры рециркулируемых газов.

а

4,0

3,0

Ле 0,400 0,350 0,300 От,кг/ч 12 10 8

t °Г

1рг»С 60

50

40

г Ов

а ! ** к

— ---

Ле

— - - _ _

9е

■О, От

— — __ - . — н

'*рг 1

у-

Ов,КГ/Ч

250 200 150

19 , „г е кВтч

300 250 200 ь: с

500 400 300

10

20 а

30

40 р,%

а

4,0

3,0

Ле 0,400 0,350 0,300 От, кг/ч 12 10 8

60 50 40

Ов.кг/ч

250

200 150

9 , „г

е кВтч 300

250 200 ь: с

500 400 300

10

20

30

40

б

*-к - ре = 0,69 МПа; □---п - ре = 0,51 Мпа; а - ©впр = 23 градуса;

б - ©вир = 26 градусов;

Рис. 2. Эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения степени рециркуляции отработавших газов при п = 1700 мин-1

0

0

Показатели токсичности и дымности отработавших газов дизеля 44 11,0/12,5 на установочных углах опережения впрыскивания топлива 23 и 26 градусов и частоте вращения 2200 мин-1, в зависимости от изменения степени рециркуляции отработавших газов, представлены на рис.3.

Из рисунка 3 следует, что с увеличением степени рециркуляции отработавших газов происходит снижение содержания оксидов азота, увеличение оксида, диоксида углерода

и дымности, снижение суммарных углеводородов при работе с 10 %-ной рециркуляцией отработавших газов и увеличение при работе с 20 %-ной рециркуляцией. Так, применение 40 %-ной степени рециркуляции отработавших газов при ©впр = 23 градуса и ре = 0,51 МПа приводит к снижению содержания оксидов азота в отработавших газах на 86,4 %, увеличению суммарных углеводородов на 9,0 %, оксида углерода - на 70 %, диоксида углерода - на 30,9 % и дымности - на 50,0 %.

NOx,% 0,10

0,05

0

C, bosch

s 6 4 2

СО, %

0,Э0 0,20 0,10

N Ox

~~ —1 1

СП Hm

—i 1— -- -- - — л

С ✓

г*

1— ■ — ч 1— — —■ — ► — '

1 С

C O2 - — 1

и — . — -fl — — — — у — " 1

___P-J ' C O

г**

г

^Hm^ 0,15 0,10 0,05

CO2,% 14 2

10 6

NOx%o 0,10

0,05

0

C, bosch

s 6 4 2

СО, %

0,Э0 0,20 0,10

N Ox

h — —

СП Hm

— —£ — - —

• С У

✓

i- — - - ч — г ""

' Г C о O2

-

. C O

h- — ■ — ч — —

СnHm,% 0,15 0,10 0,05

CO2,% 14 2

10 6

10

20

а

Э0

40 p,%

10

20 б

Э0

40 p,%

*-К - ре = 0,63 МПа; П---0 - ре = 0,51 Мпа; а - ©впр = 23 градуса;

б - ©впр = 26 градусов

Рис. 3. Показатели токсичности и дымности отработавших газов дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения степени рециркуляции отработавших газов при п = 2200 мин-1

Выводы. 1. Регулировочные и нагрузочные характеристики по дизельному и дизельному с рециркуляцией отработавших газов процессам, полученные в результате стендовых испытаний на дизеле 4411,0/12,5, доказывают возможность улучшения экологических показателей тракторных и автомобильных дизелей путем применения охлаждаемой рециркуляции отработавших газов.

2. Применение 40 %-ной степени рециркуляции отработавших газов при ©впр = = 23 градуса и ре = 0,51 МПа приводит к снижению содержания оксидов азота в отработавших газах на 86,4 %, увеличению суммарных углеводородов на 9,0 %, оксида углерода - на 70 %, диоксида углерода - на 30,9 % и дымности - на 50,0 %. При этом обнаружено постоянство эффективных, токсических показателей, характеристик процесса сгорания и тепловыделения дизелей.

0

0

Литература

1. Новосёлов А.Л., Лоскутов А.С., Схиртладзе А.Г., Лопатин O.R Влияние эксплуатационных режимов дизелей на уровень выбросов оксидов азота // Сборник науч. трудов (Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных двигателей внутреннего сгорани). Чебоксары: Чебоксарский институт МГОУ, 2QQ2. С. 29-33.

2. Лиханов В.А., Лопатин O.R, Oлейник М.А., Россохин А.В. Oбоснование выбора рециркуляции отработавших газов для снижения содержания оксидов азота в отработавших газах газодизеля // Сборник науч. трудов (Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания). СПб; Киров: Российская академия транспорта, Вятская ГСХА, 2QQ4. Вып. 3. С. 9Q-99.

3. Лиханов В.А., Лопатин O.R, Oлейник М.А. Влияние различных факторов на содержание оксидов азота в отработавших газах дизелей // Сборник науч. трудов (Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания). СПб; Киров: Российская академия транспорта, Вятская ГСХА, 2QQ4. Вып. 3. С. 87-9Q.

4. Лиханов В. А. Oбразование оксидов азота при сгорании углеводородного топлива в цилиндре дизеля // Сборник научных трудов (Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания). СПб.; Киров, 2QQ8. Вып. 5. С. 81-91

5. Kadota T., Henein N. Time-Resolved Soot paticulates in Diesel Spray Combustion // Sym. Int. particulare Carbon Formation. - London - Warren, 1981. p. 391-421.

6. Shmader J. // 20-th Int. Symp. on Combustion / Abstr. of Ses. pres. The Combust. Inst. - Pittsburgh N.D.S., 1984. 83Q p.

7. Haynes B.S., Wagner H.G. soot Formation // progress in Energy and Combustion Science. 1981. Vol. 17. № 4. p. 229-273.

8. Лоскутов А.С. Исследование механизмов образования топливных окислов азота и сажи в цилиндре дизеля : дис. ... канд. техн. наук. Л., 1982. 293 с.

9. Вылегжанин П.Н. Методика проведения стендовых испытаний по оптимизации процессов сажеобразования в цилиндре газодизеля // Сборник научных трудов (Проблемы механизации и сервисного обслуживания технологического оборудования в сельскохозяйственном производстве). Киров, 2002. С. 81-85.

10. Деветьяров Р.Р. образование токсичных компонентов в цилиндре тракторного газодизеля 4Ч 11,0/12,5 // Межвуз. сборник научных трудов (Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных двигателей внутреннего сгорания). Чебоксары: Чебоксарский институт МГОУ, 2002. С. 118-124.

11. Страдомский М.В., Максимов Е.А., Глита А.Г., Ефремова Е.А. Изучение распределения сажевых частиц при сгорании распыленного жидкого топлива // Промышленная теплотехника. 1988. № 3. Т. 10. С. 84-80.

12. Баранов Н.А. Разработка методов и проведение экспериментальных исследований на двигателе условий образования и физических свойств дизельной сажи : дис. ... канд. техн. наук. Л., 1981. 142 с.

INFLUENCE OF EXHAUSTED GASES RECIRCULATION DEGREE ON EFFICIENCY AND TOXICITY INDICATORS OF DIESEL TRACTOR 4Ч 11.0/12.5

S.P. Silkin, Engineer,

Perm State Agricultural Academy

Geroev Khasana St., 113, Perm 614025 Russia

E-mail: [email protected]

ABSTRACT

The topicality of the problem of atmospheric air protection from harmful emissions is growing year by year. Currently, in many regions of the country an extremely negative environment has formed due to the fact, that the scale of human activities generates significant increase of allowable loads on natural systems, and the rehabilitation of geosystems occurs very slowly. Therefore, the problem of reducing atmospheric pollution has crossed the borders of states and even entire continents, has acquired an international character and has become almost common for all countries of the world. Flow and load characteristics of diesel and diesel exhaust gas recirculation processes derived from diesel test bench 4Ч11.0/12.5 prove the possibility of improving the environmental performance of the tractor and automotive diesel engines by applying a cooled exhaust gas recirculation. The use of 40% degree exhaust gases recirculation at ©injection = 23° and ре = 0.51 MPa leads to a reduction of nitrogen oxides in the exhaust gases by 86.4%, increase of total hydrocarbons by 9.0%, carbon monoxide - by 70%, carbon dioxide - 30.9% and smokiness - 50.0%. The permanence of effective indicators, toxic combustion characteristics and thermal engines was discovered as well. Key words: recirculation, nitric oxide, exhaust gases, diesel engine.

References

1. Novoselov A.L., Loskutov A.S., Skhirtladze A.G., Lopatin O.P., Vliyanie ekspluatatsionnykh rezhimov dizelei na uroven' vybrosov oksidov azota (Influence of operating conditions of diesel engines on the level of nitrogen oxide emissions), Sbornik nauch. trudov (Uluchshenie ekspluatatsionnykh pokazatelei avtotraktornykh dvigatelei vnutrennego sgorani), Cheboksary: Cheboksarskii institut MGOU, 2002, pp. 29-33.

2. Likhanov V.A., Lopatin O.P., Oleinik M.A., Rossokhin A.V., Obosnovanie vybora retsirkulyatsii otrabotavshikh gazov dlya snizheniya soderzhaniya oksidov azota v otrabotavshikh gazakh gazodizelya (Selection justification for the exhaust gas recirculation to reduce nitrogen oxides in the exhaust gas diesel), Sbornik nauch. trudov (Uluchshenie eksplu-atatsionnykh pokazatelei dvigatelei vnutrennego sgoraniya), SPb; Kirov: Rossiiskaya akademiya transporta, Vyatskaya GSKhA, 2004, issue 3, pp. 90-99.

3. Likhanov V.A., Lopatin O.P., Oleinik M.A. Vliyanie razlichnykh faktorov na soderzhanie oksidov azota v otrabotavshikh gazakh dizelei(Influence of different factors on the content of nitrogen oxides in the exhaust gases of diesel engines), Sbornik nauch. trudov (Uluchshenie ekspluatatsionnykh pokazatelei dvigatelei vnutrennego sgoraniya), SPb; Kirov: Rossiiskaya akademiya transporta, Vyatskaya GSKhA, 2004, issue 3, pp. 87-90.

4. Likhanov V. A., Obrazovanie oksidov azota pri sgoranii uglevodorodnogo topliva v tsilindre dizelya (The formation of nitrogen oxides during combustion of hydrocarbon fuel in a cylinder of a diesel engine), Sbornik nauchnykh trudov (Uluchshenie ekspluatatsionnykh pokazatelei dvigatelei vnutrennego sgoraniya), SPb.; Kirov, 2008, issue 5, pp. 81-91.

5. Kadota T., Henein N. Time-Resolved Soot paticulates in Diesel Spray Combustion, Sym. Int. particulare Carbon Formation, London - Warren, 1981, pp. 391-421.

6. Shmader J., 20-th Int. Symp. on Combustion, Abstr. of Ses. pres. The Combust. Inst. - Pittsburgh N.D.S., 1984, pp. 830.

7. Haynes B.S., Wagner H.G. soot Formation, progress in Energy and Combustion Science. - 1981. - Vol. 17. No. 4, pp. 229-273.

8. Loskutov A.S., Issledovanie mekhanizmov obrazovaniya toplivnykh okislov azota i sazhi v tsilindre dizelya(The study of formation mechanisms of fuel NOx and soot in diesel cylinder), dissert. Candidate of technical science, L., 1982, pp. 293.

9. Vylegzhanin P.N. Metodika provedeniya stendovykh ispytanii po optimizatsii protsessov sazheobrazovaniya v tsilin-dre gazodizelya (Methods of bench tests to optimize the processes of soot formation in the cylinder gas diesel), Sbornik nauchnykh trudov (Problemy mekhanizatsii i servisnogo obsluzhivaniya tekhnologicheskogo oborudovaniya v sel'skokho-zyaistvennom proizvodstve). Kirov, 2002, pp. 81-85.

10. Devet'yarov R.R., obrazovanie toksichnykh komponentov v tsilindre traktornogo gazodizelya 4Ch 11,0/12,5 (The formation of toxic components in the cylinder gas diesel tractor 4 x 11.0 / 12.5), Mezhvuz. sbornik nauchnykh trudov (Uluchshenie ekspluatatsionnykh pokazatelei avtotraktornykh dvigatelei vnutrennego sgoraniya), Cheboksary: Cheboksarskii institut MGOU, 2002, pp. 118-124.

11. Stradomskii M.V., Maksimov E.A., Glita A.G., Efremova E.A., Izuchenie raspredeleniya sazhevykh chastits pri sgoranii raspylennogo zhidkogo topliva (The study of the distribution of soot particles from the combustion of the atomized liquid fuel), Promyshlennaya teplotekhnika, 1988, No. 3. Vol. 10, pp. 84-80.

12. Baranov N.A., Razrabotka metodov i provedenie eksperimental'nykh issledovanii na dvigatele uslovii obrazovaniya i fizicheskikh svoistv dizel'noi sazhi (Development of methods and experimental studies on the engine conditions of formation and physical properties of diesel soot), dissert. Candidate oftechnical science, L., 1981, pp. 142.

УДК 631.354

НЕКОТОРЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛООБМЕННОГО ПРОЦЕССА ПРИ РАБОТЕ ОХЛАДИТЕЛЯ ЗЕРНА ВИХРЕВОГО ТИПА

С.Н. Шуханов, д-р. техн. наук, профессор, ФГБОУ ВО Иркутский ГАУ имени А.А. Ежевского, п. Молодежный, Иркутский р-н, Иркутская обл., 664038 E-mail: Shuhanov56@mail .ru

Аннотация. На этапе послеуборочной обработки зерна потери зерна при обработке превышают в 2-3 раза потери его при уборке. В структуре общих затрат доля на послеуборочную обработку составляет 30 - 60 %, а в структуре себестоимости - 40%. Своевременная и качественная обработка зерна - один из путей сокращения его потерь, улучшения семенных, продовольственных и фуражных качеств. Существующие охладительные устройства не отвечают современным требованиям. В этой связи, создание оборудования нового поколения для охлаждения зерна является важной и актуальной задачей, направленной на повышение производительности комплексов для приема и сушки зерна, а, следовательно, значительное сокращение его потерь.

Приведены результаты исследований процесса теплообмена при работе охладителя зерна вихревого типа. С целью установления закономерностей изменения температуры зерна по времени при больших скоростях его обдува применены методы физического моделирования. При проведении экспериментальных исследований использовался специально сконструированный стенд, а также контрольно-измерительные приборы. При скоростях обдува, равных скорости витания зерна, или числах Рейнольдса, число Нуссельта, характеризующее интенсивность теплообмена, составляет 20 - 30, что в 2-3 раза больше, чем при охлаждении зерна в кипящем слое и на порядок - в плотном слое. Следовательно, при таких скоростях обтекания процесс теплообмена протекает более интенсивно.

Полученное выражение критериальной зависимости позволяет изучать процессы охлаждения зерна, происходящие в интервале чисел Рейнольдса от 103 до 104, что может быть полезными при проектировании оборудования нового поколения для доведения зерна до состояния, приспособленного к хранению. Для сравнения приведены данные других авторов.

Ключевые слова: процесс охлаждения, теплоотдача, критериальная зависимость.