Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1. Социально-экологические аспекты влияния автотракторных двигателей на окружающую среду
1.2. Применение природного газа в дизелях 16
1.2.1. Методы подачи природного газа 16
1.2.2. Существующие типы газодизелей 19
1.3. Анализ и перспективы применения методов снижения содержания оксидов азота в отработавших газах дизелей
1.4. Физико-химические процессы образования оксидов азота при сгорании природного газа и дизельного топлива
1.4.1. Механизм образования термических оксидов азота
1.4.2. Механизм образования быстрых оксидов азота 43
1.4.3. Механизм образования топливных оксидов азота 49
1.5. Моделирование физико-химических процессов образования оксидов азота в дизелях
1.6. Задачи исследований 60
2. Образование оксидов азота в цилиндре газодизеля при работе с рециркуляцией отработавших газов
2.1. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля при работе с рециркуляцией отработавших газов
2.2. Математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре газодизеля при работе с рециркуляцией отработавших газов 68
2.3. Феноменологическая модель процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля при работе с рециркуляцией отработавших газов 82
3. Программа и методика исследований 88
3.1. Цель и задачи исследований 88
3.2. Объект испытаний 88
3.3. Методика исследований рабочего процесса дизеля 89
3.3.1. Экспериментальная установка, приборы и оборудование 94
3.4. Обработка результатов исследований. Ошибки измерений 103
4. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах тракторного дизеля при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов 108
4.1. Влияние применения рециркуляции отработавших газов на эффективные и токсические показатели дизеля 4411,0/12,5 при работе на природном газе в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива
4.2. Влияние применения рециркуляции отработавших газов на эффективные и токсические показатели тракторного дизеля 8 44 11,0/12,5 при работе на природном газе в зависимости от изменения нагрузки
4.3. Влияние применения рециркуляции отработавших газов на эффективные и токсические показатели тракторного дизеля 19 44 11,0/12,5 при работе на природном газе в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала
4.4. Влияние применения рециркуляции отработавших газов на индикаторные показатели, характеристики сгорания и -„ тепловыделения, концентрацию оксидов азота в цилиндре тракторного дизеля 44 11,0/12,5 при работе на природном газе
4.4.1. Влияние применения рециркуляции отработавших газов на индикаторные показатели, характеристики сгорания и тепловыделения, концентрацию оксидов азота в цилиндре тракторного дизеля 44 11,0/12,5 при работе на природном газе на различных нагрузочных режимах 130
4.4.2. Влияние применения рециркуляции отработавших газов на показатели процесса сгорания, характеристики тепловыделения и концентрацию оксидов азота в цилиндре тракторного дизеля 4411,0/12,5 при работе на природном газе в зависимости от изменения частоты вращения
5. Разработка макетного образца трактора МТЗ-80 для работы на природном газе с системой рециркуляции отработавших газов 148
5.1. Разработка системы регулирования подачи рециркулируемых газов во впускной трубопровод газодизеля 4411,0/12,5 (Д- 240) сельскохозяйственного трактора МТЗ-80 143
5.2. Разработка и создание макетного образца трактора МТЗ-80 для работы на природном газе с рециркуляцией отработавших газов 153
6. Оценка экономической эффективности применения системы рециркуляции отработавших газов и природного газа в качестве моторного топлива в тракторном дизеле 44 11,0/12 5
Общие выводы 161
Литература 163
Приложение 185
- Физико-химические процессы образования оксидов азота при сгорании природного газа и дизельного топлива
- Математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре газодизеля при работе с рециркуляцией отработавших газов
- Влияние применения рециркуляции отработавших газов на эффективные и токсические показатели тракторного дизеля 19 44 11,0/12,5 при работе на природном газе в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала
- Разработка и создание макетного образца трактора МТЗ-80 для работы на природном газе с рециркуляцией отработавших газов
Введение к работе
В последние годы серьезную озабоченность человечества вызывает возрастающий уровень воздействия двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на окружающую среду, создающий ряд локальных, региональных и даже глобальных проблем: загрязнение окружающей среды токсичными веществами, фотохимический смог, закисление почвы и воды от кислотных дождей, разрушение защитного озонового слоя, потепление климата вследствие парникового эффекта. Необходимо отметить, что большинство из перечисленных выше экологических проблем создает непосредственную серьезную угрозу здоровью людей.
Многие страны мира пришли к заключению, что устойчивое развитие общества возможно лишь при существенном уменьшении вредного воздействия двигателей автотранспортных средств на окружающую среду, и уделяют этой проблеме большое внимание.
В отработавших газах (ОГ) двигателя внутреннего сгорания содержится несколько сотен различных компонентов, многие из которых токсичны. Они попадают на растения, почву, вдыхаются животными и людьми, снижают урожайность, ухудшают качество сельскохозяйственной продукции, оказываются в организмах животных и людей, в потребляемой ими пище.
Крайне неблагоприятная экологическая обстановка во многих регионах, международные обязательства России по охране окружающей среды определяют важность работ, направленных на ее оздоровление, в первую очередь, на снижение загрязнения атмосферного воздуха от вредных выбросов двигателей тракторов и автомобилей.
Основными направлениями по снижению загрязнения атмосферного воздуха от вредных выбросов тракторов и автомобилей в сельском хозяйстве России будут: улучшение качества ДВС и их социально-экологических характеристик, снижение расхода топлива, ускоренное развитие транспортных
средств, работающих на альтернативных моторных топливах не нефтяного происхождения и имеющих улучшенные экологические показатели.
При этом особый интерес представляют задачи одновременного улучшения экологических и эффективных показателей дизелей тракторов и автомобилей.
Обобщение результатов научных исследований по экологическим работам в области отечественного дизелестроения показывает, что учеными стран бывшего СССР исследовались в разные годы проблемы в этой отрасли, в первую очередь, по созданию малотоксичных дизелей. Эти вопросы отражены в работах Варшавского И.Л., Васьковского В.Е., Воинова А.Н., Гиршо-вича В.Е., Гладкова О.А., Жегалина О.И., Звонова В.А., Кратко А.П., Кругло-ва М.Г., Кутенева В.Ф., Лермана Е.Ю., Лиханова В.А., МаловаР.В., Маркова В.А., Мочешникова Н.А., Николаенко А.В., Павловича Л.М., Сайкина A.M., Саповой Т.Ю., Свиридова Ю.Б., Смайлиса В.И., Френкеля А.И., Фурсы В.В., Шатрова Е.В. и других.
Углубленный анализ результатов научных исследований показывает, что зарубежными и отечественными исследователями разработаны предпосылки, проведены глубокие экспериментальные работы на базе высококачественной измерительной техники по экологическим исследованиям дизелей. Имеются работы по исследованию возможности использования в дизелях природного газа.
Вместе с тем необходимо отметить, что исследования по улучшению экологических показателей тракторных дизелей различными способами проводились без должного учета взаимосвязи экологических и эффективных по-. казателей дизелей, полностью отсутствуют работы по созданию систем снижения токсичности для тракторных дизелей, работающих на природном газе, доведенные до создания макетного образца и проведения функциональных испытаний.
Все это дает основание предполагать, что улучшение экологических показателей дизелей тракторов, предназначенных для эксплуатации в экологически экстремальных условиях, путем снижения токсичности отработавших газов и экономии нефтяного моторного топлива является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение и включенной в перечень критических технологий федерального уровня.
В связи с вышеизложенным, научная задача сформулирована как снижение содержания оксидов азота в отработавших газах тракторного дизеля при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов (РОГ).
Целью исследований является снижение содержания оксидов азота в отработавших газах тракторного дизеля 44 11,0/12,5 (Д-240) при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов.
Народнохозяйственное значение научной задачи состоит в улучшении экологических и эффективных показателей дизелей тракторов, предназначенных для эксплуатации в экологически экстремальных условиях, путем снижения токсичности отработавших газов и экономии нефтяного моторного топлива.
Научная новизна работы. Исследование влияния рециркуляции отработавших газов на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, воздействие на токсичность и дымность отработавших газов, мощностные и экономические показатели тракторного дизеля 44 11,0/12,5 с камерой сгорания (КС) ЦНИДИ при работе его на природном газе.
Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов.
Математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре и отработавших газах дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов.
Феноменологическая модель, основывающаяся на особенностях обра-
зования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов.
Система регулирования подачи рециркулируемых газов во впускной трубопровод в зависимости от режимов работы тракторного дизеля 44 11,0/12,5 при работе на природном газе.
Конструкция макетного образца трактора МТЗ-80 с системой питания, модернизированной для работы на сжатом природном газе с рециркуляцией отработавших газов, имеющего улучшенные экологические показатели и предназначенного для эксплуатации в экологически экстремальных условиях.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Результаты научно-технической разработки, созданной при выполнении диссертационной работы доведены до стадии создания макетного образца трактора МТЗ-80 и проведения функциональных испытаний. Результаты НИР по созданию макетного образца трактора МТЗ-80, работающего на природном газе с системой рециркуляции отработавших газов, переданы НПО СКТ НАТИ (г. Москва) для внедрения в перспективных работах. Макетный образец трактора МТЗ-80 используется в учебно-опытном хозяйстве «Чистые пруды» Вятской ГСХА, чертежно-конструкторская документация передана в ООО «Волготрансгаз» Кировского ЛПУ МГ РАО «Газпром». Результаты исследований рекомендованы для перевода мобильных энергетических средств на природный газ в Республике Татарстан.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской, Ижевской государственных сельскохозяйственных академиях и Чебоксарском филиале Московского государственного открытого университета.
Экономический эффект от внедрения макетного образца трактора МТЗ-80 с системой питания, модернизированной для работы по газодизельному с рециркуляцией отработавших газов процессу, составляет 50 тыс. руб. в год на один трактор при средней годовой наработке 1000 мото-часов.
Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР Вятской ГСХА на 2000...2005 г. г. (номер государственной регистрации в ВНТИЦен-тре 01.2002.06497).
На защиту выносятся следующие положения.
Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов.
Математическая модель и результаты расчета содержания оксидов азота в цилиндре и отработавших газах дизеля 44 11,0/12,5 при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов.
Феноменологическая модель процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов.
Результаты экспериментальных стендовых исследований по влиянию применения рециркуляции отработавших газов на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, воздействия на токсичность и дымность отработавших газов, мощностные и экономические показатели тракторного дизеля 44 11,0/12,5 с камерой сгорания ЦНИДИ при работе на природном газе.
Система регулирования подачи рециркулируемых газов во впускной трубопровод в зависимости от режимов работы тракторного дизеля 44 11,0/12,5 при работе на природном газе.
Макетный образец трактора МТЗ-80 с системой питания, модернизированной для работы на сжатом природном газе с рециркуляцией отработавших газов, имеющий улучшенные экологические показатели и предназначенный для эксплуатации в экологически экстремальных условиях.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях в Вятской государственной сельскохозяйственной академии в 2001...2004 г. г., на 12-ой научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Улучшение
эксплуатационных показателей мобильной энергетики», 2001 г. (г. Киров), на ВВЦ России, 2002, 2003 г. г. (г. Москва), на Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство - технологии - экология», 2003 г. (ВятГУ, г. Киров), на 13-ой научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Улучшение технико-эксплуатационных показателей мобильной техники», 2003 г. (НГСХА, г. Н. Новгород), на 9-ой Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», 2003 г. (ВлГУ, г. Владимир), на XIV научно-практической конференции вузов Приволжья и Предуралья «Улучшение технико-эксплуатационных показателей мобильной техники», 2003 г. (ИжГСХА, г. Ижевск), на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», 2004 г. (СПбГАУ, г. Санкт-Петербург-Пушкин).
Результаты работы демонстрировались на Российских агропромышленных выставках «Золотая осень 2002» и «Золотая осень 2003» и отмечены двумя бронзовыми медалями и дипломами третьей степени победителя смотра - конкурса «Прогрессивные виды сельскохозяйственной техники и оборудования для АПК», 2002,2003 г. г., ВВЦ (г. Москва).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 32 печатных работах.
Физико-химические процессы образования оксидов азота при сгорании природного газа и дизельного топлива
Природный газ, используемый в газодизелях, рассматривается как наиболее приемлемое альтернативное топливо на длительную перспективу. Запасы его значительно превышают мировые запасы нефти [35]. Известны работы по переводу дизелей В2 для работы по газодизельному процессу, которые закончились созданием газодизелей В2-300ГД и В2-450ГД [36]. Исследованы по газодизельному процессу дизели М-601, 64 36/45 [37]. Был переведен на газ дизель «Шкода» 8С-230Р. Особый интерес представляют работы по переводу дизелей на газ в США, Германии, Франции, Англии, Японии. В Англии газожидкостные дизели выпускают с наддувом и без наддува [38, 39]. Внесенные изменения в конструкцию позволяют получить ту же мощность, что и при работе по чисто дизельному процессу. Выпуском газодизелей занимаются фирмы «Норд-берг», «Фербенкс-Морз», «Делаваль-Энтерпрайз», «SEMT-Пилстик», «Чика-го-Пневматик», «Зульцер» и другие. Фирма «Зульцер» переводит на газ двухтактные дизели большой мощности. Аналогичные работы проводились и в СССР. Примером такой работы могут служить исследования работы дизеля ОД-100 [40]. Газодизель «SEMT-Пилстик» [41] представляет собой двухтопливную модификацию газодизеля РС-2, применяемого в качестве стационарного агрегата. Газодизели выпускаются с турбонаддувом в V-образном исполнении. Газодизель C7V 40/60 DG фирмы MAN имеет газотурбинный наддув, сред-нее эффективное давление до 11 кгс/см . Фирма «Аллен» на базе двигателей серии S3 7 выпускает газожидкостные дизели мощностью 1400.. .2700 кВт. В другой серии охвачен диапазон от 150 до 1100 кВт [42, 43]. Фирмой «Fuji Diesel» создан судовой дизель модели 6LZ32X, работающий на природном газе [44]. Дизель развивает мощность 1176 кВт при 600 мин"1, ре = 1,485 МПа. В работе [45] описаны разработки газожидкостных дизелей серии РС2-Б с цилиндровой мощностью 441 кВт при частоте вращения 520 мин"1 для работы на природном газе. Известна работа [46], в которой сообщается о создании газодизельной модели L EJ 32Х фирмы «Fuji» мощностью 1200 кВт. Для пуска двигателя и воспламенения газа применяется до 5 % дистилатного топлива. В работе [47] приводятся данные о том, что японская фирма «Тойота» приступила к разработке систем питания автомобильных дизелей, переводимых с дизельного топлива на газ. Переоборудованию на природный газ по двухтопливной схеме был подвержен четырехцилиндровый дизель с вихревой камерой «Риккардо Комет» МК-5 и серийный дизель объемом 1,47 л с турбокомпрессором, установленный на автомобиль «Викинг-4» фирмы «Фольксваген».
В работе [48] сообщается, что в Австралии накоплен опыт эксплуатации судовых дизелей, работающих по газожидкостному циклу на сжиженном газе с подачей жидкого топлива 5...7 %, отмечается, что эти дизели имеют более высокий коэффициент полезного действия (КПД), чем газовые двигатели с искровым зажиганием. В работе [49] приводятся данные о создании на базе судовых дизелей «Пилстик» серии PC 4-2V, 6S/D = 620/570, производимой японской фирмой «NKK» по лицензии, газожидкостной модификации для работы на природном газе.
Аналогичные работы проводятся в США, Канаде [50, 51]. Так, в работе [52] описаны результаты исследований Аризонского университета в области использования природного газа для питания дизелей, работающих в сельском хозяйстве на энергетических установках. Объектом исследований является 3-х цилиндровый высокооборотный дизель «Форд-4000» объемом 3,294 л и степенью сжатия 16,5.
Известна работа о переоборудовании для работы на СПГ дизеля 6ЧСП 15/18 теплохода Р51-Э [53]. Главные двигатели теплохода работают по газожидкостному циклу на СПГ (метане) в смеси с запальным дизельным топливом.
Для исследования и обработки оптимальной схемы организации газодизельного рабочего процесса на железнодорожном транспорте и стационарных мотор-генераторах был конвертирован на природный газ дизель 10-Д100 [54]. И на его базе создана одноцилиндровая установка. Длительное время на ее базе проводились исследования форкамерно-факельного зажигания для газового двигателя 10-ГД100.
В РФ опытная эксплуатация автомобилей с газодизелями начала расширяться в 80-х годах. В газодизели переоборудовались в основном дизели РАБА-МАН автобусов «Икарус» непосредственно в эксплуатирующих организациях [55].
Серийное производство автомобилей с газодизелями впервые в бывшем СССР было начато в 1987 году Камским объединением по производству большегрузных автомобилей КамАЗ [56...60]. Было налажено производство нескольких модификаций автомобилей КамАЗ с 8 - цилиндровым газодизелем КамАЗ-7409.10 мощностью 147 кВт при 2550 мин"1 с системой питания, разработанной совместно с НАМИ, КамАЗом и ПО «Дизельаппаратура».
Также из работ [61...72] известно, что на природный газ были переведены 12 - цилиндровые дизели ЯМЗ-240 (124 13/14) и ЯМЗ-240 ОН1 (12ЧН 13/14). Особенностью этих газодизельных двигателей является то, что на них применены два стандартных газовых редуктора низкого давления, так как производительность одного редуктора не достаточна для этих газодизелей. На газо дизеле ЯМЗ-240Н1ГД с газотурбинным наддувом применены два турбокомпрессора, по одному на каждый ряд цилиндров.
Стендовые испытания газодизелей ЯМЗ-238 и ЯМЗ-236 показали отсутствие снижения мощности на газодизельном процессе, степень замещения дизельного топлива природным газом в режиме полной мощности достигает 70...75 % [61...71].
В Кировском сельскохозяйственном институте созданы опытные образцы тракторов с системами питания, модернизированными для работы на природном газе [72.. .80].
Так проведены работы по переводу дизеля Д-21А1 (24 10,5/12,0) и создан опытный образец трактора Т-25А для работы на природном газе [73]. При разработке трактора использовалась серийно выпускаемая газовая аппаратура для газобаллонных автомобилей.
Также в Кировском СХИ были разработаны системы регулирования подачи газа, размещения газобаллонного оборудования и созданы газодизельные модификации тракторов «Универсал-445» (с дизелем 34 9,5/10,0), самоходного шасси Т-16МГ (с дизелем 24 10,5/12,0), сварочной установки АДД-4002У1 (с дизелем 44 10,5/12,0) и самоходного погрузчика 17.92 производства завода «Василь Коларов» (Болгария) (с дизелем 44 9,85/12,7) [73...80].
Математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре газодизеля при работе с рециркуляцией отработавших газов
Проанализировав выполненные ранее научно-исследовательские работы в области улучшения экологических показателей тракторных дизелей различными способами, необходимо отметить, что эти исследования проводились без должного учета взаимосвязи экологических и эффективных показателей дизелей, полностью отсутствуют работы по созданию систем снижения токсичности для тракторных дизелей, работающих на природном газе, доведенные до создания макетного образца и проведения функциональных испытаний.
Все это дает основание предполагать, что улучшение экологических показателей дизелей тракторов, предназначенных для эксплуатации в экологически экстремальных условиях, путем применения природного газа в комплексе с методами, снижающими токсичность ОГ дизелей, является весьма актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение и включенной Правительством России в перечень критических технологий федерального уровня.
В связи с вышеизложенным, научная задача сформулирована как снижение содержания оксидов азота в ОГ газах дизеля 44 11,0/12,5 при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов.
Целью исследований является снижение содержания оксидов азота в ОГ тракторного дизеля при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов. Народнохозяйственное значение научной задачи состоит в улучшении токсических показателей тракторного дизеля, предназначенного для эксплуатации в экологически экстремальных условиях, путем совместного применения РОГ и топлива не нефтяного происхождения, в первую очередь, природного газа за счет снижения токсичности и дымности ОГ, экономии нефтяного моторного топлива. В связи с вышеизложенным, основными задачами для решения данной проблемы, в соответствии с целью, будут являться следующие задачи исследований: - разработать химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов; - разработать математическую модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре и отработавших газах дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов; - разработать феноменологическую модель процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов. - провести лабораторно-стендовые исследования для изучения влияния применения рециркуляции отработавших газов на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, воздействия на токсичность и дымность отработавших газов, мощностные и экономические показатели тракторного дизеля 44 11,0/12,5 с камерой сгорания ЦНИДИ при работе на природном газе. - разработать систему регулирования подачи рециркулируемых газов во впускной трубопровод в зависимости от режимов работы тракторного дизеля 44 11,0/12,5 при работе на природном газе. - разработать макетный образец трактора МТЗ-80 с системой питания, модернизированной для работы на сжатом природном газе с рециркуляцией отработавших газов, имеющий улучшенные экологические показатели и предназначенный для эксплуатации в экологически экстремальных условиях. При выгорании МВС с продуктами РОГ, воспламененной распыленным дизельным топливом, в цилиндре газодизеля создаются высокие локальные концентрации активных центров цепных реакций - атомов и свободных радикалов, возникающих в результате деструктивных превращений, окисления и распада углеводородов метана в окрестностях испаряющихся и горящих капель дизельного топлива. В этих условиях образование оксидов азота отличается двумя главными особенностями: во-первых, решающую роль в этом процессе играет не только тепловое, но и цепное ускорение реакций за счет высоких локальных концентраций активных частиц; во-вторых, процессы их образования тесно связаны конкуренцией в потреблении активных частиц и кислорода. Образование NOx происходит через сложные превращения продуктов реакций топливных радикалов с азотом МВС и рециркулируемых газов в предпламенной и послепламенной зонах. Скорость этих процессов зависит от концентрации азота в объеме цилиндра газодизеля, скорости сгорания, доли выгоревшей МВС, степени рециркуляции, а также скорости конкурирующих реакций продуктов неполного сгорания, в том числе СО и сажевых частиц. Горение МВС в цилиндре газодизеля, воспламененной распыленным дизельным топливом, впрыскнутым через многодырчатую форсунку, увеличивает масштаб турбулентных пульсаций, что приводит к интенсификации тепломассообмена в факеле и значительно увеличивает скорость образования оксидов азота. Разбавление же всасываемого воздуха продуктами рециркуляции балластирует МВС, снижая максимальную температуру цикла и концентрацию кислорода, что, в свою очередь, снижает скорость окисления азота МВС и введенных ранее продуктов рециркуляции.
Влияние применения рециркуляции отработавших газов на эффективные и токсические показатели тракторного дизеля 19 44 11,0/12,5 при работе на природном газе в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала
Границы этих характерных зон носят условный характер, и при турбулентном движении можно говорить лишь об устойчивости средних по времени границ, мгновенные же значения скоростей и концентраций оксидов азота непрерывно меняются.
Первая зона (рис. 2.4) — зона образования NO по бимолекулярной реакции, представляющая собой ядро топливного факела, характеризуемого избытком углеводородного топлива и недостатком окислителя - в температурном уровне более 1000 К. Образование оксида азота происходит здесь в результате столкновения молекул азота МВС и рециркулируемых газов с молекулами кислорода (реакция 2.1). Образовавшийся оксид азота доокисляется до NO2 (реакции 2.2 и 2.3). При этом доля N02 в зоне 1 (рис. 2.4) может достигать 12 % от общего количества оксидов азота.
По мере продвижения топливного факела, интенсификации процессов испарения и горения, увеличения температуры и а, увеличивается возможность развития других механизмов образования оксидов азота, тем более вероятных, чем ближе условная граница разделения ядра факела и оболочки факела.
Вторая зона (зона 2 на рис. 2.4) - зона образования быстрого NO, представляющая собой оболочку топливного факела, которая имеет те же характеристики, что и первая, в температурном уровне менее 1500 К, где имеется недостаток окислителя азота воздуха и рециркулируемых газов. В зоне 2 происходит образование и разложение гемиоксида азота (реакции 2.4 и 2.6), так же образование промежуточных соединений CN-, NH- (реакции 2.8...2.13), участвующих в последующем механизме образования быстрого NO. Образовавшийся в зоне 1 диоксид азота практически весь переходит в NO (реакция 2.7).
Итак, в начальной области фронта горения МВС с продуктами РОГ (зоны 1 и 2 на рис. 2.4) имеет место образование существенных количеств оксида азота. Здесь NOx образуются в области температур, не превышающих 1500 К.
Третья зона (зона 3 на рис. 2.4) - зона образования быстрого и термического NO, представляющая собой зону глубокого пиролиза молекулы метана. В зоне 3 происходит доокиеление, возникших в зоне 2 радикалов CN-, NH- (реакции 2.15, 2.16). В области изменения температур и давлений благодаря значительному различию в энергии диссоциации кислорода и азота, молекула кислорода диссоциирует на атомы при отсутствии в МВС с продуктами рециркуляции атомов азота. Далее протекает образование термического N0 по механизму Я.Б. Зельдовича (реакции 2.17 и 2.18) и через радикалы ОН- (реакции 2.19...2.21).
Четвертая зона (зона 4 на рис. 2.4) - зона образования термического N0 по механизму Я.Б. Зельдовича, представляющая собой зону горения МВС с продуктами РОГ, расположенную по обе стороны от зоны максимальных температур (Т 1900 К), которая отличается от третьей избытком окислителя. В таких условиях преобладающими являются реакции окисления СКЦ, определяющие тепловой режим в цилиндре газодизеля при работе его с РОГ. В четвёртой зоне образование термического NO происходит в определяющей степени по механизму Я.Б. Зельдовича. Локальное же образование NO в зонах 3 и 4 связано с концентрацией атомов кислорода, которая зависит от концентрации кислорода в каждой локальной зоне и температуры в ней. Пятая зона (зона 5 на рис. 2.4) - зона расхода NO, представляющая собой зону догорания обедненной МВС с рециркулируемыми газами (срыва бедного пламени), в которой происходит расход оксида азота (реакции 2.17...2.22). Шестая зона (зона 6 на рис. 2.4) представляет собой зону с преобладанием МВС с продуктами рециркуляции. В этой зоне завершаются все химические реакции, и устанавливается равномерная концентрация продуктов полного горения, и где оксид азота в основном не образуется и не расходуется.
В камере сгорания газодизеля при горении МВС с рециркулируемыми газами, воспламенённой распылённым дизельным топливом, образуется ряд характерных зон от совместного влияния соседних факелов топливных струй, в которых наблюдаются зоны преимущественно с гомогенной МВС с продуктами рециркуляции и большим количеством локальных объемов. В зонах 7, 8 и 9 во время такта расширения происходит резкое охлаждение продуктов сгорания водоохлаждаемыми стенками цилиндра. При температуре ниже 970 К происходит доокисление N0 в N02 (реакции 2.2, 2.3). При этом доля NO2 в зонах 7, 8 и 9 может достигать 18 % от общего количества оксидов азота.
Указанные зоны находятся во взаимодействии друг с другом, обеспечивающим устойчивость протекания процесса образования оксидов азота при сгорании МВС с продуктами рециркуляции. Это турбулентный теплообмен между зонами, перенос продуктов незавершенных реакций и кислорода, способствующих дегидрогенизации СНЦ, чистота, масштаб и скорость турбулентных пульсаций, определяющие время смешения для зон факела и время образования оксидов азота.
В камере сгорания газодизеля при работе с РОГ из-за низкой температуры МВС с рециркулируемыми газами во время такта сжатия NO не образуется. При горении топлива в ядре факела (зона 1 на рис. 2.4) и облочке (зона 2) на стенке увеличивается средняя температура в цилиндре, что приводит к повышению концентрации N0 в зонах обеднённой МВС с продуктами рециркуляции. В свою очередь, при более высокой температуре пламени (зоны 3 и 4) образование NO зависит от локальной концентрации кислорода. Во время хода расширения, когда температура газов в цилиндре газодизеля уменьшается, концентрация N0 снижается, и лишь 60.. .70 % образовавшегося оксида азота остаётся в момент открытия выпускного клапана. Поэтому выход N0 при горении МВС с рециркулируемыми газами в цилиндре газодизеля, определяющий содержание оксидов азота в ОГ, зависит от максимальной температуры, объема продуктов рециркуляции, концентрации кислорода в зоне 4 и длительности зоны 5, в которой происходит расход азота до 30...40%, образовавшегося в области максимальных температур зоны 4. В продуктах же сгорания преобладает в основном оксид азота NO, который составляет 82...88 % от общего количества оксидов азота.
Разработка и создание макетного образца трактора МТЗ-80 для работы на природном газе с рециркуляцией отработавших газов
Качественная и всесторонняя оценка рассмотренного метода использования системы регулируемой РОГ и природного газа в тракторных дизелях может быть осуществлена на основе всестороннего обобщения результатов исследований [295, 296].
Определение экономической эффективности применения системы регулируемой РОГ и природного газа достаточно проблематично из-за отсутствия до настоящего времени единой методики, позволяющей проводить комплексную оценку сравнительной экономической эффективности использования методов снижения токсичности и различных видов альтернативных топ-лив. В то же время рассмотрение целесообразно проводить с точки зрения снижения токсичности ОГ, стоимости установки новых приспособлений или осуществления конструктивных изменений в дизеле, экономии топлива, влияния на показатели надежности дизеля.
Необходимо знать, какие из компонентов ОГ представляют наибольшую опасность, то есть наиболее токсичны. Все это затрудняет оценку вредности выбросов двигателей, сравнение экологической эффективности методов снижения токсичности конкретного двигателя, выбор наиболее опасного загрязнителя в составе ОГ. Поэтому при решении этих и им подобных задач обычно исходят из суммарной (приведенной) токсичности выбросов двигателя.
По нашему мнению, наиболее удобна и достоверна оценка по «Временной типовой методике определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий» [7, 295...297].
Согласно [7, 295...297], эффективность применения системы регулируемой РОГ и природного газа можно оценить по снижению экономического ущерба, наносимого народному хозяйству страны загрязнением окружающей среды. Величина ущерба, наносимого при попадании в атмосферу загрязнителя, определяется по формуле: где: У - величина ущерба, руб./год; у - размерный коэффициент, переводящий бальную оценку ущерба в стоимостную, у = 0,1887 руб./усл. кг (в ценах на 2004 год); а - показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над территорией определенного типа, а = 6 - для жилых районов городов; f - поправка, учитывающая характер рассеяния отработавших газов в атмосфере, f = 10 - для выброса аэрозолей автотранспортными средствами; М - приведенная масса годового выброса загрязнений, определяемая по формуле: где: Ai - показатель относительной агрессивности і-го компонента, усл. кг/кг; mi - масса годового выброса і-го компонента, кг/год. Данная методика дает алгоритм определения этих показателей для компонентов ОГ. При этом в качестве опорного (условного) загрязнителя принят оксид углерода. Это означает, что его показатель агрессивности равен единице. Показатели же для других компонентов указывают, во сколько раз при одинаковых условиях ущерб, наносимый рассматриваемым загрязнителем, больше ущерба, наносимого оксидом углерода. При работе дизеля 44 11,0/12,5 на номинальном скоростном режиме по газодизельному с РОГ процессу происходит снижение содержания сажи в ОГ на 83 %, оксида углерода на 24 % и диоксида углерода на 43 %. Принимая значения постоянных величин по рекомендациям [7,295...297] получаем после расчета значения экономической эффективности от снижения ущерба, наносимого токсичными компонентами, выбрасываемыми в атмосферу с ОГ дизеля, равное 1250 руб. на 1 трактор в год, газодизельной модификации - 1400 руб. на 1 трактор в год, а газодизельной модификации с системой РОГ - 850 руб. на 1 трактор в год при средней наработке 1000 мото-часов. Расчет ущерба по выражению (6.1), выполненный для дизеля 44 11,0/12,5 сельскохозяйственного трактора МТЗ-80, работающего на СПГ с системой РОГ, показал, что экономическая эффективность от снижения ущерба, наносимого токсичными компонентами, выбрасываемыми в атмосферу с ОГ, составит не менее 550 руб. на 1 трактор в год (в ценах 2004 года). Тем самым в значительной степени ослабляются экологические проблемы эксплуатации этих дизелей. Стоимость покупки, изготовления и монтажа газобаллонного оборудования составляет 27 тыс. руб. на 1 трактор. Стоимость покупки, изготовления и монтажа системы РОГ составляет 3 тыс. руб. на 1 трактор. В свою очередь при переходе на газодизельный с РОГ процесс происходит снижение часового расхода топлива по отношению к дизельному процессу на 14 %, что в свою очередь позволяет экономить на горюче-смазочных материалах до 50 тыс. руб. в год на 1 трактор при средней годовой наработке трактора 1000 мото-часов. 1. На основании рассмотрения современного состояния проблемы токсичности, способов снижения токсичности, проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований дано решение улучшения экологических показателей дизеля 44 11,0/12,5 (Д-240) с камерой сгорания ЦНИДИ при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов. 2. На основании экспериментальных стендовых исследований рабочего процесса дизеля 44 11,0/12,5 при работе природном газе с рециркуляцией отработавших газов установлена закономерность подачи рециркулируемых газов в зависимости от нагрузки дизеля, позволяющая регулировать до 40 % отработавших газов. 3. На основании теоретических исследований предложены химизм и феноменологическая модель процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов. 4. Разработана математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на природном газе с рециркуляцией отработавших газов, позволяющая рассчитать содержание оксидов азота в отработавших газах дизеля на любых режимах работы.
