Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Влияние отработавших газов автомобильного транспорта на окружающую среду 12
1.2. Методы снижения содержания оксидов азота в отработавших газах дизелей 17
1.3. Образование оксидов азота при сгорании природного газа и дизельного топлива в дизелях с турбонаддувом и ПОНВ 32
1.3.1. Образование термических оксидов азота в процессе горения углеводородных топлив 35
1.3.2. Образование оксидов азота из гемиоксида азота в процессе горения углеводородных топлив 41
1.3.3. Образование быстрых оксидов азота в процессе горения углеводородных топлив 42
1.3.4. Образование топливных оксидов азота в процессе горения углеводородных топлив ' 47
1.4. Задачи исследований 49
2. Теория образования оксидов азота в цилиндре дизеля 4чн 11,0/12,5 с понв при работе на природном газе 50
2.1. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на природном газе 50
2.2. Математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на природном газе 59
2.3. Теоретические расчеты объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на природном газе 82
3. Программа и методика исследований 92
3.1. Объект испытаний 92
3.2. Методика стендовых исследований работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на природном газе 94
3.3. Методика обработки результатов исследований 112
4. Улучшение экологических показателей дизеля 4чн 11,0/12,5 с понв при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах 115
4.1. Влияние применения природного газа на эффективные и экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе дизеля на природном газе в зависимости от изменения установочного УОВТ 115
4.1.1. Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе дизеля на ПГ в зависимости от изменения установочного УОВТ 115
4.1.2. Влияние применения природного газа на экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного 119 УОВТ
4.2. Влияние применения природного газа на эффективные и экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от измене ния нагрузки 127
4.2.1. Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения нагрузки 127
4.2.2. Влияние применения природного газа на экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения нагрузки 130
4.3. Влияние применения природного газа на эффективные и экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала > 136
4.3.1. Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала 136
4.3.2. Влияние применения природного газа на экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала 138
4.4. Влияние применения природного газа на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в отработавших газах и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ 142
4.4.1. Влияние применения природного газа на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в отработавших газах и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ 142
4.4.2. Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от угла поворота коленчатого вала 149
4.4.3. Влияние применения природного газа на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в отработавших газах и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на различных нагрузочных режимах 161
4.4.4. Влияние применения природного газа на объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в отработавших газах и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения частоты вращения 171
5. Оценка экономической эффективности использования природного газа в качестве моторного топлива в автомобильном дизеле 4чн 11,0/12,5 с ПОНВ 175
Общие выводы 180
Литература
- Методы снижения содержания оксидов азота в отработавших газах дизелей
- Математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на природном газе
- Методика стендовых исследований работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на природном газе
- Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе дизеля на ПГ в зависимости от изменения установочного УОВТ
Введение к работе
В настоящее время уменьшение загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми промышленными предприятиями и автомобильными транспортом, является одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством. Загрязнение воздуха оказывает вредное воздействие на человека и окружающую среду. Материальный ущерб, вызываемый загрязнением воздуха автомобильным транспортом, трудно оценить.
Проблемы экологической безопасности автомобильного транспорта являются составной частью экологической безопасности страны. Значимость и острота этой проблемы растет с каждым годом. В инфраструктуре транспортной отрасли России насчитывается около 4 тыс. крупных и средних ав-. тотранспортных предприятий, занятых пассажирскими и грузовыми перевозками. Рост автопарка, изменение форм собственности и видов деятельности существенно не повлияли на характер воздействия автотранспорта на окружающую природную среду. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств увеличивается в год в среднем на 5 %. В крупных мегаполисах это значение достигает 10 %.
Среди всех видов транспорта автомобильный наносит наибольший ущерб окружающей среде. В России в местах повышенного загрязнения воздуха проживает около 64 млн. человек, среднегодовые концентрации загрязнителей воздуха превышают предельно допустимые более чем в 600 городах России.
Каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу с ОГ более 200 различных компонентов. Токсичные компоненты, содержащиеся в ОГ распространяются и трансформируются в атмосфере по определенным закономерностям. Твердые частицы размером более 0,1 мм оседают на подстилающих поверхностях в основном из-за действия гравитационных сил. Частицы, размер которых менее 0,1 мм, а также газовые примеси в виде СО, CnHm, NOx рас-
пространяются в атмосфере под воздействием процессов диффузии. Они вступают в процессы физико-химического взаимодействия между собой и с компонентами атмосферы, и их действие проявляется на локальных территориях в пределах определенных регионов.
Степень загрязнения атмосферного воздуха зависит от возможности переноса рассматриваемых загрязняющих веществ на значительные расстояния, уровня их химической активности, метеорологических условий распространения. Компоненты вредных выбросов с повышенной реакционной способностью, попадая в свободную атмосферу, взаимодействуют между собой и компонентами атмосферного воздуха. Реакции синтеза и распада, окисления и восстановления осуществляются между газообразными компонентами загрязняющих веществ и атмосферным воздухом. Некоторые процессы химических преобразований начинаются непосредственно с момента поступления выбросов в атмосферу, другие - при появлении для этого благоприятных условий - необходимых реагентов, солнечного излучения, других факторов.
Если среди легкового автотранспорта преимущественную роль занимают бензиновые двигатели, то среди автобусов, грузовых автомобилей, сельскохозяйственной техники преобладают дизели. Особый интерес вызывает их совершенствование в плане улучшения мощностных и экологических показателей.
Вопросами образования и разложения оксидов азота в разное время занимались как С.А. Абрамов, В.Л. Аксенов, В.П. Васильев, И.Л. Варшавский, Г.В. Гетманец, Н.А. Гуревич, К.Е. Долганов, О.И. Жегалин, Л.С. Заиграев, В.А. Звонов, Я.Б. Зельдович, СВ. Истомин, А.А. Капустин, А.Р. Кульчицкий, В.Ф. Кутенев, Н.В. Лавров, В.А. Лиханов, О.П. Лопатин, Р.В. Малов, В.А. Марков, А.В. Николаенко, В.В. Померанцев, Ю.П. Райзер, Н.Ф. Разлей-цев, П.А. Садовников, A.M. Сайкин, Т.Ю. Салова, Ю.Б. Свиридов, И.Я. Сигал, В.И. Смайлис, П.П. Фесенко, Д.А. Франк-Каменецкий, А.И. Френкель, В.В. Фурса, B.C. Шкрабак, В.В. Эфрос и другие.
Результаты исследований показывают, что тип двигателя, его конструктивные особенности, техническое состояние, регулировки основных систем и узлов, а также многочисленные эксплуатационные факторы существенно влияют на количество вредных выбросов с ОГ ДВС.
В исследованиях отечественных ученых отсутствуют данные по снижению содержания оксидов азота на современных дизелях, имеющих турбонад-дув с ПОНВ и усовершенствованную систему топливоподачи. На основании исследований зарубежных ученых, можно предположить, что турбонаддув с ПОНВ существенно повлияет на содержание токсичных компонентов в ОГ дизелей. Нужно отметить, что при использовании альтернативных видов топлива мы сможем не только сэкономить нефтяное топливо, но и улучшить эффективные и экологические показатели.
Приоритетность природного газа, как наиболее перспективного экологически чистого альтернативного топлива, очевидна для многих стран мира. В Канаде, Бразилии, Новой Зеландии, Аргентине, Италии, Голландии, Франции и других странах успешно действуют национальные программы перевода автотранспорта, в первую очередь городского, на ПГ.
В связи с выше изложенным, научная задача этой работы сформулирована как улучшение экологических показателей дизеля с турбонаддувом и ПОНВ при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах.
Целью исследований является улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах.
Практическое применение научной задачи состоит в улучшении экологических и эффективных показателей дизелей с турбонаддувом и ПОНВ, работающих на ПГ автобусов и грузовых автомобилей, эксплуатируемых на дорогах общего пользования, путем снижения содержания токсичных ком-
понентов за счет снижения содержания оксидов азота в ОГ и экономии нефтяного моторного топлива.
Объект исследований: автомобильный дизель 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ (Д-245.7) жидкостного охлаждения, устанавливаемый на автомобили ГАЗ-3309 и автобусы ПАЗ-3205-70, работающий на альтернативном топливе - природном газе.
Предмет исследований: экологические, мощностные и экономические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ, процессы образования и разложения оксидов азота в цилиндре и в ОГ дизеля.
Научную новизну работы представляют:
результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ПГ на процессы образования и разложения оксидов азота, экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с КС ЦНИДИ;
химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ с запальной порцией ДТ;
математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ, с КС ЦНИДИ при работе на ПГ;
результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре и в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;
рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ путем снижения содержания оксидов азота в ОГ при работе дизеля на ПГ.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий, Чебоксарском политехническом институте (филиале) Московского государственного открытого университета при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специ-
альностям 110301, 190601 и 190603.
Годовой экономический эффект от экономии дизельного топлива составляет 43152 руб./год на один автомобиль ГАЗ-3309 при работе на ПГ при среднегодовом пробеге 60 тыс. км. (в ценах на 01.07.2008 г.). Экономический эффект с учетом снижения содержания токсичных компонентов в ОГ при работе дизеля на ПГ составил 46812 рублей на один автомобиль в год.
Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР ФГОУ ВПО Вятская ГСХА (г. Киров) на 2006...2010 гг. (номер государственной регистрации 01.2.006-09891").
На защиту выносятся следующие положения и основные результаты исследований:
результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ПГ на процессы образования и разложения оксидов азота, экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с КС ЦНИДИ;
химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ с запальной порцией ДТ;
математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН11,0/12,5 с ПОНВ, с КС ЦНИДИ при работе на ПГ;
результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре и в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;
рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ путем снижения содержания оксидов азота в ОГ при работе дизеля на ПГ.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 53-й научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Вятской ГСХА, 2006 г. (ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», г. Киров); 6-ой, 7-ой и 8-ой городских
научных конференциях аспирантов и соискателей «Науке нового века - знание молодых» 2006...2008 гг. (ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», г. Киров); Региональной научно-практической конференции вузов приволжского региона «Инновации в образовательном процессе», 2006 г. (Чебоксарский институт (филиал) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет», г.Чебоксары); Научно-практической конференции «Совершенствование технологии и средств механизации производства продукции растениеводства и животноводства», 2006 г. (НИИСХ Северо-Востока, г. Киров); 17-ой Региональной научно-практической конференции кафедр «Тракторы и автомобили» вузов Поволжья и Предуралья, 2007 г. (ФГОУ ВПО «Нижегородская ГСХА», г. Н. Новгород); I и П-ой Всероссийских научно-практических конференциях «Наука - Технология - Ресурсосбережение», 2007, 2008 гг. (ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», г. Киров); ІХ-ой и Х-ой Международных научно-практических конференциях «Мосоловские чтения», 2007, 2008 гг. (ГОУ ВПО «Марийский ГУ», г. Йошкар-Ола); Международной научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, докторантов и аспирантов «Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий», 2008 г. (ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский ГАУ», г. Санкт-Петербург-Пушкин); Международной научной конференции «Гидродинамика, механика, энергетические установки», 2008 г. (Чебоксарский политехнический институт (филиал) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет», г.Чебоксары).
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 23 печатных работах, включая монографию объемом 9,43 п.л., 2 статьи в центральном журнале, входящем в перечень изданий ВАК РФ для публикации трудов соискателей ученых степеней и статей общим объемом 7,40 п.л., 9 статей в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций. Без соавторов опубликовано 5 статей общим объемом 1,8 п.л.
Методы снижения содержания оксидов азота в отработавших газах дизелей
Количество образующихся в цилиндре дизеля оксидов азота зависит в первую очередь от температуры в КС дизеля и ее конструктивного исполнения, характеристик топлива и длительности рабочих процессов. Источниками оксидов азота в ходе химических реакций являются молекулярный азот воздуха, используемый в качестве окислителя при горении, и азотсодержащие компоненты топлива (если в топливе имеется химически связанный азот). В связи с этим принято делить оксиды азота на воздушные и топливные. Воздушные, в свою очередь, можно разделить на термические, образующиеся при высоких температурах за счет окисления молекулярного азота атомарным кислородом (механизм Я.Б. Зельдовича), и так называемые быстрые оксиды азота, образующиеся в зоне сравнительно низких температур в результате реакции углеводородных радикалов с молекулой азота и последующего взаимодействия атомарного азота с гидроксилом ОН [20].
Фронт огня, распространяющийся по КС, достигает температуры около 3000 К. При такой температуре концентрация NO составила бы не менее 5 %. При температуре окружающей среды оксиды азота термодинамически неустойчивы и распадаются на кислород и азот, но скорость этого процесса очень низка. Таким образом, оксид азота достаточно стабилен и выделяется вместе сОГ.
Решение проблемы снижения содержания оксидов азота связано с совершенствованием рабочих процессов, технического обслуживания, развитием систем нейтрализации отработавших газов [6, 21...23].
На сегодняшний день наиболее эффективными методами снижения содержания оксидов азота в ОГ являются [24...29]: - изменение установочного УОВТ (его уменьшение приводит к снижению уровня NOx, но влечет за собой увеличение удельного расхода топлива); - изменение степени сжатия (увеличение степени сжатия приводит к снижению содержания NOx); - повышение давления впрыскивания (увеличение числа сопловых отверстий распылителя форсунки с одновременным уменьшением их диаметра приводит к более однородному распыливанию топлива и улучшению смесеобразования, в результате чего в цилиндре дизеля получается меньшая неоднородность температурного поля и происходит снижение выходных концентраций NOx); - изменение параметров давления и температуры воздуха на впуске и коэффициента избытка воздуха (с увеличением давления наддувочного ; воздуха, уменьшением его температуры, происходит снижение выбросов NOx); - совместное использовании турбонаддува и ПОНВ (увеличивается скорость охлаждения продуктов сгорания, так как топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндр, имеет более низкую температуру); - применение альтернативных видов топлива (наиболее распространенное из альтернативных топлив на сегодня - компримированныйприрод-ный газ; - применение каталитических нейтрализаторов и других средств очистки ОГ; - использование рециркуляции ОГ (замещение части воздушного заряда, поступающего в цилиндр дизеля, охлажденными ОГ); - подача воды на впуске (происходит снижение локальных температур цикла, приводящее к меньшей температурной неоднородности в цилиндре дизеля); — замена воздуха кислородом (исключение из окислителя азотистых соединений, т.е. отсутствие реакции окисления молекулярного азота атомар ным кислородом); - применение присадок к топливу.
На сегодняшний день методы по снижению содержания оксидов азота можно разделить на четыре группы [30.. .32]:
1 -я группа - очистка продуктов сгорания от оксидов азота (восстановление оксидов азота с помощью катализаторов);
2-я группа - уменьшение образования оксидов азота за счет конструктивных изменений, регулировок двигателя и топливоподающей аппаратуры;
3-я группа - изменение состава топливовоздушной смеси и вида топлива с изменением процесса сгорания;
4-я группа - снижение температуры цикла в КС, уменьшение температурной и концентрационной неоднородности за счет применения предварительно перемешанных топливовоздушных смесей.
Основная масса токсичных веществ дизелей выбрасывается в окружающий воздух вместе с ОГ. Вредные вещества выделяются также с картер-ными газами и в результате испарения топлива, смазочных масел, охлаждающих жидкостей. Однако общий объем вредных веществ, выделяемых со всеми этими газами, не превышает 3 % от выбросов ОГ, поэтому именно снижению концентрации вредных веществ в ОГ необходимо уделять особое внимание [33].
Следует отметить, что в настоящее время не существует комплексной оценки эффективности методов улучшения экологических показателей дизелей. Представляется целесообразным в комплексной оценке учитывать стоимость самих устройств и величину предотвращенного ущерба. Имеющиеся методики позволяют сделать только относительные оценки эффективности средств снижения выбросов, поэтому дальнейшей задачей является создание системы комплексной оценки предлагаемых методов и средств снижения токсичности ОГ дизелей при их эксплуатации. Использования малотоксичных рабочих процессов может существенно влиять на выброс в атмосферу оксидов азота.
Немецкой фирмой «Elsbett-Konstruction» («Elko») разработан рабочий процесс «Duotherm» [32], особенностью которого является впрыскивание топлива с помощью односопловой или штифтовой форсунки в центр ассимет-ричной КС, имеющей сферическую форму с подрезанной верхней частью. Процесс отличается очень низким содержанием NOx в ОГ.
Испытаниям по методике ОАО «Дизельпром» для оптимизации параметров высокооборотных дизелей по показателям эмиссии NOx в ОГ подвергались дизели 1ЧН 16,5/18,5, 6ЧН 15/18, 8ЧН 13/14, 12ЧН 18/20, 4ЧН 15/18, 1ЧН 21/21 [34]. В итоге, круг мероприятий, позволяющих реально воздействовать на уровень эмиссии NOx практически без ущерба для топливной экономичности дизелей, включает повышение степени сжатия є и коэффициента избытка воздуха а. От увеличения є на 2 единицы на дизеле 4ЧН 15/18, происходит снижение NOx на 35 г/кг топлива.
Математическая модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на природном газе
Скорость горения распыленного ДТ в потоке МВС в общем случае определяется скоростями различных «элементарных» процессов. К ним относятся: прогрев, испарение, разгон и дробление капель ДТ, смешение паров ДТ и ПГ с окислителем, химические реакции и т. п. [115].
Будем считать условия протекания процесса горения такими, что характерные времена химической реакции и перемешивания в масштабах порядка межкапельного расстояния ДТ много меньше характерного времени испарения. В соответствии с этим скорость горения может быть принята равной скорости испарения. Горение в описываемой модели заканчивается в том сечении, где полностью исчезает жидкая фаза.
Ограничимся рассмотрением систем смесеобразования, обеспечивающих практическое отсутствие обратных токов (зон рециркуляции) у головки КС. Процесс горения в подобных системах смесеобразования поддерживается за счет самовоспламенения компонентов непосредственно после поступления их в КС. Для этого требуется достаточно высокая температура МВС или низкая энергия активации топливной пары.
Примем, что капли ДТ и МВС равномерно распределены по сечению КС и все параметры процесса в силу этого зависят только от продольной координаты х. Таким образом, рассматривается одномерная постановка задачи. Она позволяет исследовать низкочастотные и продольные акустические колебания.
Рассмотрим элементарные процессы, определяющие скорость испарения капель ДТ, поскольку они существенным образом определяют процессы в газовой фазе МВС. Увеличение температуры и массы МВС за счет горения и испарения капель ДТ вызывает ее ускоренное движение. Возникающая вследствие этого разность скоростей МВС и капель ДТ порождает аэродина мические силы, действующие на каплю ДТ, которые при определенных условиях могут приводить к разрушению капель ДТ [ 115... 119].
При нагреве капли ДТ происходит ее испарение. Вначале при температуре ниже температуры кипения топлива испаряются наиболее легкие фракции. По мере повышения температуры начинается испарение более тяжелых соединений. На скорость испарения капли ДТ оказывает влияние разность парциальных давлений паров испаряемых фракций в капле и в окружающей среде. Скорость образования пара резко возрастает, когда температура частицы достигает температуры кипения ДТ [121.. .124].
На рис 2.2 показана схема горения капли ДТ в турбулентном потоке МВВ с избытком окислителя. При испарении топлива вокруг капли ДТ 1 образуется зона паров горючего 2, навстречу которой из среды диффундирует окислитель 5. В результате вокруг капли образуется горючая смесь. Горение полученной смеси происходит в тонком слое 3, концентрация горючего в котором близка к стехиометрической. Толщина слоя 3, называемого фронтом горения, обычно составляет несколько долей миллиметра. Продукты сгорания 6 и 7, образующиеся в зоне горения 3, диффундируют в двух направлениях: в сторону капли - в зону паров горючего 2 и в противоположную сторону - в зону их догорания 4. Таким образом, объем, занимаемый факелом, делится на две части: внутреннюю, состоящую из паров топлива и продуктов сгорания, диффундирующих из фронта горения в сторону капли ДТ, и внешнюю, состоящую из продуктов сгорания и диффундирующего навстречу им воздуха. Вследствие пульсаций потока МВС фронт пламени теряет четкие очертания, пульсирует и местами разрывается. Во внутрь фронта пламени проникает кислород воздуха, благодаря которому наряду с термическим разложением паров горючего происходит также процесс их предварительного окисления (предварительной газификации). В результате окислительных реакций преобразование паров горючего протекает с образованием частично окисленных углеводородных соединений (спиртов, альдегидов); при этом выделение частиц сажистого углерода уменьшается. Если количество кислорода, проникающего внутрь оболочки пламени, составляет не меньше 0,4 -0,5 от теоретически необходимого для горения, то процесс преобразования паров горючего протекает практически без выделения сажи. При турбулентном режиме горения МВС скорость диффузии МВС в зону горения капли ДТ выше скорости ее испарения. Поэтому фактором, возможно определяющим скорость горения капли, является продолжительность испарения.
Методика стендовых исследований работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на природном газе
Методика проведения стендовых испытаний основывана на сравнительном методе [127... 129]. Показатели работы дизеля на ПГ сравнивались с показателями работы базового дизеля. При проведении стендовых испытаний предполагалось сохранение мощностных и экономических параметров дизеля при работе на ПГ по сравнению с дизелем при работе на ДТ. Структурная схема стендовых испытаний приведена на рисунке 3.1.
Все испытания проводились согласно ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытании». Стендовые испытания проводились в несколько этапов [127]. Структурная схема проведения стендовых испытаний представлена на рис. 3.1.
Стендовые испытания дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ проводились в четыре этапа.
На первом этапе предусматривалась разработка и оптимизация системы дозирования и регулирования подачи ПГ в дизель 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ, включающая в себя определение оптимальных геометрических параметров смесителя-дозатора, а также определение запальной порции ДТ. При этом определялись мощностные и экономические показатели работы двигателя на различных нагрузочных и скоростных режимах работы при работе на ДТ и ПГ.
На втором этапе при оптимизированной системе питания двигателя проводился весь комплекс испытаний, включающий в себя снятие нагрузочных и скоростных характеристик при различных установочных УОВТ с последующей их оптимизацией с определением мощностных, экономических показателей, а также показателей токсичности и дымности ОГ.
На третьем этапе проводилось индицирование процесса сгорания, с обработкой индикаторных диаграмм при работе на ДТ и ПГ. При обработке индикаторных диаграмм определяются показатели процесса сгорания и тепловыделения.
На четвертом этапе производился полный анализ параметров процесса сгорания, токсичности ОГ. На основании проведенного анализа предусматривалась разработка химизма образования оксидов азота в цилиндре дизеля, а также разрабатывались рекомендации по улучшению экологических показателей работы дизеля на ПГ. Объемное содержание и массовая концентрация оксидов азота в цилиндре дизеля в зависимости от угла п.к.в. рассчитывались по программе разработанной в Ленинградском политехническом институте учеными С.А. Батуриным и А.С. Лоскутовым. После проведения расчетов содержания оксидов азота в проводилось сравнение расчетных значений с теоретическими, полученными на основании разработанной математической модели образования оксидов азота в цилиндре дизеля 4 ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на природном газе.
Учитывая специфику работы автомобильного двигателя с ПОНВ, основными режимами исследований выбирались: номинальный скоростной режим с частотой вращения коленчатого вала n = 2400 мин"1 и режим максимального крутящего момента при частоте вращения коленчатого вала п= 1700 мин"1. Основным условием исследований при работе на ПГ было сохранение одинаковых значений средних эффективных давлений (ре) для каждого исследуемого режима.
При монтаже оборудования и приборов, проведении стендовых испытаний, отборе проб ОГ и их анализе учитывались и соблюдались требования следующих ГОСТов: ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний»; ГОСТ Р 41.24-2003 (Правила ЕЭК ООН № 24) «Единообразные предписания, касающиеся: 1. Сертификации двигателей с воспламенением от сжатия в отношении дымности; 2. Сертификации автотранс 97 портных средств в воспламенением от сжатия, сертифицированных по типу конструкции; 3. Сертификации автотранспортных средств с двигателями с воспламенением от сжатия в отношении дымности; 4. Измерение мощности двигателей; ГОСТ Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН № 49) - Единообразные предписания, касающиеся сертификации 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 выбросов вредных веществ; ГОСТ Р 41.83-2004 (Правила ЕЭК ООН № 83) «Единообразные предписания, касающиеся сертификации транспортных средств в отношении выбросов вредных веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей»; ГОСТ Р 51998-2002 «Дизели автомобильных транспортных средств. Общие технические условия»; ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия»; ГОСТ 8581-78 «Масла моторные автотракторных дизелей. Технические условия»; ГОСТ 10579-88 «Форсунки дизельные. Общие технические условия»; ГОСТ 10578-96 «Насосы топливные дизелей. Общие технические условия»; ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное. Технические условия»; ГОСТ 17479.1-85 «Обозначение нефтепродуктов»; ГОСТ Р 52160-2003 «Автотранспортные средства, оснащенные двигателями с воспламенением от сжатия. Дымность отработавших газов.
Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе дизеля на ПГ в зависимости от изменения установочного УОВТ
Регулировочные характеристики для определения эффективных показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ при работе дизеля на ДТ и на ПГ на номинальной частоте вращения коленчатого вала (п = 2400 мин" ) и на частоте вращения максимального крутящего момента (n = 1700 мин"1) представлены на рис. 4.1 [163].
Рассматривая показатели работы дизеля на ДТ на номинальной частоте вращения (п = 2400 мин"1, ре = 0,947 МПа) при работе дизеля на установочном УОВТ 0впрд = 7 До в.м.т., при постоянном часовом расходе ДТ GT = 2lKr/4, эффективная мощность Ne составляет 88,3 кВт, а значение удельного эффективного расхода ДТ ge составляет 232 г/(кВт-ч). При увеличении установочного УОВТ до ВпРД = 9 до в.м.т. эффективная мощность Ne увеличивается до значения 90 кВт, при этом значение удельного эффективного расхода ДТ ge снижается до 227 г/(кВт-ч.), т.е. на 2,15 %. При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до Впрд= 11 до в.м.т. происходит снижение эффективной мощности Ne до значения 88,3 кВт, при этом значение удельного эффективного расхода ge увеличивается до 232 г/(кВт-ч), т.е. на 2,2 %. Рассматривая графики Ne, GT, и ge, можно отметить, что при работе дизеля на ДТ установочный УОВТ при частоте вращения п = 2400 мин"1 по условию наилучшей экономичности равен 9 до в.м.т. Этот установочный УОВТ рекомендован заводом-изготовителем для обеспечения лучших мощ-ностных, экономических и экологических показателей автомобильного двигателя 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в качестве оптимального [166... 168].
Рассматривая показатели работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе дизеля на ПГ на номинальной частоте вращения (п = 2400 мин"1, ре = 0,947 МПа), можно отметить, что при работе дизеля на установочном УОВТ впргд = 5 до в.м.т., при постоянном суммарном часовом расходе топлива GTS= 18,8 кг/ч эффективная мощность Ne составляет 86,0 кВт, а значение суммарного удельного эффективного расхода топлива geS = 218 г/(кВт-ч). При увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 7 до в.м.т. эффективная мощность Ne увеличивается до значения 90 кВт, при этом значение суммарного удельного эффективного расхода топлива ge снижается до 208 г/(кВт-ч), т.е. на 4,6 %. При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до впргд = 9 до в.м.т. происходит снижение эффективной мощности Ne до значения 88 кВт, при этом значение суммарного удельного эффективного расхода топлива geS увеличивается до 210 г/(кВт-ч), т.е. на 1,0 %. Снижение суммарных значений часового расхода GTS и удельного расхода ges топлива при работе дизеля на всех установочных УОВТ на ПГ по сравнению с работой на ДТ объясняется большим значением теплоты сгорания ПГ. Из анализа графиков Ne, GT, и ge следует, что при работе дизеля на ПГ оптимальный установочный УОВТ при частоте вращения n = 2400 мин" при условию наилучшей экономичности равен 7 до в.м.т.
Анализируя графики работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на частоте вращения коленчатого вала, соответствующей режиму максимального крутящего момента (п= 1700 мин"1 при ре= 1,036 МПа) при работе дизеля на ДТ, можно отметить, что при постоянном значении часового расхода ДТ GT= 14,6 кг/ч при работе с установочным УОВТ ипрд = 7 до в.м.т. эффективная мощность Ne составляет 66,5 кВт, при удельном расходе ДТ gc = 209 г/(кВт-ч). При увеличении установочного УОВТ до Эвпр д = 9 до в.м.т. эффективная мощность Nc увеличивается до значения 69,5 кВт, а величина удельного расхода ДТ ge снижается и составляет 202 г/(кВт-ч). Уменьшение значения ge составляет 3,3 %. При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до 0Впрд= П до в.м.т. эффективная мощность Ne снижается до значения 66,0 кВт, а величина удельного расхода ДТ ge увеличивается и составляет 208 г/(кВт-ч). Увеличение ge составляет 2,9 % [169... 170].
Рассматривая показатели работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на частоте вращения максимального крутящего момента (п= 1700 мин"1, ре =1,036 МПа) при работе дизеля на ПГ, можно отметить, что при установочном УОВТ 0впр гд = 5 до в.м.т., при постоянном суммарном часовом расходе топлива GTS— 13,4 кг/ч эффективная мощность Ne составляет 64,5 кВт. Значение суммарного удельного эффективного расхода топлива ge2 при данной мощности составляет 203 г/(кВт-ч). При увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 7 до в.м.т. эффективная мощность увеличивается до значения Ne = 69,5 кВт, а величина суммарного удельного эффективного расхода топлива ges снижается и составляет 191 г/(кВт-ч). Уменьшение значения ge составляет 5,9 %. При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до впр гд — 9 до в.м.т. эффективная мощность снижается до значения Ne = 64,5 кВт, а величина суммарного удельного эффективного расхода топлива gc2 увеличивается и составляет 203 г/(кВт-ч). Увеличение значения ge составляет 6,3 %. При частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту (п= 1700 мин"1, ре= 1,036 МПа), сохраняется характер изменения кривых эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива, установленный для номинальной частоты вращения двигателя.
