Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследования 14
1.1. Влияние воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду 14
1.2. Методы снижения содержания оксидов азота в отработавших газах дизелей 18
1.3. Образование оксидов азота при сгорании природного газа и дизельного топлива в дизелях с турбонаддувом 25
1.3.1. Образование термических оксидов азота в процессе горения углеводородных топлив 27
1.3.2. Образование оксидов азота из гемиоксида азота в процессе горения углеводородных топлив 34
1.3.3. Образование быстрых оксидов азота в процессе горения углеводородных топлив 35
1.3.4. Образование топливных оксидов азота в процессе горения углеводородных топлив 39
1.4. Задачи исследований 41
2. Теория образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с турбонаддувом 42
2.1. Уточненный химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе 42
2.2. Статистическая модель для уточнения расчета скоростей реакций образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе 51
3. Программа и методика исследований 63
3.1. Объект испытаний 63
3.2. Методика стендовых исследований работы дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе 64
3.3. Методика проведения европейского цикла испытаний на установившихся режимах (ESC) согласно ГОСТа Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН № 49) 77
3.3.1. Определение нагрузочного и скоростного режимов испытаний 77
3.3.2. Расчет выбросов вредных газообразных веществ 80
3.4. Обработка результатов исследований. Ошибки измерений 81
4. Улучшение экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4чн 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах 84
4.1. Влияние применения природного газа на эффективные и токсические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изме нения установочного УОВТ 84
4.1.1. Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 84
4.1.2. Влияние применения природного газа на токсические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 88
4.2. Влияние применения природного газа на эффективные и токсические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от из менения нагрузки 91
4.2.1. Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 91
4.2.2. Влияние применения природного газа на токсические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 95
4.3. Влияние применения природного газа на эффективные и токсические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природ ном газе в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала 100
4.3.1. Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала 100
4.3.2. Влияние применения природного газа на токсические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала 104
4.4. Влияние применения природного газа на индикаторные показатели, характеристики сгорания и тепловыделения, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонадду вом 4ЧН 11,0/12,5 107
4.4.1. Влияние применения природного газа на индикаторные показатели, показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую кон центрацию оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН
11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 107
4.4.2. Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 на различных нагрузочных режимах 120
4.4.3. Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения 127
5. Разработка макетного образца автобуса ПАЗ-32054-12 с двигателем Д-245.12с для работы по газодизельному циклу 131
5.1. Общие требования к системе подачи метановоздушной смеси во впускной трубопровод дизеля Д-245.12С автобуса ПАЗ-32054-12 131
5.2. Разработка и создание макетного образца автобуса ПАЗ-32054-12 для работы природном газе 133
6. Оценка экономической эффективности использования природного газа в качестве моторного топлива в автомобильном дизеле 4чн 11,0/12,5 138
Общие выводы 142
Литература
- Влияние воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду
- Уточненный химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе
- Методика стендовых исследований работы дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе
- Влияние применения природного газа на эффективные и токсические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изме нения установочного УОВТ
Введение к работе
Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобильного транспорта в конце XX века стало одной из глобальных экологических проблем. Согласно проведенным исследованиям экологического мониторинга окружающей среды, в ряде регионов России по выбросу загрязняющих веществ в атмосферу на долю автотранспорта приходится свыше 70 % от общего объема загрязнений. Поэтому ухудшение экологической обстановки автомобильным транспортом становится одной из глобальных проблем мирового масштаба. Состояние атмосферного воздуха, от которого зависит климат и биосфера Земли, является определяющим фактором для жизни человека, существования животного и растительного мира, плодородия почвы. Выбросы вредных веществ ведут к изменению климата, парниковому эффекту, все это влечет за собой ухудшение здоровья всех живых существ на Земле. Поэтому проблемы экологии решаются на самом высоком уровне. Так, например, 30 марта 2002 г. Президент России В.В. Путин подписал Постановление Совета Безопасности Р Ф «О приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники Российской Федерации», среди которых значится экология и рациональное природопользование.
В отработавших газах (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС) обнаружено около 280 компонентов, многие из которых токсичны по своим химическим свойствам и характеру воздействия на организм человека. Поэтому эта проблема выявила основные направления по снижению токсичности ОГ автомобильных двигателей. Они включают в себя: усовершенствование конструкции двигателей и повышение качества изготовления; использование новых видов топлива ненефтяного происхождения, имеющих лучшие экологические показатели; создание энергосиловых установок для автомобилей, выбрасывающих меньшее количество вредных веществ; разработка устройств, снижающих содержание токсичных компонентов в ОГ.
Необходимо заметить, что если среди легкового автотранспорта преимущественную роль занимают бензиновые двигатели, то среди автобусов, грузовых автомобилей, тяжелой техники как промышленного, так и сельскохозяйственного назначения доминирующими являются дизели. И поскольку будущее за дизелями, особый интерес вызывает их совершенствование в плане улучшения эффективных и экологических показателей.
Исследования в этом направлении волновали ученых всего мира с давних пор. И на сегодняшний день работы по улучшению эффективных и экологических показателей активно продолжаются. Среди российских ученых исследования в этой области отражены в работах Ахмедова С.А., Варшавского И.Л., Воинова А.Н., Галышева Ю.В., Гетманец Г.В., Гуревича Н.А., Дол-ганова К.Е., Драгомирова С.Г., Ермоловича И.В., Жегалина О.И., Звонова В.А., Зельдовича Я.Б., Истомина СВ., Капустина А.А., Кратко А.П., Кульчицкого А.Р., Кутенева В.Ф., Лаврова Н.В., Лиханова В.А., Малова Р.В., Маркова В.А., Матиевского Д.Д., Морозова К.А., Николаенко А. В., Померанцева В.В., Райзера Ю.П., Разлейцева Н.Ф., Садовникова П.А., Сайкина A.M., Саловой Т.Ю., Свиридова Ю.Б., Сигала И.Я., Смайлиса В.И., Френкеля А.И., Фурсы В.В., Шатрова Е.В., Шкрабака B.C., Эфроса В.В. и других.
Анализ результатов научных исследований показывает, что количество вредных выбросов зависит от многих факторов: типа двигателя его конструктивных особенностей, технического состояния, регулировок основных систем и узлов, а также многочисленных эксплуатационных факторов. Особенно это актуально при использовании альтернативных видов топлива.
Необходимо отметить, что при проведении исследований по улучшению экологических показателей дизеля недостаточно внимания уделялось содержанию оксидов азота, хотя они являются наиболее токсичными. Также отсутствуют работы по снижению содержания оксидов азота на современных дизелях, имеющих турбонаддув и усовершенствованную систему топливопо-дачи. Решение этой задачи предполагает улучшение не только экологиче ских, но и эффективных и экономических показателей. На основании этого можно предположить, что при использовании альтернативных видов топлива мы сможем не только сэкономить нефтяное топливо, но и улучшить остальные показатели.
В связи с выше изложенным, научная задача этой работы сформулирована как улучшение экологических показателей дизеля с турбонаддувом при работе на компримированном природном газе (КПГ) путем снижения содержания оксидов азота (NOx) в отработавших газах.
Целью исследований является улучшение экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 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, работающих на КПГ автобусов и грузовых автомобилей, эксплуатируемых на дорогах общего пользования, путем снижения содержания токсичных компонентов за счет снижения содержания оксидов азота в отработавших газах и экономии нефтяного моторного топлива.
Объект исследований. Автомобильный дизель с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245.12С) жидкостного охлаждения, устанавливаемый на автобусы ПАЗ-32054-12, работающие на альтернативном топливе - компримированном природном газе (КПГ).
Предмет исследования: экологические, мощностные и экономические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245.12С) при работе на природном газе, процессы образования и разложения оксидов азота в цилиндре двигателя.
Научную новизну работы представляют:
- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения природного газа на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12, с камерой сгорания типа ЦНИДИ;
- уточненный химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе;
- статистическая модель для уточнения расчета скоростей реакций образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе;
- результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе;
- рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 путем снижения содержания оксидов азота в ОГ при работе дизеля на природном газе.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий, Чебоксарском институте (филиале) Московского государственного открытого университета при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 311300 (110301) и 150200 (190601) и 230100 (190603).
Результаты научно-технической разработки, созданной при выполнении диссертационной работы, доведены до стадии создания макетного образца. Техническое описание и чертежно-конструкторская документация по переоборудованию для работы на КПГ автобуса ПАЗ-32054-12 передана для внедрения в производство в ООО «Волготрансгаз» Кировское ЛПУМГ (филиал ОАО «Газпром»).
Экономический эффект от внедрения макетного образца газодизельной модификации автобуса ПАЗ-32054-12 составляет 39600 руб. в год в ценах на 01.04.2006 г. на один автобус при среднем годовом пробеге 60 тыс. км.
Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР ФГОУ ВПО Вятская ГСХА (г. Киров) на 2000...2005, 2006...2010 гг. (номер государственной регистрации 01.2002.06497).
На защиту выносятся следующие положения и основные результаты исследований:
- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения природного газа на процессы образования и разложения оксидов азота, токсические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ;
- уточненный химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе;
- статистическая модель для уточнения расчета скоростей реакций образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе;
- результаты расчета показателей объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе;
- рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 путем снижения содержания оксидов азота в ОГ при переводе дизеля на природный газ;
- макетный образец автобуса ПАЗ-32054-12 с системой питания, модернизированной для работы на КПГ и пониженным содержанием оксидов азота в ОГ.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 52-й и 53-й научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Вятской ГСХА, 2005...2006 гг. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); 4-й, 5-й и 6-й городских научных конференциях аспирантов и соискателей, 2004...2006 гг.
(ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); 14-й научно-практической конференции вузов Приволжья и Предуралья «Улучшение технико-эксплуатационных показателей мобильной техники», 2003 г. (ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, г. Ижевск); Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство - технологии - экология», 2004 г. (ВятГУ, г. Киров); XV юбилейной региональной научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Совершенствование конструкции, теории и расчета тракторов, автомобилей и двигателей внутреннего сгорания», 2004 г. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию Чебоксарского института (филиала) МГОУ «Образование. Наука. Производство. Инновационный аспект», 2005 г. (Чебоксарский институт (филиал) МГОУ, г. Чебоксары); IV Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», 2005 г. (Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, г. Казань); X Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», 2005 г. (ГОУ ВПО Владимирский ГУ, г. Владимир); XVI региональной научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники», 2005 г. (ФГОУ ВПО Пензенская ГСХА, г. Пенза); Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», 2006 г. (ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», г. Санкт-Петербург-Пушкин); Всероссийской научно-практической конференции «Роль науки в формировании специалиста», 2006 г. (Чебоксарский институт (филиал) МГОУ, г. Чебоксары).
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, включая монографию объемом 7,25 п.л., 2 статьи в центральном журнале, входящем в пе речень изданий ВАК РФ для публикации трудов соискателей ученых степеней и статей общим объемом 5,30 п.л., в т.ч. в сборнике трудов Международной конференции опубликована 1 статья. Без соавторов опубликовано 4 статьи общим объемом 1,5 п.л.
Автор выражает глубокую признательность аспирантам кафедры ДВС ФГОУ ВПО Вятской ГСХА Россохину А.В. и Рудакову Л.В., принимавшим участие в выполнении некоторых разделов стендовых испытаний.
Влияние воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду
Околоземная атмосфера загрязняется газообразными, жидкими и твердыми выбросами промышленных предприятий, энергетических установок транспортных двигателей. Из общего количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу крупных городов, большая часть приходится на автомобильный транспорт - 60 %, промышленные предприятия выбрасывают 18 %, электростанции - 13 %, системы городского отопления - 6 % и другие источники - 3 %. Следует отметить, что вредные вещества, выбрасываемые производственными предприятиями, концентрируются по огромному радиусу в определенной зоне, а отработавшие газы автомобилей распространяются по всей территории населенного пункта. При этом автомобили загрязняют атмосферу углеводородами и оксидами азота на 90 %, оксидами углерода на 30 %. При неблагоприятных условиях в приземных слоях атмосферы образуются ядовитые туманы, содержащие токсичные составляющие отработавших газов. Негативное влияние автотранспорта на окружающую среду сказывается не только на населенных пунктах, но и на территориях, непосредственно прилегающих к автодорогам, прежде всего, федерального значения. Уровень загрязнения воздуха вдоль городских автодорог России оксидами углерода (СО) достигает 3...5 ПДК (предельно допустимая концентрация), а оксидами азота (NOx) 15...25 ПДК. Такая же напряженная экологическая ситуация и в большинстве стран Европы [1.. .6].
На сегодняшний день весь мировой парк автомобилей насчитывает более 1 млрд. единиц. Большинство из них используют в качестве топлива продукты переработки нефти - бензин и дизельное топливо, в элементарный состав которых входит углерод, водород, в незначительных количествах кислород, азот и сера. Атмосферный воздух являющийся окислителем топлив, состоит, как известно, в основном из азота (79 %) и кислорода (около 21 %).
При идеальном сгорании стехиометрическои смеси углеводородного топлива с воздухом в продуктах сгорания должны присутствовать N2, СОг, Н20. В реальных условиях ОГ содержат также продукты неполного сгорания (оксид углерода, альдегиды, твердые частицы углерода, перекисные соединения, водород и избыточный кислород), продукты термических реакций взаимодействия азота с кислородом (оксиды азота), а также неорганические соединения тех или иных веществ, присутствующих в топливе (сернистый ангидрид, соединения свинца и т.д.) [7... 10].
Сжигание топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС в условиях высоких температур при локальном или общем недостатке окислителя в смеси приводит к значительному загрязнению природной среды токсичными веществами и сажей. Вред, наносимый экологической системе загрязняющими веществами, может быть обусловлен изменением концентрации компонентов газа в атмосфере и накоплением в ней частиц и химически активных веществ. Этот вред может быть прямым, т.е. выражаться в изменении жизненных процессов, вызванных токсичными газами, нарушением частицами дыхания растений, а также в коррозии металла и загрязнением питьевой воды химическими реагентами. Кроме прямых последствий загрязнения имеется много столь же вредных косвенных, например, образование смога вследствие фотохимической реакции и усиление образования тумана, а также выпадение дождя из-за присутствия частиц. Когда тепло выделяется в больших количествах, происходит изменение локальных температурных градиентов, вызывая инверсию воздушных слоев в городах, не говоря уже о том, что относительно небольшие изменения температуры воды и воздуха могут быть вредны для жизненных систем, чувствительных к температуре [4].
Такое положение в плане экологической безопасности заставило про-мышленно развитые страны ввести законодательные акты на содержание токсичных компонентов в ОГ транспортных средств и установок, оснащенных ДВС. При этом разработка и совершенствование норм ведется не только по национальным проектам, но и по международным программам. Экологические требования к автомобилю и его двигателю являются в настоящее время приоритетными. Экологическая чистота отработавших газов закладывается в конструкцию двигателя и автомобиля в целом еще на стадии проектирования. И в дальнейшем во время эксплуатации характеристики токсичности должны оставаться стабильными. На основании этого разработаны нормы (табл. 1.1), регламентирующие содержание токсичных компонентов в ОГ новых автомобилей, выпускаемых на автомобильных концернах большинства развитых стран. С каждым годом эти нормы ужесточаются, а по планам ЕЭК ООН к 2017 году эмиссия отработавших газов ДВС должна максимально приблизиться к нулю [12].
Уточненный химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе
При сгорании метановоздушной смеси (МВС) в цилиндре газодизеля с турбонаддувом в результате термического и окислительного пиролиза молекул углеводородов жидкого топлива и метана образуются активные центры цепных реакций - атомы и радикалы, локальная концентрация которых может достигать значительной величины.
В то же время имеются доказательства, что на образование NOx в цилиндре дизеля с турбонаддувом существенное влияние оказывает не только тепловой режим, но и локальная концентрация активных центров. Кроме того, процесс образования NOx зависит от скорости расходования в зоне реакции активных частиц и кислорода и конкуренции этих процессов между собой. Взаимодействие образующихся в результате пиролиза топлива атомов и радикалов с азотом, содержащимся в МВС, приводит в конечном итоге к образованию NOx. Скорость подобных превращений зависит от ряда факторов: концентрации азота в зоне реакции, скорости сгорания топливовоздушнои смеси, скорости конкурирующих реакций расходования активных центров и кислорода.
Горение МВС в цилиндре газодизеля с турбонаддувом, воспламененной распыленным запальным ДТ, впрыснутым через многоструйную форсунку, увеличивает масштаб турбулентных пульсаций, что приводит к интенсификации тепломассообмена в факеле и значительно увеличивает скорость разложения NOx.
Опираясь на результаты моделирования кинетических систем для расчета кинетики образования оксидов азота при горении природного газа и ДТ в условиях сгорания в дизелях, полученные отечественными и зарубежными исследователями, кроме того, суммируя известные данные о протекании элементарных реакций при сгорании метана и выделяя из них наиболее весомые, а также учитывая влияние применения турбонаддува, механизм процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с турбонаддувом можно представить в виде определенной последовательности этапов образования промежуточных и конечных элементов, как это показано на рис. 2.1.
Цепь I характеризует образование N0 при температуре более 1000 К как результат реакции столкновения молекул азота с молекулами кислорода: N2 + 02 2NO. (2.1) Образовавшийся монооксид азота N0 доокисляется до N02 под действием пероксидного радикала Н02, образующегося в зоне гибели атомарного водорода (цепь II): NO + Н02 N02 + ОН. (2.2)
По мере интенсификации процессов испарения ДТ и горения, увеличения температуры и снижения а увеличивается вероятность развития других механизмов образования NOx.
В цепи V происходит взаимодействие молекулярного азота с углеводородными радикалами HCN и CN, образовавшимся в результате пиролиза молекулы СН4 при температурах меньше 1500 К и недостатке воздуха [84]:
Предполагая, что половина соединений HCN, образовавшегося по реакциям (2.25) и (2.26), превращается в CN (цепь VI): HCN + О CN + ОН, (2.28) а около 10 % образовавшегося в реакции (2.25) HCN переходит в CN по реакции HCN + H CN + H2. (2.29) Остальная часть преобразуются в атомарный азот по реакции HCN + О СНО + N. (2.30) Образующиеся в процессе цепных реакций (2.26), (2.28) и (2.29) радикалы CN, NH являются возможными центрами образования N0 (цепь VII): CN + 02 CO + NO; (2.31) NH + OH NO + H2. (2.32)
Таким образом, рассмотренные химические реакции приводят к образованию «быстрых» N0. При температуре более 2000 К происходит образование «термических» NO при диссоциации молекулы кислорода (цепь VIII) [68]: 02 + М О + О - 495 кДж/моль. (2.33) Далее происходит образование «термических» NO по механизму Я.Б. Зельдовича (цепь IX): N2 + О NO + N - 314 кДж/моль; (2.34) N + 02 NO + О + 134 кДж/моль. (2.35)
К моменту самовоспламенения находится большое количество локальных объемов МВС, в которой присутствуют промежуточные продукты (химически неустойчивые) низкотемпературного разложения метана, в том числе радикалы ОН. Поэтому образование «термических» NO протекает также по схеме через гидроксильные радикалы (цепь X): N2 + OH- NO + NH; (2.36) NH + 02 NO + OH. (2.37)
При глубоком пиролизе топлива в КС газодизеля с турбонаддувом находится большое количество локальных объемов МВВ, в которых присутствуют промежуточные химически неустойчивые продукты низкотемпературного разложения метана, в том числе радикалы ОН. Поэтому образование термического N0 протекает также по схеме через радикалы ОН (цепь XI на рис. 2.1) [99]: N + ОН- NO + Н; (2.38) HNO + ОН- NO + Н20; (2.39) HNO + О NO + ОН-. (2.40)
При определении теплового режима двигателя наиболее значимыми реакциями, благодаря которым достигается максимальная температура цикла, являются реакции окисления СЩ в результате которых происходит образование термических N0 по механизму Я.Б. Зельдовича (цепь IX на рис. 2.1).
Вследствие этого в цилиндре газодизеля с турбонаддувом оксиды азота начинают образовываться после полного расхода углеводородов, находящихся в исходном состоянии. Поэтому образование оксидов азота напрямую связано с количеством атомарного кислорода, концентрация которого зависит от температуры в каждой зоне и времени горения МВС.
Методика стендовых исследований работы дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе
В соответствии с целью и задачами исследований при проведении стендовых испытаний необходимо было улучшить экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на компримированном природном газе путем снижения содержания оксидов азота в ОГ. Все испытания проводились согласно ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». В основу методики проведения стендовых испытаний положен сравнительный метод. Стендовые испытания проводились в несколько этапов [114]. Структурная схема проведения стендовых испытаний представлена на рис. 3.1.
Учитывая специфику работы автомобильного двигателя основными режимами исследований выбирались: номинальный скоростной режим с частотой вращения коленчатого вала 2400 мин"1 и режим максимального крутящего момента при частоте вращения коленчатого вала 1900 мин"1.
При индицировании рабочего процесса дизеля при работе по дизельному, газодизельному процессам необходимым условием являлось сохранение одинаковых значений средних эффективных давлений (ре) для каждого исследуемого скоростного режима. Это же условие выполнялось и при снятии скоростных характеристик, то есть на всех фиксируемых частотах вращения коленчатого вала поддерживалось одинаковое значение ре при работе на дизельном топливе и природном газе. Величина ре определялась косвенным путем из показаний весового механизма нагрузочного устройства. Одновременно со снятием характеристик производилось индицирование рабочего процесса и анализ отработавших газов по содержанию токсичных компонентов, а также отбор проб для определения дымности ОГ.
При проведении стендовых испытаний, монтаже оборудования и приборов, отборе проб ОГ и их анализе учитывались 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 автотранспортных 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; ГОСТР 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. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния»; ГОСТ 17.2.1.02-76 «Охрана природы. Атмосфера. Термины и определения выбросов двигателей автомобилей, тракторов, самоходных сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин»; ГОСТ 17.2.2.01-84 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений»; ГОСТ 15888-90 «Аппаратура дизелей топливная. Термины и определения» [114... 128].
Влияние применения природного газа на эффективные и токсические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изме нения установочного УОВТ
Исследование улучшения экологических и эффективных показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе, согласно методики изложенной в главе 3 и структурной схемы стендовых испытаний (см. рис. 3.1), предусматривает проведение стендовых испытаний дизеля при работе по дизельному и газодизельному процессам с целью определения и оптимизации основных параметров работы двигателя [150... 154].
На дизеле с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 были сняты регулировочные характеристики в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива по дизельному и газодизельному процессам с одновременным индицированием рабочего процесса и определением токсичности и дымности ОГ. Характеристики снимались для определения оптимального значения установочного УОВТ по дизельному и газодизельному процессам при равных значениях средних эффективных давлений и для оптимизации экологических и эффективных показателей и показателей процесса сгорания дизеля.
Регулировочные характеристики для мощностных и экономических показателей по установочному УОВТ при работе дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 по дизельному и газодизельному процессам на частотах вращения п = 2400 мин"1 и п = 1900 мин 1 представлены на рис. 4.1.
Из графиков Ne, GT, и ge видно, что при работе по дизельному процессу установочный УОВТ при частоте вращения n = 2400 мин"1 по условию наи лучшей экономичности равен 14 до в.м.т. Часовой расход топлива при работе по дизельному процессу на указанном установочном УОВТ составляет 18 кг/ч при Ne = 80 кВт, а минимальный удельный эффективный расход топлива-210 г/кВт-ч. Однако заводом-изготовителем для обеспечения лучших экологических показателей автомобильного двигателя с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 рекомендован оптимальный установочный УОВТ в 11.
Из кривых Ne, GT, и ge, представленных на рис. 4.1, видно, что и при работе на природном газе установочный 0впр в 14 до в.м.т. является оптимальным для частоты вращения 2400 мин"1 по условию экономичности и ge составляет при этом 205 г/кВт-ч.
Снижение ge при переходе работы дизеля на природный газ при впр= 14 составляет 2,4 %. Суммарный массовый расход топлива составляет при этом 16,9 кг/ч против 18 кг/ч при дизельном процессе. Снижение достигает 1,1 кг/ч, или 6,5 %. Мощность не изменяется и составляет 80 кВт.
Анализируя изменения значений Ne, ge в зависимости от изменения установочного @впР для п=2400 мин"1 и дизельного процесса, можно отметить следующее. При 0впр =11 значение мощности снижается до N6 = 79KBT, а при 0впр = 8 уже до 77 кВт. При 0впр = 17 мощность также снижается до значений 76,5 кВт. В процентном отношении эффективная мощность снижается в зависимости от изменения 0впр на 1,2 %, 3,9 % и 4,6 %, соответственно.
Значения удельного эффективного расхода топлива при изменении установочного УОВТ меняются более значительно. Так, при 0впр =11 удельный эффективный расход топлива возрастает до 215 г/кВт-ч, или на 2,8 %, по сравнению с ge при 0впр = 14. При 0впр = 17 значение ge также возрастает до 230 г/кВт-ч, или на 9,5 %. GT на всех установочных УОВТ составляет 18 кг/ч.
Анализируя изменение значений Ne, GT и ge в зависимости от изменения установочного УОВТ для n = 2400 мин" и работы дизеля на природном газе, можно отметить следующие закономерности. При изменении установочного УОВТ значения мощности изменяются аналогично кривым изменения мощности дизельного процесса и полностью с ними совпадают. Удельный эффективный расход топлива возрастает при 0впр = 11 до 210 г/кВт-ч, а при 0впр = 8 - до 218 г/кВт-ч. При 0впр = 17 рабочий процесс дизеля не может быть обеспечен из-за невозможности работы вследствие высокой «жесткости» работы двигателя. Рост ge составляет 2,4 % и 6,3 %, соответственно.
