Совершенствование экологических и экономических

Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Совершенствование экологических и экономических
показателей дизелей насыщением топлива воздухом или
другим газом
к.т.н., проф. Эммиль М.В.
МГТУ "МАМИ",
д.т.н., проф. Патрахальцев Н.Н.
РУДН,
к.т.н. Соловьёв Д.Е.
РУДН
Разработка методов и средств снижения дымности и токсичности дизелей должна
вестись с учетом удовлетворения следующим особенностям эксплуатации транспорта.
• Методы и средства должны быть реализуемы на двигателях разнообразных
марок и уровней их технического состояния.
• Разработанные решения должны быть применимы на существующих дизелях
путем их простейшей модернизации.
• Разработанные средства должны быть достаточно дешевыми и обеспечивать
получение определённого экономического эффекта.
Проведённые ранее многочисленные исследования показали, что повышение
дисперсности распыливания топлива позволяет улучшить процессы смесеобразования и
сгорания, повысить индикаторный КПД дизеля, снизить дымность и токсичность
отработавших газов (ОГ). Традиционный путь повышения дисперсности распыливания
заключается в увеличении давления впрыскивания и уменьшении диаметра сопловых
отверстий форсунок. Для снижения дымности и выброса твердых частиц - основного
вредного компонента ОГ дизеля - давление должно быть повышено до 150 – 200 МПа, что
трудно реализовать в наиболее распространённой автотракторной аппаратуре
разделенного типа. Это требует перехода к топливным системам с насос – форсунками
или применения системы типа Common Rail. Средний диаметр капель впрыскиваемого
топлива пропорционален диаметру соплового отверстия и при его уменьшении размеры
капель также уменьшаются. Но при этом необходимо сохранить суммарную площадь
сопловых отверстий, которая определяется величиной максимальной подачи топлива. То
есть, при таком способе повышения дисперсности распыливания необходимо увеличивать
число сопловых отверстий. А это в свою очередь требует изменения камеры сгорания и
других конструктивных элементов дизеля.
Альтернативным путём повышения дисперсности впрыскиваемого топлива является
смешение топлива с небольшим количеством воздуха или других газов перед
впрыскиванием [1]. При наличии в топливе пузырьков нерастворённого воздуха или газа
на выходе из сопловых отверстий, когда резко меняется давление, происходит их
мгновенное расширение (“микровзрывы”), что улучшает распыливание топлива [2].
В данной работе в основу исследования положен метод насыщения топлива газами.
Эффект метода заключается в улучшении процессов смесеобразования - сгорания за счёт
повышения мелкости распыливания топлива.
Известные пути введения воздуха или другого газа в топливо реализуются при
предварительном смешивании дизельного топлива с воздухом. При этом трудности
заключаются в обеспечении устойчивой, стабильной работы топливной аппаратуры и
дизеля, в регулировании состава топливовоздушной эмульсии. Чрезмерное насыщение
топлива воздухом может вызвать перебои в работе топливной системы, а высокая
дисперсность капель топлива способствует образованию гомогенной или близкой к ней
смеси в цилиндре, которая плохо самовоспламеняется в дизеле, особенно на режимах
малых нагрузок. Оптимальное содержание воздуха в смеси должно быть установлено
экспериментально.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
229
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Двухфазная топливовоздушная среда может существовать в топливном
трубопроводе в виде раствора (гомогенной смеси молекул газа с молекулами топлива), в
виде эмульсии (гетерогенной, механической смеси - равномерного распределения
пузырьков газа в топливе), в виде ячеисто – плёночной дисперсной системы – пены, но
только две первые из них могут обеспечить работу топливной аппаратуры. В нормальных
атмосферных условиях в топливе растворено 10 % (объёмных) воздуха. Количество газа,
растворённого в топливе, определяется законом Генри и пропорционально давлению и
коэффициенту растворимости (который уменьшается с ростом температуры). Количество
(концентрация) газа в топливе топливной системы дизеля определяется прежде всего
количеством газа, составляющего эмульсионную фазу, и в значительно меньшей степени
– количеством растворённого газа. Допустимая концентрация газа (из соображений
возможности топливоподачи) определяется сжимаемостью самого газа и его количеством
в линии высокого давления (ЛВД). В связи с этим подачу газа целесообразно
осуществлять возможно ближе к форсунке (для уменьшения объёма двухфазной смеси
при повышенной концентрации в ней газа). С повышением сжимаемости уменьшается
скорость звука в смеси, а при повышении давления и уменьшении объемной доли газа в
топливе влияние сжимаемости снижается. Вязкость смеси топлива с газом зависит от
состава смеси и
возрастает пропорционально содержанию пузырьков воздуха.
Стабильность смеси зависит от размеров пузырьков газа и при их диаметрах менее 0,8
мкм смесь является практически стабильной, что не имеет практического значения в
случае насыщения газом топлива в ЛВД. Объем газожидкостного раствора не зависит от
количества растворённого в жидкости газа, но возрастает с ростом количества
эмульсионной фазы.
Следует предположить, что существуют газы, при введении которых в топливо
могут образовываться не только двухфазные смеси, но и химические соединения, что
также может повлиять на процесс сгорания. Возможно введение в топливо газов,
содержащих активаторы химических реакций, что также может повлиять на процесс
сгорания. Что касается процесса подачи топлива, насыщенного газом, то можно отметить
следующее.
Газовая фаза в топливе существует как при специальном насыщении топлива газом,
так и при отсутствии таких специальных операций. При нагнетании плунжером
двухфазной системы часть хода плунжера теряется на сжатие газовых пузырьков, что
приводит к уменьшению цикловой подачи (при данном положении рейки ТНВД), а также
к задержке (запаздыванию) начала впрыскивания топлива (уменьшению угла опережения
впрыска топлива). С ростом концентрации газа (воздуха) в топливе может уменьшаться
коэффициент коррекции топливной аппаратуры, причем тем значительнее, чем выше
концентрация газа в топливе, чем больше объём ЛВД, заполненный смесью и ниже
нагрузка на дизель. При понижении частоты вращения происходит снижение давления
впрыска, из-за чего размеры газовых каверн в топливе растут. Характеристика изменения
давления топлива у форсунки может более существенно отличаться от характеристики у
насоса из-за влияния ударных волн в пузырьковой среде. Отличие заключается в
появления более резких колебаний давления топлива (всплесков и провалов) и снижения
среднего давления впрыска. При повышении начального давления в ЛВД эти колебания
должны уменьшаться. Можно предположить увеличение нестабильности топливоподачи,
и особенно неравномерности подач по цилиндрам с ростом содержания газа в топливе.
Увеличение
количества
нерастворённого
газа
в
топливе
снижает вероятность кавитационного разрушения деталей ЛВД. Эффект существования в
ЛВД ударной волны при нагнетании эмульсии способствует измельчению крупных
пузырьков воздуха, а также растворению в топливе мелких пузырьков. В связи с тем, что
процесс растворения газа происходит медленнее, чем процесс впрыскивания, то
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
230
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
двухфазность среды в ЛВД сохраняется при существующих давлениях впрыскивания.
Одновременно это явление ограничивает возможности растворения газа в ЛВД.
Фактором, повышающим дисперсность распыливания топлива, является быстрое
выделение воздуха, растворенного в топливе, и расширение пузырьков воздуха,
находящегося в эмульсионной среде. Нестационарность процесса впрыскивания, то есть
наличие колебаний давления топлива при впрыскивании, может улучшать качество
распыливания. При расширении пузырьков воздуха снижается плотность ядра струи
топлива, увеличивается ширина ядра, угол конусности. При впрыске воздушно топливной эмульсии, если ядро топливной струи разрушается, то при прочих равных
условиях требуется меньшая интенсивность вихревого движения воздушного заряда,
пониженное вихреобразование. Улучшение смесеобразования при впрыске воздушно –
топливной эмульсии, возможно, связано и с локальной турбулизацией смеси вблизи
очагов горения, если впрыск топлива продолжается после начала горения, в том числе на
линии расширения.
Анализ теоретических положений протекания процессов горения, образования сажи
и оксидов азота позволил следующим образом сформулировать механизм воздействия на
эти процессы насыщения топлива воздухом (газом).
Интенсификация процесса смесеобразования может привести к снижению
цетанового числа топлива, увеличению периода задержки воспламенения. Тот же фактор
способствует повышению интенсивности сгорания в первой фазе, росту шумности и
жёсткости работы. Уменьшение размера капель топлива, локальная турбулизация смеси
при расширении пузырька воздуха, наличие кислорода воздуха внутри капли топлива,
определенная гомогенизация смеси способствуют уменьшению образования и
интенсификации выгорания сажи и полициклических ароматических углеводородов
(ПАУ). Наличие в смеси других газов может активизировать предпламенные реакции и
процессы сгорания. Улучшение смесеобразования не меняет температуру горения
топлива, но увеличивает количество зон с оптимальными условиями сгорания.
Увеличивается также количество зон с повышенной концентрацией кислорода.
Одновременно увеличивается отвод тепла из зоны горения на испарение соседних капель
и снижается градиент температур и концентраций в камере сгорания (КС). Все эти
явления могут привести как к увеличению, так и к уменьшению выброса оксидов азота.
Сделав допущение о корреляционной связи концентрации сажи и концентрации
бенз-а-пирена (БаП), можно оценить эффективность метода как по подавлению сажи, так
и по снижению концентрации БаП.
Для исследования в качестве газовой фазы были выбраны воздух, газовая фаза
пропан - бутана и отработавшие газы дизеля, содержащие, очевидно, активированные
молекулы, радикалы и т. д., которые могут служить очагами начала самовоспламенения
горючей смеси.
Эксперименты проводились в лаборатории рабочих процессов ДВС Российского
университета дружбы народов на безмоторном стенде типа СДТА-1, а также на моторном
стенде типа ИДТ-69 (вихрекамерный дизель IЧ8,5/11,5, золотниковый ТНВД и штифтовая
форсунка).
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
231
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Рисунок 1
воздуха или
через клапан
- Схема подачи
газа в форсунку
РНД
Стенд для исследования топливной аппаратуры был оснащён датчиками давления
топлива у штуцеров насоса и форсунки и хода иглы форсунки. Сигналы регистрировались
электронным осциллографом. На топливном стенде исследовалась топливная аппаратура с
насосом УТН-5 и форсункой ФД-22 развёрнутого дизеля типа Д-240 (4Ч11/12,5).
Для регистрации параметров и показателей рабочих процессов дизеля применялось
стандартное оборудование, включая пневмоэлектрический индикатор типа МАИ-2. При
этом одновременно регистрировались как индикаторные диаграммы, так и
осциллограммы изменения давления впрыскивания и хода иглы форсунки. Параметры
дымности определялись с помощью дымомера типа БОШ WEA65E.
Достоверность результатов подтверждена сходимостью экспериментальных
результатов с теоретическими положениями, а также обусловлена точностью
использованной аппаратуры и достаточным объёмом и повторяемостью экспериментов.
На рис. 1 приведена схема системы топливоподачи, обеспечивающая введение
воздуха (газа) в форсунку через клапан регулирования начального давления (РНД) [3].
Топливный насос высокого давления 12 через нагнетательный клапан 11 и линию
высокого давления 13 подает топливо к форсунке 2, которая впрыскивает топливо в
измеритель расхода 1.
Узел 14 клапана РНД 15 штуцерами 3 включен в ЛВД между форсункой и насосом
вблизи форсунки. Штуцер 8 клапана РНД 15 связан с источником и измерителем 6
расхода воздуха или другого газа. Расход их может
регулироваться либо
дросселированием с помощью вентиля 5, либо с помощью давления от источника 6.
Датчики давления 10 и хода иглы 4 с помощью преобразователей связаны с
осциллографом 9. При отсечке подачи топлива насосом 12, когда нагнетательный клапан
11 своим отсасывающим пояском формирует в ЛВД 13 волну разрежения, последняя при
прохождении мимо клапана 15 способствует его открытию, и в результате воздух или газ
из ёмкости поступает в топливо в ЛВД. В очередных циклах впрыска топливо,
насыщенное газом, впрыскивается в измеритель 1 (или соответственно в камеру сгорания
дизеля).
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
232
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Расход воздуха (газа) через РНД зависит от величины остаточного давления топлива
рост в ЛВД, которое, в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов, меняется от
отрицательных значений до величин порядка 8 МПа. Благодаря волновому процессу в
ЛВД расход через клапан РНД может происходить даже при рост > 0 . Величина расхода
зависит от времени существования перепада давления на клапане РНД, а последнее будет
тем больше, чем ниже скорость звука в данной среде, то есть ниже рост.
Увеличить расход воздуха через РНД можно путём увеличения разгрузочного
объема пояска (Vраз) нагнетательного клапана (до 75 мм3 при штатном объёме 55 мм3).
Чрезмерное насыщение топлива воздухом приводит к нарушению стабильности
топливоподач или прекращению впрыска (при n = 700 мин-1 и Vраз. = 85 мм3).
Увеличением давления воздуха (рв) можно увеличить его расход через РНД, но при рв >
0,5 МПа происходит нарушение топливоподачи.
Клапан РНД целесообразно устанавливать вблизи штуцера форсунки, что позволяет
уменьшить объём, занимаемый в ЛВД смесью топлива с воздухом и снизить
отрицательный эффект повышенной сжимаемости.
По сравнению с впрыском чистого дизельного топлива впрыск топлива с
75 % (объёмных) воздуха приводит к уменьшению угла опережения впрыскивания с 20 до
17 градусов п.к.в. и увеличению продолжительности впрыска с 30 до 32 - 34 градусов.
С ростом содержания воздуха в топливе до 40; 80; 120% (объёмных) цикловая
подача изменяется от 32 мм3/цикл до соответственно 29, 21 и 9 мм3/цикл, если клапан
РНД установлен у штуцера ТНВД, и до 32, 29 и 25 мм3/цикл, соответственно, если клапан
РНД установлен у штуцера форсунки. В этом случае существенное уменьшение угла
опережения впрыскивания (16 градусов вместо 20) происходит при содержании воздуха в
топливе, равном 80 % и выше. Для сохранения энергоёмкости подачи топлива введение
воздуха или газа в ЛВД должно сопровождаться повышением производительности ТНВД.
Результаты, полученные при исследовании топливной аппаратуры полноразмерного
дизеля, были использованы при модернизации топливной системы одноцилиндрового
вихрекамерного дизеля IЧ 8,5/11.5, на котором были проведены исследования рабочего
процесса.
Обработка индикаторных диаграмм, полученных при работе дизеля на чистом
дизельном топливе (ДТ) (рис. 2), на ДТ с добавкой 30 % воздуха или 30 % газа (пропана бутана в газовой фазе), показала, что насыщение топлива воздухом приводит к
уменьшению периода задержки воспламенения на 2 градуса п.к.в. Одновременно
происходит увеличение скорости теплоиспользования, увеличение максимальной
жёсткости сгорания (dp/dφ)max, максимального давления сгорания (рz) и максимальной
температуры цикла (Тmax). Растёт полнота сгорания, уменьшается его продолжительность.
Отмечено также, что введение в топливо газа приводит к уменьшению задержки
воспламенения, однако, интенсивность сгорания в первой фазе даже снижается.
Для исследования влияния химической природы газа проведен эксперимент с
насыщением топлива отработавшими газами (ОГ), для чего была специально изготовлена
система его ввода через РНД из выпускного коллектора.
Показано, что ОГ, очевидно благодаря химической природе воздействия, оказывают
ещё большее влияние на задержку воспламенения, при этом, интенсивность процесса ещё
более возрастает. Нагрев воздуха, подача горячих ОГ сказываются на уменьшении
величины задержки.
Исследования по выявлению влияния насыщения топлива воздухом (Sв) на
экономические и экологические показатели дизеля (рис. 2) подтвердили ранее
высказанные предположения, а именно:
• существует оптимальное насыщение Sв порядка 40 - 50%, при котором
достигается максимум экономического эффекта (ηi)
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
233
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
•
•
•
•
•
минимальная дымность (В) обеспечивается при Sв = 40 – 80 % и дальнейшее
увеличение Sв приводит к росту дымности (В);
выбросы оксидов азота в области Sв ≤ 80 % не превышают или на 10 % ниже,
в
чем в исходном режиме, ( NO x = C д
/C
) где индексами «д» и «в»
NO x
NO x
обозначены концентрации NOx в ОГ при работе на дизельном топливе и на
топливе с добавкой воздуха;
жесткость работы дизеля непрерывно растет с ростом Sв, причём, особенно
существенно - при Sв > 60 %;
рост Тmax и рz наблюдается, хотя и в менее существенном отношении;
при существовании корреляционной зависимости между выбросом сажи и
БаП снижение выбросов последних можно ожидать на величину порядка 30
%.
Рисунок 2 - Влияние насыщения топлива воздухом (Sв) на показатели работы
дизеля 1Ч8,5/11,5 при pi = 0,7 МПа и n = 900 мин-1
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
234
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
На рис.3 приведена нагрузочная характеристика дизеля, подтверждающая заметное
улучшение экологических и экономических характеристик дизеля при насыщении
топлива воздухом.
В данном случае величина Sв не регулировалась, а самопроизвольно изменялась при
изменении режима работы дизеля.
Рисунок 3 Нагрузочные характеристики (n = 900 мин-1) вихрекамерного дизеля
1Ч8,5/11,5 установки ИДТ – 69 при работе на дизельном топливе (д), при насыщении
топлива воздухом (в), пропаном – бутаном (г), отработавшими газами (ОГ).
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
235
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Литература
1. Кутовой В. А. Распыливание топлива дизельными форсунками // Труды НИИ.
1959, вып. 8, 105 с.
2. Kanji Ohashi, Yoshitada Uchiyama, Kazuo Kontani. Reduction of Diesel Exhaust
Smoke by Air – Mixed Fuel Injection. //Mechanical Engineering Laboratory MITI, Japan. 1990,
pr. 900638, 9 p.
3. Патрахальцев Н. Н. Дизельные системы топливоподачи с регулированием
начального давления // Двигателестроение, 1990, № 10, с. 33 – 38.
4. Возможности совершенствования эколого – экономических показателей дизелей
насыщением топлива газом. / Н. Н. Патрахальцев, Л. В. Альвеар Санчес, М. В. Мазинг и
др. //Известия ВУЗов. Машиностроение, 1995, № 1 – 3, с. 65 – 73.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
236