2 Зниження токсичності із використанням системи рециркуляції відпрацьованих газів (egr)

2.1 Моделі молекулярних теплоємностей

У дослідженнях теплових процесів в двигунах внутрішнього згорання, оснащених системами рециркуляції, вказується на істотну зміну молекулярної теплоємності робочого тіла за рахунок продуктів згорання, яка відзначається як позитивний чинник вдосконалення робочого процесу двигуна, що рециркулюють, підвищення його ефективних показників. У відомих і широко вживаних методиках теплового розрахунку робочого процесу дизеля використовуються лінійні залежності молекулярних теплоємностей компонентів робочого тіла від його температури. Попередній тепловий розрахунок робочого процесу дизеля після цих методик показавши наявність лінійних залежностей основних показників процесу від міри рециркуляції ВГ. Очевидно, що лінійні форми у цих характеристик обумовлені вживаним допущенням про лінійність залежності молекулярної теплоємності робочого тіла дизеля від температури. Тому використання моделей теплоемкостей на основі регресійних залежностей у формі поліномів з мірами вище першого порядку сприяє підвищенню точності теплового розрахунку.

При описі моделей теплоємностей прийняті математичні моделі у формі (многочленів) поліномів четвертого порядку.

Нижче приведені відносні значення погрішностей апроксимації і інші статистичні оцінки. За цими даними і розробленими регресійними математичними моделями побудовані графіки залежностей зміни теплоемкостей від температури (рисунок 2.1). Аналіз помилок апроксимації і приведені дані показують, що розроблені регресійні залежності молекулярних теплоемкостей від температури забезпечують задовільну точність розрахунку для поставлених цілей дослідження, в діапазоні температур 273…3000 К⁰.[2]

Рисунок 2.1 - Зміна молекулярних теплоемкостей компонентів робочого тіла в циліндрі дизеля від температури

Відомо, що на зниження оксидів азоту при використанні систем рециркуляції значний вплив робить кількість ВГ, що поступають на впускання в циліндр двигуна. На рисунку 2.2 представлена залежність коефіцієнта очищення ВГ після оксидів азоту К_цох від середнього ефективного тиску Р_е при використанні на дизелі системи рециркуляції з різними мірами перепускання (рециркуляції) ВГ К_г = 10, 20, 30, 40%. Найкращий результат по очищенню виходить при 40% перепусканні ВГ, але при цьому значно збільшується витрата палива і знижується потужність дизеля.

Оптимальними мірами рециркуляції є 15…20%, які трохи впливають на потужностні і паливно- економічні показники дизеля, при яких зниження N0 складає в середньому 40…50%.[1]

Рисунок 2.2 - Залежність коефіцієнта очищення К_мох ВГ після оксидів азоту системи рециркуляції від середнього ефективного тиску Р_е і різної міри рециркуляції

2.2 Комплексне зниження токчсичності відпрацьованих газів

Ефективне зниження токсичності і димності газів (ВГ) дизелів, що відпрацювали, досягається окремим і комплексним застосуванням систем рециркуляції ВГ (РВГ), уприскування води (УВ) у впускний трубопровід і малотоксичних регулювань паливної апаратури.

Результати випробувань РВГ на зміст в ВГ дизеля Д- 240 оксидів азоту (NO_x), оксиду вуглецю (СО), вуглеводнів (СН_х) і питомої витрати палива (ge) залежно від міри рециркуляції (ρ), навантаження і швидкісного режиму роботи дизеля дані на рисунку 2.3 [3]

Рисунок 2.3 - Вплив рециркуляції ВГ на токсичність і економічність дизеля

Як видно з рисунка 2.3 для усіх швидкісних режимів збільшення ρ призводить до зниження концентрації NO_x тим більше різкому, чим вище навантаження дизеля. На неодруженому ходу вплив ρ на концентрацію NO_x припиняється. Проте, викиди їх в атмосферу внаслідок здійснення РВГ зменшуються пропорційно величині ρ. Так, при ρ = 0,5 відбувається приблизно 2-х кратне зниження викидів NO_x. Для навантажень, відповідних величині Ре = 0,37 МПа, при ρ = 0,25 - 0,30 спостерігається двократне зниження концентрації NO_x, що відповідає, у свою чергу, зниженню їх викидів в 2,8 разу. При навантаженнях, відповідних величині Ре = 0,55 МПа, при ρ = 0,12 - 0,15 викидів NO_x знижуються в 2,3 разу. Залежність зміни концентрації NO_x від ρ мають вигляд парабол, максимум яких зрушується у бік зменшення ρ при збільшенні навантаження дизеля.

Збільшення ефективності зниження змісту NOx в ВГ при збільшенні навантаження дизеля свідчить про переважний вплив вмісту кисню у фронті полум'я на утворення NOx. І навпаки, при надлишку кисню основний вплив робить рівень температур в локальних зонах камери згорання з підвищеною температурою суміші в першій половині процесу згорання палива. [1]

По 3 усі отримані залежності мають специфічний вигляд, що характеризується приблизно постійним значенням концентрації З майже в усій області зміни ρ і потім раптовим і різким зростанням, починаючи з певної величини ρ, яка залежить від навантаження і, мало залежить від швидкісного режиму. Зміна концентрацій СН_х від ρ близько до вже розглянутих залежностей зміни З від ρ.

Збільшення змісту З, СН_х і З в ВГ при здійсненні РВГ пов'язано із зменшенням величини коефіцієнта надлишку кисню λ, тобто погіршенням процесів догорання З, СН_х і сажі, а також збільшенням температури впускної суміші, що прискорює піроліз частинок палива.

Як випливає з отриманих експериментальних даних, зниження токсичності ВГ (в першу чергу по NO_x) можна добитися без погіршення паливній економічності шляхом оптимізації величини ρ залежно від режимів роботи дизеля.

Необхідний закон управління перепусканням ВГ можна отримати, якщо прийняти, що підтримка в циліндрах дизеля постійного коефіцієнта надлишку кисню забезпечує для кожного з можливих режимів його роботи таку витрату ВГ, що рециркулюють, при якій повнота згорання палива, в першому наближенні, залишається незмінною і залежний тільки від абсолютної величини вибраного коефіцієнта надлишку кисню.

Представлена на рисунку 2.4 залежність постійних значень λ від ρ і Ре для усіх режимів роботи дизеля, може бути прийнята за основу при виборі закону регулювання перепусканням ВГ. Проте, цей закон має бути скоректований за результатами стендових випробувань кожного конкретного дизеля, на якому передбачається застосування РВГ.

Рисунок 2.4 - Порівняння теоретичних і експериментальних законів управління рециркуляцією ВГ залежності від навантаження дизеля

Для практичної реалізації перепускання ВГ важливим є порівнянні представленого з рисунка 2.4 теоретичні оптимальні закони перепускання ВГ з даними випробувань.

Якщо прийняти зміст і СН_х в ВГ за показник, що характеризує міру досконалості процесу горіння, то шуканий практичний закон може бути знайдений по величинах ρ, з яких починається різке зростання концентрацій вказаних компонентів ВГ. [1]

Якісно залежності, отримані теоретично (λ = const) і експериментально (рисунок 2.4) досить близько відповідають один одному. Ці дані можуть бути використані для здійснення регулювання системою РВГ для двигуна Д- 240. Враховуючи вплив багатьох неврахованих чинників (атмосферних умов, складу вживаного палива, технологічних допусків, напрацювання двигуна, швидкодії системи), як рекомендований закон регулювання системою РВГ залежно від навантаження дизеля доцільно вибрати закон, реалізація якого не повинна призводити до різкого зростання викиду З і СН_х, а також погіршенню економічних показників при самому несприятливому поєднанні вказаних вище чинників. З урахуванням цього для практичних цілей можна рекомендувати закон управління перепусканням ВГ, позначений на рисунку 2.4 цифрою 2.

Представляє інтерес з'ясувати, який ефект дає застосування законів 1 і 2 з точки зору зниження токсичності ВГ як по окремих компонентах, так і по показнику сумарної питомої токсичності g_Σ^СО, що підраховується тут і далі по формулі, :

( 1)

у якому величини питомих викидів окремих ВВ та розраховувалися по формулі:

( 2)

де: ΣGВВ - сума годинних викидів токсичного компонента, г/ч, на режимах.

ΣNei - сума ефективних потужностей дизеля, кВт, що розвиваються на кожному з режимів.

Таблиця 2.1 - Вплив закону управління РВГ на токсичність ВГ дизеля Д- 240

Закон РВГ	Величина оцінного питомого викиду (г/кВт.ч)
	gNOx	gСO	gСНx	gдч	gΣЗ
Без РВГ	9,41	4,41	1,44	0,266	44,53
№1	5,46	4,16	1,16	0,430	29,23
№2	7,18	3,35	1,16	0,309	34,61
№3	8,21	3,06	1,26	0,274	38,30
№4	8,53	2,97	1,47	0,270	39,61

Як випливає з таблиці 2.1, найвища ефективність зниження токсичності ВГ дизеля Д-240 по показнику оцінного питомого викиду досягає по NO_x - 46%, а по сумарній токсичності - 34% при застосуванні закону РВГ № 1 і 24% і 22% відповідно для закону № 2.

По аналогії з вивченням РВГ було проведене дослідження вплив на токсичність і дымность ВГ дизеля Д-240 і ряду інших двигунів подачі різних кількостей води у впускний трубопровід. Узагальнені експериментальні дані по вивченню впливу ВВ у впускний трубопровід вказаних дизелів представлені на малюнку 3, де дана відносна зміна викиду оксидів азоту залежно від β - стосунки витрати води, що подається у впускний трубопровід, до споживання дизелем палива.

Збільшення β призводить до зниження по гіперболічній залежності. Істотне зниження концентрацій NO_x спостерігається при β = 1,0 + 1,5. Подальше збільшення β призводить вже до незначного додаткового зниження концентрацій NO_x. При ВВ більше 2,5 кратної витрати палива, спостерігається погіршення економічності дизеля.

З агальний характер впливу ВВ на зміст у ВГ NO_x для різних типів дизелів підтверджує припущення, що механізм дії води на утворення NO_x заснований на зниженні максимальної температури циклу, яка грає визначальну роль в їх освіті. Крім того, пари води зменшують відносну концентрацію кисню в зоні горіння, що також повинне сприяти зниженню утворення NO_x. Ці ж причини призводять до збільшення товщини холодного пристеночного шару і додаткового освіти З, СН_x. Зниження викиду З пов'язано з каталітичною і хімічною дією води на процес вигорання дизельної сажі. [3]

Рисунок 2.5 - Узагальнені дані про вплив уприскування води в ДВС на відносно зміст у ВГ оксидів азоту ( NO)