УДК 621.43.068.4
Казанский (Приволжский) федеральный университет,
г. Набережные Челны
СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ НА ГАЗОВОМ ДВИГАТЕЛЕ
В статье рассмотрены вопросы экологии и пути снижения токсичности отработавших газов при использовании рециркуляции отработавших газов на газовом двигателе. Проведены экспериментальные исследования опытного образца системы рециркуляции отработавших газов.
Ключевые слова: рециркуляция отработавших газов, выбросы оксидов азота, вредные выбросы.
Zaripov R. E.
Kazan (Privolzhsky) Federal University
Naberezhnye Chelny
REDUCTION OF THE TOXICITY OF WORKED GASES AT THE USE OF RECYCLING OF WORKING GASES ON A GAS ENGINE
Abstract: The article deals with the issues of ecology and ways to reduce the toxicity of exhaust gases using the recycling of exhaust gases on a gas engine. Experimental studies of a prototype of an exhaust gas recirculation system have been carried out.
Key words: exhaust gas recirculation, emissions of nitrogen oxides, harmful emissions.
Требования экологии к современному транспорту являются на сегодняшний день приоритетными. Экологическая безопасность - это свойство автомобиля снижать негативные последствия влияния эксплуатации автомобиля на участников движения и окружающую среду. Экологическая безопасность направлена на снижение токсичности отработанных газов, уменьшение шума, снижение радиопомех и так далее при движении автомобиля.
Несмотря на попытки заменить двигатель внутреннего сгорания (ДВС) каким-либо другим, не выделяющим токсичные вещества, альтернативы ему пока нет. А если принципиально новый двигатель и появится, то переналадка производства для его крупносерийного выпуска потребует серьезных капиталовложений и будет это далеко не сразу. Вместе с тем уже сейчас человечество подошло к той черте, когда без экологически чистого автомобиля просто не нельзя существовать. И выход пока видится один - надо если не полностью исключить, то во всяком случае свести к минимуму вредные выбросы двигателей внутреннего сгорания.
Первыми тревогу забили в США и в Японии, где проблема загазованности в крупных городах встала особенно остро. Были законодательно утверждены требования по токсичности выхлопов новых автомобилей, которые периодически пересматривались и ужесточались. Вскоре аналогичные законы были приняты и в странах Европы.
При современном уровне развития техники одним из простых и действенных путей снижения токсичности ДВС является рециркуляция отработавших газов (РОГ). РОГ, как способ снижения выбросов NOx, известна с начала 60-х годов прошлого века. В настоящее время на ПАО КАМАЗ хорошо изучено влияние системы РОГ на работу дизеля, а оценка влияния РОГ на работу газового двигателя отсутствует. Поэтому рассмотрим имеющиеся результаты по дизелю и по бензиновым двигателям и попробуем экстраполировать их на газовый двигатель.
В работе [1] отмечается, что в газовом двигателе (ГД) существенного уменьшения выбросов NOx удается достигнуть снижением максимальных температур пламени путем разбавления засасываемого воздуха какими-либо инертными газами (H2O, CO, N2). Наиболее простым и практически сравнительно легко реализуемым способом является использование частичной рециркуляции отработавших газов (ОГ), отбираемых из выпускного тракта, которые после их очистки от сажевых частиц и некоторого охлаждения добавляются к засасываемому двигателем воздуху. При этом вследствие уменьшения коэффициента наполнения снижается максимальная мощность двигателя, увеличиваются удельный эффективный расход топлива и дымность ОГ.
Таблица 1. – Экологические требования (пред. знач. по ЕТС тестам. Правило №49 ЕСЕ)
Выбросы/ Стандарты | Монооксид углерода(СО), г/кВт·ч | Неметановые углеводороды(NMHC), г/кВт·ч | Метан(СН4), г/кВт·ч | Оксид азота (NOx), г/кВт·ч |
Евро-5 | 4 | 0,55 | 1,1 | 2 |
Евро-6 | 4 | 0,16 | 0,5 | 0,4 |
При РОГ на впуск можно подавать как неохлажденные-«неохлаждаемая» рециркуляция, так и охлажденные ОГ-«охлаждаемая» рециркуляция. Использование «охлаждаемой» РОГ более предпочтительно, так как улучшает наполняемость цилиндров воздушным зарядом, а также обеспечивает более низкие температуры газов в период сгорания, что будет способствовать уменьшению количества образующих NOx.
К одним из первых попыток экспериментального исследования снижения выбросов оксидов азота с помощью РОГ следует отнести работы, проведенные в 60-х гг. в ЦНИДИ . Испытания проводились на дизельном двигателе 4Ч 14,5/20,5 [2]. Полученное изменение некоторых показателей дизеля с камерой сгорания в поршне типа ЦНИДИ при его работе с перепуском на всасывание опитмальных количеств ОГ по сравнению с двигателем, работающим без перепуска газов представлено в таблице 2.
Таблица 2. – Влияние РОГ на показатели дизеля
Наиболее эффективными способами снижения выбросов NOx с ОГ на газовых двигателях является перепуск части ОГ на всасывание и уменьшение угла опережения зажигания (УОЗ). Однако оба этих мероприятия в ряде случаев приводят к увеличению химической неполноты сгорания топлива, а следовательно, к росту выделения двигателем таких вредных веществ, как окись углерода - СО, альдегиды, сажа и др.
В настоящее время механизмы воздействия РОГ на процесс образования NOx изучены достаточно полно. Присутствие в заряде продуктов сгорания оказывает многостороннее воздействие на протекание сгорания и различные параметры рабочего тела в объеме внутрицилиндрового пространства. Уменьшение количества образующихся NOx при использовании РОГ обуславливается повышением удельной теплоемкости заряда, вследствие добавления к нему содержащихся в ОГ диоксида углерода и воды, а также с запаздыванием начала сгорания и с замедлением его развития.
Наиболее полная и достоверная картина механизмов воздействия РОГ на процесс сгорания и образования NOx для дизеля:
1. Уменьшение количества кислорода в заряде и увеличение содержания в нем CO2 и Н2О при использовании РОГ приводит к снижению максимальной и среднецикловой температуры сгорания и смещению процесса сгорания на линию расширения. Это в свою очередь способствует уменьшению интервала времени, в течение которого имеют место высокие температуры продуктов сгорания, что, как следствие, сопровождается уменьшением количества образующихся NOx и более низкой скоростью окисления сажи.
2. Увеличение ПЗВТ при использовании РОГ обеспечивает увеличение времени проникновения топливного факела, что приводит к увеличению массы газов, охваченной пламенем. При этом получается, что большее количество газов поглощает большее количество теплоты, следствием чего как раз и является уменьшение температуры продуктов сгорания и количества образующихся NOx.
3. Использовании РОГ уменьшает количества кислорода в рабочем заряде, что позволяет избежать увеличения интенсивности тепловыделения в период кинетического сгорания. В результате чего обеспечиваются умеренные скорости образования NOx. Однако при этом увеличивается неполнота сгорания топлива, дымность ОГ и выбросы твердых частиц (ТЧ).
4. Уменьшение температуры заряда при использовании РОГ приводит к уменьшению температуры газов в цилиндре, что будет способствовать снижению количества образующих NOx. Эффект уменьшения интенсивности образования NOx при использовании РОГ связывают с уменьшением содержания кислорода в заряде. Считают, что при использовании РОГ вследствие уменьшения количества кислорода в заряде должно произойти увеличение массы горючей смеси, проходящей через фронт пламени. В результате, масса продуктов сгорания, находящихся за фронтом пламени и подлежащих разогреву, будет больше. При том же количестве подводящийся в эту зону теплоты и том же характере протекания характеристики тепловыделения, температура продуктов сгорания в этой области будет меньше. Считают, что 90% эффекта уменьшения температур продуктов сгорания и выбросов NOx при использовании РОГ связано с уменьшением содержания кислорода в заряде и только 10% эффекта связывают с повышением удельной теплоемкости заряда вследствие большей, по сравнению с воздухом, удельной теплоемкостью рециркулируемых газов (РГ).
Из выше перечисленных механизмов воздействия РОГ на процесс сгорания и образования NOх на газовый двигатель экстраполировать можно:
1. Уменьшение количества кислорода в заряде и увеличение содержания в нем CO2 и Н2О при использовании РОГ приводит к снижению максимальной и среднецикловой температуры сгорания и смещению процесса сгорания на линию расширения. Это в свою очередь способствует уменьшению интервала времени, в течение которого имеют место высокие температуры продуктов сгорания, что, как следствие, сопровождается уменьшением количества образующихся NOx
2. Большее количество газов поглощает большее количество теплоты, следствием чего как раз и является уменьшение температуры продуктов сгорания и количества образующихся NOx.
3. Использовании РОГ уменьшает количества кислорода в рабочем заряде, что позволяет избежать увеличения интенсивности тепловыделения в период кинетического сгорания. В результате чего обеспечиваются умеренные скорости образования NOx. Однако при этом увеличивается неполнота сгорания топлива.
4. Применение охлаждаемой РОГ по сравнению с неохлаждаемой приводит к уменьшению температуры газов в цилиндре, что будет способствовать снижению количества образующих NOx.
Литература
Войнов в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение. 1977. 277 с. Смайлис отработавших газов как средство сокращения выбросов окислов азота дизелями // Снижение загрязнения воздуха в городе выхлопными газами автомобилей. М.: НИИНавтопром. 1971. С.118 – 126.