birmaga.ru
добавить свой файл

1
1.


Снижение токсичности и дымности

отработавших газов дизеля.

Для снижения токсичности и дымности отработавших газов дизелей используются следующие общие методы:

  • совершенствование процессов смесеобразования и сгорания,

  • нейтрализация отработавших газов в системе выпуска,

  • улучшение топлива (снижение содержания серы и аромати-ческих углеводородов, специальные присадки, использование альтернативных топлив),

  • уменьшение расхода углеводородного топлива.

Главные трудности, которые сильно осложняют улучшение эко-логических показателей дизелей путем улучшения процессов сме-сеобразования и сгорания связанны с тем, что мероприятия способствующие уменьшению NOX как правило вызывают рост выброса частиц. С другой стороны использование нейтрализаторов затруднено из-за наличия большого количества частиц сажи и кисло-рода (нейтрализация NOX) в отработавших газах, а также их относительно невысокой температуры.




1.1

Совершенствование процессов

смесеобразования и сгорания.
На первых этапах ограничения токсичности и дымности отработавших газов дизелей, в частности при введении норм Евро 1, достаточно было реализовать относительно простые мероприятия по организации смесеобразования и сгорания с также немного уменьшить угол опережения впрыскивания.

Практика показала, что выполнение норм на токсичность и дымность отработавших газов достигается тем легче, чем больше диаметр цилиндра дизеля. В то же время небольшие дизели для легковых автомобилей имели, как правило, разделенную камеру сгорания, которая в смысле токсичности и дымности отработавших газов обладает определенными преимуществами перед н
еразделенной камерой (рис.1).

Рис.1 Дымность и токсичность

отработавших газов дизелей.


Это объясняется тем, что в предкамере или вихревой камере процесс сгорания происходит при пониженных температурах и . Догорание заряда в основной камере также идет при относительно невысоких температурах. По этим причинам в дизелях с разделенными камерами сгорания образуется меньше NOX , чем в дизелях с камерой сгорания в поршне.

Догорание топлива в основной камере происходит при большем избытке воздуха, что способствует уменьшению выброса CO, CH и сажи.


Токсичность и дымность отработавших газов дизелей с нераз-деленной камерой сильно зависят от мелкости распыливания топлива, интенсивности вихревого движения заряда и согласования ее с параметрами факела и частотой вращения коленчатого вала.

В дизелях с пристеночным смесеобразованием, а особенно на режимах пуска и прогрева, имеет место повышенный выброс CH, и CO.

Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания заключается в поиске компромисса между выбросами NOX , частиц и топливной экономичностью.

При этом следует иметь в виду, что уменьшение выброса CO, CH и сажи сопровождается улучшением топливной экономичности.

Повышение скорости сгорания вызывает рост выброса NOX, хотя топливная экономичность при этом улучшается.

Н
аконец совершенствование процессов смесеобразования и сгорания существенно осложняется тем, что мероприятия, ведущие к уменьшению выброса NOX, как правило, вызывают рост выброса частиц (Рис.2).
Рис.2 Взаимосвязь между выбросами

сажи и NOX (n=1500 мин-1; pe=0,3 МПа).

Например, распыливание топлива на более мелкие капли улучшает полноту сгорания и снижает тем самым выброс частиц, но возрастающие температуры цикла обуславливают увеличение образования NOX.


Дизели грузовых автомобилей имеют, как правило, нераз-деленную камеру. Что же касается дизелей легковых автомобилей, то примерно 80% из них имеют вихревую камеру или предкамеру. Современная тенденция развития дизелей для легковых автомобилей выражается в переходе от разделенных камер к неразделенным, что позволит улучшить топливную экономичность примерно на 15%. Уже созданы дизели с неразделенной камерой (iV=2000 см3), которые работают с минимальным расходом топлива 200 г/(кВт ч).

Ниже главное внимание будет уделено токсичности и дымности отработавших газов автомобильных дизелей с неразделенной камерой сгорания.

Новые модели дизелей все чаще имеют по 4 клапана на каждый цилиндр. В этом случае и форсунка, и камера сгорания располагаются по оси цилиндра, что облегчает организацию смесеобразования и сгорания. Кроме того, появляется возможность управлять интенсивностью движения заряда и добиваться одновременно снижения выброса частиц и NOX, особенно на средних нагрузках.

При наддуве обычно увеличивают по внешней скоростной характеристике, это способствует снижению токсичности отра-ботавших газов и выброса частиц. Это снижение увеличивается при использовании промежуточного охлаждения воздуха, так как при охлаждении воздуха возрастает концентрация кислорода в заряде. Например, дизели с турбо наддувом и промежуточным охлаждением воздуха позволяют по сравнению с безнаддувными дизелями снизить выброс NOX и частиц примерно на 30%, а топливная экономичность при этом уменьшается до 8%.

Поэтому, не смотря на то, что в производстве дизель с наддувом примерно на 20% дороже безнаддувного, он имеет бесспорные перспективы.

1.2

Впрыскивание и распыливание топлива.

Характеристики впрыскивания и распыливания топлива оказывают большое влияние на смесеобразование и сгорание топли-ва, а следовательно, и на образование, и выброс токсических ве-ществ.


Что бы избежать повышенного выброса NOX и снизить шум, подачу топлива в начале впрыскивания (примерно в течении периода задержки воспламенения) желательно уменьшить. Радикальным в этом смысле решением может быть так называемое ступенчатое впрыскивание. С другой стороны, увеличение длительности впрыски-вания и растянутый конец подачи вызывают повышенное сажеобразование и как следствие этого, увеличение выброса частиц.

При подвпрыскивании в цилиндр дополнительно подается небольшое количество топлива, которое плохо распыливается и сгорает на линии расширения с образованием CH, CO и сажи.

После посадки иглы на седло пузырьки газа в подигольном объеме расширяются в результате подогрева и вытесняют топливо в камеру сгорания, где создается локальное обогащение смеси, что приводит к увеличению выброса CH. Особенно это может проявиться в дизелях с камерой сгорания в поршне, у которых подигольный объем Vu составляет 0,3…0,5 мм3. Влияние этого объема на содержание CH в отработавших газах илюстрирует рис.3. В современных форсунках этот объем практически отсутствует.

Увеличение мелкости распыливания повышает скорость и пол-ноту сгорания. Результатом этого является уменьшение выброса сажи, но одновременно вырастает выброс NOX.

Повышение давления впрыскивания – основной способ улучшения мелкости распыливания. В связи с этим современные насосы с электронным управлением (насос форсунка, встроенный односекционный, роторный распределительный или аккумуляторный с электрогидравлической форсункой) уже обеспечивают для высоко оборотных дизелей с наддувом давление впрыскивания порядка 130…180 МПа, а на ближайшее будущее предусматривают его увеличение до 200 МПа. Влияние давления впрыскивания зависит от

Рис.3 Влияние подигольного объема расширителя (Vu)

на выброс CH (дизель с неразделенной камерой).

испытательного цикла. При испытаниях по Европейскому циклу при увеличении Рвпр , выброс частиц заметно уменьшается, тогда как выброс NOX может оставаться постоянным. С другой стороны, в японском цикле при снижении выброса частиц наблюдается увеличение выброса NOX. Это в основном связанно с разными «центрами тяжести» (весовыми факторами) испытательных циклов.

Увеличение Рвпр на частичных нагрузках, когда отношение задержки самовоспламенения к длительности впрыскивания велико, влияет на образование NOX (рис.4). Влияние количества сопловых отверстий на образование сажи более сложное, наименьшее количество наблюдается при некотором среднем количестве отверстий.

Уменьшение диаметра распыливающих отверстий (при оптимальном их количестве) приводит к увеличению длительности и давлению впрыскивания, при этом существенно уменьшается выбросы сажи при незначительном росте выброса NOX. Следовательно, при оптимизации выбросов NOX частиц, необходимо
Р
ис.4 Влияние количества i и диаметра d

сопловых отверстий на выбросы NOX и сажи

е=0,775 МПа)
обеспечить наименьшее возможное значение диаметра сопловых отверстий при умеренном их количестве.