Снижение выбросов оксидов при управлении процессом сгорания в дизельном двигателе

Показали, что нормы Европейского союза на токсичность отработанных газов (Евро 1 – Евро 5) способствовали снижению выбросов основных вредных компонентов в несколько раз. В зарубежных странах на тракторную технику распространяются нормы Stage и Tier, которые также на законодательном уровне ограничивают содержание токсичных компонентов.

(Цель исследования) Снизить содержание оксидов азота в отработанных газах посредством более эффективного регулирования распределения топливного заряда в цилиндре газодизельного двигателя, изменения в отдельных зонах концентрации дизельного и газового топлива, а также использования рециркуляции отработанных газов.

(Материалы и методы) Проанализировали результаты моделирования образования оксидов азота посредством управления рабочим процессом в газодизельной модификации дизельного двигателя. В расчетах применяли геометрические параметры двигателя Д-120, работающего в режиме 2000 оборотов в минуту, при наполнении 0,6-0,9 объема, средний по заряду коэффициент избытка воздуха равен 1,2-3,0, а коэффициенты избытка воздуха по газовоздушной смеси не превышают 1,2-2,5.

(Результаты и обсуждение) С помощью расчетной модели оценили параметры при различном давлении на впуске двигателя в пределах 0,05-0,09 мегапаскаля, а также при увеличении коэффициента остаточных газов в диапазоне 5-15 процентов с уменьшением концентрации оксидов азота с 2500 до 1100 частиц на миллион соответственно. Экспериментальным путем показали, что при изменении мощности от 100 до 20 процентов концентрация оксидов азота снижается с 1940 до 800 частиц на миллион.

(Выводы) Подтвердили адекватность работы расчетной модели. Определили, что уменьшение концентрации окиси азота в отработанных газах на 40-50 процентов достигается при различных схемах расслоения заряда в камере сгорания. Выявили, что обеспечение норм по угарному газу, углеводородам и оксидам азота потребует смешанного регулирования двигателя. Доказали, что рециркуляция 15 процентов отработанных газов позволяет снизить выброс оксидов азота еще на 50 процентов.

1. Нагорнов С.А., Мещерякова Ю.В., Мещеряков А.Г. Экспериментальное исследование работы дизельного двигателя на смесевом топливе // Тракторы и сельхозмашины. 2016. N1. С. 9-11.

2. Давыдова С.А., Старостин И.А. Класс экологичности современных сельскохозяйственных тракторов // АгроЭкоИнфо. 2020. N2(40). С. 19.

3. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. Владимир: Владимирский государственный университет. 2000. 256 с.

4. Сайкин A.M. Нормативные проблемы при разработке средств экологической и активной безопасности автотранспортных средств в отношении воздушной среды // Автомобили, двигатели и их компоненты. 2008. Вып. 239. С. 181‑188.

5. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменец­­кий Д.А. Окисление азота при горении. М.-Л.: АН СССР. 1947. 145 с.

6. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение. 1977. 276 с.

7. Бижаев А.В., Девянин С.Н. Результаты экспериментальных исследований добавок воды в камеру сгорания дизельного двигателя // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2016. Т. 10. N2. C. 36-39.

8. Fenimore C.P. Formation of nitric oxide from fuel nitrogen in ethylene flames. Combustion and flame. 1972. Vol. 19. 289‑296.

9. Шайкин А.П., Галиев И.Р. Особенности горения метано-водородных смесей в поршневых энергоустановках и двигателях // Безопасность труда в промышленности. 2020. N1. С. 21-25.

10. Иванов В.В., Кузьмина О.В. Моделирование образования окиси азота no в кинетических механизмах Я.Б. Зельдовича // Труды Поволжского государственного технологического университета. Серия: Технологическая. 2017. N5. С. 235-239.

11. Лопатин О.П. Зонная модель процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. N4(17). С. 36‑39.

12. Максимов А.Л. Расчетная модель действительного цикла двигателя внутреннего сгорания // Труды Московского автомобильно-дорожного института. 1976. С. 74-81.

13. Бижаев А.В., Чумаков В.Л., Путан А.А. Расчетная модель основных параметров рабочего цикла дизеля с использованием различных типов топлив // Доклады ТСХА. 2020. Вып. 292. С. 244-247.

14. Ощепков П.П., Бижаев А.В., Заев И.А., Смирнов С.В., Адегбенро С.А. Исследование дизельного топлива с добавками пальмового масла // Транспорт на альтернативном топливе. 2018. N5(65). С. 56-62.

15. Герцык С.И., Беляков И.В. Оценка содержания оксидов азота в продуктах горения газообразных топлив // Электрометаллургия. 2020. N4. С. 34-40.

16. Бижаев А.В., Девянин С.Н., Соо С., Фомин В.М., Ибрагим А.С.Х., Ходяков А.А. Использование арахисового масла в качестве присадки к дизельному топливу // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2018. Т. 12. N6. С. 45‑50.

17. Devyanin S.N., Bigaev A.V., Markov V.A. Influence of Method of Adding Water to Combustible Mixture on Diesel Engine Performance. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2018. 327. 022024.

18. Плотников С.А., Кантор П.Я., Козлов И.С., Втюрина М.Н. Оценка экологических свойств рапсовых масел для применения в качестве моторного топлива сельскохозяйственного трактора // Инженерные технологии и системы. 2020. Т. 30. N1. С. 43-59.

19. Бижаев А.В., Симеон А.А. Применение пальмового масла в качестве присадки к топливу тракторных дизельных двигателей // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2017. N6. С. 41-46.

20. Чумаков В.Л., Бижаев А.В. Снижение выбросов оксидов азота с отработавшими газами газодизеля // Чтения академика В.Н. Болтинского. 2019. С. 118-122.

21. Дунин А.Ю., Шатров М.Г., Голубков Л.Н., Яковенко А.Л. Организация ступенчатой характеристики впрыскивания топлива управлением электрическим импульсом, поступающим на электромагнит форсунки аккумуляторной топливной системы // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2020. N1(718). С. 32-42.

22. Халид Эль-Шейх, Рябов Г.А., Хамид М.Д., Бухаркина Т.В., Хусейн М.А. Образование и подавление выбросов NOх и N2O при сжигании топлив в среде кислорода с рециркуляцией СО2 (обзор) // Теплоэнергетика. 2020. N1. С. 5-14.