Снижение токсичности выбросов и повышение экономичности малоразмерного высокооборотного дизеля подачей воды в цилиндры

Подача воды в цилиндры двигателей известна ещё со времён создания и применения первых ДВС. Первоначально воду применяли только для снижения термонапряжённости деталей и для повышения детонационной стойкости смеси. В последние годы воду начали применять для повышения экономичности двигателей, для снижения токсичности выбросов и расширения ресурсов применяемых топлив.

Метод воздействия на рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания (ДВС) путём подачи воды на впуске применяется в бензиновых и в газовых двигателях с целью повышения детонационной стойкости смеси. В больших количествах (в 2−3 раза превышающих подачу топлива) вода применялась с целью организации внутреннего охлаждения авиационных поршневых двигателей с воздушным охлаждением (как с принудительным зажиганием, так и дизельных) при работе на больших высотах и, следовательно, в разрежённом воздухе. Широко известно применение водо-топливных эмульсий в дизелях, прежде всего судового назначения, использующих топлива утяжелённого фракционного состава.

Особое внимание к данному методу стали проявлять разработчики средств и методов снижения токсичности и дымности выбросов ДВС. При этом особо интересно применение этого метода в дизелях, где наиболее сложную проблему составляет снижение выбросов оксидов азота и сажи. Так, подача воды во впускной коллектор дизеля с помощью карбюратора в количествах, равных цикловым подачам топлива, позволяет снизить выбросы оксидов азота на 40% на номинальном режиме и до 60% на режиме максимального крутящего момента. Однако на режимах средних нагрузок и номинальной частоты вращения существенно увеличивается выброс СО. Выброс сажи и её концентрация в о.г. мало меняются с присадкой воды, несколько снижаясь на полных нагрузках и высоких частотах вращения, но увеличиваясь со снижением нагрузки. При этом несколько снижается удельный расход топлива. При испытаниях по 13-ти ступенчатому циклу дизель типа 4411,5/12 с подачей воды на впуске указанным способом показал снижение выбросов оксидов азота на 40%, повышение выбросов сажи и СО соответственно на 23% и 28% и повышение экономичности на 2%.

Подача воды совместно с топливом производится в виде водо-топливной эмульсии (ВТЭ). При этом для протекания процесса в цилиндре дизеля представляется не существенным, приготовлена ли эта эмульсия заранее, в топливной ёмкости, или она готовится во время работы дизеля с помощью соответствующих средств на линии низкого давления, или же она готовится в линиях высокого давления вблизи форсунок также во время работы дизеля.

При сравнении эффективностей методов присадки воды к воздушному заряду на впуске или к топливу получено, что первый метод позволяет более существенно снизить выбросы оксидов азота, причём, объясняется это прежде всего возможностью подачи на впуске с воздухом повышенного (до 200−300% от величины цикловой подачи топлива) количества воды. В то время как подача воды с топливом обычно не превышает 30%.

Подача воды на впуске возможна как в жидкой фазе в виде аэрозоли, так и в паровой фазе. В первом случае эффект снижения выбросов >ЮХ как правило более высок, однако, очевидно из-за существенного охлаждения пристеночных зон камеры сгорания, происходит увеличение выброса СО и СН, а на режимах пониженных нагрузок, кроме того, появляется опасность повышенного коррозионного износа деталей ЦПГ. Поэтому оптимальным расходом воды при подаче её на впуске считается расход, равный (50−100)% от расхода топлива. Однако, и при этих количествах воды в о.г. обнаруживается увеличение содержания негазовых частиц. Подача воды на впуске в ГТН позволяет отказаться от применения охладителя воздуха. Однако, установка карбюратора на всасывании естественно усложняет систему и снижает коэффициент наполнения двигателя, что особенно существенно для высокофорсированных ДВС.

При подаче в цилиндры воды в виде паровой фазы или при повышении влажности окружающего воздуха отмечено снижение выбросов оксидов азота, однако, также существенное повышение выбросов СО и сажи.

Известен метод впрыскивания воды непосредственно в цилиндры дизеля с помощью специальной форсунки и специального насоса высокого давления. При оптимизации фаз подачи воды и топлива и расходе воды в пределах (25−30)% от расхода топлива достигнут эффект экономии топлива и снижения выбросов оксидов азота более высокий, чем при подаче в дизель водо — топливной эмульсии (ВТЭ) того же содержания. Однако, очевидна конструктивная сложность метода, а также его недостаток — резкое ухудшение экологических и экономических характеристик при нарушении фаз подачи компонентов и соотношения вода-топливо.

Применение ВТЭ как правило приводит к существенному снижению концентрации сажи в о.г. Однако, на режимах пониженных частот вращения иногда отмечается повышение выброса оксидов азота. Часто работа на ВТЭ сопровождается повышением концентрации СО и СН в о.г. Однако, например, в дизелях с ГТН это явление ослабляется или даже пропадает, очевидно, благодаря роли газовой турбины ГТН как пламенного дожигателя продуктов неполного сгорания. В большинстве работ отмечается положительное влияние ВТЭ на снижение выброса Ж) х и особенно сажи. В некоторых работах приводятся недостатки методаувеличение выбросов СО и СН, особенно на режимах малых нагрузок и холостого хода. Отмечается увеличение жёсткости и шумности работы дизелей с неразделёнными камерами сгорания, а также необходимость увеличивать производительность топливной аппаратуры для сохранения исходной мощности дизеля.

Создание ВТЭ может осуществляться несколькими путями. Подготовка эмульсии заранее, с целью хранения её в топливном баке как обычного топлива, требует использования различных стабилизаторов и конечно специальных установок для создания эмульсии заданной концентрации, которая в этом случае является постоянной и не зависящей ни от режима работы двигателя, ни от внешf них условий, ни от технического состояния двигателя. Возможно создание ВТЭ во время работы двигателя перед подачей её в ТНВД. В этом случае необходимо применение специальных ударных, электромагнитных, гидродинамических и т. д. эмульгаторов. Правда, необходимость в стабилизаторах ВТЭ отпадает. Появляется возможность в некоторых условиях регулировать состав топлива, т. е. например, запускать дизель и прогревать его на дизельном топливе, а по мере роста теплового состояния — переводить его на работу на ВТЭ. Однако такой метод всё же не позволяет регулировать состав ВТЭ, т. е. концентрацию воды в ней, например, при изменении нагрузочного режима, ввиду длительности процесса замены состава эмульсии. Такие возможности предоставляют системы топливоподачи с регулированием начального давления. В них вода подаётся в необходимых количествах через специальный клапан, названный клапаном регулирования начального давления (РНД), непосредственно в линию высокого давления вблизи форсунки, которая сама является хорошим диспергатором. В связи с ростом числа выпускаемых промышленностью и находящихся в эксплуатации малоразмерных высокооборотных дизелей широкого народохозяйственного назначения, возникают проблемы со снижением токсичности и дымности их выбросов, с использованием в них низкокачественных или альтернативных топлив.

В настоящее время необходимо проведение комплекса исследований по оптимизации конструкции системы топливоподачи малоразмерных высокооборотных дизелей для создания ВТЭ указанным способом. Необходима также разработка рекомендаций по регулированию состава ВТЭ во время работы двигателя, с целью рационализации его экономических и экологических характеристик. о.

4.3. Результаты исследования дизеля с системой подачи воды.

Основные полученные результаты заключаются в следующем (рис. 4.6). Расход воды и дизельного топлива через клапан РНД несколько отличается, т. е. расход воды, очевидно из — за пониженной вязкости, превышает расход дизельного топлива. Подача воды приводит к некоторому снижению температуры отработавших газов, некоторому снижению удельного расхода топлива в области повышенных нагрузок при увеличении расхода на малых нагрузках (очевидно, из — за снижения теплового состояния двигателя).В соответствии с уменьшением расхода топлива при той же мощности несколько возрастает коэффициент избытка воздуха (альа). Отмечено некоторое увеличение максимально достижимой мощности, т. е. смещение вправо точки абсолютной внешней характеристики (АВСХ). На режимах, близких к номинальным (по нагрузочной характеристике) экономичность двигателя возросла на 3 — 5%. Дым-ность О. Г. снизилась на величину до 10 — 15% (рис. 4.7). На режимах пониженной нагрузки экономичность сначала сближается с показателями дизеля, а затем, при снижении нагрузки ниже 25%, ухудшается, удельный расход топлива превышает значения расхода у дизеля при работе на дизельном топливе. Концентрация оксидов азота в О. Г. на всех режимах работы двигателя снижается ниже исходного уровня, когда двигатель работает на дизельном топливе. Снижение достигает 20% от сходственного значения при работе на чистом дизельном топливе.

Интересным результатом является то, что применением ВТЭ можно увеличить допустимую развиваемую двигателем нагрузку (рис. 4.8 и 4.9). Иначе говоря, при работе на ВТЭ точка абсолютной внешней скоростной характеристики (АВСХ) смещается в сторону повышения мощности (если для дизеля она составляла 6,12 кВт, то для двигателя с ВТЭ — 6,25 кВт) при неизменной велис чине дымности О. Г. и сохранении экономичности и выброса оксидов азота (рис. 4.9). Очевидно, эти факты объясняются улучшением процессов смесеобразования — сгорания на режимах повышенных нагрузок, повышенных тепловых состояний дизеля. При работе на ВТЭ увеличение подачи топлива на режимах, лежащих после точки АВСХ, приводит к более существенному ухудшению рабочего процесса, чем при работе на дизельном топливе. Это объясняется, очевидно, тем, что с ростом подачи топлива снижается процентное содержание воды в ВТЭ (как это определено при исследовании топливной аппаратуры). Снижаются все эффекты «вторичного» смесеобразования, а в то же время сохраняется повышенная продолжительность впрыскивания топлива, из-за наличия воды, снижаются температуры сгорания в начале и конце процессов, увеличенная задержка воспламенения смещает всё более процесс на линию расширения, увеличивая недогорание топлива.

В целом, как показано на рис. 4.10, снижение концентрации Ж) х в отработавших газах наблюдается во всём диапазоне исследованных нагрузок. Причём, это снижение достигает 20% на номинальном режиме, 10% - на частичных нагрузках и практически не меняется на средних нагрузках.

Дымность отработавших газов при росте нагрузки от 2 кВт до номинала снижается на величину до 15%. А при нагрузке ниже 2 кВт — возрастает на 10%. Экономичность дизеля при применении ВТЭ возрастает на (3 — 5)% при мощности выше 2 кВт, но снижается при более низких нагрузках.

Суммарная условная токсичность дизеля при работе по нагрузочной характеристике при равновероятности нагрузочных режимов и без учёта токсичности СО и СН составляет 52 800 единиц. При этом, доля, вносимая токсичностью ЫОх составляет 86% от общей токсичности выбросов. Соответственно доля сажи — 14%. При применении ВТЭ суммарная условная токсичность составляет 48 500 единиц, т. е. снижается в среднем на 9%. При этом, доля токсичности >ЮХ снижается до 82%, а доля сажи возрастает до 18%.

12 3 4 Рис. 4.10.

6 кВт.

Изменение параметров относительной токсичности, дымности и экономичности при работе по нагрузочной характеристике при п=3000 мин" 1. Cno = CnO х DT')./CnO N дот. toili.- К = Квтэ/К даз. тоа!.- ge = ge 13ТЭ /ge диз. то1ш. (Отношение на данном режиме показателя при работе на ВТЭ к такому же показателю при работе на дизельном топливе).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проведённой работы может быть сделано следующее заключение.

Проведённое исследование показало, что метод подачи в цилиндры воды в виде водо-топливной эмульсии (ВТЭ) может стать достаточно эффективным средством снижения токсичности выбросов и повышения экономичности малоразмерного высокооборотного дизеля с непосредственным впрыскиванием топлива.

У исследованного дизеля достигнуто уменьшение расхода топлива на режимах, близких к полной нагрузке, до 5%, снижение дымности отработавших газов до 15% и уменьшение выброса оксидов азота до 20%.

Применение водо-топливной эмульсии позволяет провести улучшение качества смесеобразования — сгорания, что проявляется в возможности форсирования дизеля по составу смеси. Так, значение мощности, соответствующее абсолютной внешней скоростной характеристике (АВСХ) возрастает более, чем на 2%.

Применение для подачи воды клапана регулирования начального давления с двойным запиранием позволяет автоматически, без специальных средств регулирования обеспечить рациональную концентрацию воды в топливе для диапазона режимов от номинала до 20% от номинала. Ниже 20% нагрузки желательно отключение подачи воды, ввиду роста дымности и повышения расхода топлива.

Предложенная система позволяет подавать в цилиндры дизеля до 20% воды на полных нагрузках и до 30% - на режимах малых нагрузок. В результате обеспечивается снижение суммарного условного показателя токсичности на величину до 9% при равновероятности различных нагрузочных режимов работы дизель — генератора во всём диапазоне нагрузок, а также практически неизменный расход топлива.