Расчетное исследование
возможности снижения эмиссии NOx безнаддувного дизеля

d42gs_an.gif (7195 bytes)

prevgray.gif (1301 bytes) home.gif (1299 bytes) english.gif (2062 bytes) nextgray.gif (1360 bytes)

     Программный комплекс ДИЗЕЛЬ-2/4т позволяет проводить расчетные исследования с целью поиска путей снижения эмиссии вредных веществ для двигателей с разными условиями смесеобразования.     
     Ниже приведен пример расчетного исследования возможности снижения эмисси вредных веществ 4 тактного 2 цилиндрового тракторного дизеля воздушного охлаждения (D/S = 105 / 120 мм).   Предварительно программа была настроена на этот двигатель. Результаты расчета различных параметров дизеля хорошо согласуются с результатми измерений (См. таблицу). 

Параметр

n=2000 1/мин n=1500 1/мин
Экспер. Расчет Экспер. Расчет
Мощность Ne, кВт 22 21.6 18.2 18.2
Удельный эфф. расход топлива be, г/кВт ч 235 238 233.5 234.4
Расход воздуха, кг/с 0.0365 0.0358 0.0275 0.0266
Максимальное давление цикла, бар 76.7 77.6 88 88
Среднее индикаторное давление, бар 8.48 8.34 - 8.73
Среднее давление насосных потерь, бар 0.4-0.31 0.36 - 0.21
Ср. температура в выпускном коллекторе, К 793 713 793 704
Уровень эмиссии дыма, Хартридж 15-20 17.2 30-35 30

      Отличие расчетной температуры газа в выпускном коллекторе от измеренной обусловлено хорошо известным обстоятельством: измерение термопарой температуры пульсирующего потока дает завышенные результаты. Ошибка измерения тем больше, чем больше отношение перепада давления в импульсе к средней величине давления.

     Полученные расчетом уровни эмиссии NOx при разных значениях степени сжатия были сопоставлены с результатами соответствующих опытов завода изготовителя. 

      В настоящей работе исследовалась возможность снижения эмиссии оксидов азота этого дизеля за счет изменения следующих параметров:
-  диаметр сопел распылителя  (уменьшение  с 0.3 до 0.22 мм);
-  степень сжатия;
-  опережение впрыска;
-  форма камеры сгорания;
-  углы наклона топливных струй.
Влияние характеристики впрыска не исследовалось, так как реализация мероприятий по радикальному повышению давления впрыска требует серьезного пересмотра конструкции дизеля в целом.

Результаты расчета смесеобразования и сгорания
для базовой комплектации дизеля Д-120

n=2000 1/мин;
Ne=22 кВт

Степень сжатия: 16

Закрутка заряда в камере сгорания в ВМТ характеризуется вихревым числом Н=3

    

При уменьшении диаметра сопел распылителя с 0.3 до 0.22 мм характеристика впрыска штатной топливной аппаратуры существенно видоизменяется. Максимальное давление впрыска возрастает с 520 до 665 бар; продолжительность впрыска увеличивается с 19.2 град. до 27.3 град. поворота коленчатого вала двигателя.

Скорость впрыска
d120_uo.gif (1106 bytes)

  Эти данные были получены в результате гидродинамического расчета по программе ВПРЫСК, ее автром, к.т.н., доц. Греховым Л.В. (Предварительно программа ВПРЫСК была настроена на штатную комплектацию насоса и форсунок данного дизеля).
     Результаты расчета рабочего процесса дизеля в базовой комплектации, но с уменьшенным диаметром сопел (компл. 1, табл. 1.) показали, что происходит существенное улучшение качества распыливания топлива (радикально уменьшается средний диаметр капель d32 с 30 мкм до 19 мкм. Однако, затянутый по времени впрыск приводит к неблагоприятному распределению топлива:
-  23.5% топлива оказывается в зонах пересечения пристеночных потоков, где низкая скорость испарения  (для сравнения: - при соплах 0.3 мм в этих зонах только 1.7% топлива),
-  доля топлива в разреженной оболочке (где наилучшие условия испарения) снижается на 5%,
-  доля топлива в непересекающихся частях пристеночных потоков (где также неплохие условия испарения) составляет 17.5 % (тогда как при соплах 0.3 мм она достигает 37 %).

Т.е. при столь длительном впрыске струям не хватает пространства для развития и они мешают друг другу. Процесс сгорания затягивается:  
- расход топлива be увеличивается на 8 г/кВт ч;
- эмиссия окислов азота NOx снижается на 20%;
- уровень дыма Hartridge увеличивается на 49% (табл.1).

Таблица 1

Компл. Баз. 1
e 16 16
Inj. lead 16 16
be 239 247
NOx 3.4 2.7

Hartr

17.2 25.6

Не смотря на снижение уровня эмиссии NOx, подобный результат нельзя считать удовлетворительным прежде всего из-за сильного увеличения выбросов сажи и роста расхода топлива.
    

     Резервом для улучшения показателей двигателя является изменение степени сжатия e и опережения впрыска Inj. lead. На рис.1 представлены, полученные методом сканирования, семейства изолиний для постоянных значений:
-  уровня эмиссии оксидов азота NOx [г/м3];
-  максимального давления цикла Pz [бар];
-  удельного эффективного расхода топлива be [г/кВт ч].
На рис.2 представлена зависимость эмиссии сажи от тех же переменных.
В таблице 2 приведены показатели для характерных комплектаций дизеля:
-  Баз.  - базовая  комплектация с соплами 3 х 0.3;
-  ? 1  - базовая комплектация  с соплами 3 х 0.22;
-  ? 2  - повышенная степень сжатия, уменьшенное опережение впрыска, сопла 3 х 0.22.   

Рис. 1. Влияние степени сжатия e и опережения впрыска Inj. lead на параметры дизеля

Таблица 2

d12_noxs.gif (5915 bytes)
Компл. Баз. 1 2
e 16 16 19.5
Inj. lead 16 16 11.5
be 239 247 242
NOx 3.4 2.7 1.8

Hartr

17.2 25.6 24.2

Условия выбора комплектации 2:

- e =19.5
  при 
e >19.5   надпоршневой зазор < 0.5 мм;

- Inj. lead = 11.5
  при меньшем опрежении интенсивно растет расход топлива и эмиссия сажи, при большем опережении растет эмиссия NOx.

Рис. 2. Влияние степени сжатия e и опережения впрыска Inj. lead на уровень эмиссии сажи
d12_smk.gif (4742 bytes)


Рис 3. Скорость тепловыделения при базовой комплектации и комплектации ?2 d12_dxdf.gif (4199 bytes)

Вывод: Одновременно с уменьшением диаметра сопел с 0.3 до 0.22 мм следует увеличить степень сжатия с 16 до 19.5 и  уменьшить опережение впрыска с 16 до 11.5 градусов поворота коленчатого вала. При этом:
уровень эмиссии окислов азота снизится с 3.4 до 1.8 г/м3 (на 47 %);
-  удельный эффективный расход топлива повысится с 239 до 242 г/кВт ч (на 1.2 %);
-  уровень эмиссии сажи увеличится с 17.2 до 24.2 единиц  Хартриджа (на 41%).
     Для снижения расхода топлива и эмиссии дыма необходимо изменить форму камеры сгорания и направленность сопел таким образом, чтобы обеспечить топливным струям большую свободу для развития, что позволит увеличить скорость тепловыделения на участке догорания.

      Дальнейшие исследования проводились в направлении совершенствования формы камеры сгорания в поршне и оптимизации ориентации топливных струй. Учитывалось изменение интенсивности вихря вследствие изменения диаметра камеры сгорания и надпоршневого зазора.
     Удовлетворительные результаты показала опытная камера, представленная на рис. 4. В этой камере сгорания вихревое число в ВМТ составляет 3.1 (чуть больше чем в базовой). Углы между осями струй и осью цилиндра увеличены. Увеличен внешний диаметр углубления. Эти меры позволяют увеличить длину свободного развития струй. Угол наклона образующей камеры в поршне выбран таким образом, чтобы основное развитие пристеночного потока направить вглубь камеры, а не на поверхность короны поршня, в надпоршневой зазор. За счет малой глубины камеры в поршне величина надпоршневого  зазора увеличена до 2.1 мм, что создает дополнительные резервы для увеличения степени сжатия и препятствует попаданию топлива с пристеночного потока короны поршня на поверхность головки цилиндра. Описанная камера сгорания и распылитель 3 х 0.22 с увеличенным углом конуса в сочетании со степенью сжатия 19.5 и опережением впрыска 11.5 градусов составляют комплектацию ?3. Угол опережения впрыска 11.5 градусов выбран исходя из результатов, представленных на рис. 5.
     В таблице 4 приведено сопоставление параметров дизеля, получаемых в комплектации ?3 и в базовой.

Рис.4.   Результаты расчета смесеобразования и сгорания для опытной камеры дизеля Д-120 (комплектация ?3).
d12_picg.gif (8333 bytes)

 

Камера базовой комплектации
d12_bas.gif (622 bytes)

Таблица 4

Компл. Баз. 3
e 16 19.5
Inj. lead 16 11.5
be 239 236
NOx 3.4 1.92

Hartr

17.2 17.9

  Рис. 5  Зависимость параметров дизеля в комплектации ?3
от угла опережения впрыска  
d12_oper.gif (4669 bytes)

     Распределение впрыснутого топлива в опытной камере более благоприятно нежели в базовой:
-  в разреженной оболочке струи и оболочке пристеночного потока, где наилучшие условия испарения  распределено 69% топлива, тогда как в базовой камере только 60%;
- в ядре пристеночного потока, где условия испарения несколько хуже чем в объеме, в опытной камере оказывается 27.9% топлива, а в базовой камере этот показатель составляет 37 %;
- растянутый по времени впрыск, малая задержка самовоспламенения и малое количество топлива, испарившееся за период задержки обуславливают отсутствие выраженного первого пика скорости тепловыделения и следовательно скачка локальной температуры в объеме взрывного горения, что и обуславливает снижение эмиссии NOx;
-  в обоих камерах топливо не попадает в зоны с плохими условиями испарения, как то зеркало цилиндра и поверхность крышки цилиндра, в зонах пересечения пристеночных потоков доля топлива весьма не значительна для обоих камер сгорания - 1.7 ... 2.5%;
-   малый средний диаметр капель d32 (19 мкм) обусловливает высокую скорость испарения.
Таким образом применение опытной камеры сгорания (в сочетании с другими выше описанными факторами) делает возможным  снижение эмиссии NOx  без увеличения выбросов сажи и даже со снижением расхода топлива.

Вывод: Для радикального снижения эмиссии оксидов азота двигателя Д-120 следует:
- применить опытную (рис.4) камеру в поршне;
- уменьшить диаметр сопел распылителя с 0.3 до 0.22 мм;
- увеличить угол между осью цилиндра и осями сопел распыливающих отверстий;
- увеличить степень сжатия с 16 до 19.5;
- уменьшить опережение впрыска с 16 до 11.5 градусов поворота коленчатого вала.  При этом:
уровень эмиссии окислов азота снизится с 3.4 до 1.92 г/м3 (на 43.5 %);
-  удельный эффективный расход топлива снизится с 239 до 236 г/кВт ч (на 1.2 %);
-  уровень эмиссии сажи увеличится с 17.2 до 17.9 единиц  Хартриджа (на 4%).
     Для поиска путей дальнейшего снижения расхода топлива и эмиссии дыма необходимо провести дополнительные углубленные численные исследования по влиянию формы камеры сгорания и направленности сопел, чтобы обеспечить топливным струям большую свободу для развития и увеличить скорость тепловыделения на участке догорания. (Мероприятия по увеличению давления впрыска, введению наддува и промежуточного охлаждения в данном примере не рассматриваются, хотя программа позволяет это сделать. Одним из наиболее эффективных способов снижения выбросов сажи представляется именно ведение наддува, которое позволит существенно увеличить коэффициент избытка воздуха
a)

Использование комплекса ДИЗЕЛЬ-2/4т и встроенной в него программы "Fuel Jet Visualization" позволяет увязывать зачастую противоположные тенденции, вызванные необходимостью снижения расхода топлива и эмиссии вредных веществ и находить выгодные компромиссы.

prevgray.gif (1301 bytes) home.gif (1299 bytes) e-mail.gif (1629 bytes) nextgray.gif (1360 bytes)