ОЦЕНКА ВЫБРОСА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ

Одной из составляющих комплекса мер по

обеспечению экологической безопасности дизелей

является реализация решений по снижению и контроль массового выброса твердых частиц с отработавшими газами (ОГ). Твердые частицы (ТЧ), представляющие собой смесь сажи, несгоревших углеводородов, сульфатов и других включений, вслед за

оксидами азота занимают второе место по агрессивности в выбросах ОГ дизеля [1,2].

Для измерения массового выброса ТЧ с ОГ дизелей необходимы специальные дорогостоящие измерительные системы – разбавляющие туннели, которые в Украине в настоящее время не производятся

и не применяются. Вместе с тем, отечественное двигателе- и машиностроение испытывают острую потребность в данном оборудовании, поскольку стандартами Украины, гармонизированными с международными стандартами, предусматривается нормирование массовых выбросов ТЧ дизелей автомобилей и

сельскохозяйственных машин.

На протяжении последних 10-ти лет в Восточноукраинском национальном университете (ВНУ)

им. В. Даля проводились работы по созданию разбавляющих туннелей на основе мирового опыта их

применения. Результатом данных работ стало изготовление опытного образца микротуннеля МКТ-2, с

помощью которого на кафедре ДВС Национального

Рабочие процессы в ДВС

70 ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2006

технического университета «ХПИ» дана оценка выброса ТЧ с ОГ автотракторного дизеля 4ЧН12/14

(СМД-23).

Постановка задачи

Основной целью исследований являлась экспериментальная отработка гравиметрической процедуры измерений массовых выбросов ТЧ дизеля микротуннелем МКТ-2, в соответствии с международными

нормативно-правовыми документами [3-5]. Достижение указанной цели обеспечивалось путем решения следующих задач:

• монтаж системы контроля массовых выбросов ТЧ на исследовательском стенде дизеля в соответствии с установленными требованиями;

• проведение стендовых испытаний с замером

массовых выбросов ТЧ на отдельных режимах работы двигателя;

• оценка массового выброса ТЧ по Европейскому 13-ступенчатому циклу.

Методика измерений выбросов ТЧ

Микротуннель МКТ-2 – полуавтоматизированная измерительная система, спроектированная в соответствии с требованиями международных стандартов. Часть ОГ с массовым расходом G

t

exh отбирается

из выпускной системы дизеля и подается в разбавляющий туннель, где происходит их смешивание с

атмосферным воздухом (рис. 1), что обеспечивает

имитацию естественного процесса разбавления ОГ,

выбрасываемых из выпускной трубы дизеля в атмосферу. Из туннеля поток разбавленных ОГ с массовым расходом Gsam через один из шаровых кранов

поступает в байпасную магистраль, либо в рабочий

канал, в котором установлен патрон с двумя фильтрами (основным и вспомогательным). Шаровые краны К1 и К2 всегда находятся в противоположных

состояниях: когда один открыт – другой закрыт и

наоборот.

При подготовке пробы к анализу открыт кран

К1 и разбавленные ОГ протекают через байпасную

магистраль. С помощью дросселя Д регулируется

давление в магистрали так, чтобы в момент переключения кранов не возникало гидравлического удара. При выполнении процедуры отбора проб ТЧ открыт кран К2 и вся проба разбавленных ОГ протекает через фильтры. При этом фиксируется продолжительность данной процедуры τsam. Коэффициент разбавления ОГ q, равный отношению массовых расходов Gsam и G

t

exh, в ходе испытаний устанавливается

таким, чтобы температура пробы перед фильтрами tf

не превышала 52 °С.

Gdil

Gt

exh

Gsam

в систему

вентиляции

Gexh

МПБ

Mf

Д ПФ

РТ

К1 К2

τ

sam

t

f

Рис. 1. Принципиальная схема микротуннеля МКТ-2:

МПБ – микропроцессорный блок; РТ – разбавляющий

туннель; К1, К2 – шаровые краны; Д – дроссель;

ПФ – патрон с фильтрами для отбора ТЧ.

После завершения испытаний измеряется масса

ТЧ Mf

, как прирост массы рабочих фильтров за время испытаний. Для контроля параметров Gsam, G

t

exh,

τsam, tf

и управления шаровыми кранами К1 и К2 используется микропроцессорный блок. В ходе испытаний все указанные величины протоколируются и

используются при вычислениях следующих показателей:

а) массовых выбросов ТЧ на отдельных режимах работы дизеля – PТmassi:

Рабочие процессы в ДВС

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2006 71

i exhi

sami

fi

massi q G

M

M

PT = ⋅ ⋅ , г/ч,

где i – индекс режима; Msami = Gsami*τsami – масса

пробы разбавленных ОГ, прошедшей через фильтры

на i-м режиме, г; Gexhi – массовый расход ОГ в выпускной системе дизеля на i-м режиме, г/ч;

б) удельных выбросов ТЧ на отдельных режимах работы дизеля – PT massi :

ei

massi

massi

N

PT

PT = , г/(кВтּч),

где Nei – эффективная мощность дизеля на i-м

режиме, кВт.

Если двигатель испытывается по 13-

ступенчатому, 8-ступенчатому или другому циклу,

то рассчитывают с массовый выброс ТЧ за цикл испытаний:

test

e

test

mass

N

PT

PT = , г/(кВтּч),

∑( )

=

= ⋅

n

i

massi i

test PTmass PT WF

1

, г/ч,

∑( )

=

= ⋅

n

i

ei i

test Ne N WF

1

, кВт,

где test PTmass и test Ne

– средние за цикл массовый

выброс ТЧ и эффективная мощность дизеля; n – число режимов испытательного цикла; WFi

– весовые

факторы режимов испытательного цикла.

Результаты исследований

В ходе подготовки и проведения исследований

был произведен монтаж МКТ-2 на испытательном

стенде дизеля 4ЧН12/14 (рис. 2.). Пробоотборник ТЧ

расположен на осевой линии прямолинейного участка выпускной трубы и направлен навстречу потоку

ОГ. Расстояния до ближайших гидравлических сопротивлений 6 диаметров трубопровода перед пробоотборником ТЧ и 3 – за ним.

Измерения массовых и удельных выбросов ТЧ

проведены на режимах работы, характеризуемых 3-

частотами вращения коленчатого вала дизеля: 1000,

1500 и 2000 мин-1 и 6-ю значениями нагрузки на каждой из частот вращения: 0, 10, 25, 50, 75 и 100 % .

Участок отбора проб

Патрон с

фильтрами

Разбавляющий туннель

Шаровые

краны

Дроссель

Рис. 2. Монтаж МКТ-2 на тормозном стенде дизеля СМД-23

0

20

40

60

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

0 25 50 75 100

PTmass, г/ч PTmass, г/кВт*ч

L, %

1 2 3

1 2 3

Рис. 3. Влияние нагрузки на массовые и удельные

выбросы ТЧ: установка мотора (motorostroitel.com.ua) 1 – n = 1000 мин-1; 2 – n = 1500 мин-1

;

3 – n = 2000 мин-1

.

Рабочие процессы в ДВС

72 ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2006

Влияние нагрузки на выброс ТЧ на исследованных частотах вращения коленчатого вала дизеля показано на рис.3.

По результатам испытаний в соответствии с

Европейским 13-ступенчатым циклом был определен

удельный массовый выброс ТЧ с ОГ дизеля

4ЧН12/14 (СМД-23), значение которого составило

0,639 г/(кВтּч).

Фильтры с отобранными частицами (рис. 4) могут использоваться для дальнейших исследований

структуры ТЧ [6].

А Б В

Стч

= 0,057 г/м3 Стч

= 0,071 г/м3 Стч

= 0,119 г/м3

Рис. 4. Фильтры с ТЧ

Выводы

1. Впервые создан и прошел экспериментальную проверку отечественный образец системы контроля массовых выбросов ТЧ с ОГ дизелей – микротуннель МКТ-2, соответствующий требованиям международных стандартов.

2. С помощью МКТ-2 дана оценка массового

выброса ТЧ с отработавшими газами дизеля

4ЧН12/14 (СМД-23), что подтвердило практическую

пригодность микротуннеля для проведения исследовательских и сертификационных испытаний

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Экология автомобильных двигателей внутреннего сгорания: Уч. пособие / В.А. Звонов, Л.С.

Заиграев, В.И. Черных, А.В. Козлов / Под ред. Звонова В.А. – Луганск: изд-во СНУ им. В. Даля, 2004. –

268 с. 2. Парсаданов И.В. Повышение качества и

конкурентоспособности дизелей на основе комплексного топливно-экологического критерия: Монография.– Харьков: Изд. Центр НТУ «ХПИ», 2003.–

244 с. 3. Regulation № 49. Revision 2. Uniform provision concerning the approval of compression ignition

(C.I.) engines and vehicles equipped with C.I. engines

with the regard to the emission of pollutants by the engine. Geneva, 1992. – 114 p.4. Regulation № 96. Uniform provision concerning the approval of compression

ignition (C.I.) engines to be installed in agricultural and

forestry tractors with regard to the emissions of pollutants by the engine. Geneva, 1995. – 109 p.5. ISO 8178.

Reciprocating internal combustion engines – Exhaust

emission measurement – Part 1: Test – bed measurement

of gaseous and particulate exhaust emissions, 1996. – 94

p.6. Звонов В.А., Корнилов Г.С., Козлов В.А., Симонова Е.А. Оценка и контроль выбросов дисперсных

частиц с отработавшими газами дизелей. – М.: Издательство Прима-Пресс-М, 2005. – 312 с