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
