Проблема расширения использования топлив ненефтяного происхождения в автомобильных и тракторных дизелях с каждым годом становится все более актуальной. И эта тенденция характерна не только для нашей страны, но и для мирового двигателестроения в целом. На сегодняшний день специалисты выделяют несколько наиболее перспективных, с точки зрения замены нефтяного, топлив, в том числе газомоторные, спиртовые топлива и топлива, получаемые на основе переработки растительного сырья. Наиболее дешевым из всех видов альтернативных топлив остается природный газ, поскольку он не требует дорогостоящей переработки и подготовки к использованию в ДВС, а объемы его запасов позволяют уверенно говорить о длительной перспективе его применения.
Несмотря на необходимость внедрения ряда технических решений и особенности применения природного газа в дизелях, изначально созданных для работы только на дизельном топливе, КПГ имеет целый ряд преимуществ, в том числе и с точки зрения снижения отрицательной нагрузки на окружающую среду.
Результаты анализа отечественных наработок, а также мирового опыта и известные данные других исследователей дают все основания предполагать, что при учете отличительных физико-химических свойств КПГ можно добиться эффективной организации рабочего процесса в существующих и выпускаемых дизелях.
В соответствии с методикой стендовых испытаний, разработанной на кафедре тепловых двигателей, автомобилей и тракторов, нами были проведены испытания дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 по исследованию влияния применения природного газа на его экологические показатели.
Изменение экологических показателей наддувного дизеля 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при работе по дизельному и газодизельному процессам при частоте вращения n = 2400 мин-1 и Θвпр = 11о п. к.в. представлено на рис. 1,а.
Из представленных графиков видно, что при работе по дизельному процессу при увеличении нагрузки от 0,12 до 0,88 МПа содержание оксидов азота NOx в ОГ возрастает от 160 до 185 ppm, т. е. на 15,6 %, содержание углеводородов СН при этом снижается с 0,025 до 0,010 %, т. е. в 2,5 раза, дымность ОГ возрастает от 0,9 до 2,6 ед. по шкале Bosch, т. е. в 2,9 раза, при этом содержание оксида углерода СО сначала возрастает от 0,035 % при ре = 0,12 МПа до 0,049 % при ре = 0,7 МПа, т. е. на 40 %, а затем снижается до 0,047 % при ре = 0,88 МПа.
При работе по газодизельному процессу при изменении нагрузки от 0,12 до 0,85 МПа содержание NOx в ОГ возрастает от 165 до 170 ppm, т. е. на 3 %, содержание СН снижается с 1,6 до 0,2 %, т. е. в 8 раз, дымность ОГ практически не изменяется и составляет около 0,1 ед. по шкале Bosch, а содержание СО сначала возрастает от 0,059 % при ре = 0,13 МПа до 0,066 % при ре = 0,3 МПа, т. е. на 11,9 %, а затем снижается до 0,039 % при ре = 0,85 МПа, т. е. на 40,9 %.
При переходе с дизельного на газодизельный процесс при номинальной нагрузке ре = 0,84 МПа и значении установочного Θвпр = 11о п. к.в., принятого нами за оптимальный, содержание NOx в ОГ снижается со 183 до 170 ppm, т. е. на 8 %, дымность снижается с 2,5 до 0,1 ед. по шкале Bosch, т. е. на 96 %, содержание СО снижается с 0,047 до 0,039 %, т. е. в 1,2 раза, при этом содержание СН в ОГ возрастает от 0,01 до 0,20 %, т. е. в 20 раз.
Следует отметить, что при переходе на газодизельный процесс возрастает содержание углеводородов СН в ОГ в несколько раз, особенно на режиме малой нагрузки. Это связано с тем, что при значительном обеднении смеси на режимах малых нагрузок ухудшается процесс сгорания топливовоздушной смеси.
а
б
Рис. 1. Влияние применения природного газа на экологические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при Θвпр = 11о п. к.в.: а — n = 2400 мин-1; б — n = 1900 мин-1; 
— дизельный процесс; — - — - — - газодизельный процесс
При этом происходит увеличение процентного содержания продуктов неполного сгорания в ОГ. Также при работе по газодизельному процессу возрастает содержание оксида углерода СО в ОГ, особенно на режимах малых нагрузок. Так, при ре = 0,13 МПа содержание СО в ОГ дизеля составляет 0,035 %, а газодизеля — 0,059 %, что на 63,9 % больше. Однако при ре = 0,7 МПа содержание СО в ОГ дизеля и газодизеля становится практически одинаковым, а при дальнейшем увеличении нагрузки содержание СО в ОГ газодизеля становится меньше, чем у дизеля.
Изменение экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при частоте вращения n = 1900 мин-1 и Θвпр = 11о п. к.в. представлено на рис. 1,б.
При работе по дизельному процессу при изменении нагрузки от 0,13 до 0,92 МПа содержание NOx в ОГ возрастает от 169 до 230 ppm, т. е. на 36,1 %, содержание СН снижается с 0,024 до 0,008 %, т. е. в 3 раза, дымность ОГ возрастает от 0,5 до 2,0 ед. по шкале Bosch, т. е. в 4 раза, содержание СО сначала возрастает, достигая максимума 0,047 % при ре = 0,45 МПа, а затем плавно снижается и при ре = 0,92 МПа составляет уже 0,041 %, т. е. снижение составило 12,8 %.
При работе по газодизельному процессу при изменении нагрузки от 0,13 до 0,85 МПа содержание NOx в ОГ возрастает от 166 до 190 ppm, т. е. на 14,5 %, содержание СН снижается с 0,53 до 0,17 %, т. е. в 3,1 раза, дымность ОГ газодизеля практически постоянна и не зависит от нагрузки и составляет 0,1...0,2 ед. по шкале Bosch, содержание СО при этом снижается с 0,066 до 0,050 %, т. е. в 1,3 раза.
При ре = 0,84 МПа содержание оксидов азота NOx при переходе с дизельного на газодизельный процесс снижается с 228 до 190 ppm, то есть на 16,7 %, содержание СО возрастает с 0,042 до 0,050 %, то есть на 19 %. Дымность ОГ снижается с 2 до 0,1 ед. по шкале Bosch, т. е. на 95 %, при этом содержание СН в ОГ возрастает 0,009 до 0,17 %, т. е. в 18,8 раза. Такое значительное снижение содержания сажи в ОГ газодизеля можно объяснить тем, что газодизель с турбонаддувом работает с высоким коэффициентом избытка воздуха, сильной турбулизацией заряда, обеспечивающими практически полное выгорание сажевых частиц в зонах КС с высокой температурой и избытком окислителя. Проблему повышенного содержания в ОГ несгоревших углеводородов СН можно решить путем установки каталитического нейтрализатора ОГ.
Литература:
1. Лиханов, В.А., Россохин, А. В. Исследование процессов сажеобразования и сажесодержания в цилиндре быстроходного дизеля с турбонаддувом Д-245.12С при работе на компримированном природном газе // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 223–226.
2. Лиханов В. А., Россохин А. В. Оценка влияния режимов работы дизеля Д-245.12С на дымность отработавших газов при работе на нефтяном и альтернативных топливах // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 226–229.
3. Софронов М. В., Россохин А. В. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на экологические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от нагрузки // Сборник: молодежная наука 2014: технологии, инновации материалы всероссийской научно-практической конференции, молодых ученых, аспирантов и студентов. Пермь, 2014. с. 104–107.
4. Софронов М. В., Тимшин Д. И., Россохин А. В. Влияние применения ЭТЭ на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала // Сборник: молодежная наука 2014: технологии, инновации материалы всероссийской научно-практической конференции, молодых ученых, аспирантов и студентов. Пермь, 2014. с. 107–109.
5. Россохин А. В. Показатели процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла поворота коленчатого вала // Сборник: молодежная наука 2014: технологии, инновации материалы всероссийской научно-практической конференции, молодых ученых, аспирантов и студентов. Пермь, 2014. с. 98–101.
6. Лиханов В. А., Россохин А. В. Особенности теплообмена излучением в цилиндре дизелей при работе на газомоторном топливе // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 10–1. с. 14–17.
7. Кузьмин В. А., Заграй И. А., Россохин А. В., Рукавишникова Р. В. Определение размеров частиц сажи на различных участках системы выпуска дизеля // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2013. № 11–12. с. 3–10.
8. Лиханов В. А., Россохин А. В., Чупраков А. И. Снижение выбросов сажи с отработавшими газами дизелей путем применения альтернативных топлив // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 9. с. 13–16.
9. Лиханов В. А., Россохин А. В., Чупраков А. И. Особенности работы автотранспортного дизеля на этаноло-топливной эмульсии // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 9. с. 16–19.
10. Лиханов В. А., Россохин А. В., Полевщиков А. С. Влияние этанола на показатели дизеля Д21А1 // Автомобильная промышленность. 2011. № 12. с. 26–27.
11. Россохин А. В. Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения дымности отработавших газов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Санкт-Петербург, 2006.
12. Россохин А. В. Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения дымности отработавших газов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Киров, 2006.
13. Лиханов В. А., Лопарев А. А., Рудаков Л. В., Россохин А. В. Улучшение эффективных показателей дизеля с турбонаддувом путем применения природного газа // Тракторы и сельхозмашины. 2006. № 12. с. 15–19.
14. Лиханов В. А., Россохин А. В., Олейник М. А., Рудаков Л. В. Улучшение экологических показателей дизеля с турбонaддyвом путем применения природного газа // Тракторы и сельхозмашины. 2006. № 9. с. 8–10.
