Снижение токсичности и дымности отработавших газов ДВС

Снижение токсичности и дымности ОГ ДВС представляет собой сложную научно-техническую задачу. Необходимость ее решения диктуется нормативно-законодательными требованиями, которые становятся все более жесткими. Зачастую их выполнение вынуж­дает снижать экономические и энергетические показатели дизеля. Однако главные трудности обеспечения экологической безопасно­сти ДВС связаны с селективностью компонентов ОГ Другими сло­вами, способы снижения токсичности дифференцированы по от­ношению к вредным компонентам ОГ. Например, мероприятия, на­правленные на снижение NO_х не оказывают положительного влияния на СО и СН_х, а по отношению к выбросам сажи дают об­ратный эффект. Поэтому выбор того или иного способа улучшения экологичности ДВС всегда сопровождается поиском компромисса между токсичностью, дымностью топливной экономичностью и за­тратами на реализацию способа.

Снижение токсичности и дымности ОГ возможно за счет:

-  воздействия на внутрицилиндровые процессы образования вредных компонентов.

-  очистки ОГ от вредных компонентов вне двигателя с помо­щью специальных устройств,

-  улучшения качества топлива;

-  уменьшения расхода топлива.

8.1 Воздействия на внутрицилиндровые процессы образования вредных компонентов

Способы снижения вредных компонентов непосредственно в процессе их образования в цилиндре двигателя принято считать первичными.

Среди множества первичных способов отметим ре­циркуляцию ОГ и подачу воды. Выбор именно этих способов объ­ясняется просто: они позволяют весьма

доступно и эффективно воздействовать на образование оксидов азота в широком диапазо­не. Механизм воздействия вытекает из термического характера реакции

окисления азота или, проще говоря, оксиды NО_х, получа­ются только при высокой температуре. Следовательно, снижая скорость тепловыделения, т.е. добиваясь, чтобы процесс сгорания топлива протекал при более низкой температуре, можно ограни­чить количество NО_х, в ОГ.

Рециркуляция осуществляется посредством перепуска ОГ из коллектора в ресивер (рис. 8.1) Степенью рециркуляции называют отношение

где  - масса перепускаемого газа и воздуха в цилиндре двигателя

Рис 8.1 – Принципиальная схема рециркуляции ОГ: 1 – дизель; 2 - охладитель; 3 - компрессор; 4 - клапан; 5 - блок управления; 6 - фильтр; 7 – турбина.

Рециркуляция газов замедляет процесс сгорания топлива и в конечном счете, приводит к резкому уменьшению выбросов NО_x (рис. 8.2) Вместе с уменьшением оксидов азота растет выход продуктов неполного сгорания (в частности, сажи) и ухудшается топливная экономичность дизеля. Особенно ощутимы эти сопутст­вующие рециркуляции негативные явления на полных нагрузках. По этой причине перепуск газов экономически оправдан лишь на долевых режимах ДВС и при степени рециркуляции на уровне 12÷20%. Обычно величину оптимизируют путем управления перепускным клапаном в зависимости от нагрузки, частоты враще­ния, топливной экономичности, концентрации NO_x и С. Рецирку­ляция газов получила наибольшее распространение в автомоби­лях, в судовых ДВС она встречается пока редко по причине боль­шого количества твердых частиц, содержащихся в ОГ. Эти части­цы поступая в цилиндр вместе с рециркулирующим газом, увели­чивают его износ.

Рис 8.2 – Выбросы NO_х и сажи в зависимости от степени рециркуляции: 1 – NO_х; 2 – сажа.

Подача воды в камеру сгорания осуществляется либо увлаж­нением всасывающего воздуха, либо прямым впрыском. В первом случае вода орошает проходящий воздух, а во втором - она впры­скивается вместе с топливом в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ), или осуществляется раздельный впрыск: сначала вода, за­тем топливо (рис 8.3). Подача воды уменьшает выбросы NO_х и это уменьшение примерно пропорционально количеству воды в топливе. Одновременно с NO_х снижаются дымностъ ОГ и выход СО. Таким образом, добавка воды к топливу благоприятно отра­жается на экологических показателях дизеля. Между тем исполь­зование ВТЭ с содержанием воды до 40% наталкивается на ряд технических трудностей. Главные из них:

- приготовление ВТЭ требуемой дисперсности с размерами частиц воды 1÷2 мкм.

-  достижение стабильности ВТЭ. Под стабильностью понимают время расслоения эмульсии. Стабильность на основе дизельного топлива составляет менее одного часа;

-  получение ВТЭ с оптимальным содержанием воды в зависи­мости от нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого ва­ла;

-  появление коррозии и увеличенного износа