- конструкция двигателя (форма камеры сгорания, тип охлаждения, топливная аппаратура и др);
- нагрузка двигателя (на каких режимах работает дизель);
- частота вращения коленчатого вала;
- особенность конструкции цилиндро-поршневой группы;
- состояние и конструкция поршневых колец;
- тепловое состояние двигателя;
- параметры окружающей среды и др.
Массовая величина расхода картерных газов на двигателях может достигать 20 г/ч в зависимости от условий их работы и конструктивных особенностей. Желательный уровень расхода, рекомендуемый производителями двигателей, не более 0,5 г/ч. Иначе это отражается на загрязнении газовоздушного тракта, а в двигателях с турбонаддувом - на состоянии агрегата наддува и теплообменника.
В табл. 1 показаны массовый и объемный расходы картерных газов для режимов номинальной мощности и холостого хода современного быстроходного дизеля.
Таблица 1 - Массовые и объемные расходы картерных газов
|
Мощность двигателя, кВт |
280-450 |
|
Массовый расход картерных газов на режиме номинальной мощности, г/ч |
5-10 |
|
Объемный расход картерных газов на режиме номинальной мощности, л/мин |
140-300 |
|
Массовый расход картерных газов на режиме х.х., г/ч |
0,7-5,0 |
|
Объемный расход картерных газов на режиме х х., л/мин |
40-120 |
Дизели мощностью 280-450 кВт имеют объемный расход картерных газов 140-300 л/мин на режиме номинальной нагрузки, что в 4 раза больше расхода на режиме холостого хода. Количество прорывающихся газов постоянно увеличивается в течение всего срока службы двигателя из-за износа поршневых колец и цилиндра. Отмечены случаи восьмикратного увеличения объемного расхода картерных газов от начального количества и достижения уровня выше 1120 л/мин [1]. Это влияет на экологические показатели дизеля [2], особенно при работе его на режимах, близких к номинальному, что свойственно тракторным дизелям.
До 1970 года считалось, что долю выбросов вредных веществ из картера дизеля можно не принимать во внимание, так как уровень их по отношению к компонентам вредных выбросов составлял около 2% углеводорода (СН), 0,2% угарного газа (СО) и 0,05% окислов азота NOx от всех выбросов из двигателя. В настоящее время в связи с большими работами выбросы вредных веществ из выпускной трубы дизелей существенно уменьшились. Это произошло за счет применения каталитических нейтрализаторов отработавших газов (ОГ), системы рециркуляции ОГ и противосажевых фильтров, а также совершенствования рабочего процесса. В то же время уровень выброса картерных газов в дизелях практически остался постоянным. Поэтому доля выбросов картерных газов стала более весомой и может достигать 0,95 г/кВт ч (все компоненты) при различных состояниях двигателя, в том числе и на новых моделях [5].
На ОАО «ВМТЗ» в 2007 г. были проведены исследования штатной системы вентиляции картера серийного дизеля Д120 с целью определения количества прорывающихся газов из надпоршневого пространства в картер двигателя. Испытания показали, что на объемный расход картерных газов существенное влияние оказывает нагрузка двигателя (рис. 1). Максимальный расход имеет место на средних нагрузках и составляет 1500 л/ч при 2000 мин -1 и 1570 л/ч при 1500 мин -1.
Кроме того, было установлено, что на одном и том же режиме время расхода одного и того же объема картерных газов изменяется в процессе эксперимента. Например, время расхода 5 л на режиме 100% нагрузки за время эксперимента может изменяться на 5-8 с (рис. 2).
В ходе эксперимента было определено, что при изменении нагрузки при 2000 мин -1 и 1500 мин -1 нестабильность расхода картерных газов (∆, %) относительно средней величины находится в диапазоне ±15% и ±30% соответственно (рис. 3).
Для снижения выброса картерных газов при работе дизеля необходимо разработать закрытую систему вентиляции картера. Однако применение на дизеле ее, предполагающей перепуск картерных газов во впускной трубопровод, приведет к определенным изменениям характера процессов, происходящих во впускной системе и цилиндре при сгорании топливовоздушной смеси. Поэтому необходимо разработать математическую модель и составить программу расчета цикла дизеля 2Ч10,5/12 с перепуском картерных газов во впускной трубопровод. Учитывая различную степень запыленности воздухоочистителей, с помощью программы можно будет определять текущие показатели, средние за цикл и в выбранный промежуток времени как в массовых, так и в объемных единицах измерения.
|
Рис. 1. Расход картерных газов в зависимости от нагрузки дизеля
|
Рис. 3. Нестабильность времени расхода 5 л картерных газов в зависимости от нагрузки дизеля при n=2000 мин-1 и n=1500 мин-1 |
|
Рис. 2. Стабильность расхода 5 л картерных газов при 100%-ной нагрузке дизеля
|
В ближайшее время ожидается выпуск стандарта SAE (Society of Automotive Engeneers) и ISO (International Organization for Standardization) на нормирование выбросов из картера. На основании этих документов EPA (Environmental Protection Agency) предложило обязать производителей дизелей прекратить использовать открытые системы вентиляции картера (ОСВК) и перейти на закрытые системы (ЗСВК). В Японии уже изданы JAMA (Japan Automobile Manufacturers Association, Inc.) нормы, требующие использовать ЗСВК.
В настоящее время некоторые американские и европейские производители двигателей добровольно устанавливают ЗСВК на производимые дизели для грузовых автомобилей и внедорожной техники, как средство, делающее работу двигателя менее токсичной [2].
На ОАО «ВМТЗ» проведены сравнительные испытания серийного дизеля Д120 с перепуском картерных газов обратно в цилиндры и без перепуска. Установлено заметное влияние перепуска на дымность ОГ при n = 2000 мин-1 (рис. 4, где нанесена кривая изменения концентрации оксидов азота). Дымность N ОГ уменьшилась в 2,1 раза при нагрузке двигателя свыше 60%.
Аналогичный характер зависимости дымности и выбросов NOx имеет место и при частоте вращения коленчатого вала n = 1500 мин-1 (рис. 5). Дымность N ОГ уменьшается в 1,17 раза при нагрузке двигателя свыше 60%.
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4. Зависимость концентрации NOx и дымности ОГ N от нагрузки двигателя при n=2000 мин-1 с ОСВК и ЗСВК. |
Рис. 5. Зависимость концентрации NOx и дымности ОГ N от нагрузки двигателя при n=1500 мин-1 с ОСВК и ЗСВК. |
Зависимость выбросов углеводородов CH и оксида углерода СО от нагрузки при n=2000 мин-1 и n=1500 мин-1 приведена на рис. 6 и 7.
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6. Зависимость концентрации CO и CH в ОГ от нагрузки двигателя при n=2000 мин-1 с ОСВК и ЗСВК. |
Рис. 7. Зависимость концентрации CO и CH в ОГ от нагрузки двигателя при n=1500 мин-1 с ОСВК и ЗСВК. |
Исходя из результатов испытаний, можно сделать вывод, что перепуск картерных газов снижает дымность дизеля, а степень влияния на такие экологические показатели, как СО, СН и Nox, несущественна, поскольку они незначительно отличаются от показателей дизеля без перепуска картерных газов.
Теории расчета расхода катерных газов через систему вентиляции, обеспечивающей приемлемое совпадение с результатами эксперимента, не существует. Объясняется это, прежде всего, трудностями аналитического определения количества прорывающихся газов через поршневую группу, а также сложностью процессов перемешивания этих газов с масляным туманом в картерной части двигателя и последующей эвакуации образующейся смеси [3].
В работах [6; 7] предложена эмпирическая зависимость для приблизительной оценки расхода картерных газов двигателем на режиме максимальной мощности:
Q = Ne / k, л/мин,
где Ne - номинальная мощность двигателя, л.с.; k - коэффициент пропорциональности, равный 3,54 л.с∙ч/м3.
Расчеты, выполненные по этой формуле, показали, что погрешность может достигать 16% [4].
В связи с этим потребуется разработка математической модели цикла дизеля с закрытой системой вентиляции картера, предполагающей перепуск картерных газов во впускной трубопровод.
Рецензенты
Житников Б.Ю., д.т.н., профессор кафедры специальной техники и информационных технологий ФКОУ ВПО «ВЮИ ФСИН России», г. Владимир.
Кульчицкий А.Р., д.т.н., профессор, заместитель главного конструктора по испытаниям ООО «Владимирский моторо-тракторный завод», г. Владимир.