Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

О РАСХОДЕ КАРТЕРНЫХ ГАЗОВ БЫСТРОХОДНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Гаврилов А.А. 1 Морозов В.В. 1 Сысоев С.Н. 1
1 ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», Владимир
Проведен анализ расхода картерных газов серийного тракторного дизеля 2Ч 10,5/12 и факторов, влияющих на величину расхода на основании моторных стендовых испытаний. Показано, что массовая величина расхода картерных газов может достигать свыше 20 г/ч при желательном производителями двигателей – не более 0,5 г/ч. Дизели большой мощности 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. Расход картерных газов увеличивается в течение всего срока службы дизеля. В связи с принимаемыми в настоящее время мерами по снижению выброса вредных веществ в атмосферу необходимо при проектировании новых и модернизации выпускаемых дизелей использовать закрытую вентиляцию картера. На основании проведенных исследований даны рекомендации по снижению выброса картерных газов.
вредные вещества
расход
картерные газы
1. Венцель С.В. Применение смазочных масел в двигателях внутреннего сгорания. – М. : Химия, 1979. – 240 с.
2. Волков М.Ю. Влияние перепуска картерных газов во впускной тракт на экологические показатели дизеля // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. А.Н. Гоца. Владим. гос. ун-т. – Владимир, 2008. – С. 128-131.
3. Волков М.Ю. О системах вентиляции картера дизеля для легковых автомобилей и внедорожной техники // Материалы докладов XV Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». – М. : Изд. МГУ, 2008. – С. 23-24.
4. Волков М.Ю. Рециркуляция картерных газов во впускной тракт дизеля // Известия вузов. Серия «Машиностроение». – 2008. – № 10. – С. 23-24.
5. Волков М.Ю., Гаврилов А.А. Расход картерных газов быстроходных дизелей // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. А.Н. Гоца. Владим. гос. ун-т. – Владимир, 2008. – С. 126-128.
6. Волков М.Ю., Гаврилов А.А., Гоц А.Н. Математическая модель цикла дизеля с закрытой системой вентиляции картера // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей : материалы XII Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. А.Н. Гоца. Владим. гос. ун-т. – Владимир, 2010. – С. 98-100.
7. Тракторные дизели : справочник / Б.А. Взоров, А.А. Адамович, А.Г. Арабян и др. ; под общ. ред. Б.А. Взорова. – М. : Машиностроение, 1981. – 535 с.
На величину расхода картерных газов дизелей (особенно тракторных, работающих в более тяжелых условиях, чем автомобильные) влияют многочисленные факторы, основными из которых являются [5]:
  • 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.

pic

Рис. 1. Расход картерных газов в зависимости от нагрузки дизеля

f

pic

Рис. 3. Нестабильность времени расхода 5 л картерных газов в зависимости от нагрузки дизеля при n=2000 мин-1 и n=1500 мин-1

pic

Рис. 2. Стабильность расхода

5 л картерных газов

при 100%-ной нагрузке дизеля

f

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%.

pic

pic

f

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.

pic

pic

f

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.


Библиографическая ссылка

Гаврилов А.А., Морозов В.В., Сысоев С.Н. О РАСХОДЕ КАРТЕРНЫХ ГАЗОВ БЫСТРОХОДНЫХ ДИЗЕЛЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 4. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6486 (дата обращения: 25.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074