INFLUENCE OF USING ALTERNATIVE TYPES OF FUEL ON CHARACTERISTICS OF WORKING PROCESSES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES
Authors:
1.
Siberian Transport University
2.
Siberian Transport University
3.
Siberian Transport University
Type:
Article
Pages:
from 24
to 32
Status:
Published
Received:
20.02.2018
Accepted:
25.02.2018
Published:
25.02.2018
Subject area:
UDK 621.43.05
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
alternative fuels, diesel-powered internal combustion engines, kinetic burning processes, heat-producing capacity, vibration load, hydrogenous synthesis gas
Abstract (English):
In application of alternative types of fuel it is necessary to consider the influence of changing specific heat of fuel combustion and a process of fuel supply on parameters of working processes and external characteristics of internal combustion engines. Besides, it is necessary to consider a possible emergence of backfires in the inlet pipeline and increasing concentration of nitrogen oxides as temperature raises in the combustion chamber. It is offered to consider the influence of changing the kinetics of fuel burning under the change of fuel-air mixture composition on the process of pressure rise in the combustion chamber and, therefore, on the speed and acceleration of the piston, size of an impulse of moving parts, parameters of irregularity of rotating speed and vibration loading of the engine. In terms of using hydrogenous synthesis gas, there has been carried out the analysis of possible influence of its main components on parameters of working process of the engine. The results of theoretical calculation of an increase of combustion heat of working mixture and of pilot testing prove an increase of combustion heat and decrease of total fuel consumption at different levels of feeding synthesis gas to the engine intake manifold. The need to observe a certain proportion of hydrogen supply relative to the main hydrocarbon fuel has been noted. The research results prove that changing characteristics of the fuel used leads to a change of a type of vibration load of the power unit.
In application of alternative types of fuel it is necessary to consider the influence of changing specific heat of fuel combustion and a process of fuel supply on parameters of working processes and external characteristics of internal combustion engines. Besides, it is necessary to consider a possible emergence of backfires in the inlet pipeline and increasing concentration of nitrogen oxides as temperature raises in the combustion chamber. It is offered to consider the influence of changing the kinetics of fuel burning under the change of fuel-air mixture composition on the process of pressure rise in the combustion chamber and, therefore, on the speed and acceleration of the piston, size of an impulse of moving parts, parameters of irregularity of rotating speed and vibration loading of the engine. In terms of using hydrogenous synthesis gas, there has been carried out the analysis of possible influence of its main components on parameters of working process of the engine. The results of theoretical calculation of an increase of combustion heat of working mixture and of pilot testing prove an increase of combustion heat and decrease of total fuel consumption at different levels of feeding synthesis gas to the engine intake manifold. The need to observe a certain proportion of hydrogen supply relative to the main hydrocarbon fuel has been noted. The research results prove that changing characteristics of the fuel used leads to a change of a type of vibration load of the power unit.
Keywords:
alternative fuels, diesel-powered internal combustion engines, kinetic burning processes, heat-producing capacity, vibration load, hydrogenous synthesis gas
alternative fuels, diesel-powered internal combustion engines, kinetic burning processes, heat-producing capacity, vibration load, hydrogenous synthesis gas
Состояние проблемы Диктуемая развитием научно-технического прогресса необходимость экономии энергоресурсов и сокращения уровня вредных выбросов в атмосферу при эксплуатации энергетических установок указывает на неизбежность замены традиционных видов топлива более эффективными источниками энергии. Оптимальной заменой применяющихся в настоящее время углеводородов может служить водородное топливо, однако перевод двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на водород или водородсодержащее топливо является достаточно сложным процессом, требующим перестройки целого ряда отраслей промышленности и принципов эксплуатации транспортных средств. Поэтому данный процесс следует реализовывать поэтапно, причем первым этапом следует считать обеспечение возможности эффективной работы двигателей на основе различных способов добавок водорода к основному топливу [1-3]. Ограниченность сведений об особенностях горения углеводородного топлива с добавками водорода в дизельных ДВС требует изучения вопросов влияния добавок водородсодержащих топлив на показатели рабочих процессов [1]. Одна из не решенных на данный момент проблем использования водородного топлива - это образование обратных вспышек, ведущих к потере мощности и опасности воспламенения находящейся во впускном патрубке топливовоздушной смеси. Причины этих вспышек могут быть различными. Можно предположить, что в ДВС с воспламенением от сжатия вспышки происходят при соприкосновении смеси, содержащей воздух и водород в определенной концентрации, с нагретым выпускным клапаном или с горячими отработавшими газами в моменты перекрытия клапанов. Подача водородного топлива непосредственно в камеру сгорания, как правило, позволяет устранить это явление, но требует сложных технологических решений с внесением радикальных изменений в конструкцию двигателя. Кроме того, необходим учет влияния изменения удельной теплоты сгорания и способа подачи альтернативного топлива на мощностные, экономические показатели и пусковые качества дизельных двигателей, а также на работу в режимах малых и неустановившихся нагрузок и переходных режимах. Изменение теплоты сгорания топлива ведет и к изменению токсичности отработавших газов. Например, образование оксидов азота (одного из наиболее вредных для здоровья человека продуктов горения) носит преимущественно термический характер, поэтому для уменьшения содержания данных токсичных компонентов необходимо снижение максимальной температуры рабочего цикла [4]. Поскольку водород обладает более высокой по отношению к дизельному углеводородному топливу температурой сгорания, то, помимо несомненных преимуществ, при чрезмерном увеличении доли водорода возрастает содержание окислов азота в продуктах сгорания и значительно повышается жесткость работы, ведущая, соответственно, к увеличению скорости износа деталей двигателя [5-8]. Следовательно, необходима оптимизация количества добавок водорода и способов его подачи в цилиндры ДВС на основе анализа изменения параметров рабочих процессов двигателя. Это утверждение является справедливым для любого из альтернативных топлив. Имея представление о базовой модели внутрицилиндровых процессов сгорания топлива, можно более эффективно совершенствовать энергетические установки путем применения новых видов топлива при одновременном снижении токсичности отработавших газов и повышении топливной экономичности. Частичная конвертация углеводородного топлива в водородсодержащий синтез-газ как новое направление перехода к водородной энергетике на транспорте Одним из наиболее реалистических способов обеспечения поэтапного перехода к водородной энергетике в транспортной отрасли является производство синтез-газа, содержащего в своем составе водород и окись углерода, непосредственно на борту транспортного средства, с использованием каталитического риформинга части основного (газообразного или жидкого) углеводородного топлива энергетической установки. Компоненты, входящие в состав синтез-газа, могут оказывать положительное влияние на параметры рабочих процессов ДВС [9]. Известны положительные результаты использования каталитических генераторов синтез-газа в двигателях, работающих на природном газе или бензине [10-12]. В Сибирском государственном университете путей сообщения совместно с Институтом катализа имени Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук были проведены экспериментальные исследования по использованию добавок водородсодержащего синтез-газа также и на дизельных ДВС [13-15]. При подаче топлива в цилиндры дизельного ДВС вследствие изменения момента самовоспламенения распыленного топлива возможно изменение временных и скоростных параметров распространения фронта пламени и нарастание давления в цилиндрах, что вызывает фазовые сдвиги между заданным положением органа топливоподачи и фактическим началом такта расширения. Этот фазовый сдвиг целесообразно учитывать для обеспечения необходимой степени неравномерности крутящего момента при работе двигателя в условиях как установившихся, так и неустановившихся режимов. На момент достижения максимальной скорости сгорания топлива, определяющей кинематику движения деталей кривошипно-шатунного механизма, влияет величина показателя характера сгорания топлива, зависящего, в свою очередь, от типа применяемого топлива [16, 17]. Кинетика процессов сгорания топлива не только зависит от скорости изменения объема рабочего тела в цилиндре двигателя, но и оказывает обратное влияние на скорость поршня. Следовательно, при условно адиабатическом процессе сгорания топлива в цилиндрах ДВС, описываемом известным уравнением термодинамики , различный характер повышения давления в камере сгорания вызывает и отличия в скорости и ускорении поршня и величине импульса движущихся деталей. Это, в том числе, вызывает изменение параметров неравномерности частоты вращения и вибрационной нагруженности двигателя. Обычно при динамических расчетах ДВС скорость поршня принимается постоянной, равной средней величине, но в различные моменты времени или при различных углах поворота коленчатого вала, а также в зависимости от протекания процесса выгорания топлива и нарастания давления, она в действительности принимает различные значения. Отличия в кинетических процессах горения топлива, вызванные химическим составом и качеством топлива, а также конструктивными параметрами ДВС, вызывают изменение рабочих процессов в связи с тем, что скорость распространения пламени для каждой конкретной горючей смеси зависит не только от ее состава, но и от температуры, влажности и других факторов [17, 18]. Водородное топливо, в отличие от дизельного, имеет несомненные преимущества. Для сгорания 1 моля традиционного дизельного топлива требуется 50 молей воздуха, а такое же количество водорода требует для окисления только 2,38 моля воздуха. Необходимо учитывать и тот факт, что при подаче во впускной коллектор водородосодержащего синтез-газа высокие диффузионные свойства водорода (коэффициент диффузии составляет 0,63 см2/с, что превышает коэффициент диффузии традиционных углеводородных топлив в воздухе в 8 раз) обеспечивают повышение гомогенности топливовоздушной смеси, а высокая температура кипения (-253 °С) гарантирует отсутствие жидкой фазы водорода в смеси. Максимальная скорость распространения пламени водорода также гораздо выше, чем у дизельного топлива. Из расчетов следует, что при сгорании 1 кг дизельного топлива выделяется 1 705,73 кДж тепловой энергии. Для водородсодержащего синтез-газа, полученного путем окисления тяжелых углеводородов, теоретический состав полученной газовой смеси представляет собой 50 % окиси углерода (СО) и 50 % водорода (Н2) по объему. При переходе от объемных к массовым единицам получаем, что при сгорании 1 кг водородсодержащего синтез-газа образуется 3 660,18 кДж тепловой энергии. Исходя из данных различных литературных источников, рекомендуемая величина добавки водорода по массе от основного расходуемого топлива не должна превышать 10 % [5, 7, 8]. При этом для одноцилиндровых ДВС требуются меньшие значения подачи водорода, а для многоцилиндровых - большие. Топливная экономичность двигателя определяется величиной цикловой подачи топлива: , где Ne - эффективная мощность двигателя, кВт; ge - удельный эффективный расход топлива, г/(кВт·ч);- тактность ДВС; n - частота вращения коленчатого вала, об/мин; i - число цилиндров. Примем для расчетов условный дизельный ДВС со следующими параметрами: ge = 260 г/(кВт·ч); Ne = 10 кВт; = 0,5; n = 3000 об/мин; i = 4. В данном случае вычисленное значение qц = 3,611 мг/цикл. Построенный теоретический график замещения водородом основного топлива наглядно демонстрирует линейное увеличение роста суммарной теплотворной способности топливной смеси (рис. 1). Рис. 1. Теоретическая зависимость изменения теплотворной способности топливной смеси при добавлении водородсодержащего синтез-газа Такая зависимость позволяет предположить, что использование добавок водородосодержащего синтез-газ позволяет обеспечить экономию основного дизельного топлива даже с учетом его расхода на конвертацию в синтез-газ, поскольку тепловая энергия сгорания увеличивается приблизительно в 4 раза. Но, как уже упоминалось ранее, при увеличении теплоемкости рабочей смеси возникает и нежелательное повышение температуры в камере сгорания. Решить данную проблему способен второй основной компонент водородсодержащего синтез-газа - окись углерода, или угарный газ (СО), являющийся побочным, но важным компонентом при окислении и сгорании углеводородных топлив. Во-первых, в смеси с водородом он способствует понижению взрывоопасности последнего. Во-вторых, при попадании в камеру сгорания большая часть угарного газа в результате процесса горения и выделения дополнительного количества теплоты преобразуется в углекислый газ (СО2), теоретически увеличивая его концентрацию в отработавших газах. Но имеется и положительный эффект от увеличения доли СО2 в цилиндрах ДВС, заключающийся в том, что наличие СО2 при открытии выпускного клапана, сопровождающемся резким снижением давления в камере сгорания, приводит к снижению температуры отработавших газов и, как следствие, к снижению температуры прочих поверхностей, контактирующих с камерой сгорания, в том числе выпускного клапана. Это, в свою очередь, уменьшает возможность воспламенения водородовоздушной смеси во впускном коллекторе. Безусловно, при крайне высоких значениях стехиометрического коэффициента обратные вспышки во впускном коллекторе все же возможны, однако риск их появления заметно снижается. Быстрое охлаждение продуктов сгорания способствует резкому замедлению роста содержания окислов азота NО, особенно при сгорании обедненных топливовоздушных смесей. Кроме того, присутствие водорода в рабочем теле дизельного ДВС снижает интенсивность поверхностного роста сажевых частиц и в высокотемпературной фазе рабочего процесса приводит к генерированию активных частиц, вызывающих окисление сажи. В этом случае водород выступает в качестве химического (каталитического) реагента, способного заметно улучшить экологические показатели энергетических установок [19]. Результаты исследований Экспериментальные исследования, проведенные на двигателях 1Ч 8,2/7,5 (ВСН-7Д) и 4ЧН 9,5/11,5 (HF495ZD), подтвердили снижение суммарного расхода топлива и цикловых подач и, соответственно, реальных значений теплотворной способности рабочей смеси, имеющей в своем составе водородсодержащий синтез-газ (рис. 2, 3). Рис. 2. Экспериментальные данные изменения теплотворной способности топливной смеси дизельного двигателя 1Ч 8,2/7,5 при различных уровнях замещения водородом жидкого топлива Рис. 3. Экспериментальные данные изменения теплотворной способности топливной смеси дизельного двигателя 4ЧН 9,5/11,5 при различных уровнях замещения водородом жидкого топлива Следует отметить, что графики теплотворной способности топлива не имеют четко выраженной линейной зависимости, но близки по характеру к теоретически рассчитанной функции увеличения теплотворной способности смеси, приведенной на рис. 1. Для энергетической многоцилиндровой установки с дизельным двигателем 4ЧН 9,5/11,5 проведенные эксперименты касались не только замещения водородом основного (дизельного) топлива до уровня 10 %, но и дальнейшего увеличения этого показателя. Как показано на рис. 3, темпы роста теплотворной способности смеси изначально относительно стабильны, однако при дальнейшем увеличении подачи синтез-газа относительно расчетного максимального 10 % уровня замещения основного топлива водородом происходит значительное увеличение теплотворной способности смеси, что может оказать негативное влияние на экологичность и долговечность ДВС. При меньших же уровнях подач водородсодержащего синтез-газа эксперименты подтвердили целесообразность предлагаемых технических решений в плане снижения содержания вредных веществ в отработавших газах дизельных двигателей [13]. Использование альтернативных видов топлива, изменяя, как отмечалось ранее, кинетику сгорания топлива, изменяет и параметры неравномерности вращения, а также вибрационные характеристики энергетических установок. Одновременное поступление и последующее окисление жидкого и газообразного топлива изменяет параметры распыления и турбулентность процессов в камере сгорания. Применительно к подаче синтез-газа во впускной коллектор дизельного двигателя это приводит к изменению амплитудно-частотных характеристик энергетической установки. На рис. 4 приведены виброграммы дизель-генератора с двигателем 4ЧН 9,5/11,5 при отсутствии подачи водородсодержащего синтез-газа, а также при его подаче с максимальным исследуемым значением 200 л/мин. Рис. 4. Уровни вибросигнала дизель-генераторной установки: а - при работе на жидком топливе; б - при подаче синтез-газа во впускной коллектор с расходом 200 л/мин Как следует из приведенных иллюстраций, подача синтез-газа, вследствие изменений кинетики горения топлива, изменила характер рабочего процесса и привела к улучшению вибрационной напряженности двигателя по амплитуде, но при этом изменила и частотный спектр колебаний. Выводы 1. При внедрении альтернативных видов топлива необходимо проведение анализа возможных положительных и отрицательных изменений параметров рабочих процессов двигателя. 2. Применение альтернативного топлива приводит к изменению кинетических процессов горения топливной смеси и, как следствие, к изменению тепловой напряженности параметров неравномерности частоты вращения и вибрационной нагруженности двигателя. Применительно к водородному топливу необходимо также решение проблемы отсутствия обратных вспышек во впускном трубопроводе. 3. Наиболее целесообразным направлением поэтапного перехода к водородной энергетике на транспорте является частичная конвертация углеводородного топлива в водородсодержащий синтез-газ. 4. Использование водородсодержащего синтез-газа повышает эксплуатационные характеристики энергетических установок, оснащенных дизельными ДВС, но требует соблюдения определенного пропорционального состава топливной смеси. Превышение допустимого уровня содержания водорода в камере сгорания дизельного ДВС вызывает превышение допустимых пределов температуры горения и приводит к изменению характера вибрационной нагрузки.
1. Vagner V. A. Primenenie al'ternativnyh topliv v DVS // Vestn. Alt. gos. tehn. un-ta im. I. I. Polzunova. 2000. № 2. S. 77-86.
2. Kochergin V. I., Glushkov S. P. Osobennosti resheniya problem obespecheniya bezopasnosti pri realizacii innovacionnyh processov // Vestn. PNIPU. Bezopasnost' i upravlenie riskami. 2016. № 5. S. 203-209.
3. Kochergin V. I. Analiz sostavlyayuschih innovacionnyh processov v tehnicheskih sistemah // Intellekt. Innovacii. Investicii. 2017. № 9. S. 75-78.
4. Belov V. P., Zuev S. P. Primenenie metilovyh efirov rastitel'nyh masel v dizelyah i ih vliyanie na toksichnost' otrabotavshih gazov // Avtomobile- i traktorostroenie v Rossii: prioritety razvitiya i podgotovka kadrov: materialy 77-y Mezhdunar. nauch.-tehn. konf. AAI (Moskva, 27-28 marta 2012 g.). M.: Izd-vo Mosk. gos. mashinostr. un-ta (MAMI), 2012. S. 89-97.
5. Novoselov S.V., Sinicyn V. A. Osobennosti rabochego processa dizelya, rabotayuschego s chastichnym zamescheniem dizel'nogo topliva vodorodom // Polzunovskiy vestnik. 2004. № 1. S. 192-196.
6. Shayahmetov A. B., Baybatyrov V. A. Primenenie vodorodnogo topliva v dizel'nyh dvigatelyah. Vestn. Kazah. nac. tehn. un-ta. 2015. № 1. S. 293-297.
7. Köse H., Ciniviz M. An experimental investigation of effect on diesel engine performance and exhaust emissions of addition at dual fuel mode of hydrogen // Fuel Processing Technology. 2013. № 114. R. 26-34.
8. Christodoulou F., Megaritis A. Experimental investigation of the effects of simultaneous hydrogen and nitrogen addition on the emissions and combustion of a diesel engine // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. № 39. R. 2692-2702.
9. Magidovich L. E., Rumyancev V. V. Obsuzhdenie problemy primeneniya vodoroda na transporte // Dvigatelestroenie. 1984. № 6. S. 54-55.
10. Terent'ev V. Ya., Brizickiy O. F., Hristolyubov A. P., Zolotarskiy I. A., Kirillov V. A., Sobyanin V. A. Razrabotka kompaktnyh ustroystv dlya polucheniya sintez-gaza iz uglevodorodnogo topliva na bortu avtomobilya v celyah povysheniya toplivnoy ekonomichnosti i uluchsheniya ekologicheskih harakteristik avtomobiley // Al'ternativnaya energetika i ekologiya. 2003. № 1. S. 56-57.
11. Sharavin E. A., Aristova E. Yu. Generator sintez-gaza dlya dvigateley vnutrennego sgoraniya // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. 2010. № 8. S. 30-38.
12. Kirillov V. A., Kuzin N. A., Amosov Yu. I., Kireenkov V. V., Sobyanin V. A. Katalizatory konversii uglevodorodnyh i sinteticheskih topliv dlya bortovyh generatorov sintez gaza // Kataliz v promyshlennosti. 2011. № 1. S. 60-67.
13. Glushkov S. P., Kochergin V. I., Krasnikov V. V., Kirpichnikov A. Yu. Uluchshenie ekologicheskih harakteristik sudovyh energeticheskih ustanovok putem primeneniya vodorodsoderzhaschego sintez-gaza // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2017. № 3. S. 44-52.
14. Glushkov S. P., Kochergin V. I., Krasnikov V. V. Vliyanie dobavok vodorodsoderzhaschego sintez-gaza na tehniko-ekonomicheskie pokazateli dizel'nyh dvigateley // Nauch. probl. transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. 2017. № 1-2. S. 130-134.
15. Glushkov S. P., Kosenko D. Yu., Kochergin V. I., Krasnikov V. V. Vliyanie kinetiki goreniya topliva na parametry neravnomernosti vrascheniya sudovyh energeticheskih ustanovok // Morskie intellektual'nye tehnologii. 2017. № 2. S. 35-41.
16. Vibe I. I. Novoe o rabochem cikle dvigateley. Skorost' sgoraniya i rabochiy cikl dvigatelya. M.; Sverdlovsk: Mashgiz, 1962. 272 s.
17. Sharoglazov B. A., Farafontov M. F., Klement'ev V. V. Dvigateli vnutrennego sgoraniya: teoriya, modelirovanie i raschet processov. Chelyabinsk: Izd-vo YuUrGU, 2004. 344 s.
18. Voinov A. N. Sgoranie v bystrohodnyh porshnevyh dvigatelyah. M.: Mashinostroenie, 1977. 277 s.
19. Fomin V. M., Ramzi H. Yu., Hakimov R. R., Shevchenko D. V. Rol' vodoroda kak himicheskogo reagenta v kineticheskom mehanizme uglerodoobrazovaniya v dizele // Vestn. RUDN. Ser.: Inzhenernye issledovaniya. 2011. № 3. S. 91-99.
