ВЛИЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС
Авторы:
1.
Сибирский государственный университет путей сообщения
2.
Сибирский государственный университет путей сообщения
3.
Сибирский государственный университет путей сообщения
Тип:
Статья
Страницы:
с 24
по 32
Статус:
Опубликован
Получено:
20.02.2018
Одобрено:
25.02.2018
Опубликовано:
25.02.2018
Классификаторы:
УДК 621.43.05
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
альтернативные виды топлива, дизельный двигатель внутреннего сгорания, кинетические процессы горения, теплотворная способность, вибрационная нагрузка, водородсодержащий синтез-газ
Аннотация (русский):
При реализации применения альтернативных видов топлива необходимо учитывать влияние изменения удельной теплоты сгорания топлива и способа его подачи на параметры рабочих процессов и внешние характеристики двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, необходимо учитывать возможность появления обратных вспышек во впускном трубопроводе и возможность повышения содержания оксидов азота при увеличении температуры в камере сгорания. Предлагается учитывать также влияние изменения кинетики горения топлива при изменении состава топливовоздушной смеси на характер повышения давления в камере сгорания и, следовательно, на скорость и ускорение поршня, величину импульса движущихся деталей, параметры неравномерности частоты вращения и вибрационную нагруженность двигателя. Применительно к использованию водородсодержащего синтез-газа проведен анализ возможного влияния основных его составляющих на параметры рабочего процесса двигателя. Приведены результаты теоретического расчета повышения теплоты сгорания рабочей смеси и экспериментальных исследований, подтверждающих повышение теплоты сгорания и снижение суммарного расхода топлива при различных уровнях подачи во впускной коллектор двигателя синтез-газа. Отмечена необходимость соблюдения определенной пропорции подачи водорода по отношению к основному углеводородному топливу. Приведены результаты исследований, подтверждающие, что изменение характеристик используемого топлива приводит к изменению характера вибрационной нагрузки энергетической установки.
При реализации применения альтернативных видов топлива необходимо учитывать влияние изменения удельной теплоты сгорания топлива и способа его подачи на параметры рабочих процессов и внешние характеристики двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, необходимо учитывать возможность появления обратных вспышек во впускном трубопроводе и возможность повышения содержания оксидов азота при увеличении температуры в камере сгорания. Предлагается учитывать также влияние изменения кинетики горения топлива при изменении состава топливовоздушной смеси на характер повышения давления в камере сгорания и, следовательно, на скорость и ускорение поршня, величину импульса движущихся деталей, параметры неравномерности частоты вращения и вибрационную нагруженность двигателя. Применительно к использованию водородсодержащего синтез-газа проведен анализ возможного влияния основных его составляющих на параметры рабочего процесса двигателя. Приведены результаты теоретического расчета повышения теплоты сгорания рабочей смеси и экспериментальных исследований, подтверждающих повышение теплоты сгорания и снижение суммарного расхода топлива при различных уровнях подачи во впускной коллектор двигателя синтез-газа. Отмечена необходимость соблюдения определенной пропорции подачи водорода по отношению к основному углеводородному топливу. Приведены результаты исследований, подтверждающие, что изменение характеристик используемого топлива приводит к изменению характера вибрационной нагрузки энергетической установки.
Ключевые слова:
альтернативные виды топлива, дизельный двигатель внутреннего сгорания, кинетические процессы горения, теплотворная способность, вибрационная нагрузка, водородсодержащий синтез-газ
альтернативные виды топлива, дизельный двигатель внутреннего сгорания, кинетические процессы горения, теплотворная способность, вибрационная нагрузка, водородсодержащий синтез-газ
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. Вагнер В. А. Применение альтернативных топлив в ДВС // Вестн. Алт. гос. техн. ун-та им. И. И. Ползунова. 2000. № 2. С. 77-86.
2. Кочергин В. И., Глушков С. П. Особенности решения проблем обеспечения безопасности при реализации инновационных процессов // Вестн. ПНИПУ. Безопасность и управление рисками. 2016. № 5. С. 203-209.
3. Кочергин В. И. Анализ составляющих инновационных процессов в технических системах // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2017. № 9. С. 75-78.
4. Белов В. П., Зуев С. П. Применение метиловых эфиров растительных масел в дизелях и их влияние на токсичность отработавших газов // Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров: материалы 77-й Междунар. науч.-техн. конф. ААИ (Москва, 27-28 марта 2012 г.). М.: Изд-во Моск. гос. машиностр. ун-та (МАМИ), 2012. С. 89-97.
5. Новоселов С.В., Синицын В. А. Особенности рабочего процесса дизеля, работающего с частичным замещением дизельного топлива водородом // Ползуновский вестник. 2004. № 1. С. 192-196.
6. Шаяхметов А. Б., Байбатыров В. А. Применение водородного топлива в дизельных двигателях. Вестн. Казах. нац. техн. ун-та. 2015. № 1. С. 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. Р. 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. Р. 2692-2702.
9. Магидович Л. Е., Румянцев В. В. Обсуждение проблемы применения водорода на транспорте // Двигателестроение. 1984. № 6. С. 54-55.
10. Терентьев В. Я., Бризицкий О. Ф., Христолюбов А. П., Золотарский И. А., Кириллов В. А., Собянин В. А. Разработка компактных устройств для получения синтез-газа из углеводородного топлива на борту автомобиля в целях повышения топливной экономичности и улучшения экологических характеристик автомобилей // Альтернативная энергетика и экология. 2003. № 1. С. 56-57.
11. Шаравин Э. А., Аристова Е. Ю. Генератор синтез-газа для двигателей внутреннего сгорания // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. 2010. № 8. С. 30-38.
12. Кириллов В. А., Кузин Н. А., Амосов Ю. И., Киреенков В. В., Собянин В. А. Катализаторы конверсии углеводородных и синтетических топлив для бортовых генераторов синтез газа // Катализ в промышленности. 2011. № 1. С. 60-67.
13. Глушков С. П., Кочергин В. И., Красников В. В., Кирпичников А. Ю. Улучшение экологических характеристик судовых энергетических установок путем применения водородсодержащего синтез-газа // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2017. № 3. С. 44-52.
14. Глушков С. П., Кочергин В. И., Красников В. В. Влияние добавок водородсодержащего синтез-газа на технико-экономические показатели дизельных двигателей // Науч. пробл. транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2017. № 1-2. С. 130-134.
15. Глушков С. П., Косенко Д. Ю., Кочергин В. И., Красников В. В. Влияние кинетики горения топлива на параметры неравномерности вращения судовых энергетических установок // Морские интеллектуальные технологии. 2017. № 2. С. 35-41.
16. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей. Скорость сгорания и рабочий цикл двигателя. М.; Свердловск: Машгиз, 1962. 272 с.
17. Шароглазов Б. А., Фарафонтов М. Ф., Клементьев В. В. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчет процессов. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. 344 с.
18. Воинов А. Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1977. 277 с.
19. Фомин В. М., Рамзи Х. Ю., Хакимов Р. Р., Шевченко Д. В. Роль водорода как химического реагента в кинетическом механизме углеродообразования в дизеле // Вестн. РУДН. Сер.: Инженерные исследования. 2011. № 3. С. 91-99.
