Влияние добавок водорода на технико-экономические и экологические показатели газовых и дизельных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Влияние добавок водорода на технико-экономические и экологические показатели газовых и дизельных двигателей

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

МИСБАХОВ РИНАТ ШАУКАТОВИЧ

Казань 2010

Диссертация выполнена на кафедре «Теоретические основы теплотехники» Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Научный руководитель: Кандидат технических наук,

доцент Гуреев Виктор Михайлович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор Абдуллин Айрат Лесталевич

Кандидат технических наук,

доцент Ахтариев Марс Рифкатович

Ведущая организация: НТЦ ОАО «КамАЗ»

Защита состоится 16 июня 2010 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КГТУ им. А.Н. Туполева.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева (www.kai.ru).

Автореферат разослан 14 мая 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Анализ тенденций развития мирового топливного рынка указывает на постепенный переход к альтернативным видам топлива вследствие истощения традиционных топливных ресурсов и ужесточения норм на содержание токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Среди альтернативных видов топлива наиболее перспективными при решении поставленных задач по снижению токсичности ОГ и расширению сырьевой базы являются, в первую очередь, природный газ, а в дальнейшей перспективе - водород.

Конвертирование ДВС на вышеперечисленные газовые топлива требует проведения комплексных исследований и большого объема доводочных работ, осложненных отсутствием необходимого справочного материала. Важно свести к минимуму конструктивные и технологические изменения в конструкции двигателя, которые требуют значительных затрат времени и средств. При этом ограничения, накладываемые на конструкцию в силу различного рода причин (технологических, стоимостных, временных и т.д.), вынуждают принимать в ряде случаев неоптимальные решения, ухудшающие достигаемые результаты по экологическим и экономическим показателям двигателей. Применение традиционных методов подавления токсичных компонентов в ОГ (рециркуляция ОГ, каталитические нейтрализаторы) во многом снижает экономические и мощностные характеристики ДВС. Таким образом, в рамках накладываемых ограничений, требуется применение нестандартных методов повышения экологических и экономических характеристик ДВС.

Одним из направлений уменьшения токсичности ОГ и повышения топливной экономичности ДВС является применение водорода, как в чистом виде, так и совместно с углеводородным топливом. Добавка водорода в топливно-воздушную смесь (ТВС) расширяет пределы стабильного воспламенения и горения топлива, увеличивает полноту сгорания, тем самым значительно снижая токсичность выхлопа. Совместное применение мероприятий по обеднению смеси и использованию добавок водорода позволяет добиться существенного повышения эффективности работы двигателя и снижения токсичности ОГ.

К настоящему времени проведенные другими авторами исследования не позволяют выявить минимальное значение массовой доли добавок водорода в ТВС, оказывающее значимое влияние на экологические и технико-экономические показатели газовых и дизельных двигателей. Отсутствует метод определения эффективности применения водорода при работе газопоршневых ДВС на пределе устойчивого горения обедненных ТВС.

Определение величины значения данного параметра и необходимость разработки инженерных методик расчета эффективности применения добавок водорода в зависимости от массовой доли в ТВС являются частью решения проблемы снижения выбросов токсичных компонентов газовыми и дизельными двигателями. Необходимость определения технической, экологической и экономической целесообразности использования добавок водорода в ТВС газовых и дизельных двигателей делает данную работу актуальной.

Цель работы - улучшение технико-экономических и экологических показателей газовых и дизельных двигателей при работе на обедненных смесях воздействием на процесс сгорания минимальной эффективной массовой долей добавки водорода в ТВС, найденной по результатам экспериментальных исследований. Разработка метода определения эффективности применения добавок водорода при работе газового двигателя на пределе устойчивого горения обедненных ТВС.

Задачи исследований:

· экспериментально определить минимальное количество массовой доли водорода в ТВС, а также выявить области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и углу опережения зажигания (УОЗ), в которых наблюдается существенное влияние водорода на технико-экономические и экологические показатели газового и дизельного ДВС;

· разработать метод определения эффективности применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра в, учитывающего повышение полноты сгорания топлива в присутствии водорода и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения ТВС от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода;

· разработать рекомендации по использованию добавок водородного топлива в ТВС двигателей семейства КамАЗ для улучшения их технико-экономических и экологических характеристик.

Научная новизна исследований.

· Определены области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние минимальной массовой доли добавки водорода в ТВС на технико-экономические и экологические показатели газового и дизельного двигателя.

· Разработан метод определения эффективности применения водорода при работе поршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра в и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения метановодородовоздушной смеси от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода.

· Разработаны рекомендации по использованию добавок водородного топлива в ТВС для двигателей семейства КамАЗ.

Методы исследований. При выполнении работы проводился анализ известных литературных данных и результатов работ других исследователей, применялся метод экспериментальных исследований путем снятия регулировочных характеристик по составу смеси и УОЗ, нагрузочных характеристик двигателя, метод эмпирического анализа, статистическая обработка данных и их обобщение на основе имеющихся фундаментальных теоретических представлений о влиянии добавок водорода в ТВС на экологические и технико-экономические показатели ДВС.

Достоверность результатов исследований. Достоверность полученных результатов экспериментальных исследований подтверждена значительным объемом экспериментальных данных, полученных на аттестованной измерительной аппаратуре с оценкой погрешности измерений, статистической обработкой полученных результатов экспериментальных исследований, а также непротиворечивостью полученных данных и зависимостей фундаментальным теоретическим представлениям о влиянии добавок водорода в ТВС на характеристики ДВС.

Научная и практическая значимость исследований.

· Результаты экспериментальных исследований влияния минимальной эффективной массовой доли добавок водорода в ТВС на экологические и технико-экономические характеристики газовых двигателей семейства КАМАЗ позволяют: на режиме холостого хода снизить расход топлива до 29%, выбросы углеводородов СН до 4 раз, оксидов азота NOx до 30%; при n = 1500 мин-1 снизить расход топлива до 35%, выбросы углеводородов СН до 40%, повысить эффективный КПД до 13% и определить область (Ре ? 3 кг/см2, n ? 1500 мин-1) максимальной эффективности добавок водорода в ТВС.

· Разработаны практические рекомендации по добавкам водорода в ТВС двигателей семейства КамАЗ, позволяющие улучшить их технико-экономические и экологические показатели;

· Полученные эмпирические зависимости степени повышения полноты сгорания топлива от коэффициента избытка воздуха позволяют определять эффективность работы газопоршнего ДВС при различных добавках водорода в ТВС и определить границы экономической целесообразности применения добавок водорода.

· Метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной композиции при работе ДВС по регулировочной характеристике по составу смеси при постоянной мощности и оптимальных углах опережения зажигания на основе безразмерного параметра в и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения ТВС от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода позволяет оценить эффективность применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения.

Реализация результатов работы. Результаты экспериментальных исследований использованы в Научно-техническом центре ОАО «КамАЗ», г. Набережные Челны в процессе доводки газовых и дизельных двигателей семейства КамАЗ. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Теоретические основы теплотехники» КГТУ им. А. Н. Туполева в лекционном курсе «Энергетический комплекс промышленных предприятий» для специальности «Энергетика теплотехнологий».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждены на научно-технических семинарах НИИ «Энергоэффективных технологий КГТУ им. А. Н. Туполева», кафедр «Теоретические основы теплотехники», «Автомобильные двигатели и сервис» КГТУ им. А.Н. Туполева и представлены на следующих конференциях: VII Международная научно-практическая конференция «Люди и космос» (Днепропетровск, 2005); Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» (Казань, 2005-2006); Международная научно-техническая конференция «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России» (Казань, 2006-2007); VIII международный симпозиум «Энергоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2007); Первый международный экологический конгресс «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT 2007 (Тольятти, 2007); III международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007).

Личный вклад автора в работу. Автором: разработан метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной композиции при работе ДВС по регулировочной характеристике по составу смеси; получены эмпирические зависимости для параметра в, учитывающего повышение полноты сгорания топлива в присутствии водорода; модифицирована экспериментальная установка для исследования влияния добавок водорода на технико-экономические и экологические характеристики газовых и дизельных двигателей; проведены экспериментальные исследования, обработаны и проанализированы полученные опытные данные.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ из них 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК.

На защиту выносятся следующие положения.

· Результаты экспериментальных исследований влияния добавок водорода на экологические и технико-экономические показатели газовых и дизельных ДВС.

· Метод определения эффективности применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра в и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения ТВС от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода.

· Рекомендации по минимальному количеству добавок водорода в ТВС, оказывающему практическое значимое влияние по улучшению экологических и технико-экономических показателей ДВС.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 201 наименования. Работа изложена на 165 страницах текста иллюстрированного 17 таблицами и 72 рисунками.

Содержание работы

двигатель вал поршневой водород

Во введении представлено общее описание работы, обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и определены задачи исследования.

В первой главе диссертации проведен анализ литературных данных по вопросам эффективности применения, особенностям организации процесса сгорания и перспективам использования водорода, как в чистом виде, так и совместно с углеводородным топливом.

Существенный вклад в развитие направления по применению водорода в ДВС внесли известные российские ученые: В. А. Вагнер, В. А. Звонов, А. И. Гайворонский, Ю. В. Галышев, В. И. Ерохов, Г. Н. Злотин, Н. А. Иващенко, А. А. Капустин, Н. Н. Патрахальцев, А. С. Соколик, В. М. Фомин, А. С. Хачиян, Н. А. Хрипач, А. П. Шайкин и зарубежные ученые Buchner H., Dell R., Lucas G., Bade Shrestha S. O., Karim G. A., Huang Z, Jinhua Wang, Ferran A. Ayala, Inge Saanum и другие.

Анализ исследований показал, что опубликованные работы посвящены главным образом изучению работы бензиновых и дизельных ДВС, как на чистом водороде, так и в топливных композициях с ним. Особенности процессов сгорания метановодородных топливных композиций и влияние наличия свободного водорода в ТВС на технико-экономические и экологические показатели газовых двигателей представлены недостаточно. Отсутствуют работы, посвященные определению минимальной эффективной доли водорода в ТВС, оказывающей значимый эффект на показатели газового двигателя, что особенно актуально в свете отсутствия в России развитой водородной инфраструктуры, а также высокой себестоимости производства и хранения водорода. Отмечено, что выбор оптимального композиционного соотношения метана, дизельного топлива и водорода позволяет при минимальных расходах последнего значительно улучшить экономические и экологические характеристики двигателя на наиболее сложных с точки зрения токсичности и топливной экономичности режимах. Обеднение топливно-воздушной смеси в сочетании с применением добавок водорода, при условии минимизации последнего, промотирует процесс сгорания в начальной фазе и позволяет эффективно решать проблемы устранения пропусков воспламенения и улучшения экологических и технико-экономических характеристик двигателя.

Добавка водорода значительно расширяет пределы устойчивого горения, повышает полноту сгорания, увеличивает скорость распространения ламинарного и турбулентного пламени в основной и заключительной фазах сгорания, уменьшает задержку воспламенения. Однако в рассмотренных исследованиях отсутствует единое понимание влияния на технико-экономические и экологические показатели ДВС доли добавки водорода в ТВС. Данное обстоятельство определило направление исследований, выполненных в настоящей работе.

Критический обзор состояния вопроса позволил определить направление и методы, используемые в исследовании, а также основные задачи, решение которых приведет к достижению поставленной цели.

Во второй главе приведено описание конструкции и измерительного оборудования экспериментального стенда для определения показателей ДВС, методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований и оценка погрешностей измерений.

В качестве объекта испытаний использовались поршневой четырёхтактный двигатель с искровым зажиганием и электронной системой управления КамАЗ 820.52-260, рабочим объёмом Vh = 11,76 л, степенью сжатия = 12, номинальной мощностью Ne=260 кВт, предназначенный для работы на сжатом природном газе, а также поршневой четырёхтактный дизельный двигатель КамАЗ 740.62-280, рабочим объемом Vh = 11,76 л., степенью сжатия =16,5 и номинальной мощностью Ne=280 кВт.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Внешний вид экспериментального стенда

Экспериментальные исследования проводились на испытательном моторном стенде, оборудованном индукторным тормозом и отвечающем требованиям ГОСТ 14846-81. Принци-пиальная схема и внешний вид экспериментального стенда для исследований влияния добавок водорода в ТВС на показатели ДВС представлены на рис. 1, 2.

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментального стенда.

Моторный стенд дополнительно оснащен системами подачи водорода в топливовоздушную смесь (ТВС) газового двигателя КамАЗ 820.52-260 и дизельного двигателя КамАЗ 740.62-280, принципиальные схемы, которых представлены на рис. 3 и 4 соответственно.

Рис. 3. Схема стендовой системы подачи водорода в газовый двигатель КамАЗ 820.52-260, где Н - баллон с водородом, М1-М2 - манометры, Р1-Р2 - редукторы, БФ - блок форсунок, РЕ - расходная емкость, БУФ - блок управления форсунками, АКБ - аккумуляторная батарея.

Рис. 4. Схема стендовой системы подачи водорода в дизельный двигатель КамАЗ 740.62-280, где Н - баллон с водородом, М1-М2 - манометры, РЕ - редуктор.

Система подачи водорода в газовой двигатель работает следующим образом. Водород из баллона высокого давления (Н) через редуктор (Р1, Р2) и блок тарированных форсунок (БФ) подается во впускной коллектор двигателя в сечение, расположенное непосредственно за дроссельной заслонкой. Управление форсунками осуществляется с помощью блока управления форсунками (БУФ), выполненного в виде транзисторного ключа. Расход водорода через систему определяется скважностью (длительностью открытия) форсунок в составе БФ.

Система подачи водорода в дизельный двигатель работает следующим образом. Водород из баллона высокого давления (Н) через редуктор (РЕ) и тарированный жиклер подается во впускной коллектор двигателя в сечение, расположенное непосредственно за охладителем наддувочного воздуха. Расход водорода при этом определяется эффективным сечением жиклера. При проведении исследований использовались 3 жиклера с расходными характеристиками 0.135 кг/ч, 0.19 кг/ч, 0.42 кг/ч.

В ходе проведения испытаний измерялись параметры двигателя, предусмотренные ГОСТ 14846-81, ГОСТ Р41.24-2003. Кроме того, дополнительно проводились измерения следующих величин: расхода воздуха, концентрации оксида углерода СО, концентрации углеводородов СН, концентрации окислов азота NOx, расхода водорода GН, расхода отработавших газов GОГ, угла открытия положения дроссельной заслонки ц, удельного расхода, среднего эффективного давления и др.

Достоверность результатов обеспечивалась многократным повторением экспериментов в ряде выбранных точек, а также статистической обработкой результатов измерений.

Оценка погрешностей измерений показателей двигателя, точность измерения которых не предусмотрена ГОСТ Р41.24-2003, в частности, расхода воздуха и водорода, а также погрешность определения коэффициента избытка воздуха как одного из основных факторов, определяющих эффективность работы двигателя, показала, что относительная погрешность измерения составила для расхода водорода Gн = ± 5%, для расхода воздуха в = ± 2%, для расхода топлива Gг = ± 1%. Суммарная относительная погрешность определения в диапазоне изменений измеряемых величин находится в пределах = 3 - 5 % .

В третьей главе приведены основные результаты экспериментальных исследований влияния добавок водорода в ТВС на экологические и технико-экономические показатели газовых и дизельных ДВС.

Экспериментальные исследования проводились путем снятия регулировочных характеристик по составу смеси и УОЗ, а также нагрузочных характеристик двигателя, как при добавках водорода, так и без них. Оценка влияния добавки водорода на экономические и экологические параметры проводилась методом сравнения с исходными характеристиками, полученными при работе двигателя на чистом топливе. Величина добавок водорода определялась, исходя из существенности получаемого эффекта по экономичности и токсичности ДВС и практической возможностью реализации бортового генератора водорода на заданную производительность.

Для газового двигателя получены следующие результаты:

· При работе двигателя на холостом ходу (ХХ) при коэффициенте избытка воздуха = 1,4 и добавке водорода в количестве Н2=0,16 кг/ч (6% от расхода ПГ) расход ПГ снижается на 29%.

Рис. 5. Регулировочная характеристика по составу смеси (n = 800 мин-1)

Можно предположить, что водород интенсифицирует процесс сгорания топлива, а это приводит к снижению массы потребного свежего заряда (горючей смеси), энергетически необходимого для поддержания заданного режима работы двигателя. Смещение характеристик при добавках водорода в «богатую» сторону связано с тем, что водород, являясь горючим компонентом топливовоздушной смеси, обогащает смесь, и его добавки снижают величину .

· Происходит снижение объёмных выбросов СН в 4 раза, выбросы СО практически не изменяются, а выбросы NOx снижаются на 30%, что хорошо видно на рис. 5. Отмечается снижение выбросов NOх при обогащении смеси.

Полученный эффект объясняется большей температурной равномерностью в цилиндре двигателя в процессе сгорания, что определяется диффузионными свойствами водорода, выравнивающего в целом концентрацию топливной смеси по объёму цилиндра. По этой причине уменьшается количество локальных высокотемпературных центров горения, образование которых свойственно горению обеднённой смеси, а следовательно, и снижается активность образования окислов азота.

· При работе двигателя на нагрузочном режиме n = 1500 мин-1 и нагрузке Ре=1,46 кг/см2 и добавках водорода Н2 = 0,26 и 0,44 кг/ч снижение расхода ПГ при работе по регулировочной характеристике составляет не менее 12%, возрастание эффективного КПД 3,510%, снижение выбросов СН - 40%, но при этом на 52% увеличиваются выбросы NOх;

Рис. 6. Регулировочная характеристика по составу смеси (n = 1500 мин-1)

Результаты исследований, представленные на рис. 6 показали, что добавка водорода в количестве Н2 = 0,26 кг/ч и Н2 = 0,44 кг/ч при работе ДВС на данном режиме приводит к снижению расходов ПГ, воздуха и ОГ в целом. В связи со снижением относительной доли водорода в топливе на данном режиме по сравнению с работой на ХХ уменьшение расхода ПГ снизилось и составляет, например, при = 1,4 и добавке водорода Н2 = 0,26 кг/ч (3% от расхода ПГ) 12%, при = 1,3 и добавке Н2 = 0,44 кг/ч (5% от ПГ) - 18%. Отмечено, что изменение доли Н2 до 3% от расхода ПГ в данном случае приводит к более существенному изменению параметров ДВС, например, снижению расхода ПГ, по сравнению с дальнейшим повышением Н2 (диапазоном 5-8%), что подтверждает известный из испытаний эффект активного действия малых добавок водорода. В частности, результаты исследований показывают, что наибольшее влияние водород оказывает при добавках 3-6%, что связано с активизацией его химического действия на процесс горения углеводородного топлива. С увеличением добавок этот эффект снижается, и действие водорода сводится к простому замещению основного топлива.

Результаты исследований влияния угла опережения зажигания при добавках водорода показали возможность определённой оптимизации показателей двигателя, например, по выбросам СН и NOх, при сохранении экономических показателей, в частности, при добавках водорода и уменьшении УОЗ на режиме n=1500 мин-1 и Ре=1,46 кг/см2 до 10 гр.п.к.в. эффективный КПД увеличивается на величину порядка 11% (при УОЗ=15 гр.п.к.в. это повышение при добавках водорода составляет 5%).

Результаты измерений расхода воздуха, положения дроссельной заслонки и температуры газов перед турбинами в правом и левом рядах цилиндров двигателя показали, что при добавках водорода и любых УОЗ все измеряемые параметры двигателя при постоянной мощности смещаются, практически, эквидистантно в сторону улучшения. Так, расход воздуха уменьшается при УОЗ = 10 гр.п.к.в. на 16%, при УОЗ = 15 гр.п.к.в. на 12%, что способствует снижению общего массового количества ОГ, а следовательно, и нормируемых токсических составляющих.

Отмечено, что добавки водорода наиболее эффективно сказываются при малых УОЗ, что объясняется повышением скорости горения топливовоздушной смеси. Таким образом, водород позволяет уменьшить УОЗ при сохранении эффективности рабочего процесса двигателя, что способствует, как известно, снижению таких токсичных составляющих ОГ, как СО и СН.

Рис. 7 Изменение расхода ПГ по нагрузке (n=1500 мин-1)

Рис. 8 Изменение эффективного КПД

(n = 1500 мин-1, УОЗ = 10 и 15 гр.п.к.в.)



Рис. 9 Нагрузочная характеристика

(n = 1500 мин-1, Ре =1,46 кг/см2, УОЗ = var)

Выявленные экспериментально факты показывают, что добавки водорода в газовой двигатель можно использовать для проведения более эффективных регулировок, способствующих общему улучшению показателей двигателя.

При исследованиях работы двигателя при добавках водорода по нагрузочным характеристикам представленным на рис. 7, 8 получено:

· При n=1500 мин-1 (УОЗ=15 гр.п.к.в.) и добавках водорода в количестве Н2=0,26 и 0,44 кг/ч отмечается значительное снижение расхода ПГ на нагрузках до Ре = 3 кг/см2, в частности, при Ре = 1,46 кг/см2 на 30% при Н2 = 0,26 кг/ч и на 35% при Н2 = 0,44 кг/ч, что увеличивает эффективный КПД на 5 и 13%, соответственно. С ростом нагрузки влияние добавок водорода снижается и составляет по снижению расхода ПГ в среднем 7%. Изменение УОЗ в меньшую сторону приводит к возрастанию Gв и Gг.

· Влияние добавок водорода на показатели токсичности максимально при малых нагрузках, в частности, при Ре = 1,46 кг/см2 (n=1500 мин-1, УОЗ=15 гр.п.к.в.). Снижение выбросов СН происходит в 9 раз и с ростом нагрузки более 3 кг/см2 снижается до 40% (см. рис. 9). При этом с ростом нагрузки при УОЗ=15 гр.п.к.в. выбросы NOх увеличиваются.

· Влияние добавок водорода при работе по нагрузочной характеристике при n=2200 мин-1 (УОЗ=18 гр.п.к.в.) имеет все те же отмеченные тенденции, с меньшим количественным выражением, в частности, снижение расхода ПГ, по мере возрастания нагрузки, составляет от 10 до 2,5% при практическом постоянстве эффективного КПД. Примерно в таких же пределах изменяется и расход воздуха.

Рис. 10 Снижение расхода ПГ при добавках водорода

На рис. 10 приведены графики снижения, в процентах, расхода ПГ при добавках водорода при работе двигателя по нагрузочным характеристикам при частоте вращения вала n = 1500 и 2200 мин-1, из которых можно видеть тенденции и величину снижения расхода газа при активизации рабочего процесса водородом. Наибольшее влияние добавки водорода оказывают при малых нагрузках, и эффект действия снижается с увеличением нагрузки, что связано с уменьшением его относительного количества в рабочей смеси.

Проведенные экспериментальные исследования позволили определить области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние водорода на снижение расхода ПГ и выбросов углеводородов. Потребное количество добавок водорода составляет порядка 4 % от расхода топлива или 0,2 кг/ч.

Полученные в ходе проведения исследований результаты могут использоваться при расчётах показателей токсичности в соответствии с методикой официальной оценки.

Предложен ряд методов совершенствования показателей исследуемого двигателя, в том числе проще всего реализуемый в настоящее время метод с использованием предварительной подготовки смеси ПГ и 3-5% водорода на АЗГС с последующей заправкой данной смесью транспортного средства.

Для дизельного двигателя получены следующие результаты:

· добавка водорода в ТВС принятом диапазоне изменения его расхода не оказывает значимого эффекта на технико-экономические показатели двигателя, что следует из снятой внешней скоростной характеристики дизельного двигателя;

· изменение количества теплоты, подведенной к двигателю, как в случае использования добавки водорода, так и без нее, показал, что общее количество теплоты, подведенное к двигателю на идентичных режимах его

Рис. 11 Изменение эффективного КПД двигателя



Рис. 12 Уменьшение расхода топлива Gт и снижение выбросов СН выраженное в относительных процентах

Рис. 13 Нагрузочная характеристика двигателя (n = 1180 мин-1)

Работы, во всех случаях практически одинаково. Расход дизельного топлива при этом уменьшается пропорционально количеству водорода, добавляемого в двигатель.

· на исследованных режимах работы двигателя при принятых условиях добавка водорода не оказывает практически значимого влияния на эффективный КПД двигателя, что показано на рис. 11;

· применение добавки водорода существенно снижает выбросы углеводородов СН до 40 % при 13-ти ступенчатом цикле испытаний двигателя по ГОСТ Р 41-49-2003;

Интенсивность снижения СН больше на режимах малой нагрузки и ХХ, где отношение водород-дизельное топливо выше. Характер изменения выбросов СН при добавке водорода не меняется, при этом абсолютные значения выбросов СН в массовом выражении при добавке водорода уменьшаются в среднем на 20-50 %. Необходимо отметить, что снижение СН происходит не пропорционально уменьшению расхода топлива, что наглядно видно на рис. 12, где представлены характерное изменение расхода топлива GТ и снижение выбросов СН, выраженное в относительных процентах в зависимости от нагрузки.

· в принятом диапазоне изменения расхода водорода на исследованных режимах добавка водорода оказывает малое влияния на выбросы NOx и СО, что видно на рис. 13;

· результаты испытаний не позволили сделать однозначный вывод о существенном влиянии добавки водорода на выбросы твердых частиц и дымность ОГ, так, при испытании по циклу ESC зафиксировано уменьшение выбросов твердых частиц (Рт) примерно на 30%, в то время как оценка выбросов при добавке водорода на отдельных режимах показывает значительное увеличение Рт.

В четвертой главе представлен метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной композиции при работе ДВС по регулировочной характеристике по составу смеси при постоянной мощности и оптимальных углах опережения зажигания, который позволяет оценивать эффективность применения водорода при работе поршневого двигателя на пределе устойчивого горения ТВС при добавках водорода. Метод расчета соотношения «бензо-водородных» компонентов в топливной композиции, предложенный в работе [169], модифицирован и использован автором для расчета топливных смесей «водород-метан».



Рис. 14 Корреляционная зависимость

В качестве основы при разработке метода принято положение из закона сохранения энергии: количество подведенной с топливом теплоты применительно к горению топливной смеси в цилиндре двигателя разного по соотношению метана и водорода состава, при равенстве совершаемой работы, записывается в виде зависимости:

(1),

где - параметр, учитывающий повышение полноты сгорания метана в присутствии водорода, - расход метана при отсутствии водорода в смеси, - низшая теплотворная способность метана, - расход водорода, - низшая теплотворная способность водорода. После преобразования для смеси «водород-метан» выражение записывается в виде:

(2).

Значения параметров в правой части уравнения (2) определяются экспериментально. В настоящей работе получена экспериментальная зависимость параметра от коэффициента избытка воздуха б () для газового двигателя с рабочим объемом 11,76 л и степенью сжатия , при условии , как регулировочная характеристика по составу смеси при постоянной мощности и оптимальных углах опережения зажигания. Для каждой из различных нагрузок и частот вращения коленчатого вала сняты рабочие характеристики двигателя вплоть до предела устойчивого горения смеси, который определялся по возрастанию расхода топлива (метана) и углеводородов в продуктах сгорания. В результате найдена корреляционная зависимость , представленная на рис. 14, где - абсолютная погрешность результатов измерений , равная 0,05ч0,07.

Анализ распределения экспериментальных значений позволил установить, что эффект влияния добавок водорода зависит от режима работы двигателя.

При постоянном расходе добавки водорода расход метана при постоянной мощности зависит от изменения параметра в, т.е. чем он меньше, тем сильнее снижается . Следовательно, при в = 1, т.е. высоких частотах вращения коленчатого вала и больших нагрузках, водород замещает метан пропорционально своей теплотворной способности.

Таким образом, полученная экспериментальная зависимость параметра в от коэффициента избытка воздуха б представляет собой устойчивую зависимость, которую можно выразить через осредненные значения.

Результат такого осреднения экспериментальных данных методом Гаусса приведен на рис. 14. Формула (3) описывает корреляционную зависимость для холостого хода (кривая 1), формула (4) для режима работы двигателя n = 1500 мин-1 (кривая 2):

(3);

(4).

Расход метана при постоянной мощности и добавках водорода характеризуется параметром , расходом метана , найденного по исходной регулировочной характеристике постоянной мощности, определяемой по стандартной процедуре ее снятия, и добавкой водорода . Дополнительно введено условие, учитывающее изменение пределов горения смеси. В качестве критерия устойчивости горения принята зависимость нижнего предела воспламенения от относительной массовой доли водорода в ТВС, записанная в виде выражения:

(5).

Зависимость (5) содержит неизвестные расходы метана в присутствии водорода и расход водорода . При этом на нижнем пределе воспламенения ш имеет также однозначную зависимость от б.

Формулы (2) и (5) образуют систему уравнений, имеющую единственное решение, удовлетворяющее условию работы ДВС на пределе устойчивого горения топливной смеси. Обе представленные функции зависят от б и определяют границу устойчивого горения бедной смеси, знание которой представляет наибольший практический интерес.

Система уравнений (2) и (5), содержащая расход метана на произвольном режиме работы двигателя, позволяет определить количественный состав топливной композиции, т.е. потребные расходы водорода и метана при постоянной мощности двигателя и организации процесса на нижнем пределе горения метановодоровоздушной смеси (формулы (6), (7)):

(6);

(7).

Соотношение расходов метана и водорода в топливной композиции на пределе устойчивого горения при работе двигателя зависит от законов изменения , ш и . При этом и ш представляются обобщенными зависимостями от б, а характеризует режим работы ДВС по регулировочной характеристике по составу смеси при постоянной мощности и оптимальных углах опережения зажигания.

Хорошая сходимость результатов расчетов и экспериментальных данных свидетельствует о корректности выведенного для данного двигателя закона изменения параметра и вида функции, выбранной для аппроксимации .

Представленный метод расчетов соотношения в смеси массовой доли водорода и метана позволяет определить эффективный КПД газового двигателя. В результате преобразования выражения для (формула (8)) оно записывается в следующем виде:

(8);

(9).

Из выражения (9) следует, что для принятых условий эффективный КПД двигателя является функцией параметра в и расхода метана для режима работы двигателя без добавок водорода. При этом параметр в, описывается обобщенной зависимостью (формулы (3), (4)), которая представляет собой линию устойчивого горения метановодородовоздушной смеси переменного состава. Таким образом, по формуле (9) определяются предельно возможные значения при использовании в качестве топлива метана с возрастающей долей водорода в ТВС.

Сравнение результатов расчета и экспериментального определения двигателя показало, что соответствие экспериментальных и расчетных значений удовлетворительное. Эффективность добавок водорода возрастает с уменьшением нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя, что имеет важное значение для двигателей автомобилей, которые эксплуатируются в основном на режимах частичных нагрузок.

Основные результаты и выводы

1. Экспериментально определено минимальное количество добавок водорода в ТВС для газовых двигателей, а также выявлены области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние добавок водорода на технико-экономические и экологические показатели газового двигателя.

2. Выявлено на основании результатов экспериментальных исследований, что влияние добавки водорода на технико-экономические и экологические показатели двигателя максимально эффективно при малых нагрузках и низких оборотах ДВС (Ре ? 3 кг/см2, n ? 1500 мин-1). На режиме холостого хода применение добавок водорода позволило снизить: расход топлива на 29%; выбросы углеводородов СН до 4 раз; оксидов азота NOx до 30%; при n=1500 мин-1: снизить расход топлива до 35%; повысить эффективный КПД до 13%; снизить объем выбросов углеводородов СН до 40%.

3. Экспериментально определено, что добавка водорода в ТВС дизельного двигателя в объеме, соответствующем газовому двигателю приводит к снижению выбросов углеводородов до 40 % при практически неизменных значениях выбросов NOx и СО и не оказывает существенного влияния на технико-экономические характеристики ДВС и его эффективный КПД.

4. Получены эмпирические зависимости для параметра, характеризующего повышение полноты сгорания метана в присутствии добавок водорода при соответствующих режимах работы двигателя n = 900 мин-1 и n = 1500 мин-1, представленные в виде формул (3) и (4):

,

,

которые позволяют прогнозировать технико-экономические показатели газовых двигателей до пределов устойчивого горения ТВС.

5. Разработан метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной смеси по регулировочной характеристике ДВС по составу смеси на основе безразмерных параметров в и ш, характеризующих повышение полноты сгорания топлива и границу устойчивого горения ТВС, от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода, что позволяет оценивать эффективность применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения.

6. Разработаны рекомендации для использования добавок водородного топлива в ТВС для газовых двигателей семейства КамАЗ.

7. Предложен способ подготовки топливных смесей «метан-водород» в соотношении 96% метана 4% водорода непосредственно на АГЗС.

Список публикаций

Работы, опубликованные в рекомендуемых ВАК журналах:

1. Мисбахов Р.Ш. Экспериментальное исследование влияния добавок водорода в топливо на характеристики газопоршневого двигателя при изменении угла опережения зажигания / Гортышов Ю.Ф., В.М. Гуреев, И.Ф. Гумеров, А.П. Шайкин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2009. - №4. - С. 73-74.

2. Мисбахов Р.Ш. Улучшение экологических и энергетических характеристик газопоршневых двигателей ОАО «КамАЗ» за счет использования добавок водорода / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М. // Известия Самарского научного центра РАН специальный выпуск ELPIT 2007 серия «Машиностроение» и «Экология». - 2007. - т. 2. - С. 38-45.

Работы, опубликованные в других изданиях и материалах конференций:

1. Мисбахов Р.Ш. Улучшение экологических и экономических характеристик газопоршневого двигателя КАМАЗ 820.20.200 в составе электросиловой установки АП100С-Т400-1Р / Гуреев В.М., Гумеров И.Ф. // «Энергетика Татарстана». - №2. - 2009. - С. 26-31

2. Мисбахов Р. Ш. Исследование влияния добавок водородного топлива в дизельных двигателях ОАО «КамАЗ» на их экологические и энергетические характеристики / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Гельманов Р.Р. // Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России: Юбилейная международная научная-техническая конференция, посвященная 80-летию Ф.З. Тинчурина, 12-14 декабря 2007 г. - Казань.: 2007 г.

3. Мисбахов Р.Ш. Разработка стенда для исследования влияния добавок водорода в дизельный двигатель ОАО «КАМАЗ» для улучшения его топливной экономичности и экологических показателей / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Гельманов Р.Р. // Актуальные проблемы энергетики: III международная научно-практическая конференция, 21-23 ноября, 2007 г. - Екатеринбург.: 2007 г.

4. Мисбахов Р.Ш. Исследование влияния добавок водородного топлива в газопоршневых двигателях ОАО «КАМАЗ» на экологические и энергетические характеристики / Гельманов Р.Р., Гуреев В.М., Гортышов Ю.Ф. // Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России: Юбилейная международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию Ф.З. Тинчурина, 12-14 декабря 2007 г. - Казань.: 2007 г.

5. Мисбахов Р.Ш. Влияние добавок водорода на топливную экономичность и экологические показатели газового двигателя ОАО «КАМАЗ» /Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., И.Ф. Гумеров, Р.Х Хафизов, А.П. Шайкин, Д.А. Павлов // VIII международный симпозиум «Энергоэффективность и энергосбережение» Казань, 4-6 декабря 2007 г.

6. Мисбахов Р. Ш. Использование водорода как добавки к дизельному топливу на базе двигателей семейства ОАО «КамАЗ» Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Гельманов Р.Р. // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 10-11 ноября 2006 г. - Казань.: 2006 г.

7. Мисбахов Р.Ш. Теплонасосные установки с приводом от ДВС с использованием нетрадиционных видов топлива. Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Гельманов Р.Р. // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 10-11 ноября 2006 г. - Казань.: 2006 г.

8. Мисбахов Р.Ш. Разработка стенда для исследования характеристик парокомпрессионной теплонасосной установки (ПТНУ) с приводом от ДВС / Гельманов Р.Р. Гуреев В.М., Гортышов Ю.Ф., // Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России: Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию Ф.З. Тинчурина, 12-14 декабря 2006 г. - Казань.: 2006 г.

9. Мисбахов Р.Ш. Концепция создания грузовых автомобилей ОАО «КАМАЗ» на водородном топливе. / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Мац Э.Б.. // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 3-6 ноября 2005 г. - Казань.: 2005 г.

10. Мисбахов Р.Ш. Алгоритм расчета обратных функций для реальных газов. / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Мац Э.Б.. // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 3-6 ноября 2005 г. - Казань.: 2005 г.

11. Мисбахов Р.Ш. Расчет термодинамических свойств реальных газов. /Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Мац Э.Б.. // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 3-6 ноября 2005 г. - Казань.: 2005 г.

12. Мисбахов Р.Ш. Физико-математическое моделирование высоко-температурных процессов в камерах сгорания ракетных двигателей Гортышов Ю.Ф., Барышева О.Б. // 7 Международная научно-практическая конференция «Люди и космос» г. Днепропетровск.: 2005 г.

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ.л. 1,0. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 1,03.

Тираж 100. Заказ Н88

Типография Издательства Казанского государственного

технического университета им. А. Н. Туполева

420111 Казань, К. Маркса, 10

Размещено на Allbest.ru

...