Силовые и термические нагрузки на детали двигателя внутреннего сгорания

Предельный скоростной режим, при котором двигатель работает по внешней скоростной характеристике, обычно ограничивается номинальной мощностью Nном при ^п = п_ном (точка а₁). В зависимости от условий передачи энергии потребителю кривая, характеризующая нагрузку двигателя, не всегда пересекается с его внешней характеристикой в точке, где N = Nmax_. Возможны случаи, когда п_ном = п_е.

Линия 2 характеризует режим работы при почти постоянной частоте вращения коленчатого вала (регуляторная характеристика). Соответствие между вырабатываемой двигателем на этом режиме мощностью и потребляемой устанавливается автоматически регулятором. Точка Ъ характеризует работу двигателя без нагрузки. Режим работы двигателя с использованием регулятора характерен для стационарных силовых установок, а также для двигателей транспортных машин. В этом случае положение органов управления подачей топливовоздушной смеси или топлива изменяется в соответствии с потребляемой мощностью автоматически регулятором.

Установившийся режим работы двигателя характеризуется тем, что его параметры (крутящий момент, частота вращения коленчатого вала и др.) в рассматриваемом интервале времени остаются неизменными.

Небольшое увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя при снижении мощности связано с принципом действия регулятора.

Для автомобильных двигателей с искровым зажиганием вследствие ряда причин, связанных с условиями эксплуатации, рассматриваемый режим (линия 2) не является типичным и используется только в случае движения нагруженного автомобиля (например, автопоезда и т. п.) с мало изменяющейся скоростью на одной передаче.

Кривая 3 характеризует работу двигателя, нагруженного винтом (винтовая характеристика). В этом случае точка а_х соответствует номинальной мощности, развиваемой двигателем, когда органы подачи топлива или впуска топливовоздушной смеси в цилиндр двигателя установлены на максимальную подачу. При нагружении двигателя винтом с уменьшением количества подаваемого топлива или топливовоздушной смеси снижается развиваемая двигателем мощность и понижается частота вращения вала. Ото изменение мощности в зависимости от частоты вращения происходит по кубической параболе, т. е. N_е = Вп³ (где В -- коэффициент пропорциональности).

По винтовой характеристике работают двигатели, в которых разминаемая мощность передается на винт (авиационные, судовые и др.).

В случае использования двигателя в качестве энергетической установки па автомобиле следует учитывать, что в зависимости от дорожных условий, скорости движения и нагрузки автомобиля необходимые для движения мощность двигателя и частота вращения колончатого вала меняются в широких пределах. Опыт эксплуатации автомобилей показывает, что большую часть времени двигатель работает с неполной нагрузкой при различной частоте вращения. При движении автомобиля на одной передаче по горизонтальному участку пути зависимость потребляемой им мощности от скорости движения близка к винтовой характеристике.

По результатам ранее проведенных исследований установлено, что и случае эксплуатации автомобиля «Волга» ГАЗ-21 в условиях интенсивного городского движения двигатель большую часть времени работает при низкой частоте вращения {п = 600 н- 1800 об/мин) и изменении мощности от мощности холостого хода до N_e -- 23,6 кВт. Б указанном диапазоне режимов двигатель работает примерно 64% времени. При езде автомобиля по шоссе с небольшой интенсивностью движения этот двигатель преимущественно (в течение примерно 90% времени) работает с высокой частотой вращения при изменении мощности от 37 кВт до номинальной.

Характерные режимы эксплуатации грузовых автомобилей в условиях езды по городу с интенсивным движением показаны на рис. 57, а. Опыты установили резкие колебания скорости движения V_а (кривая 1) и частоты вращения коленчатого вала двигателя (кривая 2).

Рис. 57. Характерные режимы работы автомобильных двигателей, установленных на грузовых автомобилях:

а-- карбюраторного в условиях городской езды;

б -- дизеля (ЯМЗ) за полный цикл работы автомобиля в карьере;

М_кп -- отношение крутящего момента при данном числе частоты вращения к наибольшему.

Причем большую часть времени двигатель работал со сравнительно мало открытой дроссельной заслонкой (кривая 3). Предельное открытие дроссельной заслонки составляло 40%.

Результаты исследования работы двигателя автомобилей КрАЗ-256 и БелАЗ-540А за полный цикл их работы в карьере (рис. 57, б) показали, что крутящий момент М_кр двигателя ЯМЗ-238 (кривая 4) менялся от момента холостого хода до момента, равного 40% максимального, а двигателя ЯМЗ-240 (с наддувом) -- до момента, составляющего 60% максимального (кривая 5). Длительность работы дизеля ЯМЗ-238 при наибольшей нагрузке составила примерно половину времени цикла, дизеля ЯМЗ-240Н -- четверть времени. Частота вращения коленчатого вала менялась примерно в 4 раза.

Таким образом, особенностью эксплуатации автомобильного двигателя является частое и, в некоторых случаях, резкое изменение скоростного и нагрузочного режимов. Изменение мощности и скоростного режима автомобильного двигателя (заштрихованная область на рис. 56) ограничено внешней скоростной характеристикой и ветвью регуляторной характеристики (линия 2).

2. Эксплуатационные требования к двигателю

Проектирование двигателя является сложным процессом, при котором специалистам приходится решать комплекс проблем, связанных с удовлетворением требований, определяемых назначением двигателя и условиями его эксплуатации. Для создания высокопроизводительной, экономичной в эксплуатации и экологически чистой транспортной, дорожно-строительной и сельскохозяйственной техники автотракторные двигатели должны обеспечивать:

? высокую 1 надежность в разнообразных эксплуатационных условиях;

?необходимую мощность при малой массе и габаритах, наибольшую топливную экономичность на всех режимах работы;

? нормативные шумность и вибрацию двигателя, а также дымность и токсичность отработавших газов;

? хорошие пусковые качества;

? легкость управления и автоматизацию работы;

? простоту технического обслуживания и ремонта;

? минимум эксплуатационных затрат труда и материалов.

Одним из главных эксплуатационных требований является обеспечение надежности двигателя, поскольку с надежностью напрямую связаны расходы на поддержание работоспособности двигателя в эксплуатации и расходы, вызванные простоем машины из-за отказов двигателя.

Под надежностью понимают свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установленных пределах при заданных условиях его эксплуатации, технического обслуживания и ремонтов в течение требуемого промежутка времени и (или) требуемой наработки. Заданной функцией для двигателя будет обеспечение энергией той транспортной, дорожно-строительной или сельскохозяйственной машины, для которой он предназначен.

3. Требования к системам охлаждения, смазки, топливоподачи

При современных требованиях конструирования машин надежность их является главным показателем конструктивного и технологического совершенства, особенно это касается двигателей внутреннего сгорания, и конструктору ДВС приходится решать сложные задачи по надежности. Сложность заключается в том, что в ДВС ряд ответственных деталей и взаимосвязанных узлов работают при одновременном воздействии на них переменных не только механических, но и тепловых нагрузок.

Сложность решения задач, связанных с надежностью, значительно повышается при создании перспективных высокофорсированных двигателей, отличающихся высокой удельной мощностью и частотой вращения коленчатого вала. Надежность двигателя может также обусловливаться такими составляющими, как безотказность, долговечность, сохраняемость деталей и узлов. Очевидно, высокая сопротивляемость истиранию поверхностей трущихся пар и ослабление тепловой напряженности деталей могут обеспечить высокую надежность работы двигателя. Практически эта задача может решаться (кроме применения прогрессивной технологии) разработкой и применением эффективных систем охлаждения и смазки. Характеристики и общие схемы этих систем должны прорабатываться уже на стадии общей компоновки любого типа двигателя.

В качестве двигателей внутреннего сгорания для автомобилей и тракторов в настоящее время используют.

1. Двигатели с внешним смесеобразованием и воспламенением смеси от постороннего источника. В этих двигателях используют легко испаряемое топливо (жидкое или газообразное), а горючую смесь, как правило, приготовляют за пределами основного рабочего объема (цилиндра и камеры сгорания) двигателя в специальном приборе -- карбюраторе. К этому же типу относятся двигатели с так называемой системой непосредственного впрыска легкого топлива во впускной трубопровод (коллектор).

2. Двигатели с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением топлива. В этих двигателях используется трудноиспаряемое топливо (дизельное топливо, соляровые масла и их смеси) и горючая смесь образуется в камерах сгорания двигателей. Поэтому конструкция камер сгорания дизелей оказывает непосредственное влияние на способ смесеобразования и воспламенения горючей смеси. В современных дизелях в зависимости от конструкции камер сгорания и способа подачи топлива используют неразделенные камеры с объемным или пленочным смесеобразованием и разделенные камеры сгорания -- предкамерные и вихрекамерные. К этому типу можно отнести бензиновые двигатели с впрыском топлива непосредственно в полость цилиндра.

Независимо от типов и видов двигателей внутреннего сгорания к их системам питания предъявляются требования, основными из которых являются.

1. Точное дозирование топлива и окислителя (воздуха) по циклам и цилиндрам.

2. Приготовление горючей смеси в строго определенный, как правило, очень малый отрезок времени.

3. Образование горючей, а затем и рабочей смеси, обеспечивающей полное сгорание топлива и отсутствие токсичных компонентов в продуктах сгорания.

4. Автоматическое изменение количества и состава горючей смеси в соответствии с изменением режима работы двигателя как скоростного, так и нагрузочного.

5. Надежный пуск двигателя в различных температурных условиях.

6. Стабильность установленной регулировки системы питания в течение длительного времени эксплуатации двигателя наряду с возможностью изменения регулировки в зависимости от условий эксплуатации и технического состояния двигателя.

7. Технологичность системы питания: простота и надежность конструкции, удобство монтажа, регулировки, обслуживания и ремонта.

Выполнение указанных требований в системах питания автомобильных и тракторных двигателей, в основном, обеспечивается:

а) для двигателей с внешним смесеобразованием карбюратором в карбюраторных двигателях, карбюратором-смесителем в газовых двигателях, электромагнитными форсунками и блоком управления в двигателях с впрыском легкого топлива во впускной коллектор;

б) для двигателей с внутренним смесеобразованием насосом высокого давления и форсункой или насос-форсункой, а для двигателей с впрыском легкого топлива непосредственно в полость цилиндра электромагнитными форсунками и электронным блоком управления -- микропроцессором.

Контрольные вопросы:

1. Какие показатели характеризуют качество ПД?

2. В каких условиях эксплуатации ПД работает с частым изменением суточного и нагрузочного режима?

3. Каковы основные эксплуатационные требования к двигателю транспортной машины?

4. Что понимается под надежностью ПД?

5. Какие требования предъявляются к системам охлаждения, смазки, топливоподачи?

Лекция 13

Модернизация ДВС для применения альтернативных видов топлива

Введение

Современные мероприятия по уменьшению содержания вредных веществ в отработавших газах автомобилей связаны со значительными затратами, что является дополнительным стимулом поиска новых решений этой проблемы.

Основой автотранспортной энергетики в ближайшем будущем останутся поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС), которые после почти столетнего развития достигли высокого совершенства. Факторами, влияющими на конструкцию ПДВС, являются необходимость увеличения удельной мощности, повышение надежности и возможность использования двигателя в различных условиях эксплуатации при минимальных расходах топлива, стоимости и затратах материалов. В дополнение к этим факторам конструкция и рабочий процесс будут определяться также требованиями нормативных ограничений и технологическими требованиями. Правильным является положение о том, что двигатель и потребляемое им топливо дают максимальный эффект в том случае, когда двигатель создан в расчете именно на потребляемое им топливо. В ближайшем будущем виды топлива нефтяного происхождения останутся основными энергоносителями для ПДВС. Однако следует предположить, что спрос на энергию в ближайшее десятилетие будет расти. Это справедливо потому, что повышение благосостояния и уровень жизни прямо пропорционально зависят от потребления энергии на душу населения. Это обстоятельство заставит если не в настоящее время, то в ближайшем будущем сделать выбор между альтернативными видами топлива.

1. Возможные заменители нефтяных топлив на автомобильном транспорте

Наиболее полноценными заменителями нефтяных топлив могут быть бензин и дизельное топливо, получаемые из каменного угля или горючих сланцев. Применение их не требует никаких изменений в конструкции существующих автомобильных двигателей. В этом главное их преимущество. Но технология получения таких топлив достаточно сложна, требует больших, энергозатрат, в связи с чем массового промышленного их производства пока нет.

Топлива из каменного угля и сланцев, несомненно, перспективны, но появление их в ощутимых масштабах можно ожидать в достаточно отдаленном будущем. Одним из современных заменителей нефтяных автомобильных топлив являются углеводородные газы, точнее, два их вида. Первый вид -- это сжижаемые газы, т. е. такие, которые при обычных температурах и небольшом давлении (выше 0,75 МПа) могут находиться в жидком состоянии. Второй вид -- несжимаемые в обычных условиях. Из газов первого вида интерес представляет пропан в смеси с бутаном, а второго -- природные газы, метан, этан и др.

Сжижаемые газы получили небольшое применение. Промышленностью выпускаются газобаллонные автомобили на сжиженных газах: ЗИЛ-138, ГАЗ-53-07. Но ресурсы пропана ограничены и поставка его для транспорта не будет значительной.

Применение газов второго вида начиналось в Москве в 1938 г. Но в послевоенные годы не возобновлялось вследствие чрезмерно большой массы баллонов высокого давления (20,0МПа). Однако этот недостаток может быть частично устранен использованием облегченных высокопрочных баллонов из легированной стали, а также применением газа в охлажденном виде в изотермических баллонах. Автомобили с двигателями, работающими на природном газе, требуют создания сети соответствующих газонаполнительных станций с компрессорами и ресиверами высокого давления (до 35,0 МПа), тем не менее расширение их использования является вполне перспективным, учитывая практически неограниченные запасы таких газов.

Возможными заменителями нефтяных топлив на автомобилях могут также стать: метанол (метиловый спирт), этанол (этиловый спирт), аммиак, водород и др. Все они обладают физико-химическими свойствами, существенно отличными от бензина и дизельного топлива. Спирты имеют значительно более низкую теплоту сгорания, гигроскопичны и применение их требует специальных мер по облегчению пуска двигателя; водород труднотранспортабелен на автомобиле; стоимость заменителей относительно высока. Тем не менее в зарубежных странах ведутся исследования возможностей применения для автомобилей заменителей всех видов как в чистом виде, так и в виде добавок к нефтяным топливам. Имеются сведения об уже практическом применении этилового спирта в качестве добавки к бензину в Бразилии, США, Канаде, Австралии и других странах. Метиловый спирт получил применение в ФРГ в качествё добавки к бензину в количестве до 15 %.

Особого внимания заслуживает проблема применения водорода. Его запасы в природе практически неограниченны. Он имеет наиболее высокую теплоту сгорания, хорошо воспламеняется, быстро и полностью сгорает, а продукты горения даже при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха, содержащего азот, могут быть практически безвредными в экологическом отношении.

Водород может использоваться в качестве топлива в поршневых двигателях при сравнительно небольшом конструктивном их изменении, а также путем прямого преобразования его энергии в электрическую в электрохимическом топливном элементе.

Для развития практического применения энергии водорода на транспорте требуется решение ряда проблем и проведение большого объема исследований. Одной из этих проблем является хранение водорода на автомобиле. В газообразном сжатом состоянии требуется чрезмерно большая масса баллонов высокого давления, около 116 кг на 1 кг водорода. В жидком состоянии при температуре --253^?С масса криогенного топливного бака, хотя и будет вполне приемлемой (7--12 кг на 1 кг водорода), но стоимость сжиженного водорода и всей системы питания двигателя существенно возрастет (в 5--7 раз), заправка водородом и эксплуатация усложнятся. Наиболее перспективной формой хранения водорода на транспортных средствах может быть использование металлогидридов. Стоит проблема изыскания такого широкодоступного металлогидрида, в котором содержание водорода по массе было бы как можно большим. Пока что наиболее доступным является железо-титановый металлогидрид, но содержание водорода в нем меньше -2%. Существующие металлогидриды с высоким содержанием водорода лантановый (до 12 %) и магниевый (7,7%) --для широкого использования недоступны.

2. Применение генераторов конверсии

Конверсия моторного топлива заключается в изменении его химического состава с целью улучшения кинетических характеристик топливной смеси. При полной конверсии топлива образуется синтез-газ, содержащий значительное количество водорода. В-отличие от этого, продукты частичной конверсии - представляют собой многокомпонентную двухфазную смесь, включающую водородсодержащий синтез-газ и жидкое топливо. Практический интерес представляет частичная конверсия, превосходящая полную по энергетическим и технико-экономическим показателям.

Конверсия жидкого углеводородного сырья представляет собой сложный физико-химический процесс, отличающийся гетерогенностью и многостадийностью. Конечная эффективность конверсии определится энергозатратами и степенью выхода водорода. Многочисленные процессы конверсии углеводородов, известные в настоящее время, сводятся к двум основным типам: термической или кислородной конверсии и конверсии с водяным паром (паровой).

Термокаталитическая кон версия может быть использована для улучшения антидетонационных качеств топлива. В этом случае в процессе избирательной конверсии некоторые фракции топлива конвертируются в легкие углеводородные газы. Наряду с бензинами конверсии могут подвергаться керосины, дизтоплива и др., что позволяет придать \ двигателю свойства многотопливности.

3. Использование синтетических топлив в ДВС

Основной концепцией долгосрочного энергообеспечения авто транспорта является переход на синтетические энергоносители, производимые на базе НЭР и продуктов с достаточными ресурсами. Среди множества синтезированных веществ только некоторые спирты, водород и аммиак удовлетворяют этим требованиям и одновременно характеризуются достаточной термодинамической и эксплуатационной совместимостью с автомобильными двигателями. Возможность использования этих продуктов в ДВС исследовалась еще в начале нашего века, однако лишь современный технологический уровень создал реальные предпосылки для их массового применения в качестве синтетического топлива для автомобиля.

Среди многочисленных спиртов наибольший интерес в качестве топлива для ДВС представляют метиловый и этиловый спирты. Эти продукты могут использоваться как в чистом виде, так и в составе многокомпонентных смесей с бензинами и водой.

Рассматриваемые спирты, имеют среднюю плотность и низкую вязкость, они отличаются хорошими низкотемпературными свойствами. Низкая температура кипения спиртов обусловливает их высокую испаряемостью: скорость испарения метанола и этанола по отношению к бензинам выше соответственно в 1,8 и 2,4 раза.

На свойства спиртов оказывает большое влияние вода. Помимо специальных добавок, присутствие воды обусловливается гроскопичностью спиртов. В последнем случае концентрация воды повышается с увеличением температуры и относительной и повышения влажности воздуха. Разбавление спиртовых топлив водой ведет к повышению плотности, температуры кипения, теплоемкости и теплопроводности. Вода способствует также значительному повышению температур температуры кристаллизации спиртов.

Коррозионная активность рассматриваемых спиртов довольно высока и усиливается их гигроскопичностью. Метанол активно реагирует со свинцом, что может привести к разрушению слоя свинцово-оловянной полуды в бензобаке и забиванию фильтров и жиклеров топливной системы образующимися соединениями. Под действием метанола быстро коррозируют такие конструкционные материалы, как сталь, алюминий, магний и сплавы на их основе. Длительный контакт с метанолом вызывает набухание и разрушение ряда эластомеров, применяемых в качестве прокладочных материалов. Этиловый спирт также реагирует со свинцом и магнием, однако алюминий под его действием коррозирует медленно.

Токсикологические свойства спиртов хорошо известны. В то время как токсичность этанола низка, метанол является нервнососудистым ядом, обладающим способностью накапливаться в организме. Поэтому при работе с метанолом необходимо строгое соблюдение правил и инструкций техники безопасности. Предельно допустимые концентрации алифатических спиртов в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з), максимальная разовая (ПДКм.р) и среднесуточная (ПДКс.с):

ПДК ПДКр.з ПДКм.р ПДКс.с

Этанол, мг/м³ 1000 5 5

Метанол, мг/л³ 5 1 0,5

Важной особенностью спиртовых топлив является высокая антидетонационная стойкость. По данным различных авторов ОЧ метанола по исследовательскому методу оценивается в 104- 115 ед., по моторному -- от 87,0 до 94,6 ед.. Для этанола ОЧИ составляет около 106 ед. Добавка воды ведет к возрастанию ОЧ спиртов, которое для метанола изменяется следующим образом:

Топливо....... СН₃ОН СН₃ОН+5%Н₂О СН₃ОН + 10%Н₂О

ОЧИ......... 109,6 110 114

ОЧМ......... 87,4 89,5 92,8

Высокое значение теплоты испарения метанола способствует улучшению наполнения двигателя. Кромё того, при работе на метаноле выше эффективный КПД благодаря меньшему теплоотводу в цилиндрах, более низкой температуре ОГ большей полноте сгорания топливной смеси. Эти факторы в совокупности позволяют не только компенсировать несколько пониженную теплопроизводительность метаноло-воздушных смесей, но и дополнительно увеличить мощность метанольного двигателя на 10-- 15% по сравнению с бензиновым. Дальнейшее повышение мощности может быть получено увеличением степени сжатия до 12--14, что возможно благодаря высоким антидетационным качествам метанола.

Низкая упругость паров и высокая теплота испарения метанола обуславливает трудность пуска двигателя даже при повышенных температурах окружающей среды. Для решения этой серьезной проблемы используются такие мероприятия, как добавка к метанолу 5--10% растворимых в нем низкокипящих углеводородных фракций, применение дополнительной системой с пусковым топливом, подогрев впускного коллектора или непосредственно топливной смеси, установка карбюраторов с электроподогревом, частичная рециркуляция горячих ОГ и др. В качестве пусковых добавок находят применение сжиженные газы бутана, изопентан и диметиловый эфир в количестве от 5 до 20% автомобилях с электронной системой впрыска топлива для запуска двигателя применяется небольшой бензобак, соединенный с элсктроклапаном «холодного пуска». Положительный эффект дает организация интенсивной турбулизации топливной смеси. Спирты характеризуются более высокой активностью при горении сравнению с углеводородами. Благодаря этому горение в двигателе протекает устойчивее, а предел воспламенения смещен в более бедную область. Например, при использовании метанола пропуски зажигания отмечаются при время как при работе на бензине они соответствуют

Расширение диапазона устойчивого сгорания метанола области бедных смесей, в большинстве случаев соответствующей а =1,44-1,45, дает дополнительный выигрыш в улучшении топливной экономичности и снижении токсичности ОГ.

Спиртовые топлива целесообразно использовать главным образом в двигателях с принудительным воспламенением, так как, организовать работу дизеля в этом случае затруднительно из-за низких значений цетановых чисел спиртов. Применение спиртов как основного топлива взамен бензинов возможно в следующих основных вариантах: в чистом виде; в виде водно-спиртовых смесей; с конверсией в газообразное топливо.

Чистые спирты. С точки зрения сырьевой базы, получения и стоимости наиболее приемлемым моторным топливом среди спиртов служит метанол. Кроме того, в отдельных случаях целесообразно также применение этанола. Теплота сгорания данных спиртов по массе и объему примерно наполовину ниже, чем бензинов.

Поэтому для сохранения энерговооруженности автомобиле требуется увеличение объема бака и расхода топлива в среднем вдвое, что и является основным недостатком синтетически спиртов как автомобильного топлива.

С энергетической точки зрения преимущества спиртов заключаются главным образом в высоком КПД рабочего процесса высокой антидетонационной стойкости. Величина КПД спиртового двигателя выше бензинового во всем диапазоне рабочей смесей, благодаря чему удельный расход энергии на единицу мощности снижается.

Аммиак

Перспективность аммиака как автомобильного топлива обусловливается его доступностью, относительно низкой стоимостью И практически неограниченной сырьевой базой. При полном сгорании аммиака образуется только один вредный компонент NOх, причем и его содержание незначительно вследствие низкой температуры горения аммиачно-воздушных смесей.

Уже сейчас аммиак производится в широких масштабах химической промышленностью из водорода и азота воздуха. В будущем аммиак может использоваться в качестве вторичного энергоносителя, позволяющего осуществить конвертации водорода в некриогенную и более безопасную форму.

Аммиак обладает щелочными свойствами, вследствие чего большинство цветных металлов (медь, бронза, латунь и другие сплавы) подвергаются значительной коррозии при его действии. Относительно стойки сталь, чугун, алюминий, монель-металл, никель, титан. Углеродистая сталь практически не корродирует при контакте со сжиженным аммиаком, поэтому из нее изготавливают трубопроводы и резервуары для перекачивания и хранения аммиака. Длительные испытания на двигателе- GFR показали, что при работе на аммиаке повышенный износ наблюдается только у деталей, изготовленных из цветных металлов, в особенности меди и ее сплавов. Из прокладочных материалов стойкими к аммиаку являются фторопласты и некоторые сорта резины. Большинство нефтяных и синтетических масел почти не изменяют свои свойства при контакте с аммиаком. При этом отмечаются лишь незначительные колебания вязкости и некоторое снижение эффёктивности антиокислительных присадок.

Сжиженный аммиак характеризуется умеренными энергетическими показателями: его теплота сгорания с учетом диссоциации (Р_и = 7,84 МПа) составляет 17,13 МДж/кг или 11.64*10³МДж/м³. Таким образом, массовая энергоемкость аммиака по отношению к бензину, метанолу и водороду ниже соответственно примерно в 2,5, 1,1 и 7 раз. Однако если по энергоплотности он уступает бензину и метанолу (примерно в 3 и 1,3 раза), то благодаря относительно высокой плотности превосходит по этому показателю жидкий водород. Аммиак характеризуется экстремальной антидетонационной стойкостью: его октановое число по моторному методу составляет примерно 111 ед., по исследовательскому -- около 130 ед.

Содержание аммиака в воздухе рабочих помещений и населенных местах ограничивается следующими концентрациями: ПДК_Р.з = 20; ПДКм._Р = 0,2; ПДК_с.с = 0,2 мг/м³.Таким образом предельно допустимые концентрации паров аммиака в воздухе рабочей зоны в 4 раза выше по сравнению с метанолом. Действие аммиака прежде всего сказывается па слизистых оболочках рта, носа, дыхательных путей, вызывая их раздражение и кашель. Однако опасность аммиака в значительной степени снижается его резким специфическим запахом, благодаря которому аммиак обнаруживается уже при концентрациях паров 5*10'² мг/м³.

Транспортирование и хранение аммиака осуществляется в стальных баллонах под давлением до 0,6 МПа. В некоторых случаях жидкий аммиак транспортируют и хранят в танках с, теплоизоляцией, используя для этого сухой лед или переохлаждение массы.

Особенности применение в двигателе.

Условия в камерах сгорания современных дизелей и двигателей с принудительным воспламенением недостаточны для обеспечения устойчивого рабочего процесса на аммиачном топливе. Это связано с высокими температурами воспламенения аммиачно-воздушных смесей и их вялым горением. Последнее обусловлено низкой температурой пламени аммиака (1955 К по сравнению с 2336 К Для бензина при а=1 с учетом диссоциации), в связи с чем самоускорение реакций горения замедляется.

Для успешного использования чистого аммиака в качестве топлива ДВС необходимо как минимум существенное повышение энергетического уровня зажигания.

Поэтому в двигателях с принудительным воспламенением сгорание аммиака обеспечивается лишь при наличии высокотемпературной свечи с широким искровым промежутком и достаточно мощной катушкой зажигания. В двигателях с воспламенением от сжатия это может быть достигнуто посредством увеличения степени сжатия до 35 при одновременном повышении температуры во впускном коллекторе и системе охлаждения двигателя до 150° С,

Добавка высокоактивных газов (водорода, ацетилена и др.) также способствует улучшению сгорания аммиака. В этом случае активирующий газ, например водород, впрыскивается во впускной трубопровод двигателя, так как его совместная подача с аммиаком приводит к возникновению интенсивных «стуков» в камере сгорания. Добавка 6--10% водорода обеспечивает устойчивое сгорание аммиака, начиная со степеней сжатия примерно 21 и температурах на впуске 65° С, однако наилучшие показатели двигателя получаются при 8 = 26. Максимальное давление и жесткость работы двигателя в этом случае еще довольно высоки (рис. 66, б). По сравнению с водородом более эффективны добавки к аммиаку ацетилена в количестве 15--20%, позволяющие, организовать устойчивое сгорание NH4 при снижении степени-сжатия до 16(рис. 58, в).

Помимо химических добавок интенсификация горения аммиака определенной степени может быть достигнута соответствующем модификацией камеры сгорания двигателя, обеспечивающей усиление теплоподвода в реакционную зону. Например, для этой цели предложено использовать сферическую камеру сгорания, снабженную свечой зажигания с удлиненными электродами (ряс.67). Основная идея модификации заключается в сокращении пути фронта пламени от области воспламенения »стенкам камеры сгорания. При искровом промежутке свечи порядка 0,2--0,3 мм и использовании в системе зажигания магнето получено устойчивое сгорание аммиака при степени сжатия 12--16.

Рис. 67. Модифицированная камера сгорания для аммиачного топлива:

1 -- клапан; 2-- свеча зажигания; 3 -- поршень

Однако вследствие большой продолжительности сгорания аммиачных смесей модифицированный двигатель имеет ограничения по оборотам (не более 3000 мин~^!). При добавке к аммиаку небольшого количества водорода (примерно 1,5%) скоростной режим двигателя значительно расширяется.

Согласно термодинамическим расчетам продукты сгорания NH₃ содержат единственный токсичный компонент -- NO_X количество которого по отношению к другим топливам минимально благодаря низким температурам горения аммиачно-воздушных смесей.

Работа двигателя на водородном топливе.

Особенности рабочего процесса. По физико-химическим свойствам моторным качествам водород сильно отличается от применяемых в настоящее время топлив, что ведет к ряду особенностей в организации и протекании рабочего процесса ДВС.

С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций -- вплоть до а=10. Столь низкий предел воспламенения обеспечивает работу водородного двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения составов смеси: примерно от а = 0,2 до а=5. В связи с этим мощность водородного двигателя может изменяться качественным регулированием, при котором его КПД на частичных нагрузках увеличивается на 25--50%.

Однако, если максимальное значение эффективного КПД двигателя при работе на водороде выше, чем при работе на бензине, то эффективная мощность заметно падает. Последнее обусловлено очень низкой плотностью водорода, что приводит к уменьшению наполнения двигателя топливом. Например при стехиометрическом составе смеси газообразный водород, поддаваемый вместе с воздухом, занимает почти 30% объема цилиндра, тогда как распыленный и испаренный бензиновый заряд только 2--4%. В целом перевод на водород вызывает снижение мощности двигателя в среднем на 20--25%. Наряду с этим применение водорода ведет к существенному увеличению эмиссии окислов азота с ОГ, основной причиной которого является повышение температуры и скорости сгорания.

Температура воспламенения водородных смесей выше, чем углеводородных, однако благодаря более низким значениям энергии активации для воспламенения водорода требуется меньшее количество энергии,

Высокая реакционная способность водорода в ряде случаев приводит к обратным проскокам пламени во впускной трубопровод, преждевременному воспламенению и жесткому сгоранию топливных смесей. В значительной степени эти недостатки могут быть ликвидированы путем соответствующей модификации топливоподающей системы двигателя. В настоящее время для подачи водорода в ДВС применяются следующие способы:

-впрыск во впускной трубопровод;

-использование модифицированного карбюратора, применяемого в системах питания пропанобутановыми и природными газами;

-индивидуальное дозирование водорода в область впускного клапана каждого цилиндра;

-непосредственный впрыск под высоким давлением в камеру сгорания;

Первые два способа обеспечивают устойчивую работу двигателя лишь совместно с такими мероприятиями как частичная рециркуляция ОГ, присадка воды к топливному заряду, а также добавка к нему бензина. Частичная рециркуляция ОГ за счет разбавления заряда инертными компонентами предотвращает обратные вспышки и смягчает сгорание при работе двигателя на стехиометрических и богатых смесях. В то же время благодаря снижению максимальных цикловых температур эмиссия гNО_x ОГ уменьшается. Количество рециркулируемых газов, как правило, не превышает 10--20% от поступающего в двигатель топливного заряда, однако любая степень рециркуляции ведет к дополнительным потерям наполнения цилиндра. В отличие от рециркуляции ОГ добавление воды или бензина (обычно впрыском во впускной трубопровод) не приводит к ухудшению наполнения двигателя.

Использование водорода в дизельных двигателях затрудняется его высокой температурой самовоспламенения. Поэтому для организации устойчивого воспламенения водорода дизели конвертируются в двигатели с принудительным зажиганием от свечи или запальной дозы жидкого топлива. При этом водород может подаваться как совместно с воздухом, так и путем непосредственного впрыска в цилиндры. Однако устойчивая работа дизеля на водороде обеспечивается только в узком диапазоне топливных смесей, ограниченном пропусками воспламенения и детонацией. В случае газожидкостного процесса граница детонации (рис. 68) определяется составом смеси и ее температурой. Повышение дозы запального топлива улучшает антидетонационную стойкость смеси и в то же время расширяет границы воспламеняемость.

Рис. 68. Границы устойчивой работы дизельного двигателя на водороде:

1 -- детонация; 2 -- воспламенение

Контрольные вопросы:

1. Какие топлива можно рассматривать в классе альтернативных?

2. В чем сущность мероприятий обеспечивающих перевод ПД на газовое топливо?

3. В чем сущность конверсии моторного топлива?

4. В чем особенности спиртовых топлив?

5. В чем сущность мероприятий обеспечивающих перевод ПД на спиртовое топливо?

6. Каково соотношение между энергоемкостями аммиака, бензина, метанола, водорода?

7. В чем основная особенность рабочего процесса ПД при использовании водорода?

Размещено на Allbest.ru