Конвертирование рабочего процесса транспортных двигателей внутреннего сгорания на природный газ и водород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Конвертирование рабочего процесса транспортных двигателей внутреннего сгорания на природный газ и водород

05.04.02 - тепловые двигатели

Галышев Ю.В.

Санкт-Петербург - 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор

Кавтарадзе Реваз Зурабович

доктор технических наук, профессор

Шаров Геннадий Иванович

доктор технических наук, профессор

Салова Тамара Юрьевна

ФГУП ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Транспорт является одним из ключевых элементов современной цивилизации. Его состояние и перспективы развития в огромной степени зависят от возможностей снабжения транспортных энергоустановок топливом. Истощение запасов жидких углеводородных топлив и проблемы загрязнения окружающей среды могут поставить человечество перед альтернативой - либо сократить транспортные перевозки, либо найти новые пути энергоснабжения транспорта.

Перспективы решения топливной проблемы транспорта, основной энергетической установкой которого является двигатель внутреннего сгорания, связаны с применением газовых топлив, в первую очередь - природного газа, в дальнейшей перспективе - водорода.

Из этого вытекает необходимость более интенсивных разработок в области конструирования и исследования газовых двигателей. Распространенные на данный момент подходы, связанные с конвертированием обычных двигателей жидкого топлива для работы на газах, не всегда позволяют в полной мере использовать потенциал газовых топлив. Наиболее эффективным подходом к решению этих проблем является комплексная оптимизация, охватывающая конструкцию и настройку систем воздухоснабжения и топливоподачи, выбор состава рабочих смесей на различных режимах работы, при которых обеспечиваются наилучшие показатели по экономичности двигателя и токсичности отработавших газов.

Разработка, совершенствование и исследование двигателей, работающих на альтернативных топливах, связано с большими трудностями, определяемыми отсутствием эмпирического материала, обычно используемого при аналогичных работах в случае применения традиционных топлив. Эти трудности могут быть наиболее эффективно преодолены с помощью методов математического моделирования. С учетом того, что замена топлива может кардинальным образом повлиять на все процессы, происходящие в двигателе, объективное прогнозирование перспектив применения новых видов топлива и необходимых для этого изменений конструктивных и регулировочных параметров требует, чтобы моделирование было комплексным и включало в связанную систему расчет всех основных явлений в двигателе. Особое внимание должно быть уделено процессам топливоподачи, смесеобразования, сгорания и формирования токсичных составляющих отработавших газов. В связи с этим сформулируем следующее.

Целью работы является разработка теоретических основ, комплекса методов и средств для улучшения энергоэкономических и экологических показателей двигателей конвертированием рабочего процесса на природный газ и водород.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

· анализ физико-химических и моторных свойств различных альтернативных топлив для ДВС, способов их получения, хранения, систем топливоподачи;

разработка математической модели нестационарного течения газа в цилиндре ДВС и анализ с ее помощью возможности осуществления эффективного расслоения топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя с непосредственным впрыском газа;

разработка математических моделей рабочего процесса газодизеля и бензоводородного двигателя, и на основе расчетно-теоретического исследования выбор способов рационального регулирования составов топливовоздушных смесей двигателей, работающих на природном газе и водородсодержащих топливных смесях;

разработка топливной системы, обеспечивающей улучшение параметров подачи запального топлива для газодизеля;

создание испытательных стендов и экспериментальное исследование топливной аппаратуры и рабочего процесса газодизеля 6Ч15/18 и бензоводородного двигателя 4Ч 7,6/8,0;

· разработка и исследование опытных образцов силовых установок с двигателями, работающими на природном газе и водороде.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:

- математическая модель нестационарного течения рабочего тела в цилиндре ДВС на тактах выпуска, наполнения, сжатия и смесеобразования; новые данные о газодинамических процессах происходящих в четырехтактном газовом двигателе с послойным смесеобразованием;

- модель сгорания и тепловыделения в газодизеле и зависимости для определения ее параметров;

- конструкция топливной системы газодизеля со специальной форсункой, имеющей в одном корпусе два распылителя с различными сечениями сопловой части, которая обеспечивает улучшение процесса подачи запального топлива;

- зависимости для определения характеристик тепловыделения и математическая модель рабочего процесса бензоводородного двигателя;

- границы возможного варьирования составов водородосодержащих топливных смесей с учетом обеспечения воспламеняемости и недопущения аномального сгорания;

- принципы выбора рациональных составов многокомпонентной водородосодержащей топливной смеси в широком диапазоне режимов на основе математического моделирования рабочих процессов и токсичности отработавших газов;

- новые схемы водородного питания двигателя, защищенные авторскими свидетельствами.

Достоверность результатов исследований достигается разработкой математических моделей на основе фундаментальных законов и уравнений механики, термодинамики, газодинамики, физической обоснованностью принятых допущений и подтверждается согласованием результатов расчета с экспериментальными данными. Достоверность результатов эксперимента обуславливается соблюдением действующих стандартов РФ, использованием поверенных и аттестованных измерительных приборов и оборудования.

Практическая значимость. Предложены практические рекомендации, обеспечивающие повышение эффективности теплоиспользования и снижения токсичности отработавших газов:

- форма камеры сгорания, расположение свечи зажигания и газовой форсунки, угол опережения, продолжительность и давление впрыска газа, обеспечивающие эффективный рабочий процесс газового двигателя с послойным смесеобразованием при непосредственном впрыске газа;

- конструктивные параметры опытной топливной системы судового газодизеля с двухсопловой форсункой, обеспечивающей улучшение процесса подачи запального топлива.

- рациональные зависимости состава смеси и угла опережения впрыска дизельного топлива при работе судового газодизеля по винтовой характеристике, обеспечивающие минимизацию эмиссии оксидов азота с учетом требований по экономичности;

- характеристики регулирования состава смеси двигателя, работающего на бензине с добавками водорода и водяного пара, и система топливоподачи, реализующая данные характеристики.

Реализация результатов работы. Результатами реализации работы являются разработанные системы питания и конвертированные на природный газ и водород, следующие транспортные двигатели, прошедшие всесторонние испытания:

- газодизель 6Ч 15/18, используемый в качестве главного судового двигателя на первом в России пассажирском судне - газоходе проекта Р51 "Нева - 1" Санкт-Петербургского Пассажирского порта. На газодизеле реализован полученный расчетно-экспериментальным путем закон регулирования состава смеси;

- бензиновые двигатели ВАЗ - 2106 и ЗМЗ - 24, переведенные на работу с добавками водорода и водяного пара. Макетный образец автомобиля УАЗ-452В с малотоксичной моторной установкой и автономным генератором водорода демонстрировался на ВДНХ СССР.

Эксплуатационные испытания пассажирского судна-газохода и водородного автомобиля показали надежность работы элементов систем питания, значительное снижение токсичности ОГ и расхода жидкого топлива.

Разработанные математические модели и программы внедрены в конструкторских отделах ОАО "Звезда" и ООО ЦНИДИ. Научные и технические материалы работы используются в учебном процессе СПбГПУ на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания".

Реализация работы подтверждена соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на следующих семинарах и конференциях:

· всесоюзный научно-технический семинар «Снижение токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания», Москва, ФНИКТИД, 1982.

· семинар «Применение водорода для уменьшения выбросов в атмосферу токсичных веществ транспортными двигателями», Москва, ВДНХ СССР, 1984.

· всесоюзная научно-техническая конференция «Альтернативные топлива в ДВС», Киров, КирСХИ, 1988.

· 7-ая международная конференция «Водородная энергетика», Москва, 1988.

· заседание комиссии Правительства РФ по использованию природного и сжиженного нефтяного газа в качестве моторного топлива, 1996.

· 26-ая международная научная конференция «KONES 2000», Nateczow, Польша, 2000.

· ХIII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», Санкт-Петербург, 2001.

· Всероссийский конгресс двигателестроителей, Санкт-Петербург, ЦНИДИ, 2003.

· международная научно-практическая конференция «Безопасность водного транспорта», Санкт-Петербург, СПГУВК, 2003

· научная конференция «Топливо - двигатель - экологически чистая система, проблемы Северо-западного региона», Санкт-Петербург, Северо-Западное отделение Научного Совета по горению и взрыву при Президиуме РАН, ФГУП РНЦ «Прикладная химия», 2003.

· международная научно-техническая конференция «Транспорт, экология - устойчивое развитие», Технический ун-т г. Варна, Болгария, 2004.

· научно-техническая конференция «Водородная энергетика и технологии», Санкт-Петербург, Северо-Западное отделение Научного Совета по горению и взрыву при Президиуме РАН, ФГУП РНЦ «Прикладная химия», 2004.

· международный симпозиум «Образование через науку», 175 лет МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005.

· межотраслевая научно-техническая конференция "Современные проблемы развития поршневых ДВС", посвященная 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 2005.

· международная конференция "Двигатель - 2007", МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, 2007.

· научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС», посвященная 100-летию П.А. Истомина, СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 2008.

· III международная конференция "Альтернативные источники энергии для больших городов", Департамент природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы, 2008.

· ежегодные научно-технические конференции ЛПИ им. М.И.Калинина - СПбГПУ, Санкт-Петербург, 1982 - 2009.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 57 печатных работах, в том числе монография, справочник, 6 учебных пособий, 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 362 страницы основного текста, 183 рисунка, 31 таблицу, список использованной литературы из 314 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость. Представлены данные о реализации результатов исследования.

В первой главе проведен анализ физико-химических и моторных свойств различных альтернативных топлив для ДВС, способов их получения, хранения, систем топливоподачи.

Большой вклад в развитие тематики по использованию различных видов топлив в ДВС внесли российские ученые: Ю.Н. Васильев, В.А. Вагнер, А.И. Гайваронский, С.В. Гусаков, Л.Н. Голубков, К.Е. Долганов, В.И. Ерохов, Г.Н. Злотин, Н.А. Иващенко, Р.З. Кавторадзе, В.Ф. Каменев, Г.М. Камфер, А.А. Капустин, В.А. Лиханов, В.М. Луканин, В.А. Марков, Н.Н. Патрахальцев, В.М. Фомин, А.С. Хачиян, Н.А. Хрипач, А.П. Шайкин, зарубежные ученые Buchner H., Dell R., Furuhama S., Lucas G., Pischinger F., Swain M.и другие.

Проведенный анализ научных исследований показал следующее:

1. Наиболее перспективным топливом не нефтяного происхождения на ближайшее будущее является природный газ, запасы которого значительно превышают нефтяные и при сгорании которого образуется меньше вредных веществ. В более отдаленной перспективе, предполагая, что ископаемые энергоносители будут близки к полному исчерпанию и основой энергетики станут ядерные или термоядерные установки, для транспорта будут использовать либо электромобили, либо тепловые двигатели, питаемые водородом. В этом случае возможно радикальным образом решить проблему загрязнения окружающей среды вредными выбросами. В ограниченном количестве такие энергоустановки уже применяются и в настоящее время в условиях предельно жестких ограничений на вредные выбросы с отработавшими газами.

2. Природный газ используется в качестве топлива в газовых двигателях с искровым зажиганием, а также в газодизелях, где воспламенение газовоздушной смеси происходит с помощью запальной порции дизельного топлива. Для газодизельных двигателей актуальными являются вопросы минимизации запальной дозы и увеличение стабильности и давления впрыска при малых подачах дизельного топлива, а также определение рационального закона регулирования состава газовоздушной смеси в зависимости от режима работы двигателя.

3. Значительные преимущества для двигателей с искровым зажиганием дает рабочий цикл с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и расслоением заряда, что успешно используется в бензиновых двигателях. Актуальным вопросом является проверка возможности и эффективности использования расслоенного заряда в газовом двигателе с искровым зажиганием.

4. Работы по конвертированию двигателей на водородное топливо ведутся в двух направлениях - создание двигателей, работающих на "чистом" водороде и на бензине с добавкой водорода. В ближайшей перспективе целесообразно использование бензоводородных двигателей по причине отсутствия водородной инфраструктуры, сравнительно высокой стоимости водорода и больших массо-габаритных показателей систем хранения запасов водорода на борту транспортного средства.

5. Применение водорода в качестве дополнительного топлива позволяет осуществить работу двигателя при частичных нагрузках на бедных топливовоздушных смесях, в результате чего значительно повышается экономичность и снижается токсичность отработавших газов двигателя. При этом наиболее эффективным является смешанное регулирование мощности двигателя.

6. Предложенные способы регулирования бензоводородных двигателей получены исходя из принципа улучшения экономических и токсических показателей двигателя при ограниченных расходах водорода. Не исследованы возможности улучшения характеристик двигателя при увеличении расхода водорода вплоть до работы двигателя на различных режимах с максимально возможной добавкой водорода, которая ограничивается появлением обратных вспышек. Крайне ограничены сведения о способах регулирования и топливной аппаратуре бензоводородных автомобилей, использующих бортовой генератор получения водорода на основе взаимодействия энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) с водой. Специфика указанного способа (образование в генераторе вместе с водородом водяного пара) такова, что рассмотренные способы и характеристики регулирования и топливная аппаратура в данном случае не могут быть использованы без существенной доработки.

7. Большое значение при конвертировании двигателей на альтернативные топлива имеет разработка и применение математических моделей различных процессов в двигателе, позволяющих выбрать оптимальные конструктивные и регулировочные параметры, а также значительно сократить сроки и объем экспериментальных исследований.

Во второй главе рассматриваются разработанные автором математические модели, применяемые для прогнозирования, разработки и совершенствования конструкций двигателей, работающих на природном газе и водороде.

Для анализа процесса смесеобразования в двигателе с непосредственным впрыском газа и расслоением заряда разработана методика расчета газодинамических процессов в цилиндре двигателя.

Одним из наиболее эффективных методов решения задач газодинамики является метод крупных частиц, разработанный Ю.М. Давыдовым и О.М. Белоцерковским. Этот метод позволяет решать системы квазилинейных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих нестационарное турбулентное течение сжимаемого вязкого теплопроводного газа в пространстве с подвижными стенками, используя сравнительно малые вычислительные ресурсы.

Основная идея модифицированного метода крупных частиц состоит в расщеплении по физическим процессам нестационарной системы уравнений Навье-Стокса. Среда моделируется системой из крупных частиц, совпадающих в данный момент времени с ячейкой эйлеровой сетки. Метод явный.

Граничные условия устанавливались следующим образом. На неподвижных поверхностях соответствующих стенкам камеры сгорания и головке цилиндра - непротекание и прилипание потока, на поверхности поршня и клапанов - подвижного непротекания и прилипания по оси, перпендикулярной направлению движения.

Впрыскивание топлива моделируется занесением в ячейку, соответствующую соплу форсунки, массы газа, имеющей соответствующие теплофизические характеристики. Скорость рассчитывается согласно формуле истечения. Интенсивность впрыскивания определяется заданным законом подачи топлива.

Для апробации модели были проведены тестовые расчеты. На рис. 1б приведены результаты расчета затопленной струи, которые сравнивались с решением, полученным на кафедре аэродинамики СПбГПУ на базе k-е модели с пристеночными функциями (рис. 1а). Результаты расчета показали целесообразность использования в качестве моделирующих уравнений Навье-Стокса с опытным коэффициентом турбулентной вязкости одинаковым во всей области.

а) б)

Рис. 1. Затопленная струя: а - k-е модель с пристеночными функциями, б - метод крупных частиц, Навье-Стокс.

Для определения адекватности модели при расчете течения в клапане было произведено моделирование течения в круглой трубе с местным сопротивлением в виде шайбы. В ходе расчетного эксперимента определялся коэффициент местного сопротивления, который сравнивался с экспериментальными данными, приведенными в справочной литературе. Наибольшая полученная погрешность составила 5%, что позволяет говорить о том, что результаты, получаемые при численном эксперименте, количественно совпадают с реальной картиной течения.

Также было проведено моделирование процессов выпуска и наполнения в цилиндре ДВС с помощью предлагаемого метода и пакета STAR-CD, которое показало удовлетворительное совпадение результатов.

Таким образом, разработанная математическая модель адекватно описывает нестационарные турбулентные газодинамические процессы, происходящие в цилиндре двигателя внутреннего сгорания на тактах выпуска, наполнения, сжатия и смесеобразования. Результатами расчета являются поля давлений, плотностей, скоростей, температур, концентрации компонентов рабочего тела, линии тока, а также интегральные характеристики по цилиндру - давление, плотность, температура, коэффициент избытка воздуха, в произвольный момент времени.

Для прогнозирования индикаторных и эффективных показателей газодизеля и бензоводородного двигателя разработаны математические модели рабочих процессов этих двигателей.

При анализе макропроцессов, происходящих в цилиндрах двигателей, достаточно удовлетворительные результаты дают нульмерные модели, основанные на хорошо известных уравнениях первого закона термодинамики для открытых систем, дополненные формулами для упрощенного расчета тепло- и массообмена на границах расчетной области

Основное исходное уравнение:

,

где dQ_подв - элементарное количество теплоты, подведенной к рабочему телу при сгорании топлива; - поток энтальпии, внесенный (+) и вынесенный (-) с элементарными массами из объема цилиндра V; М- масса рабочего тела в цилиндре; U- удельная внутренняя энергия рабочего тела; рdV - полезная работа; dQ_w - теплота, отведенная в стенки камеры сгорания.

Предполагается, что рабочее тело обладает свойствами идеального газа, кроме того, процессы, совершаемые над ним, квазиравновесны. Вторым базовым уравнением является уравнение состояния, которое в дифференциальной форме имеет вид

После несложных преобразований система дифференциальных уравнений для тактов сжатия-расширения приводится к виду:

где p - давление, T - температура, M - масса рабочего тела в цилиндре,

k =c_p/c_v - постоянная адиабаты рабочего тела, c_v, c_p - изохорная и изобарная теплоемкости рабочего тела, V - объем цилиндра, Q_н - низшая теплотворная способность топлива, g_ц - цикловая подача топлива, Q_w - потери тепла в стенки камеры сгорания, dx/dц = F() - функция, описывающая процесс тепловыделения в цилиндре двигателя.

Наибольшую трудность в получении достоверных результатов расчета рабочего цикла по данной методике создает описание процессов подвода теплоты от сгорания топлива.

Рассмотрим процессы воспламенения и сгорания в газодизеле. В отличие от дизеля, при газожидкостном процессе в камере сгорания одновременно находится гомогенная газовоздушная смесь и дизельное топливо, выгорание которых происходит по различным механизмам. При определенных допущениях можно считать, что после воспламенения дизельного топлива фронт пламени начинает распространяться по газовоздушной смеси, т. е. с этого момента можно проводить определенную аналогию с процессами выгорания топлива в двигателях с принудительным воспламенением.

Таким образом, динамика тепловыделения в газодизеле, как и в дизеле включает два этапа, только второй участок динамики тепловыделения связан с распространением пламени от источника воспламенения до стенки камеры сгорания и последующим догоранием смеси за фронтом пламени. В качестве основы для численного описания процесса тепловыделения в газодизеле подходит формула:

,

где ₁ и ₂ - доли теплоты, выделившиеся соответственно в первой и во второй фазе; _с - текущее значение угла поворота кривошипа, отсчитываемое от начала сгорания; ₁ и ₂ - углы от начала горения до достижения максимальной скорости выгорания соответственно в первой и во второй фазе сгорания.

1. Тепловыделение в период быстрого сгорания. Многочисленные эксперименты на дизельных двигателях показывают, что суммарное количество теплоты, выделяющееся в этой фазе, определяется массой топлива, поданного в цилиндр и подготовленного к сгоранию за период задержки самовоспламенения.

Поскольку в газодизеле продолжительность задержки самовоспламенения превышает продолжительность впрыска запального топлива, можно считать, что здесь это количество теплоты определяется величиной запальной порции жидкого топлива. Однако по результатам эксперимента (рис. 2) при равных количествах теплоты, введенной с дизельным топливом за время задержки самовоспламенения, величина Х₁ у газодизеля выше, чем у дизеля. Это позволяет сделать вывод о совместном сгорании в течение первой фазы дизельного топлива и газа, находящегося в зоне факела топлива, впрыснутого в цилиндр за период задержки воспламенения. Предложена формула, позволяющая ввести соответствующую поправку в оценку Х₁, исходя из того, что в быстрое сгорание вовлекается часть газовоздушного заряда, соответствующая стехиометрическому соотношению дизельного топлива и воздуха:

,

где G_дфi - запальная порция топлива, L_0д, L_0г - стехиометрические соотношения для дизельного и газового топлив, G_г, G_д - расходы газового и дизельного топлив, Q_г, Q_д - низшая теплота сгорания газового и дизельного топлива, - коэффициент избытка воздуха.

Расчеты Х₁ по формуле хорошо согласуются с экспериментальными данными, представленными на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость доли теплоты, введенной в первой фазе сгорания, от запальной порции топлива при постоянном установочном угле опережения впрыска -38є ПКВ и n_ном.

2. Сгорание гомогенной газовоздушной смеси. Для второй фазы сгорания определяющим параметром является угол достижения максимальной скорости тепловыделения ц₂, который зависит от скорости распространения фронта пламени. Теоретический анализ влияния различных факторов на турбулентную скорость сгорания позволил получить безразмерный комплекс

,

где n₀, n - число оборотов двигателя при работе в исходном и расчетном режимах; ?₀, ? - коэффициент избытка воздуха при работе в исходном и расчетном режимах; Т₀, Т - средние за период сгорания значения температуры при работе в исходном и расчетном режимах; V₀, V - объем газовоздушной смеси поступающей в цилиндр при работе в исходном и расчетном режимах.

Аппроксимация экспериментальных данных (рис. 3) дает выражение

двигатель внутреннее сгорание топливо

Рис. 3. Зависимость относительного угла выгорания во второй фазе сгорания от комплекса Ф.

3. Важную роль в математическом моделировании рабочего процесса играет точность определения момента начала тепловыделения в цилиндре газодизеля. Для этого необходимо иметь возможность расчета задержки самовоспламенения после подачи запального дизельного топлива. Как показали экспериментальные исследования (рис. 4), задержка самовоспламенения в газодизеле увеличивается по сравнению с дизелем, что связано, по-видимому, с наличием в объеме цилиндра стойких к воспламенению молекул метана.

Путем обработки экспериментальных данных получена следующая формула для определения задержки самовоспламенения в газодизеле

Рис. 4. Влияние угла опережения впрыска на период задержки самовоспламенения на номинальном режиме работы (N_e=110 кВт, n=1500 об/мин, g_зп = 0,048 г/цикл)

Для описания процесса тепловыделения в бензоводородном двигателе используется формула И. И. Вибе. На основе теоретического анализа и обработки экспериментальных данных получены формулы для определения условной продолжительности сгорания ц_z и показателя характера сгорания m,

где U_н, , n, p, T - нормальная скорость распространения пламени, коэффициент избытка воздуха, частота вращения двигателя, среднее давление и температура цикла соответственно. Индекс "0" относится к параметрам бензинового двигателя. Наличие в топливной смеси водорода и водяного пара учитывается в формулах через нормальную скорость распространения пламени, определенную экспериментально на Бунзеновской горелке при различных добавках к бензину водорода и водяного пара.

Расчет концентраций оксидов азота в цилиндре бензоводородного двигателя проводился на основе "расширенного механизма" Я.Б. Зельдовича с учетом реакции биомолекулярного механизма.

Для определения температуры в зоне продуктов сгорания используется уравнение баланса энтальпий, представляющее энтальпию всего рабочего тела как сумму энтальпий свежего заряда и продуктов сгорания.

Равновесные концентрации одиннадцати компонентов продуктов сгорания определялись с помощью решения системы уравнений, из которых 4 уравнения материального баланса и 7 уравнений закона действующих масс.

Как показывает обзор разработок и исследований по созданию газодизельных двигателей, одной из основных проблем является обеспечение требуемых параметров впрыскивания топлива как при работе двигателя в режиме дизеля, так и в том случае, когда дизельное топливо является запальным. Для решения этой проблемы предложена специальная конструкция форсунки, особенностью которой является совмещение в одном корпусе двух распылителей с различными проходными сечениями сопловой части (рис. 5). В форсунке предусмотрены две независимые иглы, каждая из которых открывается при отдельно устанавливаемом давлении топлива и пропускает топливо к своему ряду сопловых отверстий. Давления открытия и суммарные проходные сечения каждого распылителя подбираются таким образом, чтобы при малых подачах топливо подавалось только или преимущественно через сопла малого сечения. Впрыск больших порций топлива производится через оба ряда сопел, то есть через большое сечение. Тем самым достигается согласование проходных сечений форсунки с режимом работы двигателя: пропуск топлива через малое сечение обеспечивает достаточно высокие давления впрыскивания, необходимые для качественного распыливания запального топлива; на дизельном режиме топливо впрыскивается через такое же сечение, как в базовом режиме.

Для стабилизации остаточного давления, которое играет большую роль при подаче малых порций топлива, разработана специальная конструкция нагнетательного клапана двойного действия.

Рис. 5. Форсунка с двойным распылителем

Определение размеров и параметров разработанной топливной системы проводилось с помощью математической модели процесса топливоподачи.

Неустановившееся одномерное движение сжимаемой, вязкой, изотермической жидкости (топлива) в нагнетательном трубопроводе с учетом гидравлического сопротивления описывается уравнениями движения и сплошности

,

где р - давление топлива, w - скорость движения топлива, x - координата вдоль оси трубопровода, с - плотность топлива, d - диаметр трубопровода, а - скорость звука в топливе, л - коэффициент сопротивления единицы длины трубопровода, t - время.

Продифференцировав первое уравнение системы по х, второе по t и выполнив преобразования, получим дифференциальное уравнение второго порядка в частных производных относительно давления:

Наиболее удобным методом численного интегрирования уравнения потока топлива для выполнения расчета с использованием ЭВМ является метод сеток. Для этого длина нагнетательного канала между полостями насоса и форсунки делится поперечными сечениями на N равных отрезков длиной ?x и в сечениях канала через промежутки времени ?t последовательно определяются значения давления. Следовательно, область решения 0 ? x ? L_т, 0 ? t < ? покрывается сеткой. Для каждого узла сетки производные, входящие в уравнение, заменяются выражениями в конечных разностях.

Граничные условия у начала нагнетательного трубопровода задаются уравнениями сплошности топлива в полостях насоса и штуцера нагнетательного клапана, и уравнением движения нагнетательного клапана насоса.

Граничные условия у конца нагнетательного трубопровода включают уравнение сплошности в полости форсунки и уравнение движения иглы и связанных с ней деталей. Форсунка с двойной иглой представляется как две параллельные форсунки на конце нагнетательного трубопровода. Давления в обеих форсунках одинаковы.

Третья глава посвящена расчетному исследованию процессов в двигателях, работающих на природном газе и водороде, с помощью разработанных математических моделей.

В качестве объекта исследования процесса смесеобразования и расслоения топливовоздушной смеси при непосредственном впрыске газа в цилиндр двигателя был выбран четырехтактный двигатель с принудительным воспламенением размерностью S/D = 9,2/9,2 и степенью сжатия е = 12,0.

Основная задача исследования - добиться расслоения впрыснутого топлива на всех эксплуатационных режимах, которое обеспечит гарантированное воспламенение топливно-воздушной смеси. Критериями качества расслоения топлива являются коэффициент избытка воздуха в районе свечи зажигания в момент подачи искры, и распределение топлива по объему камеры сгорания. Необходимо чтобы локальный коэффициент избытка воздуха находился в диапазоне 0,8-1,3, что соответствует максимальной скорости сгорания газа. Кроме того, газ должен быть распределен по пространству таким образом, чтобы не было зон с переобогащенной или очень бедной смесью. Достичь данного эффекта возможно только при определенной конфигурации камеры сгорания, расположении свечи зажигания и форсунки, давлении впрыска топлива. Были исследованы несколько вариантов камер сгорания. Проводился анализ вихревого движения воздуха, скорости движения потока свежего заряда, зоны распространения вихря, продолжительность его существования. По результатам исследований была предложена камера сгорания, представленная на рис. 6, которая позволяет обеспечить надежное воспламенение газовоздушной смеси при работе двигателя с суммарным коэффициентом избытка воздуха от 0,9 до 2,3 во всем диапазоне скоростных режимов.

При разработке системы топливоподачи необходимо стремиться к минимизации давления впрыска для более эффективного использования объема баллона с газом и уменьшения затрат энергии на создание давления впрыска. Однако уменьшение давления ниже определенного предела приводит к уменьшению интенсивности подачи топлива и ухудшению процесса расслоения, особенно при малых цикловых подачах. Рекомендуемое давление впрыска газа - 2,9 МПа.

Рис. 6. Рекомендуемая камера сгорания.

Одним из важных факторов, влияющих на картину распределения топлива, является угол опережения впрыска. Корректировка угла опережения впрыска газа является необходимым условием при работе двигателя на различных режимах. Угол опережения впрыска определяет момент перемещения в район свечи зажигания газовоздушной смеси требуемого состава для надёжного и эффективного воспламенения. Опережение впрыска необходимо согласовывать с опережением зажигания. Для данного двигателя с камерой сгорания предложенного типа получена зависимость угла опережения впрыска газа от коэффициента избытка воздуха на различных скоростных режимах (рис. 7). Зависимость имеет сложный нелинейный характер и может использоваться как алгоритм для системы управления двигателя.

Рис. 7. Зависимость угла опережения впрыска газа от коэффициента избытка воздуха

Рис. 8. Коэффициент избытка воздуха. Оптимальный угол опережения впрыска. _сум=1,5.



Рис. 9. Коэффициент избытка воздуха. Оптимальный угол опережения впрыска. _сум=2,0.

Рис. 10. Коэффициент избытка воздуха. Неоптимальный угол опережения впрыска. _сум=2,0

На рис. 8 и 9 приведены распределения коэффициента избытка воздуха по объему камеры сгорания при различных цикловых подачах и оптимальном угле опережения впрыска. На рис. 10 представлено поле в случае, если угол опережения отличается от оптимального. Видно, что в этом случае локальный коэффициент избытка воздуха в районе свечи зажигания выше допустимого.

Далее в главе представлены результаты расчетного исследования модернизированной системы топливоподачи, предназначенной для подачи жидкого топлива в газодизеле ЧН 18/20. Расчетное исследование показало следующее:

- разработанная схема системы топливоподачи, включающая форсунку с двумя коаксиально расположенными распылителями, имеющими различное суммарное сечение сопловых отверстий, и нагнетательный клапан с разгрузкой постоянного давления (двусторонний клапан) позволяет при правильном подборе соотношений между элементами системы осуществить раздельную подачу малых и больших порций топлива. Это обеспечивает большее давление и продолжительность впрыскивания на малых подачах по сравнению с обычной системой (рис. 11 и 12), что благоприятно для впрыскивания запальной порции топлива в газодизеле;

- рациональным является следующее сочетание конструктивных параметров: суммарное сечение сопловых отверстий для малых подач - 0,19 мм², суммарное сечение сопловых отверстий для больших подач 0,76 мм², давление начала открытия иглы, управляющей открыванием отверстий малого сечения - 100 бар, давление начала открытия иглы, управляющей открыванием отверстий большого сечения 300 бар, давление открытия "прямого" нагнетательного клапана - 3 бар, давление открытия "обратного" нагнетательного клапана - 6,5 бар. При выбранной конструкции и указанном сочетании параметров системы обеспечивается впрыск запальной порции топлива через сопловой аппарат малого сечения на всех скоростных режимах;

- на режимах нагрузочных характеристик, соответствующих работе дизеля от полной нагрузки до холостого хода (от 0,3 до 0,1 г/цикл), подача топлива на основном участке впрыска происходит через все сопловые отверстия одновременно. При этом основные параметры впрыска отвечают требованиям к системам подачи топлива. При подаче больших порций топлива разработанная система обеспечивает эффект "ступенчатой" подачи и повышенное давление впрыска.



Рис. 11. Зависимость перемещения иглы форсунки от угла поворота кулачкового вала насоса: n = 350 об/мин, g = 0,03 г/цикл;

Рис. 12. Зависимость давления впрыска от угла поворота кулачкового вала насоса: n = 350 об/мин, g = 0,03 г/цикл

Целью расчетного исследования рабочего процесса судового газодизеля 6Ч 15/18 являлось определение состава смеси и угла опережения впрыска топлива, обеспечивающих получение максимального эффективного КПД на режимах винтовой характеристики при минимальной запальной дозе дизельного топлива.



Рис. 13. Винтовая характеристика газодизеля 3Д6 при различных способах регулирования мощности (g_зп = 0,027 г/цикл)

Минимально возможная запальная доза, при которой обеспечивалось надежное воспламенение газовоздушной смеси во всех цилиндрах, была определена экспериментально и составила - 18 % от номинальной подачи. Полученные зависимости эффективного КПД при различных способах регулирования газодизеля, подтвержденные экспериментально, представлены на рис. 13. На этом же рисунке представлены экспериментальные данные по токсичности и дымности отработавших газов. Сравнение качественного и смешанного способов регулирования мощности газодизеля (варианты 2 и 3, 4) показывает, что при смешанном регулировании значительно повышается эффективный КПД и снижаются выбросы несгоревших углеводородов на режимах частичных нагрузок. С точки зрения достижения максимального эффективного КПД оптимальным является закон регулирования состава смеси и установочный угол опережения впрыска топлива по варианту 3 (рис. 13). Однако в этом случае значительно возрастают выбросы NO_x по сравнению с дизелем, поэтому наиболее предпочтительным является вариант 4 с уменьшенным углом опережения впрыска -30 град. п. к. в. до ВМТ, при котором достигается эффективный КПД, близкий к дизельному режиму, а выбросы NO_x ниже на 20%.

Далее в данной главе рассмотрены принципы выбора характеристик эффективного регулирования состава водородосодержащих топливных смесей, и представлены данные расчетного исследования для двигателя ВАЗ - 2121.

Установлено, что наиболее рациональный состав топливовоздушной смеси на режиме максимальной нагрузки при добавке "чистого" водорода = 1,0, r=G_H2/(G_H2+ G_б) = 0,04. При этом достигается такая же мощность, как у базового бензинового двигателя при = 0,85, но значительно повышается эффективный к.п.д. и снижаются выбросы СО и С_nH_m. Однако выбросы NO_x возрастают в 2 раза.

Для снижения выбросов NO_x возможно использовать добавку водяного пара в бензоводородовоздушную смесь. В этом случает наиболее рациональный состав смеси = 1,0, r = 0,04, К = G_H2О/G_H2=5,0. При этом выбросы NO_x значительно снижаясь, все же остаются на 20% выше, чем при работе двигателя на бензине с = 0,85. Наличие водяного пара в топливной смеси ухудшает наполнение цилиндров двигателя и увеличивает продолжительность процесса сгорания, в результате чего на 4% снижается мощность.

Наибольший эффект по снижению токсичности ОГ и улучшению экономичности двигателя при добавке водорода к бензину достигается на режимах частичных нагрузок. Определять параметры состава смеси (, r, K) на этих режимах целесообразно исходя из условия получения наилучшей топливной экономичности. Задача решалась путем построения и анализа расчетных регулировочных характеристик по для различных добавок водорода. Диапазон возможного варьирования параметров , r, K, определяющих состав многокомпонентной водородсодержащей смеси, ограничен с одной стороны пределом возможного обеднения, с другой стороны - возникновением обратных вспышек в двигателе. Зависимости для определения граничных составов были получены экспериментально. Добавка пара в бензоводородовоздушную смесь снижает эффективный предел обеднения смеси и соответственно к.п.д. двигателя, поэтому на режимах частичных нагрузок добавка водяного пара в топливовоздушную смесь нецелесообразна. Расчетные характеристики регулирования состава бензоводородовоздушной смеси, а также достигаемые при этом значения эффективного к.п.д. двигателя и токсичности ОГ, представлены на рис. 14.



Рис. 14. Регулирование бензоводородного двигателя по максимальному КПД

Наилучшая топливная экономичность двигателя достигается при максимально возможной замене бензина водородным топливом. При этом на режимах больших нагрузок (участок АВ на зависимости ) добавка водорода ограничивается необходимостью достижения требуемой мощности, затем - возникновением обратных вспышек (участок ВС) и, наконец, при Р_е 0,5Р_е (участок СЕ) возможна работа двигателя на водородовоздушной смеси. Регулирование мощности - смешанное (АД- качественное, ДЕ - количественное).

Для получения водорода разработан генератор на основе взаимодействия сплава магния с водой. В генераторе вместе с водородом образуется водяной пар. Вследствие инерционности реакции взаимодействия сплава магния с водой динамично изменять расход водорода невозможно. Поэтому рабочий режим генератора - стационарный, при постоянном расходе водорода, причем система водородного питания автомобиля обеспечивает относительное содержание пара в смеси, поступающей в карбюратор-смеситель, К =5,0. В этом случае, очевидно, расход пароводородной смеси следует устанавливать, исходя из условия обеспечения работы двигателя на минимальных оборотах холостого хода. Характеристики эффективного регулирования состава топливовоздушной смеси при постоянном расходе пароводородной смеси представлены на рис. 15. В этом случае при работе двигателя на максимальной нагрузке только при n = 1000 об/мин возможно обеспечить выбранный состав смеси = 1,0, r = 0,04. При увеличении частоты вращения двигателя величина добавки водорода к бензину уменьшается и при n = 5400 об/мин составляет около 1%. В связи с этим, чтобы не допустить значительную потерю мощности, смесь необходимо обогащать до = 0,95.

Наибольшее увеличение эффективного к.п.д. по сравнению с работой двигателя на бензине достигается на частичных нагрузках и происходит как за счет увеличения индикаторного к.п.д., так и механического.

Расчетные данные сопоставлялись с результатами экспериментов на моторном стенде и показали хорошее соответствие.



Рис. 15. Регулирование двигателя ВАЗ-2121 по максимальному КПД при постоянном расходе пароводорода

Проведен сравнительный расчетный анализ возможных вариантов организации рабочего цикла водородного двигателя. Как видно из рис. 14, двигатель с внешним смесеобразованием может работать на водородовоздушной смеси при 2,0. При меньших возникают обратные вспышки, природа которых заключается в неконтролируемом самовоспламенении водородовоздушной смеси от горячих источников в камере сгорания. Такими источниками, как правило, являются изолятор свечи зажигания, выпускной клапан, остаточные газы. Таким образом, по сравнению с базовым бензиновым двигателем будет примерно 50 % потери мощности при переводе его на водород. Такое решение, очевидно, мало приемлемо.

Расчет, проведенный в предположении, что опасность "хлопков" и ухудшенное наполнение при работе на водороде устранены за счет внутрицилиндровой подачи газа, показывает, что мощность водородного двигателя может быть доведена до номинальной и даже несколько увеличена за счет более быстрого сгорания смеси, т.к. возможна организация рабочего процесса при б = 1. Температуры деталей при этом остаются приблизительно такими же, как при работе на бензине, то есть опасность преждевременного воспламенения сохраняется. Кроме того, концентрация оксидов азота увеличивается, по сравнению с бензиновым вариантом с 0,36% до 0,58%. Следовательно, этот вариант неприемлем по токсичности отработавших газов.

Наиболее очевидным способом компенсации потери мощности является применение газотурбинного наддува при б = 2. Для того, чтобы при этом не было существенного повышения температуры сгорания, требуется охлаждение наддувочного воздуха до 70°С, что вполне осуществимо при использовании современных теплообменников. В этом случае, как показывают расчеты, температура деталей в опасных точках камеры сгорания не выходит за допустимые пределы, а концентрация оксидов азота оказывается такой же низкой, как и при работе на водороде при б = 2 без наддува.

В четвертой главе диссертации приведено описание экспериментальных установок, применявшегося оборудования, измерительной аппаратуры, методики проведения экспериментов. Дана оценка погрешностей результатов измерения. Представлены результаты экспериментальных исследований.

Для исследования рабочего процесса газодизеля была разработана экспериментальная установка на базе судового дизеля 6Ч15/18 (3Д6), дооборудованного необходимой газоподающей аппаратурой. Регулятор частоты вращения был модифицирован для обеспечения возможности переключения в газодизельный режим, при этом предусмотрена регулировка запальной дозы дизельного топлива. Для регулирования подачи газовоздушной смеси предусмотрено две дроссельные заслонки: газовая, управляемая от регулятора частоты вращения, и газовоздушная - с ручным приводом. Это позволяло обеспечить смешанное регулирование мощности газодизеля. Установка была оборудована необходимыми контрольно-измерительными приборами, датчиками, усиливающей и записывающей аппаратурой. Индикаторная диаграмма регистрировалась на ПЭВМ, в которую был установлен модуль аналого-цифрового преобразователя.

Испытания газодизеля проводились на режимах винтовой характеристики, варьировались следующие параметры: величина запальной порции дизельного топлива, угол опережения впрыска дизельного топлива, состав газовоздушной смеси. Задачами экспериментального исследования являлось определение влияния указанных выше параметров на мощностные, экономические и экологические показатели газодизеля, получение данных (рис. 2 - 4), необходимых для математического моделирования тепловыделения в газодизеле, а также экспериментальное подтверждение, полученного расчетным путем, рационального закона регулирования состава смеси газодизеля при работе по винтовой характеристике (рис. 13).

В завершение экспериментальных работ были конвертированы на газодизельный цикл два главных судовых двигателя 3Д6 пассажирского судна проекта Р51 ("Нева - 1") Санкт-Петербургского Пассажирского порта. Судно-газоход прошло необходимые испытания и было допущено к эксплуатации. Экономия дизельного топлива в эксплуатации составила 60 % по сравнению с работой в дизельном режиме. Срок окупаемости переоборудования судна за счет использования более дешевого топлива - природного газа составляет 1 год. В случае учета экологических преимуществ судна-газохода срок окупаемости значительно сократится.

Экспериментальное исследование разработанной системы топливоподачи, включающей форсунку с двумя распылителями, выполнено на установке, смонтированной на стенде для испытания топливных насосов высокого давления EHF-5012 фирмы Hermann Hansmann. В состав стендовой информационно-измерительной системы входят элементы, предназначенные для исследования быстроменяющихся параметров впрыска, и контрольно-измерительная аппаратура для контроля параметров установившихся режимов. Кроме того, стенд был оборудован измерителем характеристики подачи топлива, работа которого основана на регистрации изменения давления в приемной камере, расположенной за распылителем форсунки, истечение из которой происходит через калиброванный жиклер.

При подготовке и проведении экспериментального исследования имелось в виду, что основная работа по выбору конструктивных и регулировочных параметров была выполнена с помощью методов математического моделирования. Поэтому основной задачей экспериментального исследования было подтверждение адекватности расчетных результатов.

Испытания двойной форсунки проводились на режимах дизельного цикла: максимальной подачи g_ц = 0,3 г/цикл при n = 500 и 750 об/мин, частичных подач g_ц = 0,15, 0,1 и 0,05 г/цикл при n = 350, 500 и 750 об/мин, а также на режимах подачи запальной дозы топлива в газодизельном цикле: g_ц = 0,03 г/цикл при n = 350, 500 и 750 об/мин. Результаты экспериментального исследования удовлетворительно совпадают с данными математического моделирования процесса топливоподачи во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. При этом подтвердилось, что параметры системы, полученные расчетным путем, обеспечивают на режимах подачи запальной дозы топлива впрыск топлива без подъема малой иглы с увеличенным давлением впрыска, а при работе на дизельном режиме опытная аппаратура обеспечивает эффект ступенчатой подачи.

Экспериментальные исследования по использованию водорода в качестве топлива для ДВС проводились на моторном стенде с двигателем ВАЗ-2121. В качестве нагрузочного устройства применялся гидравлический тормоз.

Целью экспериментального исследования являлось:

· получение данных для построения математической модели рабочего процесса бензоводородного двигателя;

· определение границ обеднения топливовоздушных смесей в зависимости от добавки водорода и водяного пара, а также допустимых пределов по добавкам водорода в зависимости от режима работы двигателя, превышение которых приводит к нарушению процесса сгорания;

· сопоставление результатов расчетного исследования по определению эффективного способа регулирования состава водородосодержащих топливных смесей с экспериментальными данными;

...