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

· испытание разработанной топливной аппаратуры, обеспечивающей работу двигателя на бензопароводородовоздушной смеси и оценка эффекта от применения добавки пароводорода.

Основные характеристики стендового генератора водорода следующие:

- диапазон регулирования расхода водорода - 0,03 - 0,8 кг/час

- давление пароводородной смеси на выходе из генератора - 98,1 кПа

- температура пароводородной смеси на выходе из генератора - 25 - 100 С

Содержание водяного пара в пароводородной смеси регулировалось с помощью встроенного в генератор теплообменника, охлаждаемого водой от водопровода.

Для обеспечения требуемых характеристик регулирования состава бензопароводородовоздушной смеси (рис. 15) на основе серийного карбюратора была разработана система питания двигателя, которая обеспечивала возможность работы двигателя и на бензине. Результаты сравнительных испытаний двигателя ВАЗ-2121 при работе на бензине и на бензине с добавкой пароводорода представлены на рис. 16. Как видно из рисунка, применение добавки пароводорода к бензину при регулировании состава смеси по предложенным характеристикам приводит к повышению эффективного к.п.д. на 3-8% при работе по внешней скоростной характеристике. Одновременно с этим выбросы СО снижаются на 1,4 - 2,5 раза, выбросы оксидов азота увеличиваются на 0-25%. На частичных нагрузках увеличение эффективного к.п.д. достигает 25%, выбросы окислов азота снижаются в 1,5-3 раза, а концентрация СО в ОГ не превышает 0,3%.

Системой водородного питания был оборудован автомобиль УАЗ-452В. Для снижения содержания водяного пара в пароводородной смеси, поступающей из генератора водорода в карбюратор-смеситель, была разработана водородная система питания автомобиля, защищенная авторским свидетельством (рис. 17). Снижение содержания водяного пара в смеси обеспечивается смесительным теплообменником, включенным в систему охлаждения двигателя, в которой установлен дополнительный радиатор.

Рис. 16. Нагрузочные характеристики двигателя ВАЗ-2121

Рис. 17. Система питания бензоводородного автомобиля.

Эксплуатационные испытания бензоводородного автомобиля УАЗ-452В показали надежность работы элементов водородной системы питания и существенное снижение токсичности ОГ и расхода бензина.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе созданных методов и средств решена научно-техническая проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение - улучшение экономических и экологических показателей двигателей конвертированием рабочего процесса на перспективные топлива не нефтяного происхождения, которыми являются природный газ и водород.

2. Разработана математическая модель, ее алгоритмическое и программное обеспечение для расчета двумерного нестационарного течения сжимаемого газа в цилиндре ДВС на тактах выпуска, наполнения, сжатия и непосредственного впрыска газа. Математическая модель позволяет описывать развитие во времени полей распределения давления, плотности, температуры, скоростей рабочего тела и концентраций составляющих его компонентов.

Результаты численного эксперимента позволили проанализировать взаимодействие между основными процессами в камере сгорания и показали возможность организации послойного смесеобразования при непосредственном впрыске газа в цилиндр двигателя с искровым зажиганием. Такая организация рабочего процесса позволяет значительно улучшить экономичность двигателя и уменьшить токсичность ОГ.

Установлено влияние формы камеры сгорания и параметров впрыска газа на концентрационные поля газовоздушной смеси. Для двигателя размерностью D/S=92/92 подобрана форма камеры сгорания, расположение форсунки, закон подачи газа, обеспечивающие послойное смесеобразование и надежное воспламенение газовоздушной смеси в широком диапазоне частот и нагрузок двигателя.

3. Проведено комплексное расчетное и экспериментальное исследование судовой силовой установки конвертированной на газожидкостный цикл, в результате которого:

- получено математическое описание процессов воспламенения и сгорания в газодизеле;

- разработана математическая модель рабочего процесса, с помощью которой определен рациональный закон регулирования судового газодизеля;

- полученный закон регулирования реализован при переводе силовой установки судна проекта Р51 ("Нева-1") Санкт-Петербургского Пассажирского порта на газодизельный цикл. Эксплуатационные испытания пассажирского судна-газохода показали значительное снижение дымности и токсичности ОГ и расхода дизельного топлива.

4. Разработана и испытана новая конструкция топливной системы, обеспечивающая существенное улучшение процесса подачи запального топлива для газодизеля при сохранении удовлетворительных условий впрыска при работе на дизельном топливе.

Применительно к предложенной конструкции топливной системы разработана расчетная методика, проведено параметрическое исследование, с помощью которого определены размеры и параметры опытной форсунки. Экспериментальное исследование, выполненное с помощью специально разработанного стенда, показало адекватность математического описания процессов впрыска топлива для нетрадиционных схем топливной аппаратуры и доказало эффективность предложенной системы.

5. В результате проведенного комплекса теоретических, расчетных и экспериментальных исследований по использованию водорода в качестве топлива для ДВС получены следующие основные результаты.

- применение водорода в качестве добавки к бензину позволяет значительно улучшить экологические характеристики и повысить эффективный кпд двигателя. Наибольший эффект достигается при максимально возможной замене бензина водородным топливом. Добавка водорода при этом ограничивается возникновением обратных вспышек, а также необходимостью сохранения номинальной мощности на уровне базового бензинового двигателя;

- разработана математическая модель рабочего процесса и процесса образования оксидов азота в цилиндре двигателя, позволяющая прогнозировать параметры бензино-водородного двигателя в широком диапазоне режимов и осуществлять выбор характеристик эффективного регулирования состава водородосодержащих топливных смесей;

- определены границы обеднения топливовоздушных смесей в зависимости от добавки водорода и водяного пара, а также допустимые пределы по добавкам водорода в зависимости от режима работы двигателя, превышение которых приводит к нарушению процесса сгорания;

- расчетным способом получен и экспериментально подтвержден рациональный закон регулирования состава бензопароводородовоздушной смеси при работе двигателя в комплексе с автономным генератором водорода. При этом определено, что на режимах больших нагрузок (0,7М_{e max} - М_{e max}) целесообразно применять добавку водяного пара в бензоводородовоздушную смесь для снижения выбросов оксидов азота. На режимах частичных нагрузок добавка водяного пара оказывает отрицательное воздействие, снижая эффективный предел обеднения смеси и соответственно эффективный к.п.д. двигателя;

- наиболее перспективное направление развития двигателей, использующих в качестве топлива только водород, должно базироваться на использовании обедненных смесей и применении наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха;

- результаты расчетно-экспериментального исследования использованы при создании макетного образца малотоксичной моторной установки автомобиля УАЗ-452В с автономным генератором водорода, эксплуатационные испытания которого показали надежность работы элементов водородной системы питания, значительное снижение токсичности ОГ и расхода бензина.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Монографии и учебные пособия

1. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Румянцев В.В. Топливные проблемы транспортной энергетики. Коллективная монография. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. 232с.

2. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Виколайнен В.Э. Системы и процессы топливоподачи двигателей внутреннего сгорания: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 1999. 78 с.

3. Галышев Ю.В., Зайцев А.Б., Петриченко М.Р. Системы двигателей внутреннего сгорания: Учебное пособие в 3 ч. Ч. 1: Рабочие среды, их очистка и арматура систем. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2001. 80 с.

4. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Румянцев В.В. Автоматизация управления установок с ДВС: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002. 124 с.

5. Галышев Ю.В., Зайцев А.Б., Петриченко М.Р. Теория и моделирование процессов в ДВС. Примеры и задачи: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002. 96 с.

6. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Румянцев В.В. Управление техническими системами: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. 100 с.

7. Галышев Ю.В. и др. Справочник конструктора: Справочно-методическое пособие / Под редакцией И. И. Матюшева. - СПб.: Политехника, 2006. 1027 с.

8. Галышев Ю.В., Зайцев А.Б., Шабанов А.Ю. Химмотология. Эксплуатационные материалы для двигателей внутреннего сгорания: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2009. 296 с.

Статьи в журналах Перечня ВАК

9. Галышев Ю.В., Селезнев К.П., Исаков Ю.Н., Жаров В.Ф., Магидович Л.Е. Перспективы внедрения водородной энергетики в городском хозяйстве Петербурга // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 1997. №1-2. С. 64-66.

10. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Корешонков Н.А., Фомин Н.Н., Свистунов Н.Н. Перспективы и проблемы перевода судовых дизелей на газовое топливо // Двигателестроение. 1998. №1. С. 8-9.

11. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е. Перспективы применения газовых топлив в ДВС // Двигателестроение. 2001. № 3. С. 31-35.

12. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Чернышев В.С. Численное моделирование процессов смесеобразования в газовом двигателе с расслоенным зарядом // Двигателестроение. 2003. №1. С. 8-11.

13. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е. Пути совершенствования рабочих процессов поршневых двигателей, работающих на газовом топливе // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2003. №1 (31). С. 75-79.

14. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Новичков М.Ю. Принципы анализа рабочих процессов газовых двигателей // Двигателестроение. 2003. №2. Приложение 1. Материалы всероссийского конгресса двигателестроителей. Санкт-Петербург. С. 3.

15. Галышев Ю.В. Анализ перспективы создания водородных двигателей // Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 2. С. 19-23.

16. Галышев Ю.В. Исследование и разработка двухтопливного судового двигателя // Двигателестроение. 2006. № 1. С. 10-14.

17. Галышев Ю.В. Расчетный анализ ограничений и перспективных решений при создании водородных двигателей // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2006. №5. С. 165-171.

Изобретения

18. Галышев Ю.В., Вылегжанин Г.А., Жаров В.Ф., Капитонов Д.И., Колпаков Е.А. А.С. №1071791 от 8.10.1983г. Двигатель внутреннего сгорания.

19. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е. А.С. №1151702 от 22.12.1984г. Устройство для подачи водорода в двигатель внутреннего сгорания.

20. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е. А.С. №1277684 от 15.08.1986г. Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания.

Статьи в научных изданиях

21. Галышев Ю.В., Вылегжанин Г.А., Румянцев В.В., Серебренников В.А. Влияние пароводородной добавки в рабочую смесь карбюраторного двигателя на процессы сгорания и тепловыделения. Труды ЛПИ № 394 Л.,1983, с.29-33.

22. Галышев Ю.В., Вылегжанин Г.А., Серебренников В.А., Петриченко Р.М. Работы по созданию малотоксичной моторной установки автомобиля на основе использования добавок водорода. Л., 1983, 8 с. Депонировано в ЦНИИТЭИтракторсельхозмаш № 382 тс.

23. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Румянцев В.В., Серебренников В.А. Основные принципы выбора и расчета элементов системы водородного питания транспортного двигателя. Труды ЛПИ № 411, Л., 1985, с.43-45.

24. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е. Разработка системы питания двигателя, работающего на бензине с добавками пароводорода. Сб. Проблемы совершенствования рабочих процессов. М.,1986, с.45.

25. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Румянцев В.В., Серебренников В.А. Регулирование состава смеси транспортного двигателя, работающего с добавками водорода и водяного пара. В сб." Рабочие процессы компрессоров и установок с ДВС", Л., изд. ЛПИ, 1987, с.53-55.

26. Галышев Ю.В., Петриченко Р.М., Серебренников В.А., Магидович Л.Е. Некоторые результаты использования водорода в двигателях. Сб. Вопросы атомной науки и техники сер. Атомно-водородная энергетика. Вып.3, М.,1987, с.37-39.

27. Галышев Ю.В., Свистунов Н.Н., Фомин Н.Н., Корешонков Н.А. Перспективы и опыт применения газового топлива на мало и среднетоннажных судах СЗРП. Сб. ”Газовое моторное топливо”, М: ВНИИГАЗ, 1995, с.74-79

28. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е. Разработка систем топливоподачи судовых газодизельных двигателей. В сб. "Инновационные наукоемкие технологии" СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1995г.

29. Галышев Ю.В., Корешонков Н.А., Магидович Л.Е., Свистунов Н.Н., Фомин Н.Н. Разработка и испытания газодизеля для малоразмерного судна. Сб.”Энергетич. машины и установки” Труды СПбГТУ № 465, СПб, 1997, с.28-31

30. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Зубков А.В. Разработка усовершенствованной системы впрыска жидкого топлива для газодизеля. Сб. «Энергетич. машины и установки» Труды СПбГТУ №481, СПб, 1999, с.26-28.

31. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Зиндер В.Л. Новый подход к решению проблемы малых подач топлива в дизелях. // Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации современных ДВС. Сб. научных трудов, ХГТУ, Хабаровск, 2004, с.24-31.

32. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Коновалов В.В. Регулирование мощности газового двигателя. Двигателестроение: Научно-технический сборник. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2004. с. 85-91

Доклады на конференциях

33. Селезнев К.П., Петриченко Р.М., Галышев Ю.В., Вылегжанин Г.А., Жаров В.Ф., Новиков С.П., Магидович Л.Е., Румянцев В.В., Development and Investigation of the Hydrogen Fueling Systems used for Automobile Engines. Proc. of the 7-th World Hydrogen Energy Conf. Moscow. Pergamon Press, New York, 1988, v.3, p.2105-2118

34. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Румянцев В.В. Разработка автомобильной моторной установки с подачей водорода. Альтернативные топлива в ДВС. Всесоюзная конференция, Киров, 1988, с.50.

35. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Румянцев В.В. Применение добавки водорода в дизеле. Альтернативные топлива в ДВС. Всесоюзная конференция, Киров, 1988, с.57.

36. Галышев Ю.В., Николаев К.А. Перспективы и методы перевода среднеоборотного дизеля на газовое топливо. Студенческая научно-техническая конференция СПбГТУ, СПб, 1996, с.62.

37. Галышев Ю.В., Обердерфер А.А. Особенности процесса топливоподачи в газодизеле. // Современные научные школы. СПб.: Изд-во СПбГТУ 1998, с.103-104

38. Галышев Ю.В., Лукьянов Д.А. Расчетное исследование образования окислов азота в цилиндре газодизеля. // Современные научные школы. СПб.: Изд-во СПбГТУ 1998, с. 102

39. Галышев Ю.В., Семенов А.А. Расчет процесса образования окислов азота в цилиндре двигателя, работающего на газе. // Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999, с.51-52.

40. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Новичков М.Ю., Фомин Н.Н. The Development And Improvement Of Dual Fuel Engines For Low Sized Motorship. 26th International Scientific Conference On Combustion Engines Kones 2000. September 10 - 13, Nateczow, Poland 2000, vol. 7, p. 108-114.

41. Галышев Ю.В., Миронов Е.Н. Разработка методики расчёта форсунки для впрыска сжатого природного газа в ДВС. // Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий: Материалы научно-практической конференции СПбГТУ, СПб, 2001, с.48-50.

42. Галышев Ю.В., Новичков М.Ю. Математическое моделирование и расчет рабочего процесса газодизеля. // Тезисы докладов и сообщений. XXIX Неделя науки СПбГТУ. Ч. II: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001, с. 6-7.

43. Галышев Ю.В., Бравин В.В., Чернышев В.С. Численное моделирование процессов газообмена в поршневых двигателях внутреннего сгорания. // Физические основы эксперимента и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды ХIII школы-семинара под рук. акад. А.И.Леонтьева. Том 2.-М.: Изд. МЭИ, 2001, с.477-480.

44. Галышев Ю.В., Новичков М.Ю. Разработка информационно-измерительного комплекса для исследования рабочего процесса газодизельного двигателя. // Тезисы докладов и сообщений. XXX Юбилейная Неделя науки СПбГТУ. Ч. III: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002, с. 5-7.

45. Галышев Ю.В., Миронов Е.Н. Выбор конструкции и расчет газовой форсунки. // Тезисы докладов и сообщений. XXX Юбилейная Неделя науки СПбГТУ. Ч. III: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002, с.3-4.

46. Галышев Ю.В., Новичков М.Ю., Чай Гоин. Методика экспериментального исследования рабочего процесса газодизеля. // Тезисы докладов и сообщений. XXXI Неделя науки СПбГТУ. Ч. II: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2003, с. 35-36.

47. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Новичков М.Ю. Горючие газы как перспективное топливо для двигателей городского транспорта. // Тезисы докладов совещания СПб Научного Совета по горению и взрыву РАН (Сев.-Зап. отд.) на тему «Топливо-двигатель-экологически чистая система, проблемы северо-западного региона», СПб, РАН, 2003, с.38.

48. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Новичков М.Ю. Разработка и исследование судового газодизельного двигателя. Труды международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта» т.3, Санкт-Петербург, СПГУВК, 2003, с. 70-73.

49. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Новичков М.Ю., Иванов В.М. Задержка самовоспламенения топлива в газодизеле. // Тезисы докладов и сообщений. XXХII неделя науки СПбГПУ. ч. II, Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2004, с. 60-61.

50. Галышев Ю.В., Лебедев А.В. Проблемы конвертирования ДВС на водородное топливо. // Тезисы докладов и сообщений. XXХII неделя науки СПбГПУ. ч. II, Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2004, с.61-62.

51. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е. Выбор способов подачи топлива и регулирования мощности в двигателях, работающих на водородном топливе. // Сб. трудов научной конференции «Водородная энергетика и технологии», СПб научный центр РАН, 2004, с. 35-36.

52. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Новичков М.Ю. Теоретические принципы моделирования рабочих процессов двигателей при работе на альтернативных топливах. // Сб. докладов международной научно-технической конференции «Транспорт, экология - устойчивое развитие», Варна, Технический ун-т, 2004, с. 311-315

53. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е. Особенности моделирования рабочих процессов газодизеля. // Сб. докладов международного симпозиума "Образование через науку". М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. с. 136-137.

54. Галышев Ю.В., Магидович Л.Е., Коновалов В.В. Моделирование переходных процессов газового двигателя. // Сб. докладов межотраслевой научно-технической конференции "Современные проблемы развития поршневых ДВС". СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2005, с. 26-28.

55. Галышев Ю.В. Расчетный анализ различных способов организации рабочего процесса водородного двигателя Сб. научных трудов международной конференции "Двигатель - 2007". М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007, с. 343-348

56. Галышев Ю.В. Моделирование процесса смесеобразования в газовом двигателе с непосредственным впрыском топлива Сб. трудов научно-технической конференции, посвященной 100-летию П.А. Истомина «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС». СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2008, с. 72-75

57. Галышев Ю.В. Конвертирование дизеля для малоразмерного судна на газодизельный цикл. // Тезисы докладов III международной конференции "Альтернативные источники энергии для больших городов". М.: Департамент природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы, 2008, с. 61-62.

Размещено на Allbest.ru