Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор работ по применению пропана в качестве добавки к дизельному топливу на транспорте
1.1 Основные виды альтернативных топлив и перспективы их применения на транспорте
1.2 Предпосылки и целесообразность применения пропана на транспорте
1.3 Способы применения пропана в качестве добавки кдизельному топливу
1.4 Системы топливоподачн пропана газодизельных двигателей
1.5 Постановка задач исследования 43
Выводы 45
2. Особенности работы дизеля тепловоза на дизельном топливе с добавкой пропана
2.1 Особенности механизма горения дизельного топлива с добавкой пропана в дизеле
2.2 Химико-кинетическая модель процесса горения , дизельного топлива с добавкой пропана в дизеле
2.3 Разработка методики расчета количества продуктов сгорания дизельного топлива с добавкой пропана в дизелях.
2.4 Определение параметров рабочего процесса тепловозных дизелей ,. при работе на дизельном топливе с добавкой пропана
2.5 Проверка адекватности методики по экологическим показателям работы дизеля тепловоза
Выводы
3. Расчетно-экспериментальные исследования влияния добавок пропана на работу дизелей тепловоза ЧМЭ
3.1 Сравнительный анализ влияния добавок пропана на работу дизеля тепловоза ЧМЭ
3.2 Оценка влияния добавки пропана на работу дизеля тепловоза ЧМЭЗ 86
Выводы
4. Разработка систем подачи пропана в качестве добавки к дизельному топливу
4.1 Разработка системы подачи пропана в цилиндры дизеля с применением двухтопливной форсунки
4.2 Разработка системы подачи пропана в дизельное топливо на линии низкого давления дизеля
4.3 Разработка устройства для регистрации режимов работы локомотива с добавками пропана к дизельному топливу
Выводы 110
5. Экономический эффект от использования пропана в качестве добавки к дизельному топливу тепловоза ЧМЭ 3
Выводы 118
Основные выводы 119
Список использованных источников 121
Приложения 133
- Предпосылки и целесообразность применения пропана на транспорте
- Химико-кинетическая модель процесса горения , дизельного топлива с добавкой пропана в дизеле
- Оценка влияния добавки пропана на работу дизеля тепловоза ЧМЭЗ
- Разработка системы подачи пропана в дизельное топливо на линии низкого давления дизеля
Введение к работе
Железнодорожный транспорт России, выполняя технологические функции перемещения большого объема грузов на значительные расстояния, является энергоемкой сферой промышленного производства. В тоже время развитие и нормальное функционирование экономики нашей страны невозможно без железнодорожного транспорта, основной задачей которого является удовлетворение народного хозяйства и населения в перевозках, повышение эффективности работы транспортной системы.
Осуществляя основные для государства объемы перевозок, железнодорожный транспорт России, естественно, является одним из крупных и стабильных транспортных потребителей энергоресурсов, ежегодно расходуя 5-6% вырабатываемой в стране электроэнергии и до 6% дизельного топлива, или в натуральных показателях: свыше 40 млрд. кВт-ч электроэнергии, 3 млн. т дизельного топлива, 4,5 млн. т угля, до 1 млн. т мазута, почти 1 млн. м сжатого газа и 170 тыс. тонн бензина [35,71,115].
Превалирующим энергоносителем для тяги и эксплуатационных нужд в энергобалансе отрасли является электроэнергия (более 50%), дизельное топливо составляет - 18%, уголь и мазут — 20% (соответственно - 14,6 и 5,3%).
Затраты на приобретение топливно-энергетических ресурсов составляют в целом по сети ~ 11,2% от общесетевых эксплуатационных расходов или около 60,0 млрд. руб., из них непосредственно на тягу поездов расходуется -72,2% и 27,8%) на нетяговые нужды.
На осуществление тяги поездов тепловозами расходуется примерно 3 млн. т дизельного топлива в год.
Снабжение тепловозов дизельным топливом осуществляется с все возрастающим напряжением в связи с постоянно увеличивающимся его дефицитом и ростом стоимости. Так, цена дизельного топлива для тепловозов с конца 2000г. возросла с 5 тыс. до 18-20 тыс. руб. за тонну на данный момент. В связи с этим возникает необходимость в обеспечении устойчивого снабжения
5 тепловозов моторным топливом в настоящее время и в перспективе, а также в снижении расходов на его приобретение [21,22,107].
Необходимое условие существенных сдвигов в области экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) - это применение более дешевого и менее дефицитного альтернативного топлива на тепловозах в качестве моторного топлива.
Это мероприятие преследует несколько целей: экономию средств на приобретение топлива, поскольку цена эквивалентного количества газа значительно до (50%) ниже, чем дизельного топлива; снижение вредных выбросов в атмосферу с выпускными газами дизелей, так как при работе на природном газе их токсичность значительно ниже, чем при работе на дизельном топливе, а дымность (сажа) меньше на порядок; обеспечение устойчивого топливоснабжения тепловозов в перспективе с учетом динамики изменения добычи нефти и газа, их сравнительных запасов и прогнозов истощения месторождений.
Эту и другие задачи призвана решать отраслевая Программа ресурсосбережения. В период экономических реформ разработанные федеральные и отраслевые целевые программы развития всех видов транспорта, реализация которых должна была обеспечить эффективное удовлетворение потребностей экономики и населения в перевозках грузов и пассажиров в рыночных условиях, на практике в должной мере не улучшили ситуацию, а напротив, перевод транспортной отрасли на коммерческую основу и сокращение выделяемых ей государственных инвестиций, существенно обострили проблемы развития отрасли [81].
В декабре 2001г. постановлением №848 Правительство РФ утвердило Федеральную целевую программу «Модернизация транспортной системы России (2001-2010гг.)». Одна из подпрограмм этой программы -«Железнодорожный транспорт». Данная подпрограмма содержит ряд проектов - отраслевых программ по развитию конкретных хозяйств железнодорожного транспорта. В их числе программа «Реорганизация и развитие отечественного
локомотиво- и вагоностроения, организация ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001-2010гг.», включающая: реорганизацию системы эксплуатации и ремонта подвижного состава и др.[84].
Проблема энергосбережения приобрела в настоящее время стратегическое значение. Это подтверждается принятым в последние годы Правительством РФ рядом постановлений, в том числе от 17 ноября 2001г. №796, которым утверждена федеральная программа «Энергоэффективная экономика на 2002-2005годы и на перспективу до 2010года». Цель программы -снижение энергоемкости всех отраслей экономики.
Для железнодорожного транспорта снижение энергоемкости перевозок — один из главных факторов конкуренции на рынке транспортных услуг. С учетом этого, а также в соответствии с «Основными положениями энергетической стратегии России на период до 2020г.» указанием МПС России от 26, ноября 2002г. №187у предусмотрена разработка энергетической стратегии железнодорожного транспорта, ориентированная на всесторонне ресурсосбережение.
Анализ технических средств и технологий железнодорожной энергетики, к которым относятся все устройства, потребляющие или генерирующие энергию в технологических процессах работы железнодорожного транспорта, показал, что их исходное состояние в большинстве своем в настоящее время характеризуется высокой степенью физического и морального износа, высокой энергоемкостью и малой энергоэффективностью. Пассажирские и грузовые локомотивы, эксплуатируемые на сети железных дорог России, построены по техническим требованиям 1960-70-х годов. Значительная часть инвентарного парка локомотивов полностью выработала свой ресурс и требует обновления. Так, в целом по сети на 1 января 2003г. выработали установленный срок службы 37% грузовых тепловозов, 17% пассажирских тепловозов. Применение морально устаревших энергоустановок первого и второго поколения с низкими конструктивными и эксплуатационными КПД влечет за собой не только
7 повышение расхода энергии в рабочих режимах, но и дополнительное повышение энергозатрат на эксплуатацию и ремонт технических средств. В связи с недостаточностью мощностей предприятий по выпуску новых локомотивов предусматривается модернизация существующего подвижного состава с продлением его срока службы до 40-45 лет. Всего в 2004-2010гг. планируется модернизировать 4,5 тыс. секций магистральных и маневровых тепловозов [56,80].
Многие мероприятия в разной мере уже находят применение на сети дорог в рамках реализации ежегодных программ энергосбережения, одно из таких мероприятий является создание газотепловозов.
Работы по созданию газотепловозов были начаты в конце 80-х годов. На Луганском тепловозостроительном заводе были построены три опытных газодизельных тепловоза: два 2ТЭ10Г и один 2ТЭ116Г. Каждый газотепловоз состоит из двух тяговых секций и одного тендера с двумя криогенными емкостями для размещения сжиженного природного газа. На тепловозах 2ТЭ10Г в качестве силового агрегата применен двухтактный газодизель типа 1 ОД 100 постройки Харьковского завода, на тепловозе 2ТЭ116Г -четырехтактный дизель типа Д49 постройки Коломенского завода. Испытания этих газотепловозов показали необходимость доводки газодизелей обеих серий. Выявлен ряд недостатков в конструкции криогенного тендера. В последующие годы газотепловозы 2ТЭ10Г оказались в собственности Украины, и их доводка не производилась. Работы по газодизелю 1ГДГ тепловоза 2ТЭ116Г велись при ограниченном финансировании, однако позволили найти технические решения, обеспечивающие модернизированную доводку. В настоящее время во ВНИИЖТе ведутся испытания газодизеля. При выделении необходимых средств создание опытного газотепловоза может быть завершено в кратчайшие сроки [104,105].
В 2003 г. по указанию Министерства путей сообщения был разработан проект комплексной программы, включающий мероприятия по
8 переоборудованию тепловозов для работы на сжатом и сжиженном газе, газоснабжению и развитию деповского хозяйства.
На основании анализа полигонов тепловозной тяги, парка тепловозов и расположения сети газопроводов выбраны участки на 12 железных дорогах, определены 73 депо с эксплуатационным парком 1504 магистральных тепловозов (типа 2ТЭ116, 2ТЭ10) и 2089 маневровых тепловозов (серий ЧМЭЗ, ТЭМ2), которые с учетом имеющихся технических решений могут быть переведены на газомоторное топливо.
Помимо научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ и
переоборудования тепловозов, предусматривается реконструкция
локомотивных депо и строительство газонаполнительных компрессорных станций. Для эксплуатации магистральных и маневровых тепловозов должно быть оборудовано 38 локомотивных депо и 29 депо только для обслуживания маневровых газотепловозов [103,107].
В соответствии с Совместным протоколом ОАО ' «РЖД» и Администрации Свердловской области от 3 марта 2004 г. разработана программа опытной эксплуатации тепловозов Свердловской железной дороги на КПГ (компримированном природном газе) и СПГ (сжиженном природном газе). От ОАО «Газпром» в программе принимает участие ООО «Уралтрансгаз». Программа предусматривает газификацию тепловозов ЧМЭ-3, ТЭМ-2, ТЭМ-7, 2ТЭ-116. в частности будет осуществлен перевод двух тепловозов ЧМЭ-3 на КПГ, а также тепловозов ТЭМ2, 2ТЭ-16 и ТЭМ7 на СПГ (по две единицы) [84].
«Программа организации на полигоне Свердловской железной дороги опытной эксплуатации тепловоза на сжиженном и сжатом природном газе» была принята в октябре 2004 года. В рамках программы задействовано свыше 18 российских машиностроительных компаний. Отраслевых научно-исследовательских институтов, опытно-конструкторских бюро.
«Программа создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 гг.» ОАО «Российские железные дороги РЖД» предусматривает
9 разработку и серийное производство новых серий локомотивов, работающих с использованием газа ТЭМ-18Г, ТГЭ-40, ТГЭМ-10, строительство комплекса сжижения природного газа на газораспределительной станции в городе Верхняя Салда, создание кустовой базы хранения (резервирования) СПГ « Медведеве» на основе хранилища жидкого водорода криогенной испытательной базы НИИ машиностроения, города Нижняя Салда, строительство пунктов заправки газотепловозов в депо Свердловск - сортировочный и депо Егоршино, приобретение средств заправки СПГ [115].
В результате выполнения программы также будет создана база для обучения и ознакомления широкого круга специалистов с технологией работы газотепловозов в условиях эксплуатации.
Проведенная предварительная технико-экономическая оценка окупаемости проекта газификации тепловозов показала, что затраты ОАО «РЖД» по переоборудованию локомотивов и приспособлению деповского хозяйства окупятся для магистральных газотепловозов через 7 лет. Для маневровых тепловозов через 5-9 лет. На отдельных участках железных дорог срок окупаемости может быть существенно меньшим.
Стоимость работ по внедрению маневровых и магистральных газотепловозов на сети ОАО «РЖД» составляет 26684,2 млн. руб. [107].
Всё это предполагает проведение всесторонних научных исследований, направленных на повышение экономичности и эффективности работы газотепловозов в эксплуатации.
Двухлетняя опытная эксплуатация маневрового газотепловоза ТЭМ18Г, работающего на компримированном природном газе, показала не только его работоспособность, но и надежность, безопасность, а также высокую экономичность и экологичность.
Запуск, работа на холостом ходу и первых трех позициях данного тепловоза осуществляется на дизельном топливе, а, начиная с 4-й позиции контроллера, двигатель тепловоза переходит в газодизельный режим. Запас газа хранится в стандартных баллонах, расположенных под рамой тепловоза на
10 месте топливного бака и обеспечивает работу тепловоза в зависимости от рода выполняемой работы в течение 2,5 - 3 суток. Дизельное топливо в количестве 3,2 т размещается в 4-х топливных баках, крепящихся к раме тепловоза.
Учитывая, что в парке дорог имеется большое количество маневровых тепловозов ЧМЭЗ, на Брянском машиностроительном заводе опытно переоборудуют локомотив этой серии для работы на природном газе. Затраты на модернизацию почти в 2 раза ниже стоимости нового газотепловоза.
Замещение дизельного топлива газом до 50% позволяет снизить затраты в эксплуатационных расходах на топливо до 25%. Токсичность выхлопных газов при этом уменьшается в 1,5 - 2,2 раза, а дымность практически отсутствует, что крайне важно для работы маневровых локомотивов в местах компактного проживания людей.
Потенциальные возможности перевода тепловозов на природный газ оцениваются следующим образом; в 12 отделениях железных дорог, прилегающих к газопроводам, на КПГ/СПГ могут работать 1,5 тыс. магистральных и 2 тыс. маневровых тепловозов; общее годовое замещение дизельного топлива может составить около миллиона тонн; расход природного газа оценивается в 1,2 млрд. м3 в год.
Таким образом, газификация тепловозов позволяет обеспечить их устойчивое снабжение моторным топливом при значительной экономии средств на его приобретение, а также улучшает экологическую обстановку в районах эксплуатации газотепловозов [16,56,103,104, ].
«Программа освоения и производства новых локомотивов в 2004 - 2010 гг.» ОАО «Российские железные дороги», а также «Белая книга» ОАО «Российские железные дроги» стратегические направления научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015г. предусматривают разработку и серийное производство новых серий локомотивов, работающих с использованием природного газа табл. 1. 1 [1,115].
Таблица 1. 1 Программа локомотивостроения
Проведенные научные исследования в области применения альтернативных видов топлива на тепловозных дизелях в эксплуатации позволили повысить их топливную экономичность. Однако достигнутого уровня недостаточно для достижения высоких показателей по экономичности и экологичности дизеля, а также эксплуатационных характеристик. Поэтому исследование путей повышения топливной экономичности тепловозных дизелей за счет использования альтернативных видов топлива является актуальной задачей.
Диссертационная работа подготовлена по результатам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных на кафедре «Локомотивы» Самарского государственного университета путей сообщения при непосредственном участии автора в период с 2005 по 2008 годы. Исследования проводились в соответствии с постановлением Правительства РФ №796 от 17.11.2001г., которым утверждена федеральная программа
12 «Энергоэффективная экономика на 2002-2005годы и на перспективу до 2010года» и указаниями МПС России №187у от 26.11.2002г. «Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020г.» в которой предусмотрена разработка энергетической стратегии железнодорожного транспорта, ориентированная на всестороннее ресурсосбережение.
Цель її задачи исследований
Целью исследования является: Изучение влияния добавок пропана к дизельному топливу на экономичность и экологическую безопасность тепловозов. Для достижения цели были поставлены задачи:
Проанализировать различные способы применения пропана для дизелей в качестве добавки к дизельному топливу и выбрать наиболее оптимальный по затратам и эффективности.
Выявить особенности и механизмы горения дизельного топлива с добавкой пропана в дизелях тепловозов, усовершенствовать методику расчета количества продуктов сгорания тепловозных дизелей при работе на дизельном топливе с добавкой пропана.
Провести расчетно-экспериментальные исследования влияния добавок пропана на работу дизелей тепловоза ЧМЭЗ.
Разработать системы для использования пропана в качестве добавки к дизельному топливу на тепловозе и системы для контроля режимов работы локомотива с добавками пропана.
Рассчитать экономический эффект от использования пропана в качестве добавки к дизельному топливу тепловоза ЧМЭЗ.
Методы исследований
При выполнении работы применялись экспериментальные методы, методы математического моделирования, методы математической статистики, методы планирования и обработки результатов натурного эксперимента, регрессионного анализа. При построении графических зависимостей в двух и
13 трех координатных осях использовались пакеты программ Microsoft Excel, Statistica, MathCAD, Math lab и др.
Экспериментальный материал получен по результатам обследования и регистрации теплоэнергетических параметров на маневровых тепловозах ЧМЭЗ при добавке пропана в дизельное топливо (локомотивное депо Самара)
Научная новизна
Разработана химико-кинетическая модель процесса горения смеси дизельного топлива и пропана, отличающаяся возможностью анализировать процесс совместного горения дизельного топлива и пропана в широком диапазоне работы дизелей, на основании которой рассчитан качественный состав продуктов сгорания дизельного топлива с добавкой пропана в тепловозном дизеле ЧМЭЗ.
Усовершенствована методика, учитывающая химико-кинетические особенности процесса горения дизельного топлива с добавкой пропана, которая позволяет прогнозировать экономичность и экологическую безопасность тепловозов при работе дизеля с добавкой пропана.
Практическая ценность
Разработаны и защищены патентами РФ:
Устройство для регистрации режимов работы локомотива позволило проводить длительный эксплуатационный мониторинг режимов работы тепловозов и оценивать нагрузочные режимы при работе дизеля на дизельном топливе с добавкой пропана в условиях реальной эксплуатации.
Система подачи пропана в цилиндры дизеля тепловоза с применением двухтопливной форсунки позволила регулировать количество подаваемого газа в цилиндры дизеля и повысить воспламеняемость и полное сгорание топлива в цилиндрах дизеля.
14 3. Система подачи пропана в дизельное топливо на линии низкого давления дизеля позволила улучшить процесс воспламенения, устойчивость работы дизеля, повысить КПД и мощность.
Реализация результатов работы
Основные теоретические положения, методы исследований, практические результаты, полученные в диссертационной работе, широко используются на Куйбышевской железной дороге - филиале ОАО «РЖД». Результаты работы реализованы в технологии текущего ремонта и технического обслуживания тепловозных дизелей в локомотивном депо Самара.
Апробация работы
Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на XXXI самарской областной научной конференции (г. Самара, 2005г., СамГАПС), на научно-практической конференции «Инновационные проекты, новые технологии и изобретения» (г. Москва, ВНРШЖТ 2005г.), на второй международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (г.Самара, 2005г., СамГАПС), на третей международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (г. Самара, 2006г., СамГАПС), на международной научно-технической конференции «Перспективы и направления развития транспортной системы», (г. Самара, 2007г., СамГУПС), на международном научно-техническом конгрессе по двигателестроению «Двигатели 2008» (г. Москва, 2008г., АССАД), на пятой международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» (г. Москва, 2008г., МИИТ) и др.
Публикации
По теме диссертации опубликована 21 научная работа, статей - 16 из них 2 в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК, тезисов докладов на конференциях - 2, патентов на полезную модель-3.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка и приложений. Материалы диссертации содержат страниц основного текста 121, рисунков 34, 6 таблиц и приложения на 24 страницах. Список использованных источников содержит 115 наименований. Общий объем работы 157 страниц.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.т.н. профессору Носыреву Д.Я., а также всем сотрудникам кафедры «Локомотивы», отделу аспирантуры и докторантуры и отделу интеллектуальной собственности СамГУПС.
Предпосылки и целесообразность применения пропана на транспорте
Углубление топливо-энергетического кризиса приводит к необходимости в разработке новых перспективных направлений экономии топлива на транспорте [28,85].
Одним из самых актуальных на сегодняшний день направлением является появление различных альтернативных топлив для двигателя внутреннего сгорания. Наиболее распространенным из них является сжиженный нефтяной газ, получаемый при переработке нефтяного (попутного) газа и представляющий собой смесь пропана и бутана. К таким топливам относится: СПБТЗ (смесь пропана и бутана технических зимняя), предназначенное для эксплуатации зимой. И СПБТЛ (смесь пропана и бутана технических летняя) для эксплуатации летом, а также бутан технический (БТ)[2]. Некоторые показатели этих топлив приведены в табл.1.1 [111,113].
К достоинствам пропан-бутановых смесей можно отнести их более низкую цену по сравнению с традиционным моторными топливами и высокие экологические свойства (снижение токсичности отработавших газов (ОГ)).
Применяемые на транспорте пропан-бутановые фракции попутных нефтяных газов имеют относительно высокие критическую температуру и температуру кипения, ожижаются при нормальной температуре и сравнительно не высоком давлении (около 1,5 МПа). Поэтому их используют в сжиженном виде, что позволяет создать относительно невысокое давление и увеличить энергоемкость баллонов. Сжиженные нефтяные газы используются в качестве топлива главным образом в бензиновых двигателях, конвертированных для работы на газе. Однако применение этих топлив в дизелях при высоких степенях сжатия и повышенных коэффициентах избытка воздуха более эффективно, чем в двигателях с принудительным воспламенением.
Поэтому ожидается увеличение числа дизелей, работающих на таких топливах с улучшением их эксплуатационных показателей.
Вместе с тем при использовании в дизеле нетрадиционных топлив возникают проблемы, связанные с ухудшением процессов топливоподачи, смесеобразования, воспламенения и сгорания. В частности, при работе на облегченных топливах наблюдается уменьшение массового часового расхода топлива и соответствующее снижение мощности дизеля, достигающее 25-30% по сравнению с мощностью при работе на дизельном топливе. Главной причиной такого уменьшения мощности дизеля является снижение массы цикловой подачи топлива, что обусловлено меньшими плотностью и вязкостью облегченных топлив по сравнению с дизельным топливом, а также их большей сжимаемостью.
Цетановое число чистого бутана равно 25, пропана - 16; пропан-бутановые смеси имеют цетановое число 16-25 и температуру самовоспламенения 550-600 С. Поэтому их сжигание произходит по дизельному циклу с воспламенением от сжатия 22 и выше или при использовании методов повышения температуры воздушного заряда и конструкций камеры сгорания[20,78,79]
Пропан и бутан отличаются более высокой по сравнению с дизельным топливами термической стабильностью, что приводит к значительному возрастанию продолжительностью предпламенных реакций, т. е. увеличению периода задержки воспламенения. В результате происходит одновременное воспламенение большого количества подготовленного к сгоранию топлива, что ведет к повышению показательной динамики процесса сгорания -максимального давления сгорания, скорости нарастания давления при сгорании и т.д. Основные физико-химические и эксплуатационные показатели топлив в сравнении приведены в таблице 1.2 [6,20].
Решение указанных проблем возможно путем подачи в двигатель запальной дозы дизельного топлива. В этом случае дизель становится двухтопливным и называется газодизелем [31].
Теплота сгорания для воздушных стехиометрических смесей жидких топлив и сжиженных газов (СбНз и С4Ню) на 8-9%) выше, чем для СН4 и на 13-14% выше, чем для Нг- Характерно, что с увеличением а теплота сгорания горючих смесей газообразных топлив уменьшается, не так значительно, как жидких [6, 7].
Также различие значений а между цилиндрами более 1.0% заметно снижает эксплуатационные характеристики двигателя по отношению к оптимальным их значениям.
Изменение содержания пропана в смеси СНГ на 1,0% сопровождается изменением расхода топлива на величину 0,124...0,138. в свою очередь изменение его начальной температуры от 0 до 600 С вызывает увеличение теплоты сгорания единицы массы примерно на 1%. Поэтому зависимостью теплоты сгорания от температуры в теплотехнических расчетах рабочих процессов двигателей обычно пренебрегают, так как требуемая точность этих расчетов допускает такую ошибку. Влияние давления сказывается еще меньше, чем влияние температуры, и им также можно пренебречь.
Значительным и практически важным в условиях работы двигателей внутреннего сгорания является влияние давления на температуру самовоспламенения значительно уменьшается, особенно для тяжелых углеводородов. Так, для СбН12 при увеличении давления топливовоздушной смеси с 0,1 до 1МПа температура самовоспламенения уменьшается почти на 300 С [8, 39].
Химико-кинетическая модель процесса горения , дизельного топлива с добавкой пропана в дизеле
На данном этапе большинство разрабатываемых моделей рабочего процесса дизеля направлены в первую очередь на определение и оптимизацию газодинамических параметров. При этом достаточно часто процессы связанные с химическими превращениями т.е. механизмы этих процессов учитываются достаточно поверхностно либо не учитываются вовсе. Предлагаемая модель в данном разделе позволяет детально увидеть химическую картину происходящих процессов при горении смеси дизельного топлива и пропаносодержащих газов, что даст возможность успешно применять её в компьютерном моделировании для оценки энергетических, надежностных и экологических характеристик дизеля. При проведении анализа различных химико-кинетических моделей горения различных углеводородных топлив стало ясно, предложенные модели включают в себя более 300 элементарных реакций, что, по сути, является достаточно объемным и не целесообразным. Для оптимизации разрабатываемой модели были выявлены элементарные реакции наиболее значимые для рабочего процесса дизеля Отбор наиболее значимых реакций основывался на гипотезе предложенной в работе [3]. Данная гипотеза является физического свойства и заключается в следующем: степень влияния элементарной реакции на совокупный химизм горения пропорциональна прошедшему через нее количеству реагентов. Хотя правомерность такого подхода может оспариваться, он хорошо зарекомендовал себя при решении многих задач.
Поэтому для факторного анализа химизма горения в дизеле использовался алгоритм: 1) вычислялись количества реагентов, прошедших через каждую элементарную реакцию за рабочий цикл по формуле: где W/г скорость к-ой химической реакции; 2) рассчитанные величины Wk упорядочивались по мере убывания; 3) отбрасывалась половина менее значимых реакций; 4) задача пересчитывалась с укороченной кинетической схемой; 5) результаты расчетов по полной и укороченной схемам сопоставлялись между совой; 6) по результатам п. 5) данного алгоритма либо повторно выполнялись этапы пп. 1)-5) с целью еще упростить кинетическую схему (при близости результатов, полученных в п. 5) при сравнении), либо повторялся пп. 4)-5), но в кинетическую схему возвращались 50% наиболее значимых реакций из числа отброшенных в последний раз. Для более точного определения значимых реакций использовался так называемый анализ чувствительности предложенный в источнике [5]. Как известно скорости элементарных реакций в процессах горения сильно различаются. Анализ чувствительности показывает, что только некоторые элементарные реакции являются лимитирующими. Остальные реакции столь быстры, что точность, с которой известна величина их константы скорости, лишь незначительно сказывается на результатах моделирования всего процесса горения. На основании анализа чувствительности и уже ранее выбранных реакций в работе [3] были отобраны элементарные химические процессы определяющие работу дизеля (табл. 2.1). Примечание: Константы бимолекулярных реакций приведены в единицах см /с, тримолекулярных - см /с; температура и температурный диапазон применимости констант - в К. При выявлении важнейших реакций в дизелях из рассмотрения исключались все реакции с участием азота как слабо влияющие на динамику сгорания заряда.
Полученная в результате оптимизированная схема превращений включает 52 реакции между 30 компонентами и может быть использована при построении сбалансированных моделей дизельных ДВС [61]. В основу разрабатываемой методики положен метод равновесного состава, предполагающий равенство количества атомов одноименных элементов, вступающих в реакцию окисления количеству атомов этих же элементов в конечных продуктах окисления [17]. При разработке метода равновесного состава принято, что в составе отработавших газов при сгорании топлива состава C+H+S+0=1 в ДВС содержатся 36 устойчивых элементов. Для определения содержания указанных выше компонентов используются четыре уравнения материального баланса, составленные на основе неизменности количества атомов отдельных элементов в ходе реакции. Число атомов соответствующих элементов выражено через парциальные давления. Связь между полным давлением смеси в камере сгорания и парциальными давлениями отдельных компонентов задана в модели уравнением Дальтона. Значения парциальных давлений отдельных продуктов сгорания определяется по известной температуре сгорания с использованием констант равновесия реакций диссоциации газов. Константы равновесия Kt для /-го продукта сгорания определяются из логарифмической зависимости[3,17]. Представленная модель расчета продуктов сгорания реализуется тремя методами [91,92]
Оценка влияния добавки пропана на работу дизеля тепловоза ЧМЭЗ
Для оценки влияния добавки сжиженного нефтяного газа (пропана) на экологические и энергетические характеристики тепловозного дизеля K6S310DR (6ЧН 31/36) были проведены расчеты с помощью предложенной методики в главе 2 и с использованием программы EHGINE [86].
AC EHGINE это программная реализация иммитационной математической модели, которая позволяет осуществлять расчеты рабочих процессов двигателей на различных органических топливах. Из компьютерной базы данных выбирается тип двигателя и топлива, причем сервис программного продукта позволяет производить оптимизацию по ряду показателей работы ДВС: мощность, удельный расход топлива, коэффициент полезного действия, совокупный показатель вредности выхлопных газов, химический состав отработавших газов, эколого-экономический коэффициент.
В качестве исходных значений были взяты паспортные данные на тепловозный дизель K6S310DR (6ЧН 31/36) при номинальном режиме работы [14, 69, 83, 109]. Химический состав применяемых топлив и их характеристики соответствовали данным ГОСТ на топлива [40,99,110,111]. Во всех расчетах были получены равными: выходная индикаторная мощность, тепловой к.п.д., максимальные температуры и давления индикаторной диаграммы.
Был произведен расчет основных теплоэнергетических параметров и содержания основных нормируемых в продуктах сгорания тепловозных дизелей вредных веществ при работе дизеля на дизельном топливе и с добавками к дизельному топливу пропана в диапазоне от 10% до 100% от общего расхода топлива. Для более детального рассмотрения влияния добавок был произведен расчет при работе тепловоза ЧМЭ 3 на номинальном режиме с различным количеством добавки пропана к дизельному топливу.
С учетом известных моделей образования загрязняющих веществ и функциональных связей между составляющими продуктов сгорания целесообразно анализировать соотношения параметров, среди которых наибольшей информативностью обладают, отношения СОг/СО, Н/С, NOx/CO и т.д. [66].
Проведенные расчеты показали, что использование пропана в качестве добавки к дизельному топливу в диапазоне 10 - 90% приводит к снижению удельного расхода топлива и улучшению экологических показателей. Снижаются выбросы всех нормируемых вредных веществ, за исключением оксидов азота [59].
Для выявления природы влияния добавок пропана к дизельному топливу были построены зависимости С02/СО и NOx/CO от Н/С (Рис. 3.18 и 3.19). Для получения данных были рассчитаны соответствующие отношения для различного количества добавок пропана в диапазоне от 5% до 90%.
Из рис. 3.18 и 3.19 видно, что при добавке пропана от 5% до 90%, что соответствует одинаковому диапазону изменения Н/С топлива, экологические показатели изменяются практически одинаково.
При дальнейшем увеличении добавки пропана к дизельному топливу происходит дальнейшее увеличение соотношений С02/СО и NOx/CO. Это свидетельствует о существенном влиянии добавок пропана как водородосодержащего газа на характеристики процессов горения.
Определяющим параметром в механизме влияния этих добавок является количество водорода или соотношение Н/С топлива.
Экспериментальные данные показали для дизеля K6S310DR тепловозов ЧМЭ 3 соотношение С02/СО и NOx/CO на номинальном режиме при работе на дизельном топливе изменяется в диапазоне, который качественно согласуется с результатами расчетов [65,66].
Также расчеты, выполненные с помощью предложенной методики и программы EHGINE на номинальном режиме для маневрового тепловоза ЧМЭ 3, показали хорошую сходимость с результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований. Полученные результаты отличаются не более чем на 5 %.
Как видно из рис. 3.18, 3.19, 3.20 и 3.21 вся область построения поделена на три условных зоны. Зоне / соответствует замещение пропаном до 10% дизельного топлива, которое может осуществляться с помощью подачи пропана в воздушный ресивер дизеля. Зоне // соответствует замещение пропаном до 50% дизельного топлива, которое может осуществляться с помощью добавки пропана к дизельному топливу на линии низкого давления дизеля. Зоне III соответствует замещение пропаном до 90% дизельного топлива, которое может осуществляться с помощью двухтопливной системы или комбинированной частичной подачи пропана в воздушный ресивер и основного расхода пропана с помощью двухтопливной системы.
Разработка системы подачи пропана в дизельное топливо на линии низкого давления дизеля
Предложенное техническое решение предназначено для подачи дизельного топлива и сжиженного газа в цилиндры газодизеля и может быть реализовано на эксплуатируемых и вновь создаваемых дизелях [50,74].
Техническим результатом данной системы является повышение экологичности за счет снижения выбросов вредных углеводородов и снижение расхода дизельного топлива.
Технический результат достигается тем, что в топливоподающую систему дизеля с внутренним смесеобразованием, содержащую топливный насос высокого давления с трубопроводом высокого давления, линию низкого давления дизельного топлива с фильтром грубой и тонкой очистки соединенную с топливным коллектором, топливоподкачивающий насос с параллельно подключенным к нему редукционным клапаном, источник дизельного топлива и источник нефтяного сжиженного газа, на выходе которого установлен фильтр грубой очистки и подкачивающий насос, параллельно которому подключен редукционный клапан дополнительно введен циркуляционный контур, который образован с выхода топливного коллектора на его вход, на линии выхода из коллектора в циркуляционном контуре установлен первый нормально закрытый электромагнитный клапан и насос циркуляции, а второй нормально закрытый электромагнитный клапан установлен на входе в коллектор, причем за линией входа циркуляционного контура в коллектор после фильтра тонкой очистки установлен третий нормально открытый электромагнитный клапан, в циркуляционном контуре после циркуляционного насоса подключен смеситель, на вход которого подведены трубопровод подпитки дизельным топливом, соединяющий вход смесителя через расходомер, четвертый нормально закрытый электромагнитный клапан и линию низкого давления дизельного топлива и трубопровод сжиженного газа на котором установлен фильтр тонкой очистки и дозатор, причем трубопровод сжиженного газа соединен с выходом подкачивающего насоса сжиженного газа, кроме того, к выходу топливного коллектора через пятый нормально открытый электромагнитный клапан подсоединен сливной трубопровод в бак дизельного топлива с первым перепускным вентилем, подпорным клапаном и нагревателем дизельного топлива, а параллельно первому перепускному вентилю и нагревателю топлива установлен второй перепускной вентиль.
Сопоставительный анализ показал, что предложенное техническое решение отличается от известных аналогов тем, что топливо и сжиженный газ смешиваются до поступления в топливный насос высокого давления системы, а процесс смешивания организовано в смесителе, Это позволяет использовать данное техническое решение без изменения топливной системы (ТНВД, форсунки). Предварительное смешивание дизельного топлива и сжиженного газа улучшить процесс подготовки топливовоздушной смеси, улучшить процесс воспламенения и горения топлива в цилиндрах дизеля. На рис.4.2 приведена общая принципиальная схема дизеля с системой подачи топлив.
Топливная система дизеля содержит топливные насосы высокого давления 1, топливные форсунки 2, топливный бак 3, топливоподкачивающий насос 4, фильтр грубой очистки 5, фильтр тонкой очистки 6, бак с пропаном 7, фильтр грубой очистки газа 8, подкачивающий насос газа 9, редукционные клапаны 10,11, линия отсечки дизельного топлива 12, дизель 13. фильтр тонкой очистки газа 14, дозатор 15. смеситель 16, электромагнитные клапаны 17 18, 19, 20,21, вентили перепуска топлива 22,23, заправочный вентиль 24, топливный подогреватель 25, топливный коллектор 26, подпорный клапан 27, подкачивающий насос смеси 28, расходомер 29. Дизель работает следующим образом.
При работе дизеля на дизельном топливе нормально закрытые электромагнитные клапаны 20,21 открыты, а нормально открытые электромагнитные клапаны 17.18,19 закрыты. Излишки топлива из топливного коллектора 26 возвращаются снова в топливный бак 3, проходя по линии оснащенной подогревателем 25, вентилями перепуска 22,23 и подпорным клапаном 27. В таком положении система работает только на дизельном топливе. При переходе на двухтопливную смесь открывают электромагнитные клапаны 17,18,19 закрывают электромагнитные клапаны 20, 21. Для подачи пропана из бака 7, оснащенного заправочным вентилем 24, включают насос сжиженного газа 9 и дозатором газа 15 подают необходимое количество газа, проходящего через фильтр грубой 8 и тонкой 14 очистки, в процентах по отношению к расходу дизельного топлива, поступающего в циркуляционный контур через электроуправляемый клапан 17. Расход дизельного топлива измеряется расходомером 29.
Газотопливная смесь из топливного коллектора 26 подается в топливный насос высокого давления 1 через форсунки 2, частично подается в цилиндры дизеля 13, с помощью насоса 28 частично возвращается на выход смесителя 16, где подмешивается к газотопливной смеси, поступающей из смесителя. Далее процесс повторяется. При переходе с газотопливной смеси на дизельное топливо отключают насос сжиженного газа 9, соединенного с редукционным клапаном 10 , закрывают дозатор газа 15. Для очистки топливной системы от газотопливной смеси дизель некоторое время работает с таким положением элементов. Затем открывают электроуправляемые клапаны 20,21 отключают насос 28, закрывают электроуправляемые клапаны 17, 18, 19, Топливная система приводится в исходное состояние, дизель работает на дизельном топливе.
Изменение режимов работы системы обеспечивается автоматической системой управления с помощью электроуправляемых клапанов.
Предложенная система позволяет использовать сжиженный газ совместно с дизельным топливом, причем предварительное смешивание до поступления в цилиндры дизеля позволяет улучшить процесс воспламенения, что приводит к устойчивой работе двигателя, повышению его КПД и мощности.
Предложенная система подачи топлива позволяет повысить экономичность за счет снижения расходов на топливо 20-30%, одновременно снижаются выбросы вредных веществ в окружающую среду.
