Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ путей улучшения экологических и экономических показате лей дизелей 16
1.1. Проблемы улучшения экологических показателей и повышения экономичности ДВС в полном жизненном цикле 16
1.2. Улучшение экологических показателей и повышение экономичности дизелей путем применения альтернативных топлив 22
1.3. Международные стандарты оценки продукции по ПЖЦ 29
1.4. Анализ международных методик оценки двигателей внутреннего сгорания и моторных топлив по полному жизненному циклу 35
1.5. Выводы по первой главе 42
1.6. Цель и задачи исследования 44
2. Методика оценки экологической безопасности дизелей в полном жизненном цикле при использовании традиционных и альтернативных топлив 45
2.1. Общие положения 45
2.2. Инвентаризация расходования сырья, энергии и выбросов ВВ в окружающую среду на стадиях жизненного цикла дизельного двигателя 47
2.3.Оценка воздействия на окружающую среду 68
2.4.Выводы по второй главе 74
3. Математическая модель рабочего процесса дизельного двигателя и образования NOx при работе на различных топливах 75
3.1. Обзор отечественных и зарубежных математических моделей расчета рабочего процесса и образования вредных веществ в цилиндре двигателя 75
3.2. Математическая модель расчета рабочего процесса дизельного двигателя при работе на традиционных, альтернативных и смесевых топливах 78
3.2.1. Выбор модели и основные допущения 78
3.2.2. Расчет процесса наполнения, сжатия и сгорания 82
3.2.3. Определение концентраций оксидов азота в зонах и в среднем по цилиндру 93
3.2.4. Расчет индикаторных и эффективных показателей двигателя 95
3.2.5. Алгоритм расчета рабочего процесса дизельного двигателя работающего на смеси альтернативного и нефтяного топ-лив 97
3.3.Выводы по третьей главе 98
4. Теоретические и экспериментальные исследования показателей дизельного двигателя при работе на альтернативных и традиционных топливах 99
4.1.Выбор объекта для теоретического и экспериментального исследований 99
4.2. Экспериментальные исследования показателей дизельного двигателя при работе на альтернативных и традиционных топливах 100
4.2.1. Описание объекта исследования (Д-240 с дизельной топливной аппаратурой и системой подачи метанола), испытательного стенда и измерительной аппаратуры 100
4.2.1.1. Описание и основные характеристики модернизированного дизеля Д-240 100
4.2.1.2. Описание дополнительной системы питания испаренным метанолом 102
4.2.1.3. Испытательный стенд 105
4.2.2. Программа проведения и основные результаты испытаний двигателя Д-240 при работе на дизельном топливе и метаноле 107
4.3.Проверка адекватности математической модели процесса сгорания в дизеле при его работе на альтернативных и традиционныхтопливах 111
4.4.Теоретические исследования показателей дизельного двигателя при работе на альтернативных и традиционных топливах 115
4.4.1. Анализ причин уменьшения выброса вредных веществ при сгорании в цилиндре двигателя метанола и диметилового эфира по сравнению дизельным топливом 115
4.4.2. Моделирование экономических и экологических показателей дизельного двигателя при эксплуатации 126
4.5.Выводы по четвертой главе 128
5. Теоретические исследования экологических и экономических показателей дизельных двигателей при работе на традиционных и альтернативных топливах с учетом полного жизненного цикла 129
5.1.Постановка задачи и определение сферы 129
5.2.Проведение инвентаризационного анализа расходования, природных ресурсов, энергии и выбросов вредных веществ 130
5.3.Оценка воздействия на окружающую среду дизеля Д-240, использующего традиционные и альтернативные топлива 141
5.4.Интерпретация данных 148
5.5.Выводы по пятой главе 154
Основные результаты и выводы 157
Литература 160
- Улучшение экологических показателей и повышение экономичности дизелей путем применения альтернативных топлив
- Инвентаризация расходования сырья, энергии и выбросов ВВ в окружающую среду на стадиях жизненного цикла дизельного двигателя
- Математическая модель расчета рабочего процесса дизельного двигателя при работе на традиционных, альтернативных и смесевых топливах
- Экспериментальные исследования показателей дизельного двигателя при работе на альтернативных и традиционных топливах
Введение к работе
Обеспечение снижения вредного воздействия отработавших газов дизелей на окружающую среду и здоровье человека и экономия нефтяных ресурсов неразрывно связаны с исследованиями в области снижения токсичности отработавших газов дизелей и поиска альтернативных топ л ив. В настоящее время оценка дизелей производится анализом его экономических и экологических показателей, определяемых при сертификации по Правилам ЕЭК ООН №49. Однако негативное воздействие дизелей на окружающую среду не ограничено только выбросами вредных веществ в эксплуатации. Необходима оценка расходования сырьевых материалов, затрат энергии и негативного воздействия на окружающую среду от выбросов вредных веществ на всех стадиях полного жизненного цикла (ПЖЦ) дизелей, включающего добычу сырья, производство энергии, конструкционных и эксплуатационных материалов, производство ДВС, его эксплуатацию и утилизацию.
Для проведения оценки уровня экологической безопасности любого изделия в мире разработаны стандарты серии ИСО 14000, содержащие описание основных принципов проведения оценки экологической безопасности по ПЖЦ. Россия приняла данные стандарты к прямому исполнению в качестве ГОСТ Р ИСО 14000. Однако стандарты серии ИСО 14000 являются рамочными, определяют только порядок и основные процедуры проведения исследований. Для их практического применения для оценки дизелей по ПЖЦ для условий РФ необходима разработка методических материалов, учитывающих особенности автомобиле- и двигателестроения и позволяющих производить инвентаризацию материальных и энергетических потоков и рассчитывать ущерб окружающей среде.
На этапе эксплуатации ДВС значительный вклад в ущерб окружающей среде от выбросов вредных веществ дизельными двигателями оказывают оксиды азота и частицы. Наиболее сложно обеспечить уменьшение выбросов оксидов азота до перспективных норм и это приобретает особое значение при разработке новых силовых установок, работающих на альтернативных топливах, и проведении поисковых исследований перспективных рабочих процессов.
Для комплексной оценки дизелей по ПЖЦ необходимо решить целый ряд задач по проблемам, указанным выше.
Все это определяет актуальность исследований, выполненных в диссертации. Методы исследования.
На основе стандартов серии ГОСТ Р ИСО 14000, анализа методик и применяемого в мировой практике программного обеспечения разработана оригинальная методика оценки жизненного цикла дизельных двигателей при работе на традиционных и альтернативных топливах. Постановка задачи исследования с определением цели и сферы исследования осуществлялась в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14040; построение функциональной схемы жизненного цикла - с использованием методологии функционального моделирования процессов IDEF0; проведение инвентаризации - по ГОСТ Р ИСО 14041; оценка воздействия в соответствии с процедурами по ГОСТ Р ИСО 14042 на основе «Временной методики определения предотвращенного экологического ущерба», принятой Госкомприроды РФ в 1999г.; интерпретация результатов - в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14043.
Методология моделирования процессов преобразования энергии в дизельном двигателе при сгорании традиционного и альтернативного топлива представляет собой сочетание расчетно-теоретических и экспериментальных работ. Для проведения расчетно-теоретических исследований были разработаны математическая модель и программное обеспечение, позволяющие определить энергетические и экономические показатели дизеля и рассчитать образование оксидов азота. Для проверки адекватности математической модели проводились экспериментальные исследования на стенде с дизельным двигателем при его работе на дизельном и альтернативных топливах. Объект исследования.
Дизельный двигатель в ПЖЦ, включая наиболее значимые по воздействию на окружающую среду, ресурсо- и энергоемкие стадии добычи сырья, производства топлива и эксплуатации двигателя. Научная новизна.
Разработана комплексная методика оценки жизненного цикла дизельных двигателей, включающая:
- методику оценки экологической безопасности в ПЖЦ дизельных двигателей, использующих как традиционные, так и альтернативные топлива, позволяющую определять расход сырья, энергии и негативное воздействие на окружающую среду от выброса вредных веществ для условий РФ;
- математическую модель для расчета рабочего процесса двигателя, работающего на дизельном, альтернативном и смесевом топливе, с расчетом образования оксидов азота, позволяющую моделировать работу дизеля на различных топливах и исследовать перспективные рабочие процессы, например, при гомогенном смесеобразовании и сгорании в дизелях.
Теоретически определены причины уменьшения образования оксидов азота при сгорании в цилиндре ДВС метанола и ДМЭ по сравнению с дизельным топливом. Практическая ценность.
Разработаны методика и программное обеспечение для оценки автотранспортных дизелей, работающих на традиционных или альтернативных топливах, которые позволяют определить затраты сырья, энергии и негативное воздействие на окружающую среду на различных стадиях их ПЖЦ с целью выбора оптимальной альтернативы нефтяному топливу, а также определения направлений повышения уровня их экологической безопасности.
Разработанные инженерные методы расчета рабочего процесса ДВС, работающего как на традиционном, альтернативном, так и на смесевом топливе, позволяют оптимизировать процесс сгорания по энергетическим и экологическим параметрам, а также определить перспективные направления использования альтернативных топлив в ДВС. Реализация работы.
Теоретические и расчетные результаты данных исследований использованы в договорных и госбюджетных научно-исследовательских работах, выполняемых в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».
Методика оценки экологической безопасности силовых установок, работающих на традиционных и альтернативных топливах, внедрена на ОАО "ГАЗ" и использована при анализе ПЖЦ двигателей ГАЗ-5601, IVECO 8140.27, ЗМЗ-4063.
Методика оценки экологической безопасности силовых установок, работающих на традиционных и альтернативных топливах, используется в учебном процессе кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам: «Спецглавы теории ДВС наземного транспорта» и «Спецглавы конструирования и САПР». Апробация работы.
Материалы диссертации одобрены на заседании НТС секции «Двигатели» ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». Основное содержание работы изложено на:
- III международной научно-практической конференции «Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития», МАДИ (ТУ), 2000 г., Москва;
- IV международной научно-технической конференции «Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе», МАДИ (ТУ), 2000 г., Мо 14 сква;
- XXXVII Международной научно-технической конференции ААИ «Развитие аналитических исследований и конструкции АТС (грузовые, легковые, автобусы)», НАМИ, 2002 г., Москва;
- XXXIX Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», МАМИ, 2002 г., Москва;
- Научно-технической конференции «Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса», МАДИ (ТУ), 2003 г., Москва.
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах. Автор выражает свою глубокую признательность сотрудникам ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ" за оказанную помощь в работе. И в особенности научному руководителю - доктору технических наук, профессору Василию Алексеевичу Звонову, за постоянное внимание и поддержку при выполнении диссертационной работы.
Улучшение экологических показателей и повышение экономичности дизелей путем применения альтернативных топлив
Одним из основных путей снижения вредного воздействия отработавших газов на окружающую среду и здоровье человека, обеспечения выполнения перспективных норм по выбросу вредных веществ автотранспортом Евро-3, Евро-4 и Евро-5, экономии ресурсов нефтяного топлива является применение альтернативных топлив (главным образом, природного газа, метанола, диметилового эфира и водорода) и поиск новых перспективных возобновляемых источников энергии [5, 27, 28, 71, 94, 144, 145, 152].
Для дизельных двигателей наиболее перспективными альтернативными топливами являются [27, 71, 88, 119, 108, 144, 148]: - природный газ; - метанол; - диметиловый эфир. Сжатый природный газ.
Основной компонент природного газа (ПГ) - метан. Это углеводород, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Благодаря этому, при его сжигании образуется примерно на 25% меньше СОг по срав нению с бензином (при расчете на одно и тоже количество энергии). По сравнению с дизельным топливом, ПГ при сжигании в двигателе образует меньшее количество NOx, а также значительно меньше частиц и соединений серы. Однако, даже находясь под давлением 20 МПа, сжатый природный газ (СПГ) занимает в 4 раза больший объем, чем такое же (по энергии) количество бензина. Поэтому для хранения СПГ на автомобиле требуются большие, тяжелые баллоны, которые, тем не менее, обеспечивают запас хода всего 20СН-250 км. Однако с появлением баллонов, изготовленных из алюминия с покрытием из углеродного волокна, проблема веса потеряла свою остроту.
При эксплуатации двигателей на ПГ повышается моторесурс двигателя. Кроме того, нет испарения топлива, не образуются паровоздушные пробки в топливоподающей системе, обеспечиваются устойчивая работа на холостом ходу, хорошая приемистость и пожаробезопасность [16, 119].
ПГ применяется в дизелях с воспламенением от запальной дозы дизельного топлива (газодизельный цикл) или свечи зажигания. Метод воспламенения ПГ от сжатия не нашел применения из-за высокой температуры воспламенения природного газа, которая требует чрезвычайно высокой степени сжатия.
Сдерживает широкое применение ПГ также и неразвитость инфраструктуры. Диметиловый эфир. Диметиловый эфир (ДМЭ) является простейшим эфиром, он не токсичен и не загрязняет окружающую среду. При нормальных условиях ДМЭ находится в газообразном состоянии, однако легко сжижается при давлении 0,5 МПа (при температуре 20С). По своим физическим свойствам он очень сходен со сжиженным нефтяным газом. Сырьевая база для производства ДМЭ огромна. Он может быть произведен из любого углеродсодержащего сырья: природного газа, нефтенесущих сланцев, отходов деревообрабатывающей промышленности или другого биосырья [68, 94, 129].
ДМЭ по сравнению с традиционным дизельным топливом имеет следующие преимущества [52, 63, 138]: возможна реализация в двигателе с воспламенением от сжатия эффективного процесса сгорания с низким уровнем выбросов вредных веществ и шума; при этом возможно разрешение классических проблем дизелей: дымность при работе двигателя практически равна нулю; при использовании специально разработанных камер сгорания и топливных систем уровень выбросов оксидов азота может быть уменьшен, а выбросы частиц (образовавшихся при сгорания топлива) из-за отсутствия углерод-углерод связей и наличия в топливе кислорода, практически отсутствуют; уровень шума при сгорании может быть снижен как минимум на 15 дБА по сравнению с дизелем. ДМЭ позволяет сохранить классические преимущества дизелей: воспламенение от сжатия - наиболее надежный способ воспламенения; высокий эффективный КПД (как у дизелей с непосредственным впрыском); высокую надежность, поскольку практически исключено загрязнение масла сажей.
Описанные выше преимущества ДМЭ (высокое цетановое число и низкая температура кипения) обеспечивают: хорошие пусковые характеристики в холодное время; существенное уменьшение периода задержки воспламенения; практически мгновенное испарение топлива при впрыскивании в цилиндр дизеля, однако, при этом не обеспечивается быстрое и качественное смесеобразование. Приведенные положительные характеристики ДМЭ ставят его на одно из первых мест в списке альтернативных топлив для дизельных двигателей. Однако возникает ряд вопросов, на которые необходимо будет ответить пе ред тем, как отдать преимущество именно этому топливу. Эти вопросы связаны с: уменьшением выбросов альдегидов, в особенности при прогреве двигателя; выбором сырья и технологии производства, конечной стоимостью для потребителя; организацией системы распределения ДМЭ и заправочных станций; возможностями удовлетворения жестким стандартам на выбросы вредных веществ, которые вступят в силу после 2005 г.; необходимостью внесения изменений в конструкцию двигателя и его системы питания для работы на ДМЭ; невозможностью использования одной топливной аппаратуры как для работы на дизельном топливе, так и на ДМЭ; увеличением емкости топливных баков и уменьшением грузоподъемности АТС, поскольку теплота сгорания ДМЭ составляет 27,6+28,8 МДж/кг.
В настоящее время в РФ и за рубежом ведутся активные исследования, направленные на решение поставленных вопросов, и достигнуты определенные успехи [52, 104, 108, 129, 138].
Метанол (метиловый спирт, СН3ОН) может быть получен из любого сырья, содержащего углерод, например природного газа, угля или биомассы, а также из СОг, которые имеются в довольно больших количествах. Имеются отлаженные технологии производства с удовлетворительными технико-экономическими показателями [94, 95, 41, 44, 63, 112, 128]. Однако метанол обладает в два раза меньшей теплотворной способностью (в МДж/кг) по сравнению с дизельным топливом, вызывает коррозию металлов, образует при сгорании альдегиды [41, 42, 150, 153].
Инвентаризация расходования сырья, энергии и выбросов ВВ в окружающую среду на стадиях жизненного цикла дизельного двигателя
Вторым этапом оценки жизненного цикла дизелей для автотранспорта является инвентаризационный анализ воздействия, который сводится к определению материального и энергетического баланса (МЭБ) между потоками, входящими в систему и выходящими из нее. Поскольку жизненный цикл любого двигателя достаточно сложен, то интегральная модель для его описания должна включать различные модели, описывающие отдельные единичные процессы и стадии жизненного цикла [29, 40].
Любой единичный процесс, стадия жизненного цикла и полный жиз ненный цикл дизеля в целом представляется в виде схемы (см. рис. 2.2). где М - поток массы, включая расход природных ресурсов, эксплуатационных и конструкционных материалов, топлив, выбросы вредных веществ в окружающую среду и др.; E - поток энергии, включая энергию, вносимую или выносимую с топливом или сырьем для его получения, а также затраты энергии на процесс и потери энергии в окружающую среду.
Эти законы должны соблюдаться на любом уровне иерархии процессов - от единичных до жизненного цикла двигателя в целом. Однако при проведении реальных оценок обеспечить точное соблюдение материального и энергетического баланса довольно сложно из-за недостатка данных либо их недостаточно высокой точности, поэтому допускается некоторое несоответствие баланса, которое должно быть оговорено при определении сферы исследования. Например, в процессе работы двигатель расходует топливо и воздух (входной поток), а выбрасывает продукты сгорания (выходной поток). В ряде случаев не учитывают расход воздуха при сгорании топлива и выбросы азота и кислорода с отработавшими газами, то есть точное соблюдение материального баланса в этом случае не обеспечивается.
В самом общем виде жизненный цикл любого ДВС для автотранспорта, использующего дизельное топливо, можно представить следующей схемой (см. рис. 2.3). В этом случае в состав его жизненного цикла входят стадии: добычи сырья; производства конструкционных материалов, деталей и узлов; сборки ДВС; добычи нефти и нефтепереработки; эксплуатации ДВС; утилизации ДВС. Анализ вклада стадий в общий ущерб окружающей среде (см. разд. 1.4) показал, что наиболее значимые стадии в полном жизненном цикле автотранспортного двигателя - это стадии добычи сырья и производства топлива и эксплуатации ДВС. Поэтому разработанная методика позволяет провести оценку полного жизненного цикла дизельного двигателя, использующего традиционные или альтернативные топлива только с учетом этих стадий (на рис 2.3 обведены пунктирной линией).
Для проведения инвентаризации расходования сырья, затрат энергии и воздействия на окружающую среду необходимо более подробное описание каждой стадии жизненного цикла. Для этого каждая стадия разделяется на единичные процессы и отдельно моделируется каждый такой процесс, после чего результаты моделирования обрабатываются с целью определения материального и энергетического баланса данной стадии, а затем и полного жизненного цикла.
Так как стадии жизненного цикла дизельного двигателя при использовании им различных топлив и их единичные процессы существенно отличаются друг от друга по своей физической природе, то на каждое рассматриваемое топливо строится структурная схема жизненного цикла двигателя с описанием материальных и энергетических потоков.
Исходя из целей данной работы, в качестве примера ниже представлена методика анализа процессов в жизненном цикле дизельного двигателя, использующего дизельное топливо, основанная на методологии функционального моделирования бизнес процессов (IDEF-0) с целью выявления взаимосвязей всех процессов и операций, участвующих в обеспечении жизненного цикла [40]. При такой постановке вопроса описание будет представлять собой комплекс функциональных моделей (ФМ), описывающих взаимодействие процессов и взаимодействие подпроцессов и операций внутри каждого процесса, функциональная модель - это описание материальных и энергетических потоков между функциональными блоками - подпроцессами, процес сами и стадиями. Для дизельного двигателя, использующего дизельное топливо функциональная модель полного жизненного цикла, включающая стадии добычи сырья и производство топлива и стадию эксплуатации двигателя показаны на рис. 2.4.
Для рассмотрения ПЖЦ дизельных двигателей, использующих традиционные или альтернативные топлива, в функциональную модель включены процессы добычи сырья для производства топлива, его транспортировки и хранения, производства основного и вспомогательных топлив, их хранение и распределение, эксплуатация ДВС.
Вспомогательными топливами называются топлива, энергия которых необходима для обеспечения стадии добычи сырья и производства основного топлива. Иерархия функциональных моделей, описывающих ПЖЦ дизельного топлива (ДТ) представлена в таблице 2.1.
Математическая модель расчета рабочего процесса дизельного двигателя при работе на традиционных, альтернативных и смесевых топливах
Поскольку объемы производства AT (метанола, ДМЭ, ПГ и др.) и их распределение в настоящее время недостаточны для полного перехода автотранспорта на них, то на переходный период в эксплуатации будут параллельно использоваться двигателя как на традиционном топливе, так и на AT, а также на смесевых топливах.
Выбор наиболее оптимальных решений по совершенствованию двигателей, использующих традиционные, альтернативные или смесевые топлива, может быть сделан на основе математического моделирования их рабочих процессов [10, 33]. Для этой цели разработана математическая модель рабо чего процесса дизельного двигателя, работающего как на традиционном, альтернативном, так и на смесевом топливе - дизельном с дополнительной подачей AT на впуск.
Разработанная математическая модель позволяет рассчитать технико-экономические показатели двигателя и выбросы оксидов азота, как наиболее вредного из выбрасываемых веществ. Методика учитывает особенности протекания процессов наполнения, сжатия и сгорания в ДВС при использовании смесевых топлив, когда осуществляется дополнительная подача испаренного AT на впуск двигателя, а при моделировании работы двигателя на 100% ДТ или AT позволяет дополнительно исследовать перспективные способы смесеобразования и сгорания [10, 38, 132].
При математическом моделировании процесса сгорания и образования оксидов азота в дизеле заряд цилиндра был условно разделен на зону свежей смеси и зону продуктов сгорания. Зона свежей смеси представляет собой смесь остаточных газов с воздухом и парами AT, поступившими в цилиндр при наполнении. В конце сжатия эта зона занимает весь объем цилиндра. Зона продуктов сгорания образуется при одновременном, согласно заданному закону, сгорании AT и дизельного топлива. Здесь происходит образование оксидов азота. В ходе сгорания происходит увеличение объема зоны продуктов сгорания вследствие поглощения ею соответствующей части зоны свежей смеси При разработке математической модели процесса сгорания принимались следующие допущения: 1. Горение дизельного топлива происходит с локальным коэффициентом избытка воздуха адт 1, который в течение процесса сгорания может меняться по определенному закону; 2. В каждый момент времени давление газа во всех зонах одинаково; 3. Теплообмен между зонами отсутствует; 4. Общий отвод теплоты в стенки определяется средними по цилиндру параметрами рабочего тела по зависимости Вошни; теплота, отведенная в стенки от каждой зоны, определяется путем распределения общей тепло ты между зонами пропорционально их объемам и температурам газов в них. 5. Расчет равновесного состава в зоне продуктов сгорания производится для восемнадцати компонентов на каждом шаге расчета (С, СО, С02, СН4, Н20, Н2, N2, Оз, 02, О, Н, N, N02, NO, NH3, HN03, OH, HCN) [23,47]; 6. Термические оксиды азота образуются в зоне продуктов сгорания по цепному механизму; 7. Средняя концентрация оксидов азота в цилиндре двигателя определяется как отношение их общего количества в зоне продуктов сгорания к количеству рабочего тела в цилиндре; 8. Расчет процесса сгорания производится на основе закона выгорания топлива, определяемого либо по Вибе, либо по опытным данным, заданным в табличной форме.
Особенностью модели процесса сгорания в дизеле, работающего на смесевом топливе является то, что в дополнение к указанным допущениям были приняты еще и следующие: 1. Средний коэффициент избытка воздуха в зоне продуктов сгорания апс изменяется от адт до среднего по цилиндру коэффициента избытка воздуха а прямо пропорционально закону сгорания: апс= адт + (а - 1)"х, где - доля сгоревшего топлива; 2. Продукты сгорания по составу и температурам неоднородны и делятся на две зоны (рис З.1.): зона с - продукты сгорания, образовавшиеся в результате сгорания части свежей смеси (смеси AT и воздуха) с аат= аш, происходящего благодаря повышению температуры вследствие теплового излучения и диффузии активных центров из зоны а; зона а - продукты сгорания дизельного топлива с а дт = 1 в продуктах, образовавшихся после сгорания части свежей смеси, то есть в части зоны с; 3. Каждая из зон условно разделена на исходную часть, состоящую из продуктов сгорания, образовавшихся на предыдущем шаге расчета, и на новые продукты сгорания, образовавшиеся на текущем шаге расчета; после завершения сгорания топлив на расчетном участке новые продукты сгорания переходят в исходную часть, перемешиваясь с ней; 4. Температура газа в зоне с на каждом шаге расчета изменяется с Тс\ до Тс, определяемой из условия подвода теплоты, выделившейся при сгорании AT с учетом отвода теплоты в стенки и на диссоциацию, а также с учетом перемешивания образовавшихся на расчетном участке продуктов сгорания с исходным количеством газа в зоне; при этом в объеме непосредственного горения метанола температура изменяется от Тш] до Гпсс; 5. Температура газа в зоне а на каждом шаге расчета изменяется с Та\ до Та, определяемой из условия подвода теплоты, выделившейся при сгорании дизельного топлива в продуктах сгорания AT с учетом отвода теплоты в стенки и на диссоциацию, а также с учетом перемешивания образовавшихся на расчетном участке продуктов сгорания с продуктами сгорания, образовавшимися в зоне на предыдущих шагах расчета; при этом в объеме непосредственного горения дизельного топлива температура изменяется 6. Оксиды азота образуются в зонах с и а; 7. Концентрация оксидов азота в зоне с на участке расчета изменяется по цепному механизму от 0 до rNOc в области горения AT и от A-NOCI до r NOc в области продуктов сгорания, образовавшихся на предыдущих шагах расчета; 8. Концентрация оксидов азота в зоне а на участке расчета изменяется по цепному механизму от гмо с до r N0 а в области горения дизельного топлива и от rNOai до rNOa в области продуктов сгорания, образовавшихся на предыдущих шагах расчета; В данной работе рассмотрены особенности расчета рабочего процесса дизельного двигателя при его работе на смесевом топливе.
Экспериментальные исследования показателей дизельного двигателя при работе на альтернативных и традиционных топливах
Модернизированный двигатель Д-240 представляет собой четырехцилиндровый дизель, в котором применена неразделенная камера сгорания с объемно-пленочным смесеобразованием (рис.4.1). В случае работы на дизельном топливе одна часть впрыснутого топлива распыливается в объеме камеры сгорания, а другая растекается по ее камеры сгорания, а другая растекается по ее поверхности, образуя тонкую пленку. Первая часть интенсивно перемешивается с потоком сжатого нагревшегося воздуха, активно испаряется и сгорает, таким образом происходит процесс так называемого предварительного воспламенения топлива. Камере сгорания придана шатровая форма, которая способствует созданию завихрения воздушного потока и лучшему перемешиванию топлива и воздуха. Вторая часть топлива (в виде пленки) испаряется, нагреваясь от стенки камеры сгорания и потока сжатого нагревшегося воздуха. Постепенно развивающийся процесс сгорания создает условия для экономичной и «мягкой» работы дизеля, которая характеризуется плавно нарастающими нагрузками на кривошипно-шатунный механизм. В случае работы дизеля с подачей испаренного метанола на впуск в цилиндры двигателя подается гомогенная метаноловоздушная смесь. Впрыскиваемое дизельное топливо смешивается с этой смесью и обеспечивает воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси. Процесс сгорания в этом случае происходит более интенсивно, чем при работе только на дизельном топливе, однако благодаря большей гомогенности смеси происходит более полное сгорание с меньшим образованием дисперсных частиц. Кроме того, подача метанола на впуск позволяет уменьшить угол опережения впрыска топлива, что способствует снижению образования оксидов азота без заметного уменьшения КПД двигателя.
Для работы дизеля Д-240 на дизельном топливе и метаноле, разработана дополнительная система питания дизеля испаренным метанолом. Система питания включает (см. рис. 4.3): бак для метанола 1, метанольный фильтр 2, насос подачи метанола 3, регулировочный клапан 4, испаритель 5, газовый клапан 6 и смеситель 7. Испаритель 5 встроен в систему выпуска отработавших газов двигателя. Система оборудована устройствами для ручного регулирования подачи метанола: блоком управления 8 и датчиками температуры отработавших газов (ОС) на входе в испаритель 10, частоты вращения коленчатого вала 9 и расхода дизельного топлива 11. В зависимости от режима работы двигателя с помощью блока управления и клапана 4 регулируется подача метанола. Система работает следующим образом. Метанол из бака 1 через метанольный фильтр 2 насосом 3 подается к регулировочному клапану 4. В зависимости от сигналов с датчиков 9, 10 и 11 оператор с помощью блока управления 8 регулирует проходное сечение клапана 4. Метанол подводится в испаритель 5, через который проходят ОГ двигателя, испаряется и через газовый клапан 6 подается в смеситель 7. Смеситель образует метаноловоз-душную смесь, которая подается в цилиндры двигателя и сгорает.
Оборудование дизеля системой питания испаренным метанолом требует выработки закона подачи метанола в зависимости от режима работы двигателя. Выбор закона подачи обусловливается: - типом двигателя (транспортный или стационарный); - условиями его эксплуатации; - особыми требованиями, предъявляемыми к двигателю (экономия дизельного топлива, высокий КПД, низкие выбросы оксидов азота и сажи и т.п.).
