Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Альтернативные виды энергоносителей как средство совершенствования эколого-экономических показателей дизелей 12
1.1. Проблемы экологии и энергетики транспорта 12
1.2. Альтернативные виды топлива для дизелей: состояние проблемы и перспективы развития 16
1.3. Водород как перспективное топливо для ДВС 22
1.4. Способы получения водородного газа на борту транспортного средства 26
1.5. Влияние продуктов конверсии спиртового топлива на внутрицилиндровые процессы дизеля и изменение
его экологических качеств 32
1.6. Заключение по главе. Цель и задачи исследования 35
Глава 2. Теоретическое исследование показателей работы энергетической установки в составе дизеля и системы термохимического преобразования спиртового топлива в водородосодержащий газ 39
2.1. Предварительный анализ возможности реализации промотированного процесса сгорания углеводородно - воздушной смеси в дизеле 39
2.2. Исследование энергетических параметров конверсионного процесса в системе выпуска дизеля 48
2.3. Об эффекте регенерации энергии ОГ опытной энергетической установки 56
2.4. Исследование параметров рабочего цикла дизеля и механизма окисления азота при работе на водородно-дизельной топливной композиции 65
2.5. Выводы по главе 87
Глава 3. Экспериментальная установка, приборы и оборудование. методики экспериментальных исследований. оценка погрешностей измерений 89
3.1. Задачи эксперимента 89
3.2. Концепция и техническое решение опытной энергетической установки, как объекта исследования 89
3.3. Методика проведения исследований 96
3.4. Оценка погрешностей измерений 100
Глава 4. Анализ результатов исследования показателей энергетической установки в составе дизеля и термохимического преобразователя топлива 104
4.1. Проверка достоверности методики расчета параметров рабочего цикла дизеля, работающего на водородно-дизельной топливной композиции 104
4.2. Исследование эффективности процесса термохимического преобразования спиртового топлива в реакторе 110
4.3. Анализ топливо экономических показателей дизеля при работе на водородно-дизельном топливе 114
4.4. Анализ экологических показателей дизеля при работе на водородно-дизельном топливе 118
Основные результаты и выводы 123
Список использованной литературы
- Проблемы экологии и энергетики транспорта
- Предварительный анализ возможности реализации промотированного процесса сгорания углеводородно - воздушной смеси в дизеле
- Концепция и техническое решение опытной энергетической установки, как объекта исследования
- Проверка достоверности методики расчета параметров рабочего цикла дизеля, работающего на водородно-дизельной топливной композиции
Введение к работе
Использование мобильного транспорта в жизнедеятельности человека стало неотъемлемой частью общественного развития. Однако моторизация общества выдвигает ряд серьезных социальных проблем, среди которых одно из первых мест занимают проблемы защиты окружающей среды и сохранения природных ресурсов. Транспортные средства - основные потребители энергии и одни из главных источников загрязнения атмосферы.
Поэтому главные направления совершенствования транспортных энергоустановок в настоящее время определяются двумя важнейшими социально-экономическими аспектами:
рациональное использование топлива нефтяного происхождения, в том числе, замена его альтернативными энергоносителями;
снижение вредного воздействия транспортных средств на окружающую среду.
Постоянно ужесточающиеся требования по ограничению выброса вредных веществ транспортными средствами и экономии энергоресурсов требуют от производителей разработки принципиально новых энергетических установок, работающих на новых экологически чистых видах топлив ненефтяного происхождения.
Особое место среди альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания отводится водороду. Учитывая огромные ресурсы водорода в природе и возможность его получения из возобновляемых сырьевых источников, например, растительных, немаловажную роль играет то, что при использовании его в качестве топлива на транспортных средствах создаются возможности практической неисчерпаемости данного энергоносителя. Водород обладает чрезвычайно высокой массовой энергоемкостью (почти в 3 раза большей, чем у традиционных нефтяных топлив), уникальными кинетическими характеристиками сгорания.
Важным свойством водорода является также то, что в условиях реагирующей углеводородно-воздушной среды он может выступать в роли химически
реакционно-активного компонента (промотора), оказывающего эффективное воздействие на кинетические параметры внутрицилиндровых процессов, в том числе, и на кинетический механизм образования токсических компонентов продуктов сгорания.
Однако, применение водорода в качестве моторного топлива транспортного средства в настоящее время упирается в проблему энерговооруженности (запаса хода) автомобиля. Существующие системы хранения водорода неприемлемы для транспорта либо вследствие малой емкости, либо вследствие технической сложности и недостаточной безопасности в эксплуатации и аварийных ситуациях. Даже наилучший из них по энергоплотности - криогенный - уступает по этому показателю нефтяным топливам в несколько раз, не говоря уже о том, что в техническом отношении он неизмеримо сложнее систем хранения и транспортирования жидких топлив.
Одним из альтернативных решений проблемы использования данного энергоносителя на транспорте является использование безопасных жидких водородосодержащих продуктов (носителей водорода) для получения энергетического газа с высоким содержанием водорода непосредственно на борту транспортного средства путем их предварительного химического преобразования (конвертирования).
При этом перспектива использования традиционного нефтяного топлива в качестве исходного (сырьевого) продукта для организации конверсии с целью получения водородного газа весьма проблематична, так как связана с высокими энергетическими затратами и малым выходом целевого компонента (водорода) в реакциях конверсионного процесса.
Более предпочтительными являются соединения, имеющие более простую химическую структуру (например, простейшие спирты и эфиры) и, следовательно, более низкие уровни температуры диссоциации и тепловых эффектов в эндотермических реакциях разложения (затраты тепловой энергии на преодоление внутримолекулярных связей), соизмеримые с уровнем тем-пературно-энергетического потенциала теплоносителя, то есть отработавших
газов на выпуске двигателя. В этом случае обуславливается реальная возможность утилизации "бесплатной" тепловой энергии отработавших газов для организации конверсионного процесса, исключающая необходимость в дополнительном источнике теплоты.
Отдельные аспекты проблемы конверсии метанола на теоретическом и практическом уровнях изучены в химических областях науки и техники. В публикациях по двигательной тематике подобные исследования нашли свое отражение относительно недавно. Накоплен определенный исследовательский опыт по разработке для двигателей с искровым зажиганием систем синтеза водородного газа из спиртовых топлив. Применительно к дизелям эта проблема остается, по-прежнему, еще малоисследованной, о чем свидетельствует крайне малое количество публикаций по данной проблеме в отечественной литературе. Реализация термохимического преобразования топлива в системе питания дизеля по сравнению с ДВС с искровым зажиганием имеет ряд отличительных особенностей и вызывает необходимость индивидуального подхода при его осуществлении с решением ряда специфических вопросов, обусловленных условиями рабочего процесса двигателя.
Температурно-энергетическое состояние теплоносителя (ОГ) на выпуске дизеля меняется с изменением нагрузочного и скоростного режимов его работы, что обуславливает необходимость решения ряда дополнительных вопросов при разработке конверсионной системы, адаптированной к условиям работы двигателя.
Основной вклад в ущерб окружающей среде от выбросов вредных веществ дизелями 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.
Влияние водородосодержащих продуктов конверсии спиртового топлива на внутрицилиндровые процессы дизеля и механизм окисления азота при сгорании водородно-дизельного смесевого топлива до настоящего времени во многом остаются не раскрытыми, что обуславливает необходимость в проведении дальнейших теоретических исследований характера и эффективности этого влияния.
Решение задач по социально важным проблемам, указанным выше, определяет актуальность тематики диссертации.
Настоящая работа посвящена совершенствованию экологических и топ-ливно-экономических показателей дизеля на основе применения в качестве добавки к основному топливу водородосодержащего газа, полученного в автономной (бортовой) системе с использованием метанола как исходного сырьевого продукта.
На защиту выносятся: о Методически обоснованный алгоритм функционирования транспортной энергетической установки в составе базового дизеля и автономной (бортовой) системы генерирования водородосодержащего газа, используемого в качестве реакционно-активного компонента бинарного водородно-дизельного топлива для питания ДВС. о Результаты расчетно-теоретического изучения проблемы согласования уровней располагаемого температурно-энергетического потенциала отработавших газов на выпуске дизеля (греющего теплоносителя) и энергетических затрат на организацию эндотермического процесса химического преобразования жидкого носителя водорода (метанола) в водородосодер-жащий газ с учетом изменения режимных параметров ДВС. С учетом полученных результатов сформулирован алгоритм управления целесообразным расходом конвертируемого метанола в системе питания дизеля по условию обеспечения наибольшей глубины термохимического преобразования спирта в синтез - газ с максимальным выходом водорода в зависимости от характера изменения режимных параметров дизеля.
о Предложенная на основе современных методов моделирования методика для расчета рабочего процесса базового дизеля, работающего в составе опытной энергетической установки на бинарной водородно-дизельной композиции, с определением закономерностей окисления азота при её сгорании.
о Результаты исследования характера влияния режимных параметров базового дизеля, входящего в состав опытной энергетической установки, на изменение компонентного состава синтезированного водородосодержаще-го газа и его реакционно-кинетической способности воздействия на внут-рицилиндровые процессы, определяющие эколого-экономические качества две.
о Рекомендации по повышению топливной экономичности и совершенствованию экологических качеств существующих и перспективных моделей транспортных дизелей на основе предложенного алгоритма функционирования, предполагающего использование добавок к рабочему телу водоро-досодержащего газа, синтезированного в автономной системе из жидких носителей этого газа. Изучение указанных выше положений проводилось на основе следующих методов исследований. Методология и методика моделирования внут-рицилиндровых процессов при сгорании альтернативного водородосодержа-щего топлива представляло собой совокупное сочетание расчетно-теоретических и экспериментальных работ. Для проведения расчетно-теоретических исследований были использованы математическая модель и программное обеспечение, позволяющие определить энергетические и экономические показатели дизеля, а также параметры процесса, лежащие в основе образования оксидов азота. Проверка адекватности математической модели проводилась на основе сравнения данных моделирования и результатов экспериментальных исследований дизеля, работающего на традиционном дизельном и альтернативном водородно-дизельном топливах.
Объектом исследования являлась энергетическая установка, созданная на базе совместно работающих модернизированного дизеля типа 44 10,5/12 и термохимического преобразователя спиртового топлива в водородосодержа-щий газ.
Проблемы экологии и энергетики транспорта
Рост автомобильного парка приводит к увеличению потребления топлив нефтяного происхождения, природные запасы которых неуклонно уменьшаются. Вместе с ростом количества потребителей нефтяного топлива увеличивается объем выбросов продуктов его сгорания в окружающую среду. На рис. 1.1 и 1.2 приведены диаграммы, характеризующие рост АТС и приведенных выбросов вредных веществ за последнее десятилетие в России.
Ежегодное потребление сырой нефти составляет около 3,4 миллиарда тонн. Эксперты прогнозируют двукратное увеличение численности транспорта за последующие 20 лет и такое же увеличение потребления нефти. Если рост парка автомобилей будет идти такими темпами, то разведанных запасов нефти хватит примерно на 40 лет, природного газа на 60 лет, а угля на 220 лет [2,7].
По данным последнего отчета Счетной Комиссии РФ разведанных запасов нефти в России осталось на 22 года. Прогнозы авторитетной международной организации ОПЕК для России еще менее оптимистичны (рис. 1.3). Великобритания Ю00 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 Годы Нефть О Газ
Наметившееся за последнее время снижение качества нефти, требующее внедрения высокоинтенсивных технологических процессов ее переработки в моторное топливо при более полном использовании фракций сырой нефти, увеличивает стоимость произведенного топлива [3,7,10]. Вследствие увеличения затрат на переработку нефти и удорожания ее добычи за период с 1980 по 1990 г.г. себестоимость нефтяных топлив возросла втрое и продолжает увеличиваться в настоящее время.
Проблема экономии нефтяных ресурсов находится в тесной связи с проблемой обеспечения экологической безопасности окружающей среды. Дальнейшее развитие транспортного комплекса обуславливает необходимость реализации неотложных мер по энергосбережению, в том числе, и за счет применение нетрадиционных видов топлив и возобновляемых источников энергии, а также мероприятий по снижению выбросов вредных веществ [4,14,16,18,30,33,36,37,43,45,101].
Для уменьшения негативного воздействия на окружающую среду автотранспорта приняты и постоянно ужесточаются нормы выбросов вредных веществ в атмосферу. В настоящее время для дизелей нормируются выбросы оксидов азота (NOx), оксида углерода (СО), углеводородов (С#), а также частиц.
В России экологические качества транспортных средств значительно ниже, чем в развитых странах. Основная доля существующего парка отечественных транспортных средств, находящихся в эксплуатации, с трудом удовлетворяет требованиям Правил №83-01 ЕЭК ООН, что соответствует нулевому экологическому уровню. Внедрение в конце 2005 года на производство отечественных ТС, удовлетворяющих требованиям Правил №83-02, и планируемое к 2008 году Правил №83-03 ЕЭК ООН, позволит снизить интенсивность увеличения выбросов.
Однако, для обеспечения сокращения выбросов с дальнейшим ростом парка мобильных средств необходима его модернизация до третьего и четвертого экологических классов. Заключительным этапом развития является создание ТС с «нулевой» токсичностью. На рис. 1.4 представлено сравнительное изменение валовых выбросов при последовательном введении планируемой экологической классификации транспортных средств и своевре менной модернизации технологической базы их производства. 100 %
В настоящее время особое внимание уделяется исследованиям, направленным на уменьшение такого вредного явления, как потепление климата, связанного с активной индустриальной деятельностью человека и, как следствие, с увеличением попадания в атмосферу ряда влияющих на это компонентов. По данным исследований основными из них являются диоксид углерода (вклад С02 составляет 64%), метан (0 - 19%), закись азота (N20 - 6%) [3,7,10,11,12]. Благоприятствует этому явлению повышение выделения тепла от жизнедеятельности человека. Природа не может справиться с переработкой этих веществ самоочищением, поэтому представители мирового сообщества, заседавшие на всемирных конференциях в Рио-де-Жанейро и Киото, приняли решение об ограничении выбросов этих веществ в атмосферу.
На текущий период экологические качества двигателей легковых автомобилей оцениваются нормативными требованиями ездового цикла, согласно
Правилам ЕЭК ООН № 83, а для дизелей транспортных средств массой более 3,5 m - по испытательному циклу согласно Правилам ЕЭК ООН № 49 [10,14,20,21].
Превалирующий вклад в суммарный экономический ущерб для окружающей среды от выбросов вредных веществ дизелем вносят оксиды азота, имеющие достаточно высокую токсичность, и твердые частицы [16,17]. Поэтому для транспортных средств с дизельным приводом задача уменьшения выбросов оксидов азота и частиц имеет приоритетное значение [7,8,18].
Снижение выбросов частиц, в ряде случаев, достигается применением сажевых фильтров [19,20]. При этом в условиях эксплуатации возникают проблемы периодической регенерации (выжигания) фильтров от накопившихся в них частиц. Разрабатываются системы снижения содержания в ОГ оксидов азота на выпуске дизеля путем их восстановления с использованием аммиака, водорода или метанола. [2].
Предварительный анализ возможности реализации промотированного процесса сгорания углеводородно - воздушной смеси в дизеле
Для рациональной организации рабочего цикла дизеля желательно иметь эффективный и, по возможности, универсальный «инструмент» целенаправленного воздействия на процессы цикла, определяющие его экономические и экологические качества. При этом концепция, реализующая возможность совершенствования рабочих процессов дизеля на основе применения физико-химических средств воздействия на них, на наш взгляд, представляется наиболее перспективной. Данная концепция логична по своей сущности, если иметь в виду, что внутрицилиндровые процессы дизеля обусловлены физико-химическими превращениями углеводородно - воздушной среды, а, следовательно, и средства воздействия на них должны быть по своей природе подобными этим превращениям. Реакционно-активным физико-химическим средством, в принципе, представляется возможным обеспечить строгую индивидуальную направленность реализуемого воздействия на кинетику реагирующей топ-ливно-воздушной смеси, обеспечивая при этом улучшение как экологических, так и экономических показателей дизельного цикла.
Средства и методы реакционно-кинетического воздействия на кинетику пред-пламенного реагирования и сгорания углеводородно - воздушной смеси
Процессы самовоспламенения и сгорания углеводородно - воздушной смеси в дизелях обусловлены сложными физико-химическими актами. Механизм активации (промотирования) этих процессов до настоящего времени детально не исследован. Известны лишь некоторые качественные аспекты этой проблемы.
Известно [67,68], что большинство химических превращений углеводородного топлива в низкотемпературной (предпламенной) фазе в дизеле протекает по цепному механизму. В соответствии с представлениями теории цепных реакций, ведущая роль в их развитии принадлежит химически активным частицам, легко вступающим в соединение с исходными или промежуточными продуктами, возобновляя при этом цепь превращений.
Цепной механизм развития реакций позволяет качественно оценить действие небольших доз активных продуктов, вводимых в зону реагирования смеси, если рассматривать эти продукты как дополнительный источник активных центров. Покажем это на простом примере, используя известную зависимость акад. Н.Н.Семенова [86] для скорости цепной реакции: w = A[exp(kx)- 1], где г - время от начала реакции; к - константа скорости; А - постоянный коэффициент. Для периода индукции г, зависимость может быть упрощена: w = А[ехр (кг,)]. Число активных частиц, участвующих в реакции в течении времени г„ может быть оценено путем интегрирования: г А N= -л?г = —[ехр(Лг,)-і]. о к
Предположим далее, что количество вновь введенных в реагирующую среду активных частиц (центров) пропорционально количеству активатора (промотора): AN = 8K-vK, где дК - относительное содержание активатора; vK - показатель его химической активности. Тогда: SKvK= -[ехр(ЬДг,)-і].
Следовательно, изменение (уменьшение) длительности периода индукции за счет активации реакций предпламенного процесса составит: Ґ Присутствие активатора, согласно данной зависимостям, позволяет сократить длительность индукционного периода 1 . (со\ Ч т ,= — In к до тл = - In со A + k-8k-vkJ
Дифференцируя последнее выражение по дК, получим зависимость изменения времени индукции в зависимости от содержания активатора, введенного в топливно-воздушную смесь:
Полученное выражение имеет вид гиперболической функции, что, очевидно, может быть объяснено лишь эффектом сугубо каталитического (а не физического, например, теплового) воздействия активатора на реагирующую среду. Наибольшая интенсивность сокращения периода задержки самовоспламенения обнаруживается при небольших концентрациях дк активатора в реагирующей топливно-воздушной смеси.
По мере увеличения относительного содержания в смеси активатора его активность снижается (по закону гиперболы). Отсюда видно, что превалирующим фактором активации (промотирования) топливно-воздушной смеси является не количество, а показатель эффективности vK (реакционной активности) промотора. Заметим, что подобный характер проявления активирующей спо собности промотора свойственно лишь средам, в которых процессы реагирования обусловлены механизмом разветвленной цепной реакции. Полагают [68], что физико-химические условия в цилиндре дизеля в период низкотемпературного предпламенного реагирования смеси достаточно близко соответствуют условиям реализации подобного механизма.
В реальных условиях рабочего цикла дизеля эффективность промотиро-вания топливно-воздушной смеси зависит не только от химической активности промотирующего продукта, но и от газодинамического состояния среды реагирования и её состава. Совокупное сочетание этих факторов определяет временную (кинетическую) и пространственную протяженность активированной зоны камеры сгорания. В результате воздействия активных частиц условная («кажущаяся» - по терминологии проф. А.Н.Воинова, [68]) энергия активации основной массы топливно-воздушной смеси, характеризующая её реакционную способность, уменьшается, что связано с уменьшением участия в суммарном химическом процессе реакций самозарождения, которые требуют значительно больших энергий активации [68].
Концепция и техническое решение опытной энергетической установки, как объекта исследования
Теоретические и экспериментальные исследования показателей рабочего процесса двигателя при работе на традиционных и альтернативных топливах были проведены для дизеля Д-144 (44 10,5/12). Выбор для исследований энергетической установки, созданной на основе данного двигателя, обусловлен широким применением его в различных модификациях на транспортных промыш ленных средствах (в частности, на внутрицеховом транспорте), на строительной технике (экскаваторы, катки и др.), а также в сельском хозяйстве. Транспортные средства, оснащенные данным двигателем, имеют небольшие плечи пробегов и используются в основном для решения локальных задач. Данные условия эксплуатации, близость к своим предприятиям позволяют с наибольшей эффективностью использовать в данном двигателе альтернативные виды топлив, а на территориях предприятий устанавливать локальные заправочные станции.
Основные характеристики двигателя 44 10,5/12 представлены в таблице 3.1
Предварительный анализ (глава 1) видов альтернативных топлив и способов их применения показал, что перспективным энергоносителем для транспортных средств является метанол, а наиболее приемлемым по химотологиче-ским характеристикам моторным топливом являются газообразные продукты, полученные путем предварительного термохимического преобразования метанола в водородосодержащий газ (синтез-газ). Для этой цели разработана энерге тическая установка в составе базового дизеля Д-144 и термохимического преобразователя спиртового топлива, установленного в системе его выпуска.
Входящий в состав энергетической установки базовый двигатель 44 10,5/12 представляет собой четырехцилиндровый дизель, в котором применена неразделенная камера сгорания (рис.3.1). В случае работы на дизельном топливе рабочий цикл дизеля реализуется на основе объемно-пленочного смесеобразования.
Для организации рабочего процесса экспериментальной установки предусмотрено предварительное смешение полученного в реакторе водородосодер-жащего газового продукта конверсии метанола с воздухом, поступающим в цилиндры двигателя. Впрыскиваемое в цилиндр к концу такта сжатия дизельное топливо обеспечивает процесс воспламенения горючей смеси воздуха, синтез -газа и дизельного топлива. Благодаря присутствию в рабочем теле свободного водорода процесс сгорания протекает более интенсивно, чем при работе на дизельном топливе. Кроме того, подача водородосодержащих продуктов конвер сии метанола на впуск позволяет уменьшить угол опережения впрыскивания топлива, что способствует снижению образования оксидов азота с сохранением эффективности рабочего цикла двигателя.
Общий вид энергетической установки с базовым дизелем 44 10,5/12 и системой термохимического преобразования метанола в водородосодержащий газ представлен на рис. 3.5. Система питания дизеля продуктами конверсии метанола.
Для работы дизеля на смеси дизельного топлива и продуктов конверсии метанола, разработан опытный образец системы питания. Система питания включает (рис. 3.2): бак для метанола /, фильтр 2, насос подачи метанола 3, регулировочный клапан 4, термокаталитический реактор конверсии метанола 5, газовый клапан 6 и смеситель 7. Реактор 5 встроен в выпускной тракт двигателя.
Система оборудована устройствами для регулирования подачи метанола с использованием датчика температуры отработавших газов 10 на входе в реактор, а также датчиками 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 продуктов конверсии метанола.
Система работает следующим образом. Из бака /, выполненного из антикоррозионного материала (легированная сталь), жидкий метанол, предварительно очищенный от примесей в фильтре 2, подается топливным насосом 3 в реактор 5. Контроль и регулирование подачи газообразных продуктов конверсии метанола на впуск дизеля осуществляется по жидкой фазе.
Проверка достоверности методики расчета параметров рабочего цикла дизеля, работающего на водородно-дизельной топливной композиции
Из приведенной выше зависимости следует, что для оценки параметров, определяющих характер кривой тепловыделения при сгорании в дизеле во-дородно-дизельной смеси, необходимы в качестве базовых данных значения этих параметров при работе на дизельном топливе. В данном случае в качестве базовых данных использовались рассмотренные выше параметры, полученные на основе обработки экспериментальных характеристик исследуемого дизеля [31,45].
Водородный компонент смесевого топлива, находящийся в рабочем теле в газообразном состоянии и обладающий высокими диффузионными и кинетическими свойствами, принимает участие в сгорании с момента появления первых очагов воспламенения [102,107]. Поэтому можно считать, по крайней мере в первом приближении, что воспламенение и выгорание #2 будет происходить по мере распространения пламени по объему камеры сгорания, то есть одновременно с первой фазой выгорания дизельного топлива. Следовательно, #2 сгорает за тот же промежуток времени, что и дизельное топливо, испарившееся за период задержки воспламенения. Кинетический механизм сгорания другого компонента продуктов конверсии метанола - СО практически соответствует параметрам сгорания традиционного углеводородного топлива [108].
Кинетические параметры, определяющие скорость выгорания основной порции дизельного топлива, зависят для данного двигателя, как показывают исследования [59,102], в основном от коэффициента избытка воздуха. Если считать, что #2 полностью выгорает в начальной фазе процесса закон тепловыделения на завершающей стадии сгорания не будет в явном виде зависеть от наличия #2 в смеси. При этом следует учесть лишь уменьшение коэффициента избытка воздуха вследствие того, что газообразные продукты конверсии замещают определенный объем воздушного заряда на всасыва ний (при неизменном давление во впускном коллекторе). Это уменьшение можно учесть, воспользовавшись экспериментальной зависимостью, приведенной в работе [102]. При этом полагают [59,102], что при небольших добавках #2 , не превышающих 5%, этой зависимостью можно пренебречь и задавать параметры тепловыделения для данного периода сгорания, используя данные базового режима.
С учетом приведенного выше анализа и данных работ [59,101,102,107] была проведена оценка кинетических параметров тепловыделения с последующей окончательной их корректировкой в процессе идентификации модели рабочего цикла исследуемого дизеля.
При работе дизеля на номинальном режиме с использованием смесево-го топлива (90% дизельного топлива и 10% продуктов конверсии метанола) параметры, характеризующие закон тепловыделения, соответствовали: срт = 353; (рг = 68; т = 0,22. Отметим, что значения этих параметров корреспондируется с результатами работ [59,102,107], а также качественно с данными предварительного анализа, приведенного в главе 2.
Проверка достоверности методики расчета проводилась поэтапно. Сначала оценивалась достоверность расчета рабочего цикла исследуемого дизеля, которая осуществлялась на основе сопоставления рассчитанных эффективных показателей дизеля и аналогичных показателей, полученных экспе риментальным путем. На рис. 4.2 и 4.3 показаны сравнительные результаты расчетов и данных испытаний на номинальном режиме работы двигателя 44 10,5/12 на дизельном топливе и с добавкой 10% продуктов конверсии метанола по эффективной мощности и эффективному расходу топлива. N е ,кВ т
Из приведенных данных можно сделать вывод об удовлетворительном соответствии данных расчета и эксперимента по основным показателям рабочего цикла двигателя Д-144 при его работе на дизельном топливе и водо-родно-дизельной смеси. Погрешность при расчете этих показателей двигателя при его работе на номинальном режиме не превышает 7% , что позволяет судить об удовлетворительной достоверности использованной модели рабочего цикла дизеля.
На последующем этапе проводилась оценка достоверности расчета образования NOx при сгорании бинарного топлива путем сравнения расчетных результатов с данными, полученными при стендовом испытании дизеля типа 44 10,5/12 (рис.4.4 и 4.5).
Сравнение результатов расчета с данными экспериментальных исследований, полученных для двух режимов работы дизеля, показывает, что они удовлетворительно согласуются друг с другом. Их расхождение для режима максимального крутящего момента составляет 8,5 %, а для режима номинальной мощности - не превышает 6,5%.
