Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретический обзорный анализ эффективности использования альтернативных топлив в дизельных двигателях 21
1.1. Использование водорода в ДВС 22
1.2. Использование азотноводородных топлив в ДВС 34,
1.3. Использование углеводородного топлива в смеси со спиртами 36
1.4. Использование синтетических жидких топлив в
дизелях 46
1.5. Выводы по главе. Цели и задачи исследования 61
2. Разработка способов использования альтернативных топлив в дизелях 66
2.1. Методика и аппаратура для использования альтернативных топлив 67
2.2. Описание экспериментальной установки. Методика эксперимента и обработка опытных данных 71
2.3. Система автоматического сбора информации и методика оптического индицирования цилиндра дизеля, как метод исследования внутрицилиндровых процессов 76
2.4. Измерение концентрации сажи в цилиндре дизеля 83
2.5. Погрешности измерений концентрации сажи оптическим методом 90
2.6. Измерение температуры пламени'в цилиндре двигателя 96
2.7. Погрешности измерений температуры пламени в цилиндре 99
2.8. Расчет мгновенных полей температур пламени и массовой концентрации "частиц сажи в цилиндре дизеля 102
2.9. Выводы и методические рекомендации 114
3. Основы теории и физико-химические процессы при использовании альтерна тивных топлив 115
3.1. Теоретические основы растворения газа в дизельном топливе 116
3.2. Физико-химическая модель растворения газа в дизельном топливе 120
3.2.1. Диффузия газа в неподвижной жидкости 120
3.2.2. Растворение газа в конвективном потоке жидкости 124
3.2.3. Хемосорбция газа 126
3.2.4. Экспериментально-расчетное исследование процесса насыщения дизельного топлива водородом и аммиаком 127
3.2.5. Проникновение водорода через металлические детали системы подачи водорода в топливную систему дизеля 145
3.3. Физико-химические основы растворения этанола в дизельном топливе 147
3.4. Моделирование процесса растворения этанола при помощи высших спиртов в дизельном топливе 152
3.4.1. Физико-химическая модель взаимодействия спиртов и дизельного топлива 152
3.4.2. Математическая модель растворения UNIFAC 155
3.4.3. Исследование расчетных и экспериментальных характеристик смесевых топлив 159
3.5. Физико-химические свойства синтезированных смесевых топлив 162
3.6. Выводы по главе 180
4. Анализ результатов экспериментального исследования 183
4.1. Исследование рабочего процесса дизеля на альтернативных топливах 183
4.1.1. Работа на смесевых топливах 187
4.1.2. Работа на синтетических топливах 198
4.1.3. Экспериментальные исследования рабочего процесса
дизеля, работающего на водородонасыщенном топливе 208
4.2. Экспериментальное исследование температурно-концентрационных полей пламени при сгорании дизельного и альтернативных топлив в дизеле в камерах сгорания различного типа 238
4.2.1. Анализ результатов исследования температурно-концен-трационных полей дизельного пламени по радиусу и по осевому направлению-цилиндра 245
4.2.2. Влияние некоторых конструктивных и эксплуатационных параметров дизеля на распределение температурно-концен-трационной неоднородности. 273
4.2.3. Анализ интегральных характеристик полей температуры и концентрации сажи 279
4.4. Выводы по главе 285
5. Теоретическое обобщение результатов исследования и развитие методов моделирования внутрицилиндровых процессов 290
5.1. Регрессионная аппроксимация температурно-концентраци-онной неоднородности в цилиндре 291
5.2. Физико-математическое моделирование процесса результирующего сажевыделения 295
5.2.1. Общая феноменология и физический механизм влияния альтернативных топлив , 295
5.2.2. Математическая модель и методика расчета мгновенного локального сажевыделения в дизелях с неразделенной камерой сгорания 301
5.3. Развитие методики расчета эмиссии NOx 324
5.4. Методика численной оценки тепловой радиации по интегральным излучательным характеристикам 343
5.5. Теоретический анализ возможного повышения экономичности 36,8
5.5. Выводы по главе 373
Заключение по работе. Общие выводы и рекомендации 375
Литература
- Использование водорода в ДВС
- Описание экспериментальной установки. Методика эксперимента и обработка опытных данных
- Теоретические основы растворения газа в дизельном топливе
- Исследование рабочего процесса дизеля на альтернативных топливах
Введение к работе
Современное состояние экономики главенствующим образом определяется развитием энерговооруженостью отраслей производства. Существенная роль в этой проблеме принадлежит развитию и совершенствованию производства двигателей внутреннего сгорания.
На современном этапе развития науки и техники именно двигатель внутреннего сгорания (ДВС) останется основным типом привода для большинства мобильных и стационарных установок. Но все более увеличивающийся парк ДВС требует и возрастания добычи и производства топлива. Переход к дизельным двигателям, являющихся более экономичными, позволяет лишь частично решить топливную проблему.
Основным направлением решения энергоэкологической проблемы является улучшение конструкции существующих двигателей и доводке рабочего процесса ДВС,' создание более совершенных энергоустановок нового типа при использовании стандартных углеводородных топлив. Однако в первом случае решение задачи связано с трудоемкой и кропотливой ра-ботой по коррекции рабочего процесса, базирующейся на использовании сложных систем управления, конструкции агрегатов^ двигателя в целом. Все это ведет к резкому росту стоимости энергетических агрегатов, при* весьма небольшом улучшении энергоэкологических показателей.
Новые энергетические установки, разработанные на данный момент, не требуют традиционных топлив и не предъявляют строгих требований к стандартным углеводородным топливам, к ним в частности относятся поршневые двигатели с послойным смесеобразованием, газотурбинные, паровые, роторные, а также двигатель Стирлинга. Однако большинство из этого ряда двигателей'не позволяют по тем или иным показателям кардинально улучшить проблему добычи и производства топлива, поскольку не-
которое улучшение экономических показателей проблемы дефицита топливных ресурсов не затрагивают.
В этом плане больший интерес представляют электрические силовые установки, использующие электрические источники энергии - аккумуляторные батареи, топливные элементы и т.д. Но переход от ДВС к электросиловым установкам на данный момент невозможен вследствие необходимости огромного количества электроэнергии. Решение этого вопроса связано прежде всего с освоением термоядерного синтеза, поскольку на данный момент суммарная мощность ДВС в несколько раз превышает общую мощность электростанций, и необходимо в несколько раз увеличить выработку электроэнергии. Кроме того, сейчас подавляющее часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях при сжигании ископаемых топлив, а следовательно, энергоэкологическая проблема лишь переходит из сферы ДВС в сферу электростанций.
Таким образом, 'на ближайшие десятилетия тепловой двигатель, останется основным типом автономной силовой установки, что вынуждает искать новые решения. Одно из таких решений - применение новых эффективных топлив в рамках потенциальных энерго-сырьевых ресурсов, технологической готовности и производственных возможностей.
В этом случае оптимальная стратегия развития ДВС предлагает два, последовательных этапа. На первом этапе основными топливами останутся современные углеводородные топлива при использовании новых компонентов и добавок. Эти компоненты могут использоваться как в составе базо-вого топлива, так и в виде самостоятельных добавок, подаваемых в ци-линдр двигателя с помощью автономных дозирующих устройств. Второй этап характеризуется постепенным переходом на синтетические топлива и энергоносители, производимые на базе как нефтяных компонентов горючих ископаемых, так и нетрадиционных энергоресурсов.
В настоящее время все потребности ДВС удовлетворяются топливом, произведенным из нефтяного сырья. Учитывая, что большая часть энергозатрат приходится на долю нефти (в России - 64%, в США - 75%), а запасы ее весьма ограничены (около 7%), необходим поиск новых источников топлива для ДВС.
В связи с этим в настоящее время идут интенсивные разработки исследовательских программ по применению различных альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания.
На данный момент все альтернативные источники энергии подразделяются на две группы:
- средства аккумуляции нетрадиционных источников энергии : сол
нечной, ядерной, ветровой и т.д.; использование всех этих видов энергии
предопределяется развитием техники и предназначено для энергетики бу
дущего и предназначено прежде всего для производства электроэнергии;
»
- химические пррдукты, полученные из традиционных ископаемых.
Эти виды топлива реальны для применения в ближайшие годы.
Подтверждением смещения источника сырья может служить обзор, проведенный исследовательскими лабораториями фирмы "Дженерал Моторс" [242].
Стремление добиться энергетической независимости заставляет использовать как автомобильные топлива не нефтяного происхождения, так и альтернативные топлива. При этом возникает ряд вопросов. Какое топливо можно будет производить эффективно? Из каких источников? Какие двигатели должны использоваться?
Для ответа на подобные вопросы потребуется оценка энергетического КПД всей системы производства и использования, начиная с сырья, находящегося в недрах, и до превращения энергии в механическую работу. В таком исследовании должны быть учтены все потенциальные топлива, основные источники таких топлив и реальные испытания потенциальных
топлив в оправдавших себя автомобильных двигателях. С целью достижения наибольшего КПД в использовании энергетических ресурсов на автомобилях необходимо подобрать такое топливо и двигатель, которые могли бы обеспечить наиболее высокую эффективность в условиях производства и эксплуатации топлив.
Безусловно, энергетический КПД не является единственным критерием, определяющим наиболее удачную комбинацию топлива и двигателя. При их выборе приходится считаться с предотвращением загрязнения окружающей среды, политическими факторами и экономическими соображениями. Оценка экологических и экономических факторов связана с большими трудностями, тем не менее при окончательном решении вопроса о выборе топлива и двигателя эти факторы могут оказаться доминирующими.
Первичные источники, считающимися достаточными для производства будущего автомобильного топлива следующие : нефть, природный газ, водород и водородсодержащие топлива, горючие сланцы, уголь и биомасса.
Основными видами ископаемых топлив в настоящее время являются нефть, газ, уголь. Их потенциальные запасы на Земле приведены в таблице 1.1. [4].
Из этой таблице видно, что максимальные извлекаемые запасы угля J - 84.9 %, на долю нефти и газа приходится лишь 13.3 %, но при сопоставлении структуры мирового потребления энергии, можно проследить, что доля добываемых нефти и газа составляет 65% (табл. 1.2.) [4].
Тенденция преобладания доли нефти и газов в общем энергобалансе характерна для всех развитых стран. При весьма ограниченных запасах нефти и газа их должно хватить на 20-50 лет, разведанных запасов угля -минимально на 240 лет [108, 193, 202].
. 10
Таким образом, при анализе изменения структуры энергопотребления можно сделать вывод, что роль угля как топлива в будущем будет все больше возрастать [1, 31, 34, 35, 42, 43, 93, 102].
Еще одним перспективным источником сырья могут служить продукты переработки сельского хозяйства. Достоинством данного вида сырья может служить их возобновляемость, дополнительная экологическая чистота, обширность сырьевой базы. На основе продуктов переработки сель-хозсырья экономически выгодна их переработка в биогаз или спирты. Обширность ведущихся исследований по применению различных масел, биогаза и спиртов в двигателях внутреннего сгорания, проводимых крупнейшими фирмами: MAN, Volkswagen и др. [243] дополнительно подтверждают это.
Таблица 1.1. Ресурсы ископаемых топлив.
Для более отдаленной перспективы наиболее реально применение водорода в качестве топлива. В настоящее время основными трудностями при использовании этого вида топлива являются : большие энергозатраты при производстве, трудности при хранении, недостаточная изученность рабочего процесса дизеля при работе на водороде. Решение этих проблем
требует определенного времени и соответствующего научно-технического развития общества.
Таблица 1.2. Изменение структуры мирового потребления энергии.
Преимуществами этого вида топлива являются: неограниченность запасов, экологическая чистота, возможность получения из воды, с помощью ядерной или солнечной энергии. Таким образом, водород обеспечивает предельную независимость от ископаемых топлив, которые можно более рационально использовать как сырье для химической промышленности.
Использование альтернативных топлив ставит перед нами задачу предсказания физико-химических свойств новых топлив или стандартного нефтяного топлива при применении присадок и добавок. Исследования на эту тему крайне слабо освещаются в литературе. Рассмотрение этой про-
блемы только с помощью химической кинетики не позволяет осветить некоторые вопросы крайне важные с точки зрения организации рабочего процесса двигателя, изготовления и хранения альтернативного топлива. Разработанные модели растворения не позволяют точно описать поведение растворов при их использовании в качестве топлива (при применении стандартных углеводородных топлив с присадками и добавками), что объясняется неоднородным химическим составом нефтяного топлива.
Разработка новых способов смешения и растворения и математического описания воздействия соответствующих присадок и добавок в нефтяном топливе позволит значительно сократить время на разработку новых составов альтернативных топлив и предсказания их физико-химических свойств, что в свою очередь легче позволит довести рабочий процесс двигателя при использовании новых альтернативных топлив.
При применении стандартных углеводородных топлив с добавками или присадками различных видов альтернативных топлив возникает проблема оптимальной организации рабочего процесса. Даже при использовании стандартного нефтяного топлива достаточно затруднительно предсказать как и на сколько изменятся параметры рабочего процесса при изменении физико-химических свойств топлива, параметров камеры сгорания (КС), топливоподачи и т.д. Для альтернативных топлив эта область еще более неисследованна.
Таким образом использование новых видов топлива ставит задачу оптимизации рабочего процесса дизеля в зависимости от физико-химических свойств используемого альтернативного топлива.
В основе рабочего процесса дизеля, как тепловой машины, лежит физический процесс горения углеводородного топлива, характерной особенностью которого являются высокотемпературные процессы образования и выгорания сажистых частиц, которая порождает такие негативные явления, как загрязнение окружающей среды твердыми высокодисперсными
частицами и влияние на организм, как носителя высокотоксичных и канцерогенных соединений, высокая излучающая способность сажистого пламени, при значительном уровне температуры, обуславливает наличие существенной составляющей теплового излучения в суммарной теплопередаче деталям цилиндро-поршневой группы, химический недожог топлива, вследствие выделения углерода в твердой фазе и снижение индикаторного коэффициента полезного действия.
Для целенаправленного влияния на процессы образования и выгорания сажи с целью снижения указанных выше нежелательных факторов, а также уменьшение эмиссии других вредных веществ с .отработавшими газами, необходимо дальнейшее глубокое изучение закономерности протекания процесса сгорания в дизеле, который в силу специфический условий дизельного цикла отличается. нестационарностью, наличием градиентов концентраций и температур в объеме .цилиндра.
Значительный шаг в этом направлении был сделан благодаря разра-ботанной экспериментальной установке, на которой была получена объемная картина распределения Локальных зон температур и сажеобразования при использовании различных конструкций камер сгорания. Применение этого метода позволило получить мощный инструмент исследования внут-рицилиндровых процессов при работе дизеля.
Исследование объемной картины сгорания в различных камерах сгорания методом оптического зондирования позволяет выявить особенности организации рабочего процесса дизеля как для нефтяного топлива, так и для различных видов альтернативных топлив.
Решение проблемы исрользования альтернативных топлив в дизелях значительно затрудняется необходимостью строго выдерживать показатели ограничения выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Ужесточение экологических норм на выброс основных вредных составляющих отработавших газов дизеля, окислов азота NOx и сажи, при применении
альтернативных топлив ставит особо остро вопрос доводки рабочего процесса. Вследствие характерных особенностей физико-химического состава для большинства альтернативных топлив характерно увеличение выбросов окислов азота либо сажи.
Исследование перспективных образцов альтернативных топлив и получение характерных особенностей рабочего процесса, проанализированных затем с помощью модели сажеобразования, разработанной в С-ПбГТУ позволило определить эффективные методы снижения токсичности отработавших газов при использовании альтернативных топлив.
Проведение комплекса исследований по использованию альтернативных топлив, моделированию их физико-химических свойств, а также внутрицилиндровых процессов и предложение конкретных мероприятий по доводке рабочего процесса позволило создать единый комплекс для предложения образцов альтернативных топлив, их оценки с точки зрения обеспечения эффективных энергоэкологических характеристик.
Таким образом совокупность научных, методических и конструктор-ско-технологических вопросов по использованию альтернативных топлив в дизелях составляют единую крупную научно-техническую проблему, на решение которой и направлена настоящая работа.
Цель работы: изучение особенностей внутрицилиндровых лроцессов и разработка практических способов использования альтернативных топлив в дизелях.
Для этого необходимо решить ряд основных задач: /
- определить предпочтительную номенклатуру реальных альтернативных топлив и принципиальные способы их использования в дизелях;
: провести теоретические и экспериментальные исследования по изучению процессов приготовления альтернативных топлив (одно- и двухфазных) и их физико-химических и моторных свойств;
- разработка экспериментально-методического обеспечения для из
учения внутрицилиндровых процессов;
- экспериментально-расчетные исследования внутрицилиндровых
процессов и определяющих показателей рабочего процесса автотрактор
ных дизелей при работе на альтернативных топливах;
- обобщенный анализ результатов исследования, развитие теории и
методов расчета некоторых внутрицилиндровых процессов и разработка
практических рекомендаций по применению альтернативных топлив в
транспортных дизелях.
Поставленная в работе цель достигалась решением следующих основных задач, определивших и последовательность изложения диссертационной работы.
Оценить наиболее вероятные пути развития использования различных видов сырья для производства моторного топлива. Проанализировать наиболее эффективные пути по преобразованию первичного сырья в моторное топливо. Провести анализ эффективности использования различных видов альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. Оценить влияние различных видов нетрадиционных топлив на внутрици-линдровые процессы.
Определить принципиальные способы полного и частичного замещения нефтяных топлив и сформировать класс веществ, образующих совместимые одно- и двухфазные топливные смеси.
Разработать физико-химическую и математическую модель растворения газообразных добавок в дизельном топливе, позволяющие уста-новить количественную связь между процессом впрыска дизельного топлива и характеристиками растворения газа в нем. Определить основные кинетические характеристики процесса абсорбции газа дизельным топливом.
Разработать физико-химическую и математическую модель получения многокомпозиционных смесевых топлив, позволяющих произвести гомофазные замещения традиционного углеводородного топлива. Провести исследование растворов Дизельного топлива, низших спиртов '(метанола, этанола) и соответствующего растворителя с целью определения физико-химических свойств.
Разработать комплекс экспериментальных средств и методик для исследования локальных физических условий протекания внутрицилин-дровых процессов (смесеобразования, сгорания, сажевыделения, эмиссия NOx, радиационной теплоотдачи и др.).
В модели результирующего сажевыделения произвести необходимые дополнения с целью учета различных физико-химических характеристик применяемых топлив и учета локальных неоднородностей температуры и концентрации топлива-окислителя внутри цилиндра. Экспериментальными исследованиями показателей работы дизеля на топливе с газообразными добавками установить эффективность ее использования для получения экономии топлива, снижения дымности и токсичности отработавших газов.
7. Провести экспериментальные исследования спирто-дизе^ьных
композиций с целью оценки особенностей протекания внутрицилиндровых
процессов и их влияние на энергетические и экологические характеристи
ки дизеля.
8. Экспериментально определить эффективность применения синте
тических углеводородных топлив, полученных из угля, и их влияние на
показатели рабочего процесса.
9. Провести экспериментальные исследования мгновенных объемных
полей температуры и концентрации" сажи в цилиндре дизеля.
10. Исследовать влияние альтернативных топлив на температурно-
концентрационную неоднородность, динамику сажевыделения и внешние
«
энерго-экологические показатели транспортных дизелей с различными типами камер сгорания.
На основе научного анализа экспериментального материала разработать обобщенные аппроксимационные модели расчета температурно-концентрационной неоднородности.
Дать физическое объяснение новым экспериментальным фактам, усовершенствовать физико-математические модели и методы расчета рабочего процесса, сажевыделения, образования NOx, радиационного теплообмена, учитывающие особенности применения альтернативных топлив и температурно-концентрационной неоднородность.
Выполнить оценочные расчеты по усовершенствованным методикам с целью их отладки и определения границ применимости.
Разработать рекомендации по практическому использованию созданных методов, устройств, физических моделей и расчетных схем при
переводе автотракторных дизелей на альтернативные топлива.
"і
Разрабатываемый комплекс работ по применению альтернативных топлив позволит внести значительный вклад по поиску новых видов топлив для ДВС, а также оценить их влияние на рабочий процесс, .экономические и экологические характеристики. Данные решения можно применять на стадии проектирования новых двигателей, предусматривая необходимые конструктивные мероприятия для адаптации к новым видам топлива. Соответственно конкретные программы можно включить в готовые комплексы систем проектирования дизелей, что позволит значительно сократить время и трудоемкость научно-исследовательских работ.
Настоящая работа представляет часть комплексной работы, проводимой по Общесоюзной программе 0.10.11, Государственной программе "Сибирь" (научно-технический отчет N 0690070290).
Работа посвящена задачам решения важной научно-технической и экономической задаче - экономии традиционного^ нефтяного топлива, по-
иску новых источников топлива для двигателей внутреннего сгорания и изучение особенностей рабочего процесса дизелей, улучшения экономичности и экологических характеристик для перспективных топлив.
В качестве основных объектов исследования были взяты двигатели
АО "Алтайдизель" и АО "Владимирский тракторный завод", на долю кото
рых приходится весьма значительная часть парка дизелей. В работе нашли
обобщения теоретические и экспериментальные исследования, выполнен
ные автором в период с 1981 по 1994 годы в направлении проведения ра
бот по исследованию альтернативных топлив, работе на традиционном
нефтяном топливе с добавками и присадками, позволяющих улучшить
экономические и экологические показатели дизелей. /
На защиту выносятся: '
1. Эффективные способы приготовления одно- и двухфазных альтернативных моторных топлив, включающие физико-химические модели, методики расчета и результаты исследований процессов смешения и рас-творения жидких и газовых компонентов при частичном замещении углеводородов нефтяного происхождения.
Усовершенствованная методика многоканального лазерного оптического индицирования с автоматизированной системой управления и обработки данных и экспериментально-расчетного определения мгновенных объемных температурно-концентрационных полей в цилиндре дизеля.
Новая система топливоподачи дизеля, обеспечивающая приготовление и впрыск 2-х фазного альтернативного топлива (газ-жидкость) с результатами комплексного исследования этой системы.
Оригинальные результаты экспериментальных исследований объемных температурно-концентрационных полей в цилиндре различных дизелей, при работе на различных альтернативных топливах в зависимости от режимных, конструктивных и регулировочных факторов.
Новые экспериментальные результаты эффективности применения альтернативных топлив в автотракторных дизелях по внешним энергетическим, экономическим и экологическим показателям.
Направления усовершенствования некоторых физических моделей и методов расчета внутрицилиндровых процессов (смесеобразования, тепловыделения, сажевыделения, эмиссии NOx, радиационного теплообмена), основанные на новых экспериментальных фактах.
Результаты расчетно-экспериментальных работ по исследованию рабочего процесса дизеля, работающего на различных видах альтернативных топлив и дизельном топливе с газообразными присадками.
Научная новизна работы определяется:
научным обоснованием перспективных источников альтернативных топлив и формированием номенклатуры этих топлив, подлежащих всестороннему исследованию;
разработкой метода1 расчетного анализа характеристик растворения газа в дизельном топливе, позволяющем оценить физико-химические характеристики раствора и результатами такого анализа применительно к водороду и аммиаку;
разработкой комплекса моделей и методов расчета процесса приготовления жидких смесевых топлив, определения их моторных свойств и анализа рабочего процесса при применении в дизеле;
разработкой оригинального расчетно-экспериментального метода определения мгновенных объемных полей температуры и концентрации сажи, с помощью которого впервые получен обширный эксперименталь-ный материал о влиянии на локальную температурно-концентрационную неоднородность в цилиндре и интегральные показатели рабочего процесса (экономичность, дымность, токсичность и др.) ряда конструктивных, режимных и регулировочных факторов при работе на различных видах альтернативных топлив;
- использованием новых обобщенных экспериментальных фактов для
развития методов физического моделирования и совершенствования мето
дов расчета внутрицилиндровых процессов сажевыделения, образования,
NOx, результирующего теплообмена и др.
Практическую ценность имеют следующие результаты работы:
- комплекс расчетно-теоретических и методических разработок,
определяющих конкретную номенклатуру и наиболее эффективные спосо
бы использования в автотракторных дизелях жидких смесевых и газожид
костных альтернативных топлив;
- конструкторские разработки системы топливоподачи газожидкост
ного альтернативного топлива и результаты доводки этой системы;
- экспериментально-исследовательский автоматизированный ком
плекс с методическим и программным обеспечением;
- результаты исследований и практические рекомендации по приме
нению альтернативных 'топлив в автотракторных дизелях, обеспечи
вающие получение высоких энергетических, экономических и экологиче
ских показателей.
\
Использование водорода в ДВС
Истощение всех доступных ресурсов нефти на Земле является лишь вопросом времени. Более того объем добычи нефти имеет тенденцию к уменьшению как по экономическим, так и по политическим причинам [10, 237]. Разработка новых источников энергии и технология их получения и использования являются целью современных научных исследований. Наиболее вероятным источником для энергетики будущего будет водород, которому предсказывается роль носителя энергии будущего [10, 237, 21, 92, 180, 158, 155].
Применение водорода в качестве топлива для транспортных энергетических установок на современном этапе связывают с международной программой по водородной энергетике, призванной в перспективе выработать универсальную энергетическую систему всего земного шара. Использование для этих целей управляемой термоядерной реакции позволит решить вопрос энергетического изобилия [26, 139, 140, 159, 162, 207, 213, 223, 259, 270].
Для сравнения возможных вариантов развития энергетики определенный научный интерес представляют расчетные модели развития энергетики в работах В.А.Легостаева [123] и Newella [22].
По их данным к 2050 г. для промышленно-развитого общества с населением 250 млн. человек из 20 кВт, приходящегося на душу населения, около 55% будет приходиться на ядерную энергию, которая будет преобразована в тепло и водород.
Таким образом, с точки зрения энергетических технологий перспективным носителем энергии, вероятнее всего, будет водород. Как определено в работе [265]: "Водород является неизбежностью, а когда что-либо становится неизбежным, мы должны использовать наше знание этого факта для того, чтобы лучше подготовиться к встрече с этой неизбежностью".
В настоящее время в мире ежегодно производится около 30 млн.т водорода. Около 90% этого количества используется в химической промышленности, остальная часть потребляемого водорода приходится на долю черной металлургии и производство синтетического топлива. По прогнозам потребность зарубежных стран на 2010 год составит несколько сот миллионов тонн водорода в год [115].
В качестве перспективных способов добычи водорода рассматриваются прежде всего термохимические циклы разложения воды под действием солнечной энергии, ядерной, бактерий и т.д. Более ближайшей і перспективой может служить использование в качестве сырья запасов угля.
Изучение перевода автомобильного транспорта на водород [92, 230] показывает, что наиболее сложной технической проблемой, связанной с использованием водорода в качестве топлива, является создание достаточ но энергоемких аккумуляторов водорода. Современные исследования показывают, что наиболее вероятно применение для этих целей криогенных или металлогидридных систем.
Проблеме применения водорода в качестве топлива для двигателей проводятся во многих научных центрах США [155, 224, 229, 251, 252, 264, 228, 232, 246]; Германии [221, 231, 246, 267, 277]; Японии [215, 218, 237, 238, 239, 240, 246] и других странах.
В нашей стране работы по применению водорода в качестве топлива в настоящее время ведутся как в направлении создания бензино-водородных, так и в направлении конвертации дизелей для работы как на чистом водороде, так и при частичной замене дизельного топлива водородом. Данные работы проводятся в НАМИ, ЦНИДИ, С-ПбГТУ, МГТУ, АлтГТУ [126, 154, 107, 157, 38, 36].
Пригодность любого вида топлива в значительной степени определяется его моторными свойствами. Водород резко отличается от обычных углеводородных топлив тремя важнейшими физико-химическими параметрами сгорания: нормальной скоростью сгорания, энергией воспламенения, пределом воспламеняемости (табл. .1.3.).
Проявление этих отличий в организации процессов сгорания топлив в ДВС представляет боль шой практический и научный интерес. Сравни-тельные данные по скорости сгорания бензино-воздушных, водородно-воздушных смесей и смеси дизельного топлива с воздухом, приведенных в [107, 215, 253] показывает, что максимальная нормальная скорость распространения пламени водородно-воздушной смеси при прочих равных условиях больше, чем нормальная скорость распространения пламени в смеси дизельного топлива с воздухом и смеси бензина с воздухом в 6.75 раза. Широкие концентрационные пределы сгорания водорода в воздухе (а=0.15-10) дают возможность перейти к качественному регулированию процессов сжигания топлив в камерах сгорания двигателей.
Описание экспериментальной установки. Методика эксперимента и обработка опытных данных
Многоканальное зондирование по объему цилиндра проводилось на установке с тракторным вариантом дизеля Владимирского тракторного завода 44 10.5/12 (Д37Е) и 14 13/14 (УК-2, АО "Алтайдизель"). На-этих же установках исследовались образцы альтернативных топлив.
При проведении исследований, монтаже оборудования, приборов, отборе проб отработавших газов, обработке результатов измерений и их анализе учитывались требования ГОСТ 2000-88, ГОСТ 18509-88, ОСТ 23.1.440-76 и ОСТ 23.1.441-76.
Общая схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.4, где обозначено 1 - двигатель УК-2 (Д37Е); 2 - балансирный электродинамометр с весовой головкой; 3 - пульт управления с контрольно-измерительными приборами; 4-датчик угловых отметок для комплекса индицирования; 5 - ресивер; 6 - расходомер воздуха РГ-250; 7 - система выпуска с ресивером; 8 - ОКГ ЛГ-75; 9-блок приемников излучения; 10.-комплекс индицирования на базе микроЭВМ ДВК-ЗМ; 11 - печатающее устройство; 12 - логический блок и блок усилителей; 13 - видеомонитор ИМ-789 для контроля регистрируемых параметров.
Двигатель УК-2 укомплектован масляным, двухплунжерным топливным насосами, поршнями с камерами сгорания различного типа и головкой цилиндра с тангенциальным всасывающим и выхлопным каналами в соответствии с конструкцией поршней и головок дизелей А-01М.
Экспериментальная, установка оснащена вспомогательными системами и агрегатами, а также обычной и специальной измерительной аппаратурой.
Для контроля частоты вращения применен электронно-счетный тахометр ТЦ-ЗМ, с погрешностью измерения 0.2%.
Автономная система охлаждения двигателя УК-2 вне зависимости от режима работы двигателя обеспечивает возможность регулирования и поддержания постоянной в широких пределах заданных значений температуры охлаждающей воды и масла. Система выхлопа оснащена газоотво-дящими устройствами с приборными зондами в соответствии с требованиями ОСТ 23.1.441-76 и ОСТ 23.1.440-76 для отбора и анализа ОГ на дымность и содержание токсичных компонентов. Дымность отработавших газов замерялась дымомером ИД-1 (конструкции НАМИ), содержание окислов азота - химическим методом (на реактив Зальцмана) с помощью фотокалориметра ФЭК-56, концентрация углеводородов регистрировалась с помощью хроматографа "Газохром 3101", выбросы окиси углерода - хроматографом "ЛХМ-8Д". Для регистрации параметров впрыска топлива установка была оборудована индуктивным датчиком подъема иглы форсунки и тензометриче-ским датчиком давления топлива. Датчик давления топлива расположен на штуцере топливного насоса высокого давления. В основу методики исследований положен сравнительный метод. Стендовые исследования проводились в несколько этапов. Испытания предусматривали определение оптимальных регулировок, получения эффективных и индикаторных показателей, данных по токсичности и дымности отработавших газов и специальные измерения параметров топливоподачи и внутрицилиндровых процессов. На первом этапе проводилось исследование дизеля со штатной системой топливоподачи на стандартном дизельном топливе.
Второй этап испытаний предусматривал снятие регулировочных характеристик для нахождения оптимальных по g: регулировок угла опере "I жения впрыска для различных видов альтернативных топлив. Испытания проводились на режиме номинальной нагрузки при Р{=0.85 МПа и п=1750 мин 1.
На третьем этапе производилась регистрация параметров рабочего цикла при сравнительном исследовании на нагрузочных характеристиках при п=1750 мин"1 и изменении нагрузки в диапазоне РІ=0.4-0.9 МПа.
На каждом режиме производились замер эффективного крутящего момента, расхода дизельного или альтернативного топлива, частоты вращения, расхода воздуха, температуры выхлопных газов, охлаждающей воды и смазки.
Снятие индикаторных диаграмм осуществлялось с помощью пьезо-датчиков "Orion", сигнал затем усиливался и регистрировался автоматической системой.
Теоретические основы растворения газа в дизельном топливе
Явление растворения представляет собой сложный гетерогенный процесс, скорость которого зависит от многих факторов, причем, как правило, характер изменения этих факторов в ходе растворения подчиняется сложным закономерностям. Современное состояние теории растворения позволяет создать достаточно полную картину физико-химических взаимодействий при процессе растворения.
Сам процесс растворения является результатом взаимодействия ван-дер-ваальсовских сил между молекулами (или ионами) растворяемого вещества и растворителя и зависит, прежде всего, от химического строения.
Силы связи носят электрический характер, обусловленный электрическим зарядом молекул. Сама молекула водорода представляет собой электрический диполь, поэтому при взаимодействии проявляются два вида взаимодействия :
1. Электрическое взаимодействие жестких диполей, ориентированных по отношению друг к другу противоположными зарядами (ориентационный эффект).
2. Воздействие жестких диполей молекул водорода на молекулы дизельного топлива и индуцирование в них диполей, играющих в принципе меньшую роль (индукционный эффект).
Третьим источником сил Ван-дер-Ваальса может быть взаимное притяжение колеблющихся электронов квантово-механического характера. Оно может проявляться у молекул, построенных симметрично и лишенных дипольного момента.
При перемещении молекул газообразного водорода в жидкую фазу дизельного топлива на поверхности раздела фаз и в непосредственном соседстве с ней происходят явления, обусловленные поверхностными сила ми. Они могут оказывать значительное влияние на количественный эффект процесса. Природа этих сил обусловлена напряжением поверхности и зависит как от рода жидкости, так и соседствующего газа.
Преодоление барьера раздела фаз требует преодоления противодействующих сил, а, следовательно, изменяет энергетический уровень молекул. Этот вопрос рассматривали Вард и Бруке [82], пользуясь понятием барьера свободной энергии молекулы. Эта энергия в районе поверхностного контакта достигает максимума. Вест [82] предполагает возможность существования на поверхности контакта жидкой фазы с газом межфазного барьера, построенного из молекул, и приписывает ему большое влияние на массопередачу. Такой барьер образуют молекулы с разной степенью ориентации, расположенные по одну сторону контакта. Ориентированные молекулы могут образовывать слой некоторой толщины, который оказывает проходящим через него молекулам растворенного вещества Сопротивление, большее чем неупорядоченные молекулы в глубине жидкости. Барьер может пропускать только молекулы растворенного вещества с кинетической энергией больше средней, или молекулы, попадающие в "дыры" поверхностно-ориентированной системы.
Схема изменения свободной энергии молекул при преодолении поверхности контакта показано на рис. 3.1. Перенос молекул можно представить как преодоление ван-дер-ваальсовских сил молекулой водорода и абсорбцию, причем изменение свободной энергии представляют разности (Е-Е) И (Е-Е)- Общее изменение свободной энергии представляется разностью (Е -ЕЯ) наибольшие значения свободной энергии равно Е и Ед- При этом энергия активации для передачи молекулы газообразного водорода в основном направлении будет определяться как \Е_Ея), а в обратном направлении \Е Ее) Существует два вида абсорбции - физическая и химическая. Вид абсорбции зависит от химического состава растворяемого вещества и растворителя, внешних условий, при которых происходит абсорбция. В большинстве случаев растворения газа жидкостью имеют место оба вида абсорбции, но протекающие, как правило, с определенными скоростями реакций. Наличие двух видов абсорбции одновременно показано в работах И.И.Иоффе, Л.М.Пимена [85]. На рис. 3.2. представлен типичный вид зависимости количества абсорбированного вещества от температуры при постоянном парциальном давлении сорбируемого вещества (изобара абсорбции) и наличия обоих видов абсорбции.
При низких температурах наибольшую роль играет быстрая физическая абсорбция. Ее равновесие с повышением температуры смещается в сторону меньших заполнений, чему соответствует левая нисходящая ветвь кривой. Одновременно растет скорость химической абсорбции (для которой в типичном случае требуется энергия активации). Восходящая ветвь кривой на рис. 3.2. соответствует той ситуации, когда рост количества хемосорбированного вещества с температурой опережает падение коли-чества вещества, абсорбированного физически. Хемосорбция в этих условиях уже играет преобладающую роль. Весь участок изобары до максимума кривой соответствует ложному равновесию: истинное равновесие здесь не достигается из-за малых скоростей хемосорбции. С дальнейшим ростом температуры, равновесие хемосорбции обратной экзотермической реакции смещается в сторону десорбции вещества с поверхности, что изображается правой нисходящей ветвью изобары абсорбции. Именно эта ветвь соответствует истинному равновесию.
Таким образом, на основании выполненного анализа можно сделать вывод, что абсорбция газа дизельным топливом может протекать как физическая, так и химическая. Поэтому большое значение для обоснования теоретических предпосылок той или иной модели процесса абсорбции имеет знание скоростей хемосорбции и физической абсорбции применительно к конкретным условиям схемы насыщения дизельного топлива во дородом и аммиаком на двигателе с учетом конкретных давлений, температур и располагаемым временем процесса.
Исследование рабочего процесса дизеля на альтернативных топливах
Исследование рабочего процесса дизелей 14 13/14, 44 10.5/12 при использовании альтернативных топлив проводилось для сравнительной оценки параметров рабочего процесса двигателя и сопоставления с параметрами рабочего цикла при использовании стандартного дизельного топлива. Результаты данного исследования позволяют выявить возможности экономии дизельного топлива и снижения эмиссии токсичных компонентов с ОГ. Также результаты .экспериментального исследования позволили подтвердить достоверность расчетно-теоретических исследований, изложенных в 3 главе настоящей работы.
Были исследованы следующие виды топлив : - синтетическое гидроочищенное жидкое топливо, в дальнейшем называемое СЖТ из углей Канско-Ачинского угольного бассейна; - первичная смола гидрогенизации - тяжелое синтетическое топливо (ТТ) из углей Канско-Ачинского угольного бассейна, - смесевое топливо СИ6, состоящее из 60% дизельного топлива, 25% изобутилового спирта С4Н9ОН и 15% этилового спирта С2Н5ОН (в этом и дальнейшем случае даны объемные концентрации); - топливо СИ4. Состав - 40% дизтоплива, 35% изобутанола и 25% этанола; - топливо СПб. Компоненты: 60% дизельного топлива, 30% пропи-лового спирта С3Н7ОН, 10% этилового спирта; - топливо СП4, состоящее из 40% ДТ, 45% пропанола, 15% этанола; - СОб; смесевое топливо на основе октилового спирта CgHjyOH. Состав: 60% ДТ, 20% октанола и 20% этанола; - С04, состоящее из 40% дизтоплива, 30% октанола и 30% этанола. Состав смесевых топлив был выбран на основе исследований, изложенных в главе 3. В качестве растворителя была выбрана группа высших спиртов: изобутанол, пропанол, октанол. Для выбранных веществ были построены экспериментальные тройные диаграммы растворимости (рис. 4.1), и на их основе выбраны конкретные доли каждого вещества: дизельного топлива, этанола и соответствующего растворителя.
Подробнее свойства смесевых топлив приведены в главе 3.
Испытанные виды жидкого топлива: первичный продукт гидрогенизации (тяжелое синтетическое топливо) и топливо, полученное из этой смолы, с помощью гидроочис-тки. Физико-химические свойства СЖТ приведены в табл. 4.1, для сравнения даны характеристики стандартного дизельного топлива.
Помимо вышеперечисленных смесевых топлив на основе дизтоплива был исследован рабочий процесс дизеля на смесевых топливах на основе тяжелого синтетического топлива. Растворителем в этих топливах являлись октанол и изобутанол.
Также испытывались стандартное дизельное топливо с добавками водорода, аммиака и воздуха.
Программа экспериментальных исследований состояла из 3 этапов.
На первом этапе снимались регулировочные характеристики с целью определения оптимального угла начала подачи топлива фнп для исследуе мых топлив. После этого были проведены сравнительные исследования показателей рабочего процесса дизеля на номинальной частоте вращения коленчатого вала. Третий этап проводился с целью поиска мероприятий по улучшению экономичности и токсичности при работе на альтернативных топливах. Программа исследований в том или ином объеме повторялась для каждого из исследуемых топлив.
При исследовании рабочего процесса дизеля, работающего с добавками водорода, аммиака и воздуха программа испытаний включала: изучение изменения параметров топливоподачи и их оптимизацию при добавке присадок; изучение влияния присадки на процесс смесеобразования в цилиндре двигателя; оценку влияния присадки на экономические и экологические показатели работы дизеля и выбор количества присадки.
