Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование и постановка задач исследования 9
1.1. Методы снижения токсичности отработавших газов и повышения экономичности двигателей с искровым за жиганием 9
1.1.1. Совершенствование карбюраторов и систем зажигания 9
1.1.2. Рециркуляция отработавших газов 10
1.1.3. Применение водно-топливных эмульсий и добавок воды II
1.1.4. Нейтрализация отработавших газов 12
1.1.5. Отключение части цилиндров и циклов 13
1.1.6. Послойное смесеобразование 14
1.1.7. Применение альтернативных топлив 15
1.2. Свойства водорода как моторного топлива 16
1.3. Двигатели на водородовоздушных смесях 24
1.4. Двигатели на бензоводородных смесях 29
1.5. Цель и задачи исследования 37
2. Расчетное исследование теоретического щкж двс на смеси бензина с водородом 40
2.1. Основные допущения расчетной модели 40
2.2. Основные соотношения расчетной модели теоретического цикла 41
2.3. Методика расчета равновесного состава продуктов сгорания 44
2.4. Методика расчета процесса сжатия 50
2.5. Методика расчета процесса сгорания 51
2.6. Методика расчета процесса расширения 52
2.7. Теоретические пределы обеднения бензоводородовоздуш-ных смесей 53
2.8. Анализ состава продуктов сгорания 55
2.9. Анализ характеристик теоретического цикла 70
ВЫВОДЫ 74
3. Разработка способа работы двигателя на топливных композициях 75
3.1. Экспериментальная установка и методика исследования 75
3.1.1. Схема и основные элементы экспериментальной установки 75
3.1.2. Система зажигания индицируемого цилиндра . 78
3.1.3. Индицирование двигателя 79
3.1.4. Отбор проб и анализ отработавших газов . 82
3.2. Влияние добавки водорода к бензину на параметры рабочего процесса и тепловыделение 85
3.2.1. Влияние добавки водорода на энергоемкость свежего заряда 87
3.2.2. Влияние добавки водорода на процесс сгорания и идентичность последовательных циклов . 92
3.2.3. Влияние добавки водорода на среднее индика торное давление и КПД 96
3.3. Детонационная стойкость бензоводородных топливных композиций 99
3.4. Пределы обеднения бензоводородовоздушных смесей . 101
3.5. Выбор способа регулирования мощности бензоводородного двигателя 105
3.5.1. Количественное регулирование мощности . 105
3.5.2. Качественное регулирование мощности 106
3.5.3. Смешанное регулирование мощности 107
Стр. 3.5.4. Сравнительный анализ различных способов регулирования мощности 108
З.б. Принципиальная схема системы питания бензоводород-
ного двигателя с искровым зажиганием 118
ВЫВОДЫ 122
4. Методика расчетного исследования действительного цикла двс, работающего на смеси бензина с водородом 124
4.1. Основные допущения 124
4.2. Определение характеристики выгорания топлива . 126
4.3. Учет теплоотдачи в процессах сгорания и расширения 137
4.4. Основные уравнения расчетной модели 139
4.5. Анализ результатов расчета действительных циклов 145
Выводы 156
5. Сравнительные экспериментальные исследования двигателей и автомобиля при работе на бензине и на бензине с добавкой водорода 157
5.1. Сравнительные стендовые испытания двигателей . 157
5.1.1. Оценка погрешностей измерений 147
5.1.2. Результаты сравнительных испытаний двигателя ЗМЗ - 24Д 160
5.1.3. Результаты сравнительных испытаний двигателя ЗИЛ -130 171
5.2. Сравнительные испытания автомобиля 173
Заключение 182
Рекомендации для внедрения 184
Список использованных источников
- Методы снижения токсичности отработавших газов и повышения экономичности двигателей с искровым за жиганием
- Основные допущения расчетной модели
- Экспериментальная установка и методика исследования
- Определение характеристики выгорания топлива .
Введение к работе
Коммунистическая партия и Советское правительство постоянно уделяют большое внимание развитию и совершенствованию энергетики и транспорта страны. На ХХУТ съезде КПСС было отмечено, что одной из главных задач на период до 1990 года является экономия всех видов энергоресурсов: " ... на основе использования достижений науки и техники..." необходимо "... создавать принципиально новые виды транспортных средств, а также транспортные энерго-силовые установки, обеспечивающие существенное сокращение расхода топлива и энергии" /I /.
Наряду с проблемой повышения экономичности большое значение имеет и проблема снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. В нашей стране вопросу уменьшения загрязнения окружающей среды уделяется много внимания, о чем свидетельствует ряд постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР, в том числе "Закон СССР об охране атмосферного воздуха".
В свете этих проблем задача повышения экономичности и снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, которыми в настоящее время оборудована основная часть автомобильного парка страны, является актуальной.
Одним из возможных путей решения этой задачи является применение новых видов топлива, среди которых важное место занимает водород. Перспективность применения водорода для двигателей внутреннего сгорания определяется прежде всего его экологической чистотой, неограниченностью и возобновляемостью его запасов, хорошими моторными свойствами, которые открывают возможность его широкого применения в современных двигателях без коренной их перестройки.
В настоящее время в нашей стране и ряде зарубежных стран проводятся широкие исследования возможности и целесообразности применения водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Поскольку применение водорода в качестве основного топлива в ближайшее время весьма проблематично, в основном из-за отсутствия экономичной технологии его производства и хранения в больших количествах на автомобиле, особое значение приобретает применение водорода в качестве дополнительного топлива, что возможно и целесообразно уже в настоящее время.
Данная работа выполнялась в соответствии с планом исследований по заданию Об Государственной научно-технической программы 0.85.03.
В диссертации выполнены исследования по определению минимальной добавки водорода к бензину, обеспечивающей стабильное протекание рабочего процесса при различных составах топливовоз-душной смеси, определена величина добавки водорода к бензину, обеспечивающая повышение мощности и экономичности двигателя при работе на составах топливовоздушной смеси, близких к стехиомет-рическим, исследовано влияние способа регулирования мощности двигателя на его экономичность и токсичность отработавших газов при работе на бензоводородовоздушных смесях. На основании проведенных исследований предложен способ организации рабочего процесса двигателей с искровым зажиганием при работе на бензоводородовоздушных смесях и принципиальные схемы топливоподающей аппаратуры для его реализации, защищенные авторскими свидетельствами. Разработана методика расчета процесса сгорания в двигателе с искровым зажиганием при работе на бензоводородовоздушных смесях с использованием эмпирических зависимостей, связывающих параметры функции выгорания топлива, предложенной проф. И.И.Вибе, с составом бензоводородовоздушной смеси и режимом работы двигателя.
Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Харьковского автомобильно-дорожного института им.Комсомола Украины и в отделе поршневых двигателей ЖШащ АН УССР.
Результаты выполненных исследований были использованы в Институте проблем машиностроения АН УССР ( г.Харьков ) при создании экспериментальных автомобилей, работающих на бензоводородных топливных композициях, и на Рижском заводе микроавтобусов РАФ имени XX съезда КПСС, где изготавливается опытно-промышленный . образец микроавтобуса для работы на бензоводородных топливных композициях.
Опытная эксплуатация трех таксомоторов в г.Харькове и испытания экспериментального автомобиля в ЦНИАП НАМИ показали, что в сравнении с работой на бензине выброс вредных веществ уменьшился по окиси углерода в 8,8 раза, по углеводородам - 2,15 раза, по окислам азота - в 7 раз. Одновременно топливная экономичность возросла на 18,6%, а экономия бензина составила 38% .
Методы снижения токсичности отработавших газов и повышения экономичности двигателей с искровым за жиганием
Проблемой уменьшения токсичности отработавших газов автомобильных двигателей начали заниматься сравнительно недавно. На первом этапе снижение токсичности отработавших газов двигателей в основном было достигнуто за счет совершенствования их конструкции и подбора регулировок систем питания и зажигания. Как отмечено в работе / 4 /, за счет этого в период с 1961 г. по 1975 г. удалось уменьшить выброс углеводородов на 80%, а окиси углерода на 70 %. С целью дальнейшего снижения выбросов токсичных веществ проводятся работы по дальнейшему совершенствованию карбюраторов. В связи с тем, что наибольшая токсичность отработавших газов соответствует режимам холостого хода и принудительного холостого _ хода, большое внимание было уделено разработке антитоксичных устройств, уменьшающих токсичность на этих режимах / 10-14 /. Применение автономной системы холостого хода с клапаном-экономайзером принудительного холостого хода обеспечивает уменьшение выброса окиси углерода и углеводородов на 20-40% при одновременном повышении экономичности на 3 - б % /13, 14/.
Некоторого повышения экономичности двигателей и снижения токсичности отработавших газов можно добиться интенсификацией зажигания /2, 3, 9/. Повышая энергию и стабильность искрового разряда, можно сместить концентрационный предел эффективного обеднения в сторону бедных смесей и, следовательно, повысить экономичность и снизить токсичность, особенно при работе двигателя на частичных нагрузках и холостом ходу. Повышение энергии и стабильности искрового разряда достигается применением бесконтактных электронных систем зажигания, которые находят все большее применение в современных ДВС. Однако следует отметить, что указанные мероприятия, как правило, приводят к увеличению окислов азота в отработавших газах.
Весьма эффективным способом уменьшения выброса окислов азота является рециркуляция отработавших газов. Перепуск части отработавших газов во впускную систему двигателя приводит к уменьшению максимальной температуры цикла в основном вследствие уменьшения свежего заряда и увеличения его теплоемкости. Снижение максимальной температуры цикла приводит в соответствии с общепринянытым механизмом термического образования окиси азота к уменьшению выбросов окислов азота. Как показали различные исследования, применением рециркуляции отработавших газов можно уменьшить выделение окиси азота на 60- 70 %/2 -4,15/. Однако следует иметь в виду, что рециркуляция отработавших газов, оказывая влияние на процессы наполнения и сгорания, должна сказаться на мощности и экономичности двигателя. В работе / 3/ показано, что во всех случаях применения рециркуляции отработавших газов мощность двигателя снижается. Что же касается экономичности двигателей с системами рециркуляции отработавших газов, то данные, приводимые различными исследователями, весьма противоречивы. Так, в работе / 3 / показано, что у одних исследователей рециркуляция не оказывала влияния на экономичность , у других - приводила к повышению расхода топлива на 14 %, а у третьих - к снижению расхода топлива на 18%. Эти данные говорят о том, что при использовании рециркуляции отработавших газов необходимо проводить тщательные исследования по выбору системы и режимов рециркуляции. В работе / 15 / показано, что правильным выбором характеристик системы рециркуляции и оптимальными регулировками состава смеси и опережения зажигания можно добиться уменьшения выброса окиси азота в два раза без ухудшения экономичности двигателя и неизменной токсичности по окиси углерода и углеводородам.
Кроме рециркуляции отработавших газов другим эффективным средством разбавления заряда, приводящим к увеличению его теплоемкости и уменьшению скорости сгорания, а следовательно, к снижению максимальной температуры цикла, является ввод воды в цилиндр. При этом температура в цилиндре дополнительно понижается за счет затрат энергии на испарение воды. Одновременно охлаждение заряда вследствие испарения несколько увеличивает плотность заряда и уменьшает работу сжатия, что компенсирует потерю мощности из-за уменьшения температуры в камере сгорания. В настоящее время проводится много исследований по выявлению влияния впрыска воды на мощность, экономичность и токсичность отработавших газов двигателя. Так, в работах /2, 9/ показано, что впрыск воды может обеспечить уменьшение выброса окислов азота с отработавшими газами почти в два раза при некотором улучшении мощностных и экономических показателей двигателя. В работе / 16 / выполнен обзор исследований по выявлению влияния впрыска воды на показатели работы двигателя и показано, что 50%-ая добавка воды приводит к повышению октанового числа топлива на 10-12 единиц, а мощности и экономичности - на 5 %. Однако имеются противоречия в данных различных исследований. В одной из последних работ / 17 / приведены результаты исследований, проведенных на двигателе ВАЗ- 2106. По данным этих исследований 50 % - ая добавка воды снижает выброс окислов азота на 25 -30 %, а на выбросы углеводородов, мощность и экономичность двигателя практически не влияет. Не оказала добавка воды значительного влияния и на требования двигателя к октановому числу топлива (подача 30 % воды повысила детонационную стойкость топлива всего на I -2 единицы). В то же время при добавлении более 50 % воды визуально отмечено ее попадание в картерное масло.
Более перспективно применение воды в виде водно-топливных эмульсий. В работах /18 - 22/ отмечается повышение октанового числа водно-бензиновых эмульсий на 5-Ю единиц, уменьшение удельного расхода топлива на 5 - 8 % и значительное снижение концентрации окиси азота и окиси углерода при неизменных мощностных показателях двигателя.
Основные допущения расчетной модели
Рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания зависит от значительного числа конструктивных и эксплуатационных факторов таких как рабочий объем цилиндра, форма камеры сгорания, качество смесеобразования, частота вращения коленчатого вала, угол опережения зажигания и другие.
Учет всех факторов, оказывающих влияние на протекание рабочего процесса двигателя, при расчетных исследованиях представляет значительные трудности, особенно при отсутствии достаточного количества систематизированных экспериментальных данных для данного типа двигателей.
В то же время использование теоретического цикла ДВС позволяет расчетным путем изучить основные закономерности рабочего процесса в широком диапазоне составов топливовоздушной смеси. Расчет равновесного состава продуктов сгорания при использовании новых топлив является достоверным методом сравнительной оценки теоретических показателей двигателя / 38 /, а в случае применения добавок водорода к бензину позволит вскрыть механизм их воздействия на процесс сгорания. С этой целью совместно с отделом поршневых двигателей ИПМаш АН УССР разработана математическая модель теоретического цикла двигателя с выделением тепла при постоянном объеме при следующих допущениях: 1) рассматривается цикл с реальным рабочим телом, имеющим переменный состав и теплоемкость, зависящую от температуры; 2) цикл состоит из адиабатического сжатия, мгновенного вы деления тепла при постоянном объеме, адиабатического расширения и отвода тепла при постоянном объеме; 3) в каждый момент времени продукты сгорания находятся в химическом равновесии и состоят из следующих компонентов: Й, О, И, tlz, 02,H2;lvlO, OH, СО, C02,Wa0; 4) применяется уравнение состояния идеального газа.
Расчетная модель предназначена для определения параметров теоретического цикла двигателей, работающих на различных смесе-вых топливах, теплота сгорания которых неизвестна. В то же время в литературе / 91 - 93 / имеются данные по теплоте образования различных индивидуальных веществ в результате химических реакций. В связи с этим в расчетной модели целесообразно применить понятие о полной внутренней энергии и полной энтальпии индивидуальных веществ / 91-93 /.
Полная внутренняя энергия к -ого индивидуального вещества может быть представлена соотношением: U —ик + фоіГр-к, (2.1) где 11« - энергия теплового движения молекул; Worfp к = хим теплота образования данного вещества из некоторых других веществ, взятых в условном стандартном состоянии. Соответственно полная энтальпия индивидуального вещества Ткан L K = lK+Q0fyK—f CpdT+Qo(5p.K. (2.2) тиач
Численные значения величин полных энтальпий зависят от принятой системы отсчета, определяющей начальную температуру ТгіОЧ и начальные уровни химических энергий индивидуальных веществ. Выбор системы отсчета не имеет принципиального значения, так как в расчетах оперируют изменениями энтальпий, а не их абсолютными значениями, которые определить невозможно / 93 /.
В нашей стране наибольшее распространение получила система А.П.Ваничева / 91 /, в которой Тнач = 293,16 К, а уровни химических энергий различных веществ отсчитываются от уровней химических энергий таких веществ, как И2, 0 , N2 f С t которые принимаются за исходные вещества в стандартном состоянии. Химическая энергия исходных веществ принимается равной 0 при начальной температуре .
В соответствии с этим из уравнения (2.2) следует, что при начальной температуре полная энтальпия вещества равна теплоте его образования из исходных веществ в стандартном состоянии.
Состояние рабочего тела в цилиндре двигателя определяется следующими параметрами, являющимися функцией угла поворота коленчатого вала: Т1 - температурой рабочего тела, К; Р - давлением рабочего тела, Па; W - удельным объемом рабочего тела, м3/кг. Для определения параметров состояния рабочего тела были использованы уравнение закона сохранения энергии, уравнение состояния идеального газа, уравнения химического равновесия и уравнения материального баланса.
Экспериментальная установка и методика исследования
Для проведения экспериментального исследования рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием на бензоводородных топливных композициях в лаборатории двигателей внутреннего сгорания Харьковского автомобильно-дорожного института была создана экспериментальная установка на базе двигателя ЗМЗ - 24Д, схема которой приведена на рис.3.I.
Экспериментальное исследование рабочего процесса многоцилин дрового двигателя с внешним смесеобразованием затрудняется неидентичностью рабочих процессов, происходящих в разных цилиндрах, вследствие неравномерности распределения смеси по цилиндрам, различия состава смеси и моментов зажигания. Разброс между индикаторными показателями отдельных цилиндров многоцилиндрового двигателя может достигать 15-20% /101/, в связи с чем исследование рабочего процесса ДВС целесообразно проводить на одноцилиндровом двигателе. Однако существующие одноцилиндровые установки значительно отличаются от серийных автомобильных двигателей по конструктивным параметрам и быстроходности. Поэтому исследования проводили на серийном двигателе ЗМЗ - 24Д по методу выделения одного цилиндра. В соответствии с этим методом индицируемый цилиндр (четвертый) был снабжен индивидуальными системами зажигания, подачи топлива и воздуха и отвода отработавших газов, что дало возможность правильно оценивать состав свежей смеси и отработавших газов в этом цилиндре.
Подачу бензина в исследуемый цилиндр обеспечивали стандартным карбюратором К - 59, снабженным регулировочной иглой для изменения расхода бензина. Часовой расход бензина измеряли объемным способом и подсчитывали по формуле: 3,6 V„ ff кг/ч? ( 3.1 ) о і- где VM - объем мерного сосуда, см3; pj - плотность бензина при испытании, г/см3; Z - продолжительность замера расхода бензина, с.
Водород подавали через форсунку, установленную в диффузоре карбюратора, что обеспечивало интенсивное перемешивание его с бензовоздушной смесью. Изменение подачи водорода осуществляли регулировочным вентилем. Часовой расход водорода определяли ротаметром PC - 3, тарированным с помощью газгольдера по водороду, и подсчитывали по формуле: где Унр - объемный расход водорода, измеренный по ротаметру, м3/ч; р н - плотность водорода в условиях тарировки, кг/м3; рн - плотность водорода в условиях замера, кг/м3.
Воздухоочиститель был заменен системой замера расхода воздуха, состоящей из ротационного газового счетчика РГ-40 и ресивера емкостью 75 литров для сглаживания пульсаций воздуха.
Нагрузку на двигатель осуществляли электрической балансир-ной машиной МПБ-32 с весовым устройством ВКМ-57. Контроль частоты вращения коленчатого вала производили с помощью индукционного датчика по показаниям электронного цифрового частотомера Ф5035. Кроме того, стенд был оборудован агрегатами и контрольно-измерительными приборами в соответствии с ГОСТ 14846 - 69 на стендовые испытания автомобильных двигателей / 103 /.
Для индивидуальной системы зажигания исследуемого цилиндра были использованы элементы стандартного прерывателя-распределителя двигателя ЗМЗ-24Д. Кулачковый валик прерывателя-распределите ля с одним кулачком был установлен на переднем торце распределительного вала двигателя, а неподвижный и подвижный диски установлены в крышке шестерен газораспределения двигателя. Изменение угла опережения зажигания осуществляли поворотом подвижного диска прерывателя.
Для текущего контроля и установки угла опережения зажигания использовали электронное цифровое счетно-решающее устройство, разработанное в ИПМаш АН УССР. Основными элементами устройства являются генератор импульсов постоянной частоты и два счетчика, один из которых отсчитывал число импульсов ц от верхней мертвой точки до момента зажигания по сигналу фотодатчика, а второй-число импульсов L2 за один оборот коленчатого вала. В соответствии с этим угол опережения зажигания определяли по соотношению: 0 = -360. (3.3) Значение угла опережения зажигания выводилось на цифровой индикатор прибора.
Определение характеристики выгорания топлива .
Методам расчета рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания посвящено много работ. Анализ существующих расчетных методов / 69,123 -132 / позволяет сделать заключение, что наиболее сложным вопросом при разработке математической модели действительного цикла двигателя является описание процесса выделения тепла при сгорании топлива. В то же время правильность описания процесса сгорания в основном определяет точность моделирования рабочего процесса двигателя, поскольку продолжительность сгорания прямо влияет на общую эффективность цикла, а температуры в течение процесса сгорания оказывают определяющее влияние на уровень токсичности отработавших газов. Поэтому при расчете процесса сгорания необходимо учитывать не только термодинамические свойства рабочего тела, но и закон выгорания топлива. Однако в настоящее время не представляется возможным точно определить закон процесса сгорания на основе физико-химических явлений при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания. Поэтому наиболее широкое распространение получили методы расчета, основанные на аппроксимации закономерностей сгорания, полученных экспериментальным путем, эмпирическими или полуэмпирическими уравнениями / 124, 125, 132 /.
Выполненные экспериментальные исследования позволили разработать методику расчетного исследования действительного цикла двигателя, работающего на бензоводородных топливных композициях.
При составлении расчетной модели действительного цикла были приняты следующие основные допущения: I. Рассматривается замкнутый цикл с реальным рабочим телом постоянной массы, имеющим переменный состав и теплоемкость, зависящую от температуры. 2. Цикл состоит из политропического сжатия, сгорания, расширения продуктов сгорания с учетом выделения тепла вследствие рекомбинации диссоциированных молекул и отвода тепла при постоянном объеме. 3. В процессе сгорания рабочее тело разделено на две зоны: зону продуктов сгорания и зону свежего заряда. 4. Используется гипотеза о мгновенном перемешивании продуктов сгорания, в соответствии с которой в любой момент времени температура сгоревшей части заряда одинакова по всему объему. Такой подход оправдан, так как учет Махе-эффекта, значительно усложняя трудоемкость расчетов, не обеспечивает получения более точных результатов / 2 /. 5. Температура несгоревшей части заряда определяется по уравнению адиабаты. 6. Давление во всем объеме камеры сгорания одинаково. 7. Свежая смесь состоит из воздуха, паров бензина, газообразного водорода и остаточных газов. 8. В каждый момент времени продукты сгорания находятся в химическом равновесии и состоят из следующих компонентов: к/, о , н, к/г, ог, мг, ьіа, он, со , сог, иго. 9. Учитывается теплообмен со стенками в процессах сгорания и расширения. 10. Сжатие происходит по политропе с показателем, принятым на основании экспериментальных данных. 11. Закон выгорания топлива задается в виде функциональной зависимости проф. И.И.Вибе. 12. Применяется уравнение состояния идеального газа.
Исходные данные включают коэффициент избытка воздуха, коэф наполнения и фициентьґостаточных газов, температуру в начале сжатия, показатель политропы сжатия, массовую долю газообразного водорода в бензоводородной топливной композиции, геометрическую степень сжатия, отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, размеры цилиндра, частоту вращения коленчатого вала.
