Содержание к диссертации
Введение
I. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛВДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СГОРАНИЯ ДВИ
ГАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ НА УГЛЕВОДОРОДНОМ ТОПЯИВЕ С ДОБАВ
КАМИ ВОДОРОДА
1.1. Возможность применения водорода в качестве автомобильного топлива 41
1.2. Влияние добавок водорода к углеводородному топливу на экономичность работы карбюраторного двигателя
1.3. Влияние добавок водорода к углеводородному топливу на эмиссию токсических компонентов в продуктах сгорания карбюраторного двигателя 48
1.4. Методы получения и хранения водорода на борту транспортного средства Z4
1.5. Особенности рабочего процесса карбюраторного двигателя, работающего на углеводородном топливе с добавками водорода 2.9
1.6. Влияние добавок воды на процесс сгорания в карбюраторном двигателе 2>Н
1.7. Методы расчета рабочих циклов ДВС, работающих на углеводородном топливе с добавками водорода 36
1.8. Выводы по главе. Цель и задачи работы 39
2. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОШОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ ДОБАВКИ ВОДОРОДА К УГЛЕВОДОРОДНОМУ ТОП
ЛИВУ В ДВИГАТЕЛЯХ С ВНЕШНИМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ
2.1. Оценка эксплуатационных расходов двигателя, работающего с добавками водорода
2.2. Экономическая оценка ущерба от выброса вредных примесей с отработавшими газами автомобильного двигателя
3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 58
3.1. Цель и объем экспериментального исследования .. 58
3.2. Методика определения величины нормальной скорости распространения пламени 60
3.3. Экспериментальная установка с двигателем ВАЗ-2121 6
3.3.1. Измерительная аппаратура 6&
3.4. Экспериментальная установка с двигателем УК-2 71
3.5. Оценка погрешностей результатов экспериментального исследования установки с двигателем ВАЗ-2121 74
3.6. Методика определения характеристик выгорания топлива по индикаторным диаграммам
3.7. Методика определения параметров паро-водородной смеси, поступающей в двигатель
3.8. Методика экспериментальных исследований работы двигателя на бензине с добавкой паро-водородной смеси
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1. Определение нормальной скорости распространения пламени в бензопароводородовоздушной смеси в зависимости от ее состава
4.2. Влияние добавок пароводорода на показатели работы двигателя BA3-2I2I 92
4.2.1. Исследование эффективных показателей ДВС . 92.
4.2.2. Исследование индикаторных показателей ДВС .
4.2.3. Неравномерность рабочего процесса
4.2.4. Характеристики тепловыделения
4.2.5. Токсические характеристики двигателя BA3-2I2I при работе с добавками пароводородной смеси..
4.3. Определение допустимого количества водорода в водородосодержащих топливных смесях ДВС 120
Выводы по главе
5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНОГО ИССЛЕДОВАНИ
РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО С ДОБАВКАМИ ПАР0В0Д0Р0ДН0Й СМЕСИ 129
5.1. Физическая модель процессов сгорания в двигателе с принудительным зажиганием.
5.2. Физическое обоснование к расчетному определению характеристик выгорания топлива в цилиндрах карбюраторного двигателя
5.3. Сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований
5.4. Расчетный анализ влияния состава смеси и режима работы двигателя на характеристики рабочего цикла
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
МАТЕРИАЛЫ ПО ВНЕДРЕНИЮ
- Возможность применения водорода в качестве автомобильного топлива
- Оценка эксплуатационных расходов двигателя, работающего с добавками водорода
- Цель и объем экспериментального исследования
- Определение нормальной скорости распространения пламени в бензопароводородовоздушной смеси в зависимости от ее состава
- Физическая модель процессов сгорания в двигателе с принудительным зажиганием.
class1 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛВДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СГОРАНИЯ ДВИ
ГАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ НА УГЛЕВОДОРОДНОМ ТОПЯИВЕ С ДОБАВ
КАМИ ВОДОРОДА class1
Возможность применения водорода в качестве автомобильного топлива
Водород может рассматриваться как возможное топливо для автомобильных поршневых ДВС как в чистом виде, так и в виде присадки к жидкому топливу [92, I00J. В сравнении с другими возможными вида автомобильного топлива преимуществами водорода являются:
- высокая теплота сгорания - 1,2 10 кДж/кг,
- хорошая воспламеняемость водородовоздушной смеси в широком диапазоне температур, что обеспечивает хорошие пусковые свойства двигателя при любых температурах атмосферного воздуха,
- безвредность отработавших газов: полная безвредность при использовании в качестве окислителя кислорода, и минимальная при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха,
- высокая антидетонационная стойкость, допускающая работу при степени сжатия
- высокая скорость сгорания; для стехиометрической водородовоздушной смеси она в 4 раза больше, чем для бензовоз душной, что обеспечивает лучшую полноту сгорания водорода и определяет более высокий термический КПД (на 20-25$) [95, 96J,
- воспламеняемость в широком диапазоне смесей с воздухом, нижняя граница воспламеняемости составляет 4% содержания водорода в воздухе, верхняя - 75$; стехиометрическая смесь содержит 30$ водорода. Столь широкий диапазон воспламеняемости делает возможным осуществить качественное регулирование мощности в ДВС путем изменения количества подаваемого водорода вместо обычного количественного регулирования (путем изменения количества подаваемой смеси определенного состава). При применении водорода можно в значительной мере отказаться от дросселирования потока воздуха на впуске и тем самым увеличить экономичность двигателя на режимах частичных нагрузок [юз].
Все вышеуказанные преимущества могут быть реализованы в ДВС при условии некоторых конструктивных переделок самого двигателя.
Водород может быть использован в качестве топлива и в стандартном автомобильном двигателе без конструктивных его изменений, однако при этом не будут реализованы все преимущества водорода, определяемые его физико-химическими особенностями; мощность двигателя может понизиться вследствие Меньшей плотности и более низкой теплоты сгорания стехиометрической водородовоздушной смеси (3,65.10 кДж/м) в сравнении с бензовоз душной смесью (3,98«10 кДж/м). Однако это снижение может быть компенсировано повышением КОД за счет увеличения степени сжатия и скорости сгорания.
Для реализации преимуществ водорода в качестве автомобильного топлива необходимы следующие конструктивные изменения бензинового двигателя:
- увеличение степени сжатия до допустимой, с точки зрения антидетонационной стойкости, для водорода;
- предотвращение возможности преждевременного воспламенения, обратных вспышек, определяемой большей скоростью распространения пламени водородовоздушной смеси, чем бензовоздушной,в частности устранение горячих точек и отложений в камере сгорания (применение "холодных" свзчзй, охлаждение клапанов) [35, 36, 56J, переделка системы зажигания (перекрестная прокладка и экранирование кабелей);
- уменьшение угла опережения зажигания с учетом полного сгорания смеси в ВМТ;
- изменение системы питания с учетом возможности увеличения коэффициента избытка воздуха, что является необходимым для использования преимуществ водорода;
- осуществление мер по предотвращению образования окислов азота в 0Г, при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха (понижение температуры сгорания смеси путем рециркуляции 0Г _39, 49J, присадка воды или пара [ 56, 61-64J присадка N Н 3 и др.);
Вышеназванные конструктивные изменения современного автомобильного двигателя для его работы на чистом водороде являются минимально необходимыми.
class2 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОШОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ ДОБАВКИ ВОДОРОДА К УГЛЕВОДОРОДНОМУ ТОП
ЛИВУ В ДВИГАТЕЛЯХ С ВНЕШНИМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ class2
Оценка эксплуатационных расходов двигателя, работающего с добавками водорода
Величина добавки водорода к основному топливу карбюраторного двигателя для работы его без конструктивных изменений ограничивается следующими причинами:
1. Добавка водорода до 5-10$ существенно снижает токсичность ОГ и повышает КПД ДВС, а увеличение добавки выше - малоэффективно.
2. Добавка до 10-12$ возможна при соответствующей регулировке зажигания, хотя при этом увеличивается жесткость работы двигателя и несколько возрастает максимальное давление цикла. Дальнейшее увеличение добавки водорода приводит к аномальным явлениям в цилиндрах ДВС (детонации, калильному зажиганию, обратным вспышкам).
3. Высокая стоимость водорода и, как следствие, высокая сто имость энергии, получаемой при сжигании бензоводородовоздушной смеси в цилиндрах ДВС.
На рис.2.I изображен график изменения стоимости энергии, получаемой при сжигании топливной смеси, имеющей различное количество водорода. График построен при следующих посылках. Водород получается в результате взаимодействия гидрореагирующего сплава на основе Ма с водой. Прямая I ограничивает максимальную стоимость бензоводородной смеси, т.е. водород здесь имеет максимальную стоимость (стоимость бензина АИ-93 принимается в расчетах постоянной и равной 0,54 руб/кг - по ценам 1982 г.). Стоимость сплава магния при этом была принята 760 руб/т. Столь высокая отпускная цена сплава магния была обусловлена необходимостью специального изготовления малых опытных партий сплава, предназначенных для проведения исследований. (Зледует отметить, что оптовая цена сплава магния при его массовом производстве будет значительно ниже. Магний можно получать электролизом, осуществляя регенерацию гидроокиси магния, которая получается в результате реакции сплава магния с водой. Для этого окись магния перерабатывается в хлорид и полученный хлорид магния используется далее для электролитического получения магния по промышленной технологии.
Цель и объем экспериментального исследования
Как следует из обзора, приведенного в главе I, несмотря на наличие значительного экспериментального материала по работе двигателей с добавками водорода, лишь в немногих из них имеются достоверные сведения об особенностях рабочего процесса. Еще меньше данных, относящихся к сгоранию и тепловыделению двигателей, работающих с добавками водорода и совсем нет сведений о совместном влиянии на процесс сгорания изменений количеств водорода и водяного пара, а также изменения в широких пределах коэффициента избытка воздуха.
В соответствии с целями настоящего исследования, было необходимо определить характеристики сгорания и тепловыделения в двигателе при различных составах смеси и найти методы их расчетного прогнозирования. Как показано в главе 5, последняя задача решалась на основе корреляции параметров характеристики тепловыделения с нормальной скоростью распространения пламени и параметрами, характеризующими режим работы двигателя. G учетом этого экспериментальное исследование данной работы включало в себя:
1. Определение нормальной скорости распространения пламени в бензопароводородовоздушных смесях на экспериментальной установке с бунзеновской горелкой.
2. Исследование рабочего процесса и характеристик карбюраторного двигателя BA3-2I2I, оборудованного системой получения паро водородной смеси, при работе на "чистом" бензине АИ-93 и бензине с добавкой пароводорода.
3. Определение максимальной величины добавки водорода к угле водородному топливу на одноцилиндровом двигателе I Ч 13/14 с воспламенением от сжатия.
Определение нормальной скорости распространения пламени в бензопароводородовоздушной смеси проводилось на экспериментальной установке на кафедре "Теплофизика" ЛПИ им.М.И.Калинина.
Испытания силовых установок с двигателем BA3-2I2I и с двигателем I Ч 13/14 проводились в лаборатории кафедры "Двигатели внутреннего сгорания" ЛПИ им.М.И.Калинина.
Целью экспериментального исследования являлось:
1. Получение исходных данных, необходимых для проведения численного моделирования рабочего цикла карбюраторного двигателя при работе на бензопароводородовоздушных смесях.
2. Сопоставление результатов экспериментального исследования с данными теоретического анализа, в частности, экспериментальная проверка теоретически определенной максимальной величины добавки водорода к углеводородному топливу, не вызывающей нарушения рабочего процесса ДВС.
Определение нормальной скорости распространения пламени в бензопароводородовоздушной смеси в зависимости от ее состава
Как показано в главе 5, для оценки изменений характеристики тепловыделения, связанных с изменениями состава смеси, необходим параметр, характеризующий скорость реакции при соответствующем составе. Из теории горения известно, что таким параметром может являться нормальная скорость распространения пламени. Как показано в главе 3, зависимость нормальной скорости пламени от состава смеси получается на простой лабораторной установке, что делает этот подход весьма удобным для пересчета характеристик тепловыделения с базового состава смеси на любой произвольный состав.
Зависимость скоростей распространения пламени от состава смеси графически может быть представлена в виде А -образных кривых большей или меньшей крутизной в зависимости от ширины зоны воспламенения.
Следует отметить, что характерной особенностью графиков скоростей является тот факт, что максимум скорости для воздушных смесей никогда не соответствует стехиометрическому соотношению, а всегда более или менее смещен в область обогащенной смеси. Например, содержание водорода в стехиометрической смеси с воздухом составляет 29,6$ по объему, а максимум скорости пламени соответствует содержанию водорода в смеси 45$. Для углеводородных пламень это смещение выражено менее явно. Таким образом, необходимо констатировать, что максимальная скорость распространения пламени большей частью соответствует смеси с избыточным содержанием горючего газа.
Эти выводы наглядно подтверждаются графиками нормальных скоростей распространения пламени в бенэоводородовоздушных смесях (рис.4.I). Из графиков видно, что для бензовоз душной смеси максимум нормальной скорости распространения пламени соответствует величине d = 0,91« Добавка водорода в количестве 4,5$ по объему увеличивает максимальную нормальную скорость с 0,5 м/с до 0,62 м/с, а добавка водорода в 9% по объему увеличивает максимальную скорость распространения пламени с 0,5 м/с до 0,78 м/с Следует также отметить, что максимумы скоростей распространения пламени бенэоводородовоздушных смесей с добавками водорода в 4,5$ и 9$ будут соответствовать величинам ск = 0,855 и 0,835«
Сдвиг максимума нормальной скорости распространения пламени в водородосодержащих топливных смесях в сторону избытка топлива можно объяснить тем, что в водородосодержащих топливных смесях избыток топлива оказывает благоприятное влияние на образование свободного водорода, равно как и атомов водорода в качестве промежуточных продуктов реакции, а это способствует распространению горения благодаря диффузии особенно подвижных свободных атомов водорода.
Физическая модель процессов сгорания в двигателе с принудительным зажиганием
Результаты экспериментального исследования показывают, что изменение состава горючей смеси оказывает весьма сложное и зачастую трудно предсказуемое влияние на индикаторные и эффективные показатели двигателя. В эксперименте трудно выделить влияние какого-либо одного фактора: изменения скорости распространения пламени, теплоемкости продуктов сгорания, начальной температуры цикла и т.п., -так как, как правило, эти факторы действуют одновременно и зачастую в противоположных направлениях. Кроме того, в наших экспериментах зачастую изменялись одновременно содержание в смеси водорода, водяного пара и бензина, что также затрудняет трактовку результатов. Наконец, есть необходимость в прогнозировании возможных влияний отдельных компонентов смеси за пределами проведенных экспериментов. В частности, такие прогнозы нужны для выбора оптимальных по расходу топлива и токсичности составов смеси.
Полноценное объяснение экспериментальных данных и прогноз характеристик двигателя за пределами эксперимента возможно лишь на базе расчетных моделей, максимально учитывающих реальные процессы в двигателе. Для создания таких моделей необходимо прежде всего определить те физические явления, которые определяют протекание этих процессов.
К сожалению, реальные явления и процессы в цилиндре двигателя, в особенности процессы сгорания, столь сложны, что даже их качественное описание вызывает значительные трудности.
Сгорание во всех его стадиях является комплексом сложных взаимодействующих физико-химических процессов. В основе этого комплекса лежат химические реакции взаимодействия горючего с окислителем. Окислителем обычно является кислород атмосферного воздуха. Результаты сгорания как экзотермической равновесной химической реакции определяются простыми термохимическими уравнениями. Последние позволяют определить теоретически необходимое количество воздуха для сгорания заданного количества топлива, состав продуктов сгорания, объемы компонентов и т.д.
Однако эти уравнения не дают представления о динамике процесса сгорания. Динамику процесса отражает химическая кинетика. Классические кинетические уравнения реакций первого, второго и третьего порядков, установленные на основе закона действующих масс, правильно описывают суммарную скорость лишь небольшого числа самых простых химических превращений. Они применимы для простых гомогенных систем, в которых отсутствуют осложняющие обстоятельства, т.е. для систем с однородными реагентами при условии постоянства температуры и объема, при отсутствии каталитического влияния стенок сосуда и т.п. [I5J.
Химические превращения в двигателях не могут быть отнесены к простым реакциям. Известно, что сгорание углеводородов осуществляется по сложным цепным механизмам.
Похожие диссертации на Рабочий процесс малотоксичного транспортного двигателя, работающего с добавками водорода и водяного пара
