Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния проблемы .14
1.1 Введение 14
1.2 Обзор современного состояния проблемы применения этанола в качестве моторного топлива 22
1.3 Анализ современных способов снижения токсичности отработавших газов ДВС 29
1.4 Выводы 46
Глава 2. Численное исследование влияния обводнения на кинетический механизм окисления метана 49
2.1 Введение 49
2.2 Математическая модель 49
2.3 Методика проведения расчетов 51
2.4 Результаты численного исследования 52
2.5 Выводы 64
Глава 3. Экспериментальный двигатель, измерительная аппаратура и испытательные устройства 65
3.1 Описание экспериментального двигателя 65
3.2 Измерительная аппаратура 75
Глава 4. Результаты натурных экспериментов 79
4.1 Методика экспериментального исследования 79
4.2 Результаты испытаний двигателя 81
Заключение 113
Выводы 114
Список литературы 116
Приложение 128
- Обзор современного состояния проблемы применения этанола в качестве моторного топлива
- Результаты численного исследования
- Измерительная аппаратура
- Результаты испытаний двигателя
Введение к работе
Актуальность работы. Истощение запасов нефти и газа, а также негативные экологические последствия их переработки и сжигания - глобальные проблемы мировой энергетики. Наиболее приемлемым топливом, способным заменить продукты нефтепереработки и газ, могло бы быть топливо, участвующее в кругообороте веществ в природе. Из топлив растительного происхождения наиболее перспективным является этанол, который может быть получен в процессе естественного брожения из растительного сырья. При использовании этанола не происходит роста содержания углекислого газа в атмосфере, а снижение токсичности отработавших газов, особенно эмиссии оксидов азота, может быть достигнуто добавкой воды. Этанол, в отличие от традиционных топлив, образует с водой устойчивые смеси. Однако этанол обладает высокой скрытой теплотой парообразования, что вызывает большие затраты тепла на испарение и, соответственно, трудности со смесеобразованием и воспламенением. Добавка воды усугубляет эту проблему.
Проблемы применения этанола в качестве моторного топлива вызвали необходимость создания принципиально нового, получившего название унифицированного, рабочего процесса (УРП). Дополнительно этот процесс обеспечивает многотопливность, что важно в период перехода от традиционных топлив к биотопливам. Благодаря особенностям этого процесса появляется возможность создания двигателя, объединяющего лучшие качества двух существующих типов двигателей - топливную экономичность дизеля и удельную мощность бензинового ДВС. В УРП устраняются ограничения по нижнему пределу степени сжатия, верхнему пределу частоты вращения коленчатого вала и цетановому числу топлива, характерные для дизельных двигателей. Поэтому многотопливность может быть реализована при значительно более низких, чем в многотопливных дизелях, степенях сжатия, а параметры двигателя не ограничиваются сравнительно медленными химическими процессами, которые приводят к самовоспламенению и сильно зависят от типа топлива, термодинамических условий в рабочей камере и т.п.
Решающую роль в реализации УРП играет возможность формирования в районе искрового разряда топливовоздушной смеси, состав которой находится в концентрационных пределах воспламенения независимо от вида топлива и нагрузки на двигатель. Таким образом, появляется возможность воспламенения топлив, неспособных воспламеняться в дизельных и бензиновых двигателях, в том числе и сильно обводненного этанола.
К настоящему времени доказана возможность работы поршневого ДВС (ПДВС) с УРП на этаноле. Однако потенциал снижения и закономерности эмиссии оксидов азота при сжигании этанола не изучены. Таким образом, актуаль-
ность работы вытекает из необходимости исследования закономерностей воспламенения и сжигания сильно обводнённого этанола в условиях ПДВС с УРП.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является снижение эмиссии оксидов азота в ДВС с унифицированным рабочим процессом при использовании обводненного этанола.
В соответствии с целью формулировались задачи исследования:
Провести численное исследование влияния обводнения топливовоздуш-ной смеси на кинетический механизм окисления топлива и эмиссию оксидов азота.
Экспериментально исследовать возможность работы поршневого ДВС с унифицированным рабочим процессом на обводнённом этаноле.
Экспериментально определить возможность снижения эмиссии оксидов азота за счёт увеличения содержания воды в топливе. Определить влияние степени обводнения топлива на индикаторные показатели двигателя.
Экспериментально определить влияние степени обводнения топлива на процесс горения и эмиссию продуктов неполного горения.
Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:
методы и модели химической кинетики процессов высокотемпературного окисления;
методы математического моделирования сложных систем, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений;
методы экспериментальных исследований полноразмерных ДВС.
Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Используемые математические модели процессов химической кинетики проверялись на достоверность. В части, выполненной методом исследования на полноразмерном ДВС, продемонстрировано и количественно показано влияние степени обводнения топливовоздушной смеси на эмиссию оксидов азота, продуктов неполного окисления топлива и индикаторные показатели экспериментального двигателя.
Научная новизна
Экспериментально доказана возможность снижения эмиссии оксидов азота в поршневых ДВС с унифицированным рабочим процессом без ухудшения индикаторных показателей двигателя посредством сжигания обводнённых этаноловоздушных смесей.
Теоретически обосновано влияние воды на кинетику окисления топлива и подавление эмиссии оксидов азота в условиях поршневого ДВС.
Практическая ценность
Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно могут быть использованы:
1. При численных исследованиях влияния обводнения на кинетику окисления топлива.
2. При разработке перспективных малотоксичных ДВС на основе УРП.
Результаты моделирования химической кинетики окисления топлива в присутствии воды и зависимости экологических характеристик и индикаторных показателей ДВС с УРП от содержания воды в обводнённом этаноле внедрены в учебный процесс в УГАТУ.
На защиту выносятся следующие результаты:
Влияние добавки воды к этанолу на снижение эмиссии оксидов азота в поршневых ДВС заключается в увеличении времени достижения равновесия за счет снижения концентрации атомарного кислорода.
Обводнение топливовоздушной смеси в двигателе с унифицированным рабочим процессом позволяет радикально снизить эмиссию оксидов азота без негативного влияния на индикаторные показатели двигателя.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:
- корректном использовании фундаментальных уравнений химической
кинетики;
использовании признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, применении современного математического аппарата;
сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов на реальном ДВС в стендовых условиях.
Апробация работы. Работа изложена и одобрена на расширенном заседании кафедры ДВС УГАТУ. Результаты работы докладывались на третьей и четвёртой всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых учёных «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2008, 2009), всероссийской молодежной научной конференции "Мавлютовские чтения" (г. Уфа, 2009).
Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2004 по 2009 годы.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах, в том числе в 2 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, приложения и списка литературы. Содержит 137 страниц машинописного текста, включающего 91 рисунок, 7 таблиц и библиографический список из 112 наименований.
Обзор современного состояния проблемы применения этанола в качестве моторного топлива
Использование этанола в качестве моторного топлива в современных двигателях традиционной конструкции имеет ряд особенностей. Повышенные антидетонационные качества определяют преимущественное использование спиртов в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. При этом основные мероприятия по переводу автомобилей на работу на спиртовом топливе сводятся к следующему: - увеличению вместимости топливного бака в случае необходимости сохранения пробега между заправками; - увеличению степени сжатия двигателя до 12 — 14 с целью полного использования детонационной стойкости этанола; - корректировке программы системы питания (в сторону увеличения цикловых расходов топлива); - установке специального пускового подогревателя; - добавке в спиртовое топливо специальных компонентов для облегчения холодного пуска, таких как 4 - 6% изопентана или 6 - 8% диметилового эфира, что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха до -25С; применение 15% -ной добавки бензина в этанол (топливо Е85) обеспечивает запуск двигателя без вспомогательных устройств при температуре окружающей среды до -18С [54, 55, 61, 63, 64, 65, 66, 72, 73,78,79,80,81,99];
В ряде исследований [41, 47] отмечается увеличение индикаторного коэффициента полезного действия при введении этанола в виде добавки к бензину. Так, использование спирта в четырехцилиндровом двигателе "Volkswagen 1600" совместно с повышением степени сжатия до 14,0 позволило увеличить максимальное значение эффективного КПД на 5 - 7%. Повышение степени сжатия восьмицилиндрового двигателя "Mercedes Benz" с 8,9 до 11,0 при переводе на спиртовое топливо привело к увеличению его максимальной мощности на 15% [48].
Эксплуатационные свойства спиртового топлива, и в первую очередь его энергетические показатели и пусковые качества, улучшаются при дополнительном вводе высших спиртов и эфиров. Такие топлива получили название смесевых спиртовых топлив. Испытания одной из композиций смесевого топлива, проведенные в НИИАТе, показали увеличение мощности двигателя на 4 - 7% и улучшение топливной экономичности (в сравнении с чистым спиртом) на 10 - 15%. При этом содержание в отработавших газах оксидов азота снижается на 25 - 30% в сравнении с работой на бензине [64].
Необходимость использовать различные композиции спирта и бензина привела к появлению так называемых flexible fuel vehicles - автомобилей, способных функционировать на различных смесях, от чистого бензина до чистого этанола. Коррекция топливоподачи на первых двигателях такого типа осуществлялась по сигналам специального датчика, измеряющего диэлектрические свойства топлива, который был расположен в топливной магистрали (рис. 1.5).
Фирмой BOSCH разработана иная система управления двигателем flex-fuel, которая действует следующим образом. Кислородный датчик измеряет содержание кислорода в отработавших газах, а затем на основании полученных данных система управления двигателем вычисляет уровень содержания спирта в топливе. В соответствии с полученными результатами, фактически в зависимости от состава топливной смеси, находящейся в баке, автоматически настраиваются параметры впрыска и зажигания. Таким образом, исчезает необходимость в специальном датчике содержания этанола в топливной магистрали [73, 80].
Чтобы обеспечить надежный запуск двигателя при низких температурах, в автомобилях с системой Flex-Fuel есть небольшой отдельный бензиновый бак (рис. 1.5). Если содержание бензина в топливной смеси в основном баке не может гарантировать уверенный запуск, то система управления автоматически использует бензин из дополнительного бака. Первым автомобилем, снабженным в базовой комплектации новой системой управления двигателем, стал Volkswagen Fox Total Flex, который был запущен в производство в Бразилии в 2003 году. Кроме изменённой системы управления, автомобили flex fuel адаптируются под возможное использование «чистого» этанола, что подразумевает использование материалов, совместимых с этанолом во всех частях топливной системы - в топливном баке, насосах, фильтрах, магистралях и форсунках [80, 81].
Организация работы дизеля на смеси этанола с дизельным топливом в принципе возможна, но вызывает значительные трудности. Этанол не образует с дизельным топливом устойчивых смесей. Другая проблема связана с низким цетановым числом этанола, что существенно ухудшает воспламеняемость его смесей с дизельным топливом. Проблема проявляется при пуске двигателя и его работе на холостом ходу.
Работа дизелей с добавками спиртов возможна при использовании дизельного топлива с повышенным цетановым числом, введении в топливо активирующих присадок, подаче спиртов в испаренном виде в камеру сгорания, впрыске запального дизельного топлива или при оснащении двигателя искровым воспламенением. Из перечисленного наиболее приемлемым вариантом является добавка к спиртам различных присадок и использование смесей спирта и дизельного топлива. В качестве присадок, улучшающих воспламеняемость спиртов, используют изопропилнитрат, пентилнитрат и др. [48]. Исследования работы двигателя на этаноле с присадкой 12% гексилнитрата, проведенные на дизеле "Skania D5-11", показали, что при перерегулировке топливного насоса на повышенные расходы в соответствии с теплотой сгорания этанола, характеристики двигателя близки к параметрам работы на обычном дизельном топливе [48].
Использование спиртов в дизелях затрудняется также из-за низких смазывающих свойств спиртов, что приводит к повышенному износу топливной аппаратуры. Для улучшения смазывающих свойств в спиртовые топлива обычно вводят до 1% касторового масла.
Результаты численного исследования
Для подтверждения адекватности расчётного метода было проведено сравнение равновесных значений концентраций основных компанентов реагирующей смеси, полученных по вышеприведенной модели и по программе расчета равновесного состава и свойств многокомпонентных систем «АСТРА», разработанной профессором Трусовым Б.Г. Сравнение при температурах 2800К (табл. 2.1) и 2500К (табл. 2.2) показало, что максимальное различие результатов моделирования по основным компонентам составляет порядка 3%.
На рис. 2.1, 2.2 представлены зависимости эмиссии оксидов азота от времени при различных температурах без добавки и с добавкой воды соответственно. Время реакции 10 мс приблизительно соответствует продолжительности теплоподвода в поршневом двигателе на низкой (1200 - 1500 мин" ) частоте вращения коленчатого вала. Из графиков и таблицы видно, что равновесная концентрация оксидов азота за это время успевает установиться только при 2800 и 2500 К.
При более низких температурах равновесие установиться в данных условиях эксперимента не успевает. Начинает сказываться влияние добавок воды на эмиссию оксидов азота. В основе данного механизма лежит увеличение времени достижения равновесия за счет снижения в присутствии воды сверхравновесных концентраций радикалов (рис. 2.3). При Т = 1900 К например, максимальные концентрации определяющих радикалов с добавками воды и без Видно, что основную роль в окислении азота при данной температуре играет атомарный кислород. Здесь следует отметить, что анализ, проведенный для реакции при 2500 К, дает также высокую зависимость от атомарного кислорода, но с той разницей, что подавляющее количество N и N0 образуется по механизму Зельдовича. Из рис. 2.7 видно, что основной причиной значительного уменьшения при добавке воды сверхравновесной концентрации атомарного кислорода является существенное увеличение скорости реакции о + н2о = он+ он.
Чем ниже температура, тем значительнее доля оксида азота, образованного в период времени существования больших сверхравновесных концентраций. При температуре 1900 К скачок концентрации оксида азота с добавками воды в области с большими сверхравновесными концентрациями в более чем 6 раз меньше соответствующего значения без добавок воды (см. рис. 2.9). За первоначальным скачком следует более медленное изменение концентрации, результатом чего является уменьшение к 10 мс отношения концентраций оксида азота до приблизительно 3 единиц (рис. 2.1, 2.2). При температурах ниже 1900 К концентрация оксидов азота практически целиком определяется концентрацией образованной в «сверхравновесный» период времени (рис. 2.1, 2.2).
Измерительная аппаратура
Индицирование проводилось с помощью специализированного оборудования фирмы AVL (рис. 3.9), которое состоит из датчика измерения давления GU12P, устанавливаемого непосредственно в камере сгорагния, пьезо-усилителя AVL Micro IFEM, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) AVL Indimodul 621 и ЭВМ. Характеристика датчика давления представлена в таблице 3.2. Измеряемый датчиком сигнал усиливается до напряжения ± 10В и подается с выхода пьезоусилителя на АЦП, связанный с персональным компьютером. Оригинальное программное обеспечение A VL Indicom V 2.0 осуществляет согласование работы всей электронной системы индицирования, а также способно производить анализ полученных данных по стандартным методикам. Измерение токсичности ОГ при работе двигателя на холостом ходе производилось газоанализатором Infraligth - ПР. Перед проведением экспериментов производилась подготовка газоанализатора: - проверяются фильтры - при необходимости заменяются; - подсоединяется шланг (отборник газов); - включение и прогрев в течении 5 минут; - проверка на герметичность шланга; - проведение измерений. Характеристики газоанализатора по измерению токсичных компонентов представлены в таблице 3.2. Поскольку в отработавших газах экспериментального двигателя предполагалось высокое содержание паров воды, для предотвращения выхода газоанализатора из строя и сохранения адекватности измерений была применена система отделения влаги от газоаналитического комплекса АСГА-Т (рис. 3.10, 3.11). Использование этой системы позволило уменьшить количество влаги на входе в газоанализатор до приемлемого уровня. В экспериментах использовались водные растворы этанола различной концентрации (95, 70, 45% объемных). При работе на каждом виде топлива снимались индикаторные диаграммы двигателя и определялся состав отработавших газов. Измерения проводились на частоте вращения вала двигателя, соответствующей частоте вращения при максимальном крутящем моменте (1100 - 1200 об/мин). Такие же измерения произведены при работе двигателя на базовом дизельном топливе со штатной системой топливоподачи. Качество рабочего процесса, эффективные показатели и эмиссия токсичных компонентов определяются качеством доводки двигателя. Доводка рабочего процесса двигателя - долгий и трудоемкий процесс, необходимо учесть большое количество факторов. Это углы опережения впрыска и зажигания, продолжительность впрыска, состав смеси в полости КФ, форма и размеры камеры сгорания, ее соответствие форме и размерам топливовоз-душного факела и т.д. Во избежание длительного доводочного процесса впрыскивание топлива производилось на линии сжатия. При таком раннем впрыскивании топливоводовоздушная смесь должна получиться достаточно однородной, что позволяет в процессе экспериментов сосредоточиться на изучении влияния концентрации воды в смеси на выбросы вредных веществ с отработавшими газами; влияние остальных вышеперечисленных факторов в данном случае будет несущественным. При раннем впрыске топливо впрыскивается в среду, давление которой не намного выше атмосферного, из-за чего дальнобойность струи получается достаточно высокой. Большая часть топлива при положении поршня вблизи нижней мертвой точки может попасть на стенки гильзы цилиндра, поршня и в защемленные объемы. Вследствие этого выбросы продуктов неполного сгорания топлива могут получиться достаточно высокими. Однако в рамках данного исследования абсолютное значение выбросов продуктов неполного сгорания не имело решаю щего значения, поскольку, согласно цели исследования, изучались изменения показателей двигателя в зависимости от содержания воды в топливе. В процессе исследования было установлено, что используемая аппаратура не способна адекватно анализировать эмиссию недогоревших углеводородов (СН) ввиду высокого содержания паров воды в отработавших газах. В связи с этим, анализ полноты и качества сгорания топлива проводился посредством регистрации эмиссии оксида углерода (СО) и углекислого газа (С02\ Специфика используемых топлив и самого унифицированного рабочего процесса, а также невозможность регистрации эмиссии недогоревших углеводородов (СН) не позволяют в условиях эксперимента адекватно рассчитать значение коэффициента избытка воздуха. Методика непосредственного расчёта коэффициента избытка воздуха не обладает необходимой точностью ввиду наложения погрешностей измерительных приборов и методов расчёта. Таким образом, для определения режима работы двигателя использовалось значение остаточного кислорода (() в отработавших газах.
Результаты испытаний двигателя
На рис. 4.1 - 4.7 представлены кривые изменения давления Р в рабочей камере двигателя в зависимости от угла поворота коленчатого вала для обоих испытательных режимов. Там же представлены кривые dP/dcp, характеризующие жесткость процесса сгорания. Для режима полной нагрузки (02 1,5%) указанные кривые выбраны из условия максимального индикаторного даления (рис. 4.1 - 4.3). Для режима частичной нагрузки (р2 5%) указанные кривые выбраны из условия минимума эмиссии оксидов азота (рис. 4.4 - 4.7).
Обработка индикаторных диаграмм (рис. 4.46 и 4.50) показала, что увеличение концентрации воды в спиртоводном растворе не снижает среднее индикаторное давление двигателя. Вместе с тем, анализируя рис. 4.1 - 4.7 можно заметить, что с ростом количества воды в топливе снижается максимальное значение давления (до 1,5 раз) и жёсткость сгорания (до 3 раз) в цикле.
Исключением является режим максимальной нагрузки на топливе с содержанием этанола 70%, здесь уровни максимального давления и жёсткости процесса сгорания несколько выше, чем при содержании этанола в топливе 95%, но ниже, чем у базового дизельного двигателя. Режим частичной нагрузки демонстрирует прямую зависимость между количеством воды в топливе и уменьшением уровня максимального давления и жёсткости процесса сгорания.
Поскольку высокая скорость тепловыделения вблизи начала сгорания и около ВМТ при работе дизелей с объемным смесеобразованием служит основной причиной высокого уровня шума, значительной динамической нагрузки подшипников и деталей кривошипно-шатунного механизма, увеличение степени обводнения топлива позволяет уменьшить указанные негативные явления.
На рис. 4.8 - 4.14 представлены кривые тепловыделения / и скорости теплоподвода Q для различного содержания воды в спиртовом топливе и для стандартного дизеля, которые показывают, что увеличение концентрации воды в топливе не приводит к существенному увеличению продолжительности процесса тепловыделения.
На рис. 4.15-4.21 показаны индикаторные диаграммы для всех испытательных режимов и для базового двигателя. На режиме полной нагрузки (02 1,5%) можно отметить достаточно высокую межцикловую стабильность вне зависимости от содержания воды в топливе. Режим частичной нагрузки характеризуется несколько меньшей стабильностью, что может быть объяснено работой вблизи концентрационных границ распространения пламени. Тем не менее, негативного влияния степени обводнения на межцикловую стабильность на этом режиме также не обнаружено.
На рис. 4.22 - 4.33 представлены регулировочные характеристики всех исследуемых параметров (среднего индикаторного давления, эмиссии NOx, СО, СО і) по углу опережения впрыска (УОВ) и углу опережения зажигания (УОЗ) на режиме полной нагрузки (02 1,5%), а на рис. 4.34 - 4.45 - на режиме частичной нагрузки (02 5%).
Для удобства анализа полученные значения исследуемых параметров были сгруппированы в сводные графики (рис 4.45. - 4.51.) таким образом, чтобы представить одновременно два важнейших условия: максимум значения среднего индикаторного давления и минимум значения эмиссии оксидов азота. Сводные графики для режима частичной нагрузки также были скомпонованы с соответствующими значениями исследуемых параметров для базового двигателя, что позволило провести сравнение этого режима работы экспериментального двигателя с режимом максимального крутящего момента базового двигателя.
