Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Термохимическая конверсия углеводородов как способ совершенствования энергетических и экологических показателей автотранспортных средств 13
1.1 Проблемы экологии и энергетики автотранспорта 13
1.2 Нормирование экологических и энергетических показателей автотранспортных средств и пути их улучшения . 20
1.3 Организация процесса предварительного термохимического преобразования топлива в составе системы питания двигателя, 30
1.4 Выводы, постановка цели и задач диссертационной работы 53
Глава 2. Теоретические основы процесса термохимического преобразования топлив в составе системы питания двигателя 58
2.1 Эффект термохимической регенерации тепловой энергии отводимой в рабочем цикле комбинированной энергетической установки, включающей систему предварительной конверсии топлива 58
2.2 Особенности показателей рабочего цикла двигателя с термохимической регенерацией отводимой теплоты 64
2.3 Вопросы математического моделирования явлений переноса теплоты в системе выпуска двигателя с системой термохимического преобразования топлива. Тепловой расчет реактора 78
2.4 Согласование энергетических потоков при термохимическом преобразовании топлива в составе системы питания двигателя с принудительным воспламенением 92
2.5 Анализ влияния продуктов конверсии метанола на топливо экономические и экологические показатели двигателя с искровым зажиганием 116
Глава 3. Объекты, оборудование и методы исследований. оценка погрешностей измерений 127
3.1 Задачи экспериментальных исследований 127
3.2 Экспериментальная установка и оборудование 128
3.3 Методика проведения исследований на моторном стенде 139
3.4 Оборудование, аппаратура и методы проведения исследований двигателя в составе автомобиля на стенде с беговыми барабанами 145
3.5 Оценка погрешностей измерений 152
Глава 4. Анализ результатов исследований 156
4.1 Результаты термометрирования выпускного тракта двигателя при его работе на метаноле 156
4.2 Результаты исследования по оценке аэродинамического сопротивления реактора конверсии метанола 164
4.3 Результаты исследования влияния режимных параметров двигателя с опытной системой конверсии метанола на эффективность термохимической регенерации теплоты ОГ 166
4.4 Исследования топливо экономических показателей двигателя с термохимической регенерацией теплоты ОГ 171
4.5 Исследования экологических показателей двигателя с системой питания с термохимическим реактором конверсии метанола 180
Основные результаты и выводы 186
Библиографический список использованной
Литературы 188
- Нормирование экологических и энергетических показателей автотранспортных средств и пути их улучшения
- Особенности показателей рабочего цикла двигателя с термохимической регенерацией отводимой теплоты
- Оборудование, аппаратура и методы проведения исследований двигателя в составе автомобиля на стенде с беговыми барабанами
- Результаты исследования по оценке аэродинамического сопротивления реактора конверсии метанола
Введение к работе
Использование автомобильного транспорта в жизнедеятельности человека стало неотъемлемой частью общественного развития. Однако моторизация общества выдвигает ряд серьезных социальных проблем, среди которых экология и сохранение природных ресурсов. Автомобили -основные потребители энергии и одни из главных источников загрязнения атмосферы. Наиболее энергоемким и экологически опасным компонентом автомобиля является его энергетическая установка. Главные направления совершенствования автомобильных энергоустановок в настоящее время определяются двумя важнейшими социально-экономическими проблемами:
рациональное использование топлива нефтяного происхождения, в том числе замена его альтернативными энергоносителями;
снижение вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду.
Постоянно ужесточающиеся международные требования по ограничению выброса вредных веществ автотранспортными средствами (АТС) и экономии энергоресурсов требуют от производителей разработки принципиально новых энергетических установок, работающих на новых экологически чистых видах топлив ненефтяного происхождения. Особое место среди альтернативных топлив, используемых в двигателях с принудительным воспламенением, занимает водород и водосодержащие газовые смеси (синтез - газы).
Водород интересен в данном случае, во-первых, как реагент с собственными, весьма высокими характеристиками сгорания (его нормальная скорость горения равна 250 см/с, в то время как скорость горения отдельных групп углеводородов бензина не превышает 40 см/с) [1,22], во-вторых, как химически реакционно-активный компонент, оказывающий эффективное воздействие на процессы образования вредных веществ.
Применение водорода в автомобиле сразу упирается в проблему энерговооруженности (или, проще говоря, запаса хода) автомобиля. Существующие системы хранения водорода неприемлемы для автотранспорта либо вследствие малой емкости, либо вследствие технической сложности и недостаточной безопасности в эксплуатации и аварийных ситуациях [50,53,77], Даже наилучший из них по энергоплотности - криогенный - уступает по этому показателю нефтяным топливам в несколько раз, не говоря уже о том, что в техническом отношении он неизмеримо сложнее систем хранения и транспортирования жидких топлив.
Снижение расхода топлива, как нефтяного, так и альтернативного, транспортными двигателями является одним из решений уменьшения выбросов вредных веществ. Топливо экономические характеристики ДВС в основном обусловлены эффективностью использования теплоты подводимой в его рабочем цикле.
По данным внешнего теплового баланса поршневого двигателя существенная часть энергии топлива, вводимого в цилиндр, не реализуется в виде работы, а выводится из цикла, в том числе и с выпускными газами, обуславливая тем самым соответствующие необратимые потери цикла.
В двигателях с искровым зажиганием доля потерь энергии топлива, уносимой из рабочего пространства с отработавшими газами, составляет 30...55%, что соответствует 12000...23000 кДж на каждый килограмм израсходованного топлива [22].
Традиционные способы регенерации теплоты, направленные на снижение тепловых потерь с отработавшими газами, используются в крупных судовых и стационарных силовых установках, в частности на основе применения котлов-утилизаторов для получения пара или горячей воды. На двигателях меньшей размерности, например, автотракторного типа реализация подобных способов утилизации тепловой энергии отработавших газов практически трудно осуществима.
В двигателях такого типа располагаемая энергия газового потока на выходе частично может быть преобразована в работу в волновых обменниках давления или в газовых турбинах. В последнее время получают также развитие исследования по разработке для транспортных силовых установок утилизационных контуров, работающих по циклу Ренкина [21,103].
Отдельной и ещё малоисследованной проблемой является поиск возможности утилизации располагаемой тепловой энергии отработавших газов на основе использования предварительного термохимического преобразования исходного вида топлива в другой вид топлива (названным [51,82,88,110] конвертированным топливом) с более высокими энергетическими возможностями. Сущность данного способа регенерации заключается в том, что процесс химического преобразования исходного топлива сопровождается поглощением теплоты, отбираемой от выпускных газов двигателя, в термохимическом реакторе, выполняющего в данном случае роль утилизационного устройства.
В результате эндотермического преобразования химическая энергия конвертированного топлива возрастает по отношению к энергии исходного топлива на величину, равную количеству утилизированной теплоты выпускных газов. Регенерированная часть отходящей теплоты с конвертированным топливом вводится в двигатель для повторного участия в организации рабочего цикла. Такой способ утилизации отводимой из цикла двигателя тепловой энергии назван термохимической регенерацией теплоты отработавших газов, так как в его основу положен принцип термохимического преобразования энергии исходного топлива на более высокий энергетический уровень с использованием теплоты ОГ.
Реализация данного способа утилизации тепловой энергии отработавших газов двигателей позволяет комплексно решать проблемы повышения их топливной экономичности и снижения токсичных выбросов в атмосферу, так как газообразные продукты конверсии исходного жидкого топлива содержат в своем составе в основном оксид углерода и водород и
9 химически активные продукты переходных реакций — альдегиды, переоксиды и др.; участие которых в организации рабочего цикла двигателя, как было отмечено выше, способствует совершенствованию процесса сгорания.
Принципиальная возможность осуществления термохимической регенерации теплоты отработавших газов в поршневом двигателе обусловлена, главным образом, благодаря наличию двух обстоятельств. Первое заключается в том, что отдельные виды углеводородов обладают способностью под воздействием теплоты вступать в реакции конверсии с эндотермическим эффектом. Второе - температурный уровень теплоты отработавших газов двигателя является достаточным для эффективной организации конверсионного процесса этих углеводородов, в частности, при соответствующем выборе активирующей каталитической среды.
Впервые термохимические превращения топлива, сопровождающиеся
эндотермическим эффектом, предложили использовать в
теплоэнергетических установках И.И.Перелетов (паровая конверсия) и В.Г.Носач (смешанная конверсия) в 1964 г. [82]. По схеме, предложенной В.Г.Носачем, природное топливо, используемое для питания теплосиловой промышленной установки, перед сжиганием конвертировалось в среде со своими продуктами сгорания, содержащими в своем составе диоксид углерода и пары воды - реагенты реакции конверсии.
При организации эндотермического процесса конверсии в условиях работы двигателя внутреннего сгорания важным вопросом является выбор исходного углеводородного соединения, способного при относительно невысоком среднем уровне отработавших газов (теплоносителя) конвертировать в целевые газообразные продукты заданного химического состава (монооксид углерода и водород).
Накопленный в исследовательской практике опыт показывает, что продукты конверсии традиционных нефтяных топлив, в частности, бензина, полученные в высокотемпературном реакторе [8,95] на основе механизма
10 экзотермических реакций неполного окисления углеводородов, имеют по сравнению с исходным продуктом более низкую теплоту сгорания, что исключает в принципе возможность реализации эффекта регенерации. В то же время организация эндотермического цикла конверсии углеводородов нефтяного топлива, в частности бензина, на основе высокотемпературных реакций их диссоциации с использованием теплоты отработавших газов представляется трудно осуществимой вследствие дефицита по температуре.
Наиболее целесообразным вариантом использования в качестве исходного продукта для конверсии являются химические соединения, имеющие температуру диссоциации (в соответствующей каталитической среде) ниже среднего температурного уровня отработавших газов двигателя, что обеспечивает принципиальную возможность утилизации их тепловой энергии для организации эндотермического цикла конверсии. К числу таких соединений относятся спирты (метиловый, этиловый и другие), простейшие эфиры (диметиловый, диэтиловый) и другие соединения.
Очевидный практический интерес среди перечисленных углеводородных соединений представляет метанол, который в мировом двигателестроении уже сам по себе (в недиссоциированном виде) рассматривается как одно из наиболее перспективных альтернативных топлив.
В настоящее время основным потребителем метанола является химическая промышленность, однако имеется обширная сырьевая база для увеличения его производства и более широкого использования в качестве моторного топлива. Кроме того, метанол, как и все другие перечисленные выше соединения, относятся к разряду возобновляемых источников энергии, синтезируемых из продуктов растительного происхождения (например, из отходов пищевой и деревоперерабатывающей промышленности), сырьевая база которых практически неисчерпаема.
Следует отметить также, что использование в энергетических установках топлив, получаемых из биомассы, обеспечивает поддержание
11 баланса в атмосфере диоксида углерода СОг, так как его выбросы с продуктами сгорания практически полностью компенсируются в процессах фотосинтеза при выращивании биологического сырьевого продукта. Это способствует решению одной из важнейших мировых проблем - уменьшение парникового эффекта в биосфере.
Как уже отмечалось выше, по комплексу эффектов воздействия на показатели работы двигателя рассматриваемый способ отличается многофункциональностью. Направленный на повышение эффективности использования химической энергии топлива за счет снижения уровня необратимых потерь в цикле, он позволяет одновременно решать задачи экологического совершенствования рабочего процесса двигателя благодаря тому, что в состав конвертированного топлива входит водород, а также ресурсосбережения топлив нефтяного происхождения.
Настоящая работа посвящена совершенствованию экологических и топливо экономических показателей работы двигателя с принудительным зажиганием путём использования теплоты отработавших газов (её регенерации) для термокаталитического преобразования (конверсии) метанола в новый вид топлива — водородный синтез-газ с более высокими энергетическими показателями.
На защиту выносятся:
Механизм воздействия продуктов конверсии метанола на процессы смесеобразования и сгорания в ДВС с искровым зажиганием (в рамках научной гипотезы).
Способ утилизации теплоты отработавших газов двигателя с принудительным воспламенением на основе предварительного термохимического преобразования спиртового топлива.
Зависимости по оценке эффективности термодинамического цикла поршневого двигателя с термохимической регенерацией энергии отработавших газов.
Физико-математическое моделирование явлений переноса теплоты в системе выпуска двигателя с искровым зажиганием, оборудованного системой термохимического преобразования топлива. Метод теплового расчёта термохимического реактора преобразования метилового спирта.
Условия согласования уровней располагаемой энергии греющего теплоносителя (потока ОГ в выпускной системе двигателя) и энергетических затрат на реализацию эндотермического процесса преобразования исходного топлива в конвертированное топливо с более высокими энергетическими качествами.
Выявленный рабочий диапазон изменения скоростных и нагрузочных режимов ДВС с принудительным воспламенением, при которых располагаемый температурио-энергетический потенциал отработавших газов обеспечивает наибольшую эффективность регенерации их теплоты с использованием системы конверсии метанола.
Данные по топливо экономическим и экологическим показателям двигателя с принудительным воспламенением, система питания которого оснащена термокаталитическим преобразователем метилового спирта.
Данные по топливо экономическим и экологическим показателям автомобиля с искровым двигателем, оборудованным системой предварительного термохимического преобразования метанола.
Рекомендации по совершенствованию показателей работы двигателя с искровым зажиганием, работающего по циклу с термохимической регенерацией теплоты ОГ.
Нормирование экологических и энергетических показателей автотранспортных средств и пути их улучшения
Решение проблемы снижения вредных выбросов автотранспорта во многом зависит от обоснованного нормирования, объективности и экономической доступности методов контроля токсичности автомобилей. Введение норм, ограничивающих выброс вредных веществ, является главным фактором, препятствующим образованию локальных экологических катастроф. Нормирование выброса вредных веществ стимулирует развитие работ по созданию автомобилей с пониженной токсичностью [47,62,89,128,134]. Разработкой правил, предписаний и стандартов в области производства автомобильной техники занимается действующий в рамках Европейской экономической комиссии ООН (ЕЭК ООН) Комитет по внутреннему транспорту. Выпускаемые им документы получили название Правил ЕЭК ООН, которые обязательны для присоединившихся к ним стран и являются нормативной базой при сертификации продукции. Первые Правила, устанавливающие предельно допустимые выбросы вредных веществ с отработавшими газами для автотранспортных средств с полной массой до 3,5 т, были приняты Комитетом в 1970 г. (Правила № 15) и для автотранспортных средств с полной массой более 3,5 т - в 1982 г. (Правила № 49). Нормировались выбросы с отработавшими газами оксида углерода и углеводородов. Эти стандарты приняли страны Европейского сообщества и некоторые восточноевропейские страны. Семь стран: Австрия, Дания, Канада, Норвегия, Финляндия, Швейцария и Швеция в 1985 г. по Стокгольмскому соглашению приняли только Правила № 49 для грузовых автомобилей, а для легковых и легких грузовых автомобилей приняли стандарты США 1983 г. Однако, с 1996 г. эти страны также стали применять Правила ЕЭК ООН, Так для примера, на рис. 1.3 показана тенденция введения и ужесточения нормативных требований стран Женевского соглашения (Правила 83 ЕЭК ООН) на выброс автотранспортными средствами массой до 3,5 тонн вредных веществ с отработавшими газами двигателя.
Эти нормативные требования коснулись выбросов оксида углерода, суммарно углеводородов и оксидов азота. Европейское нормирование вредных выбросов автотранспортных средств разделяет их на группы в зависимости от типа и весовой категории. Ниже приведено обозначение категорий автотранспортных средств в Правилах ЕЭК ООН: М] - автотранспортные средства для перевозки пассажиров с максимальным числом мест 8 помимо места водителя; Мг - автотранспортные средства для перевозки пассажиров с максимальным числом мест более 8 помимо места водителя и максимальным конструктивным весом до 5000 кг; Мз - автотранспортные средства для перевозки пассажиров с максимальным числом мест более 8 помимо места водителя и максимальным конструктивным весом более 5000 кг; Nj - автотранспортные средства для перевозки грузов с максимальным конструктивным весом до 3500 кг; N2 - автотранспортные средства для перевозки грузов с максимальным конструктивным весом от 3500 кг до 12000 кг; N3 - автотранспортные средства для перевозки грузов с максимальным конструктивным весом более 12000 кг. В настоящее время только Япония использует стандарты, отличные от европейских и американских (см. таблицу 1.2), но при этом она присоединилась к новой Женевской конвенции 1998 г., в рамках которой разрабатываются единые всемирные Правила по безопасности транспортных средств. В Российской Федерации принято прямое применение
Правил ЕЭК ООН, которые действуют наряду с отраслевыми и государственными стандартами, например ГОСТ Р 41.83-99, ограничивающий вредные выбросы АТС массой до 3,5 т (см. таблицу 1.3). Для АТС полной массой более 3,5 т предусматриваются испытания двигателя на моторном стенде по особому циклу. Измерения производятся в г/кВт«ч, Нормативные требования для АТС этой категории приведены в таблице 1.3. С 2000 г. введены более жесткие нормы ЕВРО-3, которые предусматривают изменение цикла испытаний. Кроме того, для этой категории автотранспортных средств вводится нормирование ВВ двигателей с искровым зажиганием, работающих на сжиженном нефтяном и сжатом природном газах. Это дает возможность использовать более экологически чистые топлива и устанавливать на автомобиль системы впрыска топлива и трехкомпонентнои нейтрализации с электронным управлением по сигналу кислородного датчика в системе выпуска двигателя. У нас в стране выпущен ГОСТ Р 51832-2001 «Двигатели внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, работающие на бензине, и автотранспортные средства массой более 3,5 т, оснащенные этими двигателями. Выбросы вредных веществ.
Технические требования и методы испытаний», который аналогичен Правилам 49 ЕЭК ООН.
Особенности показателей рабочего цикла двигателя с термохимической регенерацией отводимой теплоты
Внешний тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания (2.7) показывает, что значительная часть тепла, получаемого в результате сгорания питающего его топлива, отводится в атмосферу с выпускными газами и в систему охлаждения. Так, в двигателях с искровым зажиганием доля необратимых потерь тепловой энергии, уносимой из него с отработавшими газами в окружающую среду в зависимости от режима работы, составляет 30...55%, что соответствует 12000...23000 кДж на каждый килограмм израсходованного топлива (рис.2.1.1) [22]. где Q0 — общее количество теплоты, полученное при сгорании топлива, Qe - теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, Qoe — теплота, потерянная с отработавшими газами, Qco - тепло, отданное системе охлаждения, Q,K - тепло, потерянное из-за химической неполноты сгорания топлива, Qocm - Неучтенные ТЄПЛОВЬІЄ ПОТЄрИ. Одной из проблем, которым посвящена данная диссертационная работа, является изучение возможности использования тепловой энергии, выводимой из двигателя с отработавшими газами и отдаваемой в его систему охлаждения, для термохимического преобразования топлива. Сущность данного способа заключается в том, что часть тепловой энергии отработавших газов и отдаваемой в систему охлаждения расходуется на преобразование исходного топлива в другой вид топлива с более высокими энергетическими показателями, благодаря чему достигается соответствующее повышение эффективности силовой установки в целом. В этом случае тепловая машина представляет собой комбинированный двигатель внутреннего сгорания [20], сочетающий в себе традиционный поршневой двигатель и реактор термохимического преобразования топлива, с эндотермическим эффектом химической реакции этого преобразования. Для предварительной оценки эффективности рабочего цикла такой машины рассмотрим его графическую интерпретацию в T-s диаграмме (рис.2.4). При этом учтем, что поршневая часть такой комбинированной тепловой машины осуществляет преобразование подведенной теплоты в работу по идеальному циклу со смешанным подводом теплоты. Будем считать, что тепло Q\, определяемое площадью под кривой "czz" и подводимое к поршневой части такой машины получено в результате сгорания некоего топлива. Величина отведенной от поршневой части теплоты Q2 определяется площадью под кривой "Ьа". В традиционной поршневой машине это тепло необратимо передаётся «холодному» телу. В комбинированной же тепловой машине некоторому устройству, в нашем случае, термохимическому реактору (ТХР), в котором за счет части этого тепла происходит повышение энергетических характеристик топлива, сгорание которого, в свою очередь, приводит к выделению тепла Qb чья величина определяется площадью под кривой "czz".
Очевидно, что для повышения теплотворной способности топлива в ТХР может быть использована лишь часть тепла Q2, определяемого площадью, заключенной между кривыми "ab" и "ab", другая же его часть будет передана от реактора «холодному» телу, являясь необратимо утерянным теплом, определяемым перепадом температур на кривой " Ьа". Обозначим Qp=(o jQ2, где Qp - тепло, использованное на термохимическое преобразование топлива в ТХР, и регенерируемое в цикл; со - степень регенерации отводимой теплоты в идеальном цикле комбинированной тепловой машины.
Таким образом, термический КПД поршневой машины, являющейся частным случаем комбинированной, будет определяться как: а комбинированной, состоящей из поршневой и ТХР: Термодинамический цикл изображённый в T-s диаграмме на рис. 2.4 легко можно перестроить в p-V координатах (рис. 2.5). В этом случае имеем: 1. Работа, совершаемая в поршневой части комбинированной тепловой машины эквивалентна площади "acz zb" и может быть определена как разность между количествами подведенной Q и отведенной Q2 теплоты в рабочем цикле этой части: Тепловая работа, определяемая по выражению (2.10) в реальном термодинамическом цикле поршневого двигателя преобразуется в механическую с учётом индикаторных и механических потерь. 2. Работа, эквивалентная площади "abba " определяется как разность между количеством теплоты отводимой в цикле поршневой части и подводимой к условному термодинамическому циклу термохимического реактора, являющегося второй частью комбинированной машины, с одной стороны, и теплотой, переданной от реактора, а значит от всей машины, «холодному» телу, являясь необратимо утерянным, с другой стороны: необратимые потери тепла, отданного «холодному» телу.
Оборудование, аппаратура и методы проведения исследований двигателя в составе автомобиля на стенде с беговыми барабанами
Оборудование и измерительная аппаратура. Исследования двигателя проводились также в составе автомобиля в специальном боксе на динамометрическом стенде с беговыми барабанами и сменными инерционными массами. Эти исследования проводились при испытаниях по стандартным процедурам Правил № 83 ЕЭК ООН [89]. На рис. 3.9 представлена схема бокса со стендом с беговыми барабанами ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» с используемым оборудованием фирм «Пирбург» и «Цольнер», на котором автор проводил свои исследования. Динамометрический стенд с беговыми барабанами фирмы «Цольнер» обеспечивает изменение нагрузки (крутящего момента) соответственно весовой категории автомобиля от 400 до 3500 кг и заданный момент инерции вращающихся частей стенда. Стенд оборудован прибором «путь-время» фирмы «Пирбург», задающим программу движения в соответствии с принятым «ездовым циклом» и счетчиком пути. Прибор «путь-время» управляется с помощью переносного пульта водителем. Контроль осуществляется оператором с пульта управления стенда. Условная скорость определяется частотой вращения барабана, а условный путь - суммарным количеством оборотов этого барабана. Измерение скорости должно производится с погрешностью не более ± 1 км/ ч, измерение пути - с погрешностью не более ± 0,5%. Анализ отработавших газов проводиться с помощью комплексной газоаналитической системы АМА-224 фирмы «Пирбург», в которой определяются концентраций оксида и диоксида углерода СО и СОг, суммарно углеводородов СН и оксидов азота NOx (суммарно NO и N02)
Определение СО и С02 проводится инфракрасным, СН - пламенно-ионизационным и NOx - хемилюминесцентным методами. Отбор отработавших газов для анализа осуществляется с помощью системы отбора проб постоянного объема (CVS) фирмы «Пирбург» (рис. 3.10). Эта система предназначена для пропорционального разбавления отработавших газов воздухом. Степень разбавления отработавших газов должна быть такой, чтобы прекращались процессы окисления или восстановления токсичных веществ и не происходило конденсации их паров на стенках емкостей и газопроводов ни на одном режиме движения по ездовому циклу. Смешивание отработавших газов с воздухом осуществляется таким образом, чтобы объемный суммарный расход смеси оставался практически постоянным независимо от режима движения автомобиля. Отбор части разбавленных отработавших газов и фонового воздуха для анализа содержания токсичных веществ осуществляется из б эластичных емкостей. Три из них заполняются разбавленными отработавшими газами и три воздухом из помещения бокса для определения нулевого фона. Материал эластичных емкостей обеспечивает хранение разбавленных отработавших газов без изменения концентрации вредных веществ в них более чем на ±2% от первоначальных значений в течении 20 минут.
В процессе испытаний автомобиля производится замер общего объемного расхода смеси отработавших газов и разбавляющего воздуха, проходящего через пробоотборную систему. Погрешность измерения суммарного расхода разбавленных отработавших газов не превышает ± 2%. Принципиальная схема ППО приведена на рис. ЗЛО. превышать ±1,5 С. Атмосферное давление измеряется с погрешностью не более ±0,1 кПа, а относительная влажность с погрешностью не более ± 5%. Испытания проводились на легковом автомобиле категории Mi с двигателем, оборудованным системой предварительного термохимического преобразования топлива. Основные характеристики испытываемого автомобиля: - модель АЗЛК-2141; - тип двигателя -бензиновый, Vh=l,478 л (D=82 мм, S=70 мм); - весовая категория — Mj, 1250 кг; - тип привода - передний. Стенд был укомплектован испытательным оборудованием и измерительной аппаратурой в соответствии с требованиями Правил 83 ЕЭК ООН. Испытания автомобилей проводились в соответствии с принятой в качестве Государственного стандарта в Российской Федерации процедурой Правил 83 ЕЭК ООН по городскому и загородному ездовым циклам (urban and extra urban drive cycles), которые приведены на рис. 3.11. Vor - приведенный к атмосферным условиям объем отработавших газов; С - объемная концентрация компонента; р - плотность исследуемого компонента. Отбор отработавших газов на исследуемых режимах проводился в течение 3 5 последовательных "ездовых циклов". На первом цикле отбор газов не производился. Каждый опыт повторялся 4 5 раз, чтобы суммарная погрешность эксперимента не превышала 3% .
Результаты исследования по оценке аэродинамического сопротивления реактора конверсии метанола
Термокаталитический реактор, установленный в выпускном тракте двигателя создает определенное противодавление. Так для элементов системы выпуска автомобильных двигателей оно не должно превышать величины р=( 1,02...1,05 ) р0 [23]. Для оценки аэродинимического сопротивления реактора было решено использовать методику оценки такой же характеристики нейтрализаторов отработавших газов, которые, как и реактор устанавливаются в системе выпуска, а значит, и должны удовлетворять вышеозначенным требованиям. В качестве объекта сравнения был выбран серийно устанавливаемый на автомобили ВАЗ с рабочим объёмом двигателя 1,5 л нейтрализатор 2110-1206010, основные характеристики которого приведены в таблице 4.1. Испытания проводились при стандартных атмосферных условиях согласно ГОСТ 14846-81 в соответствии с РД 37.001.639-93. Нейтрализатор и проточная часть реактора поочередно соединялись с воздушным компрессором и пьезометром согласно схеме рис. 3.3. Включался компрессор и по пьезометру определялись потери напора воздуха, проходящего через нейтрализатор и реактор при различных расходах воздуха от 0 до 350 м3/час через каждые (10±1) м /час. Результаты измерения перепада давления приводились к нормальным атмосферным условиям (р0= 101,325 кПа, Т0=293 К) по формуле (3.1). По результатам измерений строились графики зависимости потерь напора от расхода воздуха (рис. 4.8). За допустимую величину перепада давлений были приняты требования ТУ 4591-127-00232934-97 по аэродинамическому сопротивлению нейтрализаторов 2110-1206010 производства ОАО «АвтоВАЗагрегат» (см. рис. 4.8). Результаты испытаний показывают, что перепад давлений на входе и выходе проточной части термокаталитического реактора, ниже требований ТУ и аналогичных характеристик нейтрализатора во всем диапазоне изменения расхода воздуха через неё. Так при расходе воздуха 100 м3/ч запас по перепаду давления в сравнении с ТУ составляет - 21,85 %, а при 250 м3/ч - 6,72 %, в то время как у нейтрализатора 2110-1206010 - 13,57 и 2,22 %, соответственно. Меньшую величину аэродинамического сопротивления проточной части реактора в сравнении с нейтрализатором ОГ можно объяснить различием в затенении поперечных сечений их каналов блоками-носителями каталитической среды доокисления СО и СН.
Это различие обусловлено конструктивным уменьшением требуемой активной поверхности катализатора ввиду снижения начальных концентраций указанных вредных веществ, образующихся при сгорании в двигателе, как у метанольно-воздушных, так и у синтез-газовоздушных смесей в сравнении с бензовоздушной смесью (см. раздел 4.5). Такие результаты дают основание полагать, что оборудование системы выпуска реактором конверсии метанола не окажет сколь либо значимого влияния на энергоэкономические показатели исследуемого двигателя. Исследование работы опытного образца термохимического реактора конверсии метанола включало в себя проверку его работоспособности, определение зоны устойчивой работы по выходу водородосодержащего продукта, производительности по основным (целевым) компонентам синтезированного газа и снятие рабочих характеристик, устанавливающих взаимосвязь состава получаемых в реакторе продуктов конверсии, степени конверсии метанола и температурным режимом конверсионного процесса. Одной из важнейших проблем нормального функционирования конверсионной системы является обеспечение ее необходимым количеством тепловой энергии и заданным уровнем рабочих температур в реакционном пространстве с целью достижения наибольшей глубины протекания процесса термохимического преобразования метанола и максимальной степени конверсии (фк): фк = (GM - G „)/GM 100, % При неполной (частичной) конверсии срк 100 % в продуктах конверсии метанола (ПКМ) на выходе их из реактора наряду с СО и Нг содержатся пары метанола, масса которых соответствует количеству G M не прореагировавшего метанола. Очевидно, что в этом случае эффективность термохимической регенерации энергии ОГ снижается, а реакционные свойства парогазовой смеси, поступающей в двигатель, и характер их воздействия на параметры процесса сгорания будут отличатся от синтез-газа, что обуславливает необходимость дополнительной экспериментальной проверки и уточнения. На рис.4.9 и в табл. 4.2 приведено поле температур экспериментального реактора конверсии метанола, конструкция которого позволяла использовать не только тепловую энергию выпускных газов (греющего теплоносителя), но и химическую. В данной конструкции дополнительный разогрев теплоносителя осуществляется за счет дожигания содержащихся в них энергоемких продуктов неполного сгорания (СО, СН) благодаря применению окислительной каталитической среды.
