Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ эффекта влияния водорода на экологические и экономические характеристики ДВС 10
1.1 Перспективы применения водорода в ДВС 10
1.2 Образование нормируемых токсических веществ при сгорании топлива в поршневых ДВС с искровым зажиганием 16
1.2.1 Выбросы окиси углерода 16
1.2.2 Выбросы углеводородов 16
1.2.3 Образование и выбросы окислов азота 20
1.3 Методы снижения выбросов нормируемых токсичных компонентов в отработавших газах автомобильных двигателей 21
1.3.1 Обзор методов снижения продуктов не полного сгорания СН и СО 21
1.3.2 Методы снижения выбросов окислов азота NOx 25
1.4 Особенности применения водорода в ДВС 26
1.5 Антидетонационная стойкость углеводородного топлива с водородом в качестве катализатора горения 36
1.6 Анализ эффективности использования водорода в газовых и дизельных двигателях 46
Глава 2. Описание экспериментального стенда, анализ погрешностей измерения и обработки опытных данных, методики экспериментальных исследований 55
2.1 Описание конструкции испытательного стенда 55
2.2 Методика проведения и обработки результатов испытаний 68
2.3 Измерительное оборудование испытательного стенда 85
2.4 Оценка погрешностей измерений 87
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований влияния добавок водорода на экологические и экономические характеристики ДВС и их анализ 90
3.1 Экспериментальные исследования влияния добавок водорода на экологические и экономические характеристики газопоршневых двигателей 90
3.1.1 Результаты исследований при изменении состава топливовоздушной смеси 90
3.1.2 Результаты исследований при изменении нагрузки 95
3.1.3 Результаты исследований при изменении угла опережения зажигания 100
3.1.4 Оценка показателей токсичности двигателя при добавках водорода 102
3.2 Экспериментальные исследования влияния добавок водорода на экологические и экономические характеристики дизельных двигателей 109
3.2.1 Оценка влияния добавки водорода на мощностные и экономические показатели дизельного двигателя 109
3.2.1.1 Оценка влияния добавки водорода на мощностные показатели дизельного двигателя 110
3.2.1.2 Оценка влияния добавки водорода на экономические показатели дизельного двигателя 110
3.2.2 Оценка влияния добавки водорода на экологические показатели дизельного двигателя 112
3.2.2.1 Продукты неполного сгорания 112
3.2.2.2 Выбросы оксида азота NOx 115
3.3 Сравнительный анализ методов совершенствования показателей двигателя и рекомендации по применению добавок водорода 123
3.4 Анализ экономической эффективности применения водородного топлива в автомобильном транспорте 130
Глава 4. Оценка экономических и экологических показателей газопоршневых ДВС при их работе на смеси «природный газ-водород» 144
Основные выводы 152
Литература 153
- Образование нормируемых токсических веществ при сгорании топлива в поршневых ДВС с искровым зажиганием
- Антидетонационная стойкость углеводородного топлива с водородом в качестве катализатора горения
- Измерительное оборудование испытательного стенда
- Экспериментальные исследования влияния добавок водорода на экологические и экономические характеристики дизельных двигателей
Введение к работе
Создание оптимальной схемы процесса сгорания с использованием водорода в качестве добавки к основному (углеводородному) горючему является предметом исследований, проводимых в настоящее время в ведущих международных научных центрах [99-109]. Данное направление исследований будет оставаться актуальным в обозримой перспективе ввиду экологических преимуществ водорода.
Особое внимание в связи с общей тенденцией роста цен на нефть уделяется исследованию горения и разработке ДВС для обедненных смесей водорода с метаном. Перспективы применения водорода в сочетании с метаном или другим дешевым горючим связаны с существенным улучшением экономических и экологических характеристик ДВС.
В данном случае метан, основная составляющая природного газа, с учетом значительных естественных запасов, развитой инфраструктурой, дешевизной и экологическими преимуществами в сравнении с традиционными видами топлива, выступает в качестве основного топлива. Экологические преимущества метана обусловлены практически отсутствием полициклических ароматических углеводородов, серы, бензола, олефинов и альдегидов в отработавших газах. Вследствие слабой реакционной способности метана низка его склонность к озонообразованию.
Существенным недостатком метана является низкая нормальная скорость горения относительно углеводородных топлив, что проявляется в пропусках воспламенения топливной смеси в камере сгорания двигателя, вызванных ее нестабильным самовоспламенением, особенно на режимах, характеризуемых низкими частотами вращения и нагрузками.
Водород в качестве добавки к основному углеводородному горючему (метану), благодаря уникальным физико-химическим свойствам, позволяет полностью скомпенсировать данный недостаток. Рост количества текущих публикаций по этой тематике подтверждает данный вывод [13-109]. Таким образом, именно исследования процессов горения смесей водорода с углеводородами, особенно с метаном, следует считать приоритетным направлением развития работ по горению применительно к ДВС.
Следует подчеркнуть, что наряду с задачами термодинамики, кинетики и газодинамики горения, возникающими в связи с разработкой тех или иных схем ДВС с использованием водорода, сама по себе проблема выбора наиболее перспективной схемы подачи водорода до сих пор не имеет однозначного решения. Этот выбор в значительной степени определяет постановку конкретных задач, но диктуется он внешними критериями технико-экономического характера.
Главным критерием следует считать минимизацию количества водорода, используемого в качестве добавки к дешевому топливу (природному газу). Известно, что предел эффективности процесса сгорания в ДВС в целом определяется критическими условиями стабильного развития пламени в начальной фазе горения. Следовательно, для расширения предела воспламенения обедненных топливных смесей в ДВС, в первую очередь,
необходимо повысить скорость горения очага. На более поздних стадиях развитое пламя может вполне устойчиво и достаточно быстро распространяться в «слабой» смеси [117].
Интерес к исследованиям, посвященным проблемам применения водорода, в последние годы стремительно возрастает в ведущих мировых научных центрах. Особенности частичной замены углеводородного топлива водородом рассмотрены в работах [13-84, 98-109]. Множество исследований было проведено в исследовательских центрах Германии. Широко известны работы, проводимые в Японии, где исследуется применение газообразного и жидкого водорода, а также присадок этого горючего к топливно-воздушной смеси [42, 43, 44, 85, 86]. Аналогичные исследования были проведены в Норвегии, Польше, Франции, Австралии, Индии и т. д. [13-84, 87, 88].
Существенный вклад в развитие направления по применению водорода в ДВС внесли известные российские ученые: В.А.Вагнер, В.А.Звонов, Ю.В.Галышев, А.И.Гайворонский, В.И.Ерохов, Г.Н.Злотин, Н.А.Иващенко, А.А.Капустин, Н.Н.Патрахальцев, А.С.Соколик, В.М.Фомин, А.С.Хачиян, Н.А.Хрипач, А.П.Шайкин и зарубежные ученые Buchner Н., Dell R., Lucas G., Bade Shrestha S.O., Karim G.A., Huang Z, Jinhua Wang, Ferran A.Ayala, Inge Saanum и другие.
В настоящее время в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ТГУ, МГТУ «МАМИ», СПбГПУ, АлтГУ, ВолгПИ и др. [98-109] проводятся научно-исследовательские работы по исследованию влияния водорода на характеристики ДВС, в основном, экспериментального характера. Большая часть из них посвящена исследованиям характеристик бензиновых и дизельных двигателей. По газовым двигателям экспериментальных материалов недостаточно для создания надежных методик расчета влияния добавок водорода на основные характеристики газового двигателя. Так как в последнее время проводится значительное количество работ по созданию газовых двигателей практически всеми мировыми ведущими производителями ДВС, то данная тематика очень актуальна и представляет большой практический интерес.
В работе поставлены следующие цели и задачи.
Цель работы: улучшение технико-экономических и экологических показателей газовых и дизельных двигателей при работе на обедненных смесях воздействием на процесс сгорания минимальной эффективной массовой доли добавки водорода в ТВС, найденной по результатам экспериментальных исследований. Разработка метода определения эффективности применения добавок водорода при работе газового двигателя на пределе устойчивого горения бедных ТВС.
Задачи исследований: экспериментально определить минимальное количество массовой доли водорода в ТВС, а также выявить области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние водорода на технико-экономические и экологические показатели газового и дизельного ДВС;
разработать метод определения эффективности применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра Р, учитывающего повышение полноты сгорания топлива в присутствии водорода, и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения ТВС от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода;
разработать рекомендации по использованию добавок водородного топлива в ТВС двигателей семейства КамАЗ для улучшения их технико-экономических и экологических характеристик.
Научная новизна исследований.
Определены области варьируемых параметров двигателя по частоте вращения вала, нагрузке, коэффициенту избытка воздуха и УОЗ, в которых наблюдается существенное влияние минимальной массовой доли добавки водорода в ТВС на технико-экономические и экологические показатели газового и дизельного двигателя;
разработан метод определения эффективности применения водорода при работе поршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра (3 и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения метановодородовоздушной смеси от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода.
Разработаны рекомендации для использования добавок водородного топлива в ТВС для двигателей семейства КамАЗ.
Практическая значимость исследований.
Разработаны практические рекомендации по добавкам водорода в ТВС двигателей семейства КамАЗ, позволяющие улучшить их технико-экономические и экологические показатели;
Полученные эмпирические зависимости повышения полноты сгорания топлива от коэффициента избытка воздуха позволяют определять эффективность работы газопоршнего ДВС при различных добавках водорода в ТВС и определить границы экономической целесообразности применения добавок водорода;
Получены результаты экспериментальных исследований влияния минимальной эффективной массовой доли добавок водорода в ТВС на экологические и технико-экономические характеристики газовых и дизельных ДВС семейства КамАЗ, представляющие практическую значимость при их совершенствовании.
Теоретическая значимость исследований.
разработан метод расчета соотношения "водород-метан" в топливной
композиции при работе ДВС по регулировочной характеристике по составу
смеси при постоянной мощности и оптимальных углах опережения зажигания на
основе безразмерного параметра Р и безразмерной зависимости нижнего предела
устойчивого горения ТВС от коэффициента избытка воздуха при добавках
водорода, который позволяет оценивать эффективность применения водорода
при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения.
Реализация результатов работы. Результаты экспериментальных исследований использованы в Научно-техническом центре ОАО «КамАЗ» г. Наб. Челны в процессе доводки газовых и дизельных двигателей семейства КамАЗ. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Теоретические основы теплотехники» КГТУ им. А.Н. Туполева в лекционном курсе «Энергетический комплекс промышленных предприятий» для специальности «Энергетика теплотехнологий».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
обсуждены на научно-технических семинарах НИИ «Энергоэффективных
технологий КГТУ им. А.Н. Туполева», кафедр «Теоретические основы
теплотехники», «Автомобильные двигатели и сервис»
КГТУ им. А.Н. Туполева и представлены на следующих конференциях: VII
Международная научно-практическая конференция «Люди и космос»
(Днепропетровск, 2005); Международная молодежная научная конференция
«Туполевские чтения» (Казань, 2005-2006); Международная научно-
техническая конференция «Энерго- и ресурсоэффективность в
энергобезопасности России» (Казань, 2006-2007); VIII международный
симпозиум «Энергоэффективность и энергосбережение», (Казань, 2007) Первый
международный экологический конгресс «Экология и безопасность
жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT 2007
(Тольятти, 2007); III международной научно-практической конференции
«Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ. Из них 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 201 наименований. Работа изложена на 165 страницах текста, иллюстрированного 17 таблицами и 72 рисунками.
На защиту выносятся следующие положения.
Результаты экспериментальных исследований влияния добавок водорода на экологические и технико-экономические показатели газовых и дизельных ДВС;
Метод определения эффективности применения водорода при работе газопоршневого двигателя на пределе устойчивого горения на основе безразмерного параметра (3 и безразмерной зависимости нижнего предела устойчивого горения ТВС от коэффициента избытка воздуха при добавках водорода;
Рекомендации по минимальному количеству добавок водорода в ТВС, оказывающему практическое значимое влияние по улучшению экологических и технико-экономических показателей ДВС.
Образование нормируемых токсических веществ при сгорании топлива в поршневых ДВС с искровым зажиганием
Так как окись углерода СО является продуктом неполного сгорания, то основным фактором, количественно определяющим образование и выбросы СО, является коэффициент избытка воздуха. Для уменьшения выбросов СО необходимо обеспечить коэффициент избытка воздуха несколько выше стехиометрического состава. При составах смеси а 1 имеет место неполнота химической реакции, вследствие чего наблюдаются значительные выбросы СО. Оптимальный состав топливовоздушной смеси для поршневых ДВС с искровым зажиганием, работающих на жидком топливе, находится по а в пределах а = 1,05-5-1,2 (по экономичности). Необходимо отметить, что для газовых топлив, в т.ч. метана, оптимальные значения несколько выше -а= 1,15 -г- 1,25. Увеличение «более а=1,25 приводит к увеличению выбросов СО вследствие недогорания. Необходимо отметить, что концентрация выбросов СО не соответствует равновесному состоянию, вследствие достаточно высокой температуры ОГ [132, 152]. 1.2.2. Выбросы углеводородов Анализ причин образования СН позволяет выделить несколько наиболее значимых источников образования несгоревших СНв цилиндре двигателя[170]: объемные углеводороды; замороженные слои; объемы гашения. Объемные углеводороды Основным фактором, влияющим на образование объемных СН, является состав смеси, который определяется коэффициентом избытка воздуха а. На рис. 1.2.1 представлена характерная зависимость изменения концентрации токсичных компонентов в ОГ современных бензиновых двигателях внутреннего сгорания от а [132, 170]. Из рис. 1.2.1 видно, что минимум СН соответствует значению а « 1,1-1,2. При а 1 значительное количество СН в ОГ является следствием неполноты сгорания топлива из-за отсутствия необходимого количества окислителя в ТВ С [172]. Полноту протекания процесса сгорания можно оценить коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси Д, [171] и записать в виде: где Mi - количество горючей смеси, М2 — количество продуктов полного сгорания. Для иллюстрации, характерное изменение коэффициента молекулярного изменения в зависимости от состава смеси, для случая использования бензина в качестве топлива, представлено на рис. 1.2.2 [171]. Аналогичная картина имеет место для коэффициента молекулярного изменения метана. Повышение СИ при а 1,2 обусловлено ухудшением сгорания топлива вследствие приближения к границе стабильного горения (бедный срыв пламени) [172]. Таким образом, для минимизации выбросов объемных СН необходимо обеспечить стабильную работу ДВС (в том числе и на режимах пуска и прогрева) при ос = 1 и несколько выше. Замороженные слои Существование замороженных слоев у стенки цилиндра ДВС впервые продемонстрировано с помощью 1.4 0.6 фотографий, показывающих уменьшение свечения пламени вблизи этой стенки [157, 152, 172] (см. рис. 1.2.3). Фотографирование процесса сгорания позволило определить толщину зоны, в которой происходит гашение пламени в пределах 0,15 - 0,38 мм [157, 172]. Опытно было показано, что ПОРІІІЄІ lb цилиндра Компрессией 1НОЄ кольцо 1- источник объемных СН 2- замороженные слои 3- объемы гашения Рис. 1.2.3. Источники несгоревших углеводородов. основными факторами, влияющими на толщину этой зоны гашения, замороженного слоя, оказывает влияние температура и давление в момент замораживания. По данным [13] при температуре стенки цилиндра Гст 100С количество СН, приходящееся на замороженные слои, составляет не более 5-7 %. Однако с понижением температуры доля СН, приходящаяся на замороженные слои, значительно увеличивается, например, понижение средней температуры стенки цилиндра с 190 до 70 С вдвое увеличивает концентрацию СН в ОГ. замороженного слоя представить в виде: Эмпирически зависимость толщины от температуры и давления по данным [8] можно (1.2.2) Я"д,{Р,/рУ(тг/тУ где q - толщина замороженного слоя; Р и Т- давление и температура; ц/ и у- эмпирические коэффициенты; индекс г обозначает граничные условия. Недостатком формулы 1.2.2 является то, что для ее применения необходимо знать коэффициенты у/ и у , определение которых является сложной экспериментальной задачей. Частично исключить недостатки формулы (1.1.2) позволяет формула [9]: (1.2.3) кр ГЄ-ZJ где dKp - критическое расстояние от фронта пламени до поверхности, при котором происходит гашение пламени (толщина замороженного слоя); re - реакционная зона; А - число Авагадро; р - безразмерный коэффициент, величина которого зависит только от геометрической формы гасящей поверхности; X - коэффициент теплопроводности; w - скорость реакции; F - постоянная, определяющая отношение скорости реакции во время прохождения пламени к скорости реакции, которая необходима в зоне реакции для того, чтобы произошло распространение пламени; X/ - мольная доля топлива; ср - теплоемкость при постоянном давлении.
Антидетонационная стойкость углеводородного топлива с водородом в качестве катализатора горения
Определяющим параметром эффективной работы двигателя является оптимальная организация устойчивого процесса сгорания. Во многом она продиктована физико-химическими свойствами топливной смеси. Одним из основных требований к топливу в связи с этим является его антидетонационная стойкость как одно из средств повышения экологических и экономических характеристик двигателя. Влияние добавок водорода на антидетонационную стойкость углеводородного топлива, по мнению авторов [108, 113], носит довольно сложный характер.
В работе [108] проведены исследования влияния добавки водорода в дизельный двигатель на процесс воспламенения, где утверждается, что наличие газообразного топлива действует как на «преждевременное», так и на «запоздалое» воспламенение, что позволяет использовать газообразное топливо и изменение его концентрации дл оказания воздействия на рабочие режимы двигателя. Замечено, что задержка воспламенения дизельного топлива может значительно увеличиться после добавки газообразного топлива, однако затем быстро восстановится при дальнейшей добавке газа. Это увеличение в принципе возникает из-за наличия кинетической энергии газообразного топлива в процессе преждевременного воспламенения топлива [1, 103, 108].
Изменяющаяся смесь паров газообразного и жидкого топлива окружает любые небольшие испаряющиеся капельки на кромках основного факела двухтопливного двигателя. Воспламенение прежде всего произойдет в местах наибольшей скорости реакции и будет главным образом регулироваться за счет местной температуры и относительного времени изменения концентрации паров дизельного и газообразного топлива. Если условия неблагоприятны, и происходит длительная задержка, работа двигателя становится неустойчивой, что приводит к нарушению воспламенения дизельного топлива.
Факторами, вызывающими детонацию при работе дизеля на смеси с водородом, являются газообразный водород, температура свежего заряда на впуске и, в меньшей степени, количество дизельного топлива. Хорошо известно, что явление детонации, наблюдаемой в дизелях, приспособленных для работы на двух видах топлива, возникает в результате самовоспламенения смеси в соседних центрах воспламенения [1, 103, 108, 111].
По мнению автора [92] вопрос «о природе возникновения и протекания детонации в двигателях», работающих на водороде, недостаточно изучен. Считалось, что для этого топлива невозможно выделить даже стадию голубого пламени. Возникновение взрывного горения водорода в двигателе объяснялось чисто тепловыми причинами, т.е. тепловым высокотемпературным воспламенением некоторого конечного объёма вблизи нагретой поверхности. Однако эксперименты в работах [32, 52, 57, 61, 63] обнаружили низкотемпературное воспламенение водородно-воздушных смесей. Причиной этого является ионизация движущегося газа на поверхности стенки. В результате этой ионизации образуются молекулярные ионы водорода и выделяется энергия. Молекулярный ион водорода вступает в реакцию с нейтральными молекулами, что приводит к образованию активных радикалов. Энергия активации реакции невелика, а её скорость относительно высока. Накопление достаточного количества радикалов в пристеночном слое инициирует воспламенение смеси при температуре меньше нижнего предела самовоспламенения. В работе [92] показано, что для газовых топлив детонационное качество по октановым числам и его связь со степенью сжатия являются значительно менее определенными. Приведено значение октанового числа для водорода, полученное на стандартных установках по моторному методу, которое равняется 45-85 ед. Однако, по данным В.Анциотти, полученным на стандартной установке моторным методом, октановое число Н2 значительно выше [108].
В работах [32, 52] проведено обширное сравнительное исследование склонности к детонации и воспламенению воздушных смесей Н2, СЩ, С3Н3 и С2Н4 на стандартном двигателе, используемом для определения октановых чисел жидких топлив S/D 114/32,5 при режиме, близком к моторному методу (л=900 об/мин; tCM=40C). Авторы определили границы детонации и самовоспламенения Н2, СН4 и С3Н3 в зависимости от а и є (температура смеси на входе в двигатель 33С). В этих условиях водород детонировал в широком диапазоне а при є 6.
В работе [140] указывается на то, что ряд топливных смесей, способных по составу к воспламенению и горению, не склонны к детонации. Пределы детонации по составу для смеси водород + воздух составляют от 18,3 до 58,9%, что отличается от данных, приведенных в литературе. В этой же работе [140] автор отмечает, что пределы детонации по составу смеси, как правило, выше пределов распространения пламени, т.к. тепловыделение во фронте детонационной волны должно быть достаточным для поддержания ударной волны с таким повышением давления и температуры в её фронте, при котором задержки воспламенения оказываются весьма короткими. В этой же работе утверждается иная природа возникновения детонации в быстро горящих топливокислородных смесях, обладающих высокими скоростями реакции и большим удельным тепловыделением. Распространение пламени с прогрессивно увеличивающейся скоростью вследствие турбулизации смеси, движущейся перед фронтом пламени, а также повышения давления может привести к самопроизвольному возникновению детонации. Фронт пламени в данном случае выполняет функцию поршня, сжимающего расположенную перед ним горячую смесь со все возрастающей скоростью, что приводит к возникновению ударной волны.
По мнению Генкина К. И. [92], Варшавского И.Я. [94] разноречивость данных о детонационной стойкости водорода, по-видимому, связана с его большой склонностью к воспламенению и высокой скоростью сгорания [57,61,63].
Р.Кинг показал, что поведение водорода в двигателе существенно зависит от чистоты камеры сгорания (отсутствие нагара и выступающих кромок, гладкости поверхности), поэтому он тщательно очищал все поверхности камеры сгорания. В таком случае на одноцилиндровом двигателе можно было работать на водороде без детонации при степени сжатия є, близкой к 14, для случая стехиометрической смеси. Эти же данные подтверждаются в работе К.И.Генкина [92] при работе двигателя на метано-водородных смесях, содержащих до 72% водорода. Однако в реальных двигателях детонационно-подобные явления проявляются на водороде при значительно меньших степенях сжатия. На основе анализа влияния различных конструктивных и температурных факторов в работе [141] утверждается, что повышение степени сжатия двигателя, работающего на водороде, можно осуществить при условии снижения температуры поверхности камеры сгорания как за счет усиления теплоотвода в систему охлаждения и смазки двигателя, так и посредством удаления в камере сгорания точек с повышенными температурами. Среди альтернативных способов устранения детонации Кингом была применена для этих целей рециркуляция отработавших газов.
Исследования детонации в газовых двигателях большого диаметра, проведенные Соколиком А.С. [95], показали их специфические особенности. Например, состав смеси в этих двигателях оказывает значительно меньшее влияние на детонацию, чем в более быстроходных двигателях с малым диаметром цилиндров, а решающее значение имеет температура в конце сжатия. Для подавления детонации в этих двигателях большое значение имеет организация смесеобразования.
Измерительное оборудование испытательного стенда
При проведении испытаний производились измерения параметров двигателя, предусмотренные ГОСТ Р41.24-2003 (Правила ЕЭК ООН №24-03) ГОСТ Р41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН №49 (1)-04, для ESC цикла), ГОСТ 14846-81. Дополнительно проводились измерения следующих величин: - расхода воздуха Ge, кг/ч; - концентрации оксида углерода СО, ррт; - концентрации углеводородов СН, ррт; - концентрации окислов азота NOx, ррт; - расхода водорода G,„ кг/ч; - расхода отработавших газов Gos, кг/ч; - угла открытия (положения) дроссельной заслонки р, %; - давления природного газа Рг, кгс/с ; - давления картерных газов Ркг, кгс/с . Наименование средств измерений входящие в состав стенда и их основные характеристики, приведены в таблице 2.3.1 Оценка погрешностей измерений показателей двигателя, точность измерения, которых не предусмотрена ГОСТ Р41.24-2003 (Правила ЕЭК ООН №24-03) ГОСТ Р41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН №49 (1)-04, для ESC цикла), ГОСТ 14846-81, в частности, расхода воздуха, водорода, а также оценка погрешности определения коэффициента избытка воздуха как одного из основных факторов, определяющих эффективность работы двигателя, проводились в следующем порядке [153, 154]. Результирующая абсолютная погрешность представлялась как: А = АС + АСЛ, (2.4.1) где Ас - неисключенная систематическая погрешность; Асл — случайная составляющая погрешности измерений. Неисключенная систематическая погрешность определялась по формуле: дс= а. (2А2 где Qi - граница /-ой неисключенной систематической погрешности; к - коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью Д и равный 1,1 при /3= 0,95. В качестве неисключенных систематических погрешностей принимались основная погрешность измерительных средств и субъективная погрешность, которые определялись на основе паспортных данных на средства измерений (основная) и типа используемых устройств (субъективная). Случайная составляющая погрешности результатов измерений определялась как: Ад= , (2.4.3) л/л где t - коэффициент (квантиль) Стьюдента, зависящий от количества проведенных опытов и принятой доверительной вероятности; S - среднее квадратическое отклонение; п - число результатов наблюдений (повторных опытов). Величина S определялась по формуле: где Xt - i-ый результат измерений, X - среднеарифметическое значение, определяемое как: Результирующая погрешность определялась в зависимости от отношения: В случае если расчетная величина ф находится в диапазоне 0,8 ф 8, то суммарная погрешность находится построением композиции распределений случайных и не исключенных систематических погрешностей, рассматриваемых как случайные величины: A =S -K, (2.4.7) где К - коэффициент, зависящий от соотношения случайной и неисключенной систематической погрешностей; S - оценка суммарного среднего квадратического отклонения результата измерения. Величины KHS определяются по формулам: Результирующая относительная погрешность определялась как отношение абсолютной погрешности к измеренному значению. Расчеты, проведенные по указанной выше методике показали, что относительная погрешность измерения для расхода водорода составила 8GH = ± 5%. Погрешность измерения расхода воздуха через двигатель методом насадок в соответствии с рекомендациями [155] принималась равной 5В = ± 2%. Необходимо отметить, что погрешность измерения расхода топлива (природного газа) принималась в соответствии с ГОСТом 8QZ — == 1%-Погрешности прямых измерений не указанных выше величин принимались равными основным погрешностям приборов, измеряющих их, приведенным в таблице 2.3.1. Относительная погрешность коэффициента избытка воздуха определялась в соответствии с методикой оценки косвенных измерений [30, 31]. При этом величина абсолютной предельной погрешности с принятой надёжностью (доверительной вероятностью), равной j3= 0,95, определяется по формуле: А = ШЯ Ь Л tasr , (2.4.10) \м\ &, ) где:/(3с;, х2, ... х„) - функция, определяющая искомую величину по результатам прямых измерений, X], х2, ... х„- её аргументы; ta - квантиль распределения Стьюдента; Si - оценка дисперсии /-го прямого измерения; т - количество аргументов функции. Преобразование дифференцированного выражения позволяет получить следующее выражение для абсолютной погрешности: Относительная погрешность определялась в соответствии с формулой: В результате проведенных расчётов было получено, что суммарная относительная погрешность определения а в диапазоне изменений измеряемых величин находится в пределах Sa=3 — 5%.
Экспериментальные исследования влияния добавок водорода на экологические и экономические характеристики дизельных двигателей
Известно, что химический состав углеводородного топлива используемого в ДВС, в частности дизельного топлива, может меняться в довольно широких пределах и зависит от множества факторов, таких как месторождение нефти, способ получения топлива, наличие присадок и т.д. [163]. На основании этого примем, что добавка водорода в количестве менее одного процента не будет оказывать значимого влияния на мощностные и экономические параметры двигателя. Это двигателя (п= 1450 мин ). подтверждается и экспериментально, при соотношении добавляемого водорода к топливу менее одного процента по массе параметры двигателя изменяются в диапазоне принятых погрешностей измерений (см.графики прил.1). Поэтому результаты экспериментов при добавке водорода менее одного процента при анализе мощностных и экономических параметров двигателя можно исключить из дальнейшего рассмотрения. Водород имеет примерно в три раза большую теплотворную способность по сравнению с дизельным топливом [164], однако его плотность во много раз меньше плотности дизельного топлива. Это может оказать влияние на мощностные характеристики двигателя [2, 152]. Для оценки влияния добавки водорода на мощностные характеристики были сняты условные внешние скоростные характеристики двигателя (УВСХ) без добавки водорода и с максимально возможной подачей водорода (см. рис.1 прил.1), которую способна обеспечить применяемая система подачи водорода {Git = 0,42 кг/ч). При этом массовое соотношение водород-дизельное топливо на различных скоростных режимах варьировалось в диапозоне 2- -2,5 % на частоте вращения коленчатого вала 900 мин л и менее 1 % при частоте 1900 мин"1. Из рисунка можно видеть, что при добавке водорода мощность двигателя не меняется. На основании этого можно сделать вывод о том, что добавка водорода в количестве, обеспечивающемся системой подачи водорода, не изменяет мощностные параметры двигателя. Экономичность двигателя определяется степенью эффективного использования подведенной с топливом теплоты [93], и количественно оценивается величиной удельного эффективного расхода топлива: где Gm - расход топлива, кг/ч; Ne — эффективная мощность двигателя, л.с. На графиках прил. 1 представлено изменение gc в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Использование указанной величины в качестве критерия оценки экономичности при добавке водорода в двигатель некорректно, т.к. при добавке водорода изменяются теплофизические свойства топлива (рабочей смеси) [165]. Поэтому дальнейшая оценка экономических параметров двигателя при добавке водорода проводилась по двум параметрам: Q, МДж/с — общее количество тепла поступившее в цилиндры двигателя с дизельным топливом и водородом в единицу времени и гс - эффективное КПД двигателя. На графиках прил.1 и рис.3.2.2 представлены графики изменения количества теплоты (Q, МДж/с), подведенной к двигателю, как в случае использования добавки водорода, так и без нее. Из представленных на графиках данных видно, что общее количество теплоты, подведенной к двигателю, на идентичных режимах его работы во всех случаях практически одинаково. Расход дизельного топлива Gm при этом уменьшается пропорционально количеству водорода, добавляемого в двигатель. Для иллюстрации этого на рис. 3.2.3 представлено характерное изменение расхода топлива и общего количества теплоты, подведенной к двигателю, в зависимости от процента добавки водорода. Некоторое увеличение величины Q обусловлено погрешностями измерений. Дальнейший анализ результатов экспериментов позволил установить, что расход дизельного топлива подчиняется следующей зависимости
