Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород 05. 04. 02 тепловые двигатели

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3

Третья глава посвящена расчетному исследованию процессов в двигателях, работающих на природном газе и водороде, с помощью разработанных математических моделей.

В качестве объекта исследования процесса смесеобразования и расслоения топливовоздушной смеси при непосредственном впрыске газа в цилиндр двигателя был выбран четырехтактный двигатель с принудительным воспламенением размерностью S/D = 9,2/9,2 и степенью сжатия ε = 12,0.

Основная задача исследования - добиться расслоения впрыснутого топлива на всех эксплуатационных режимах, которое обеспечит гарантированное воспламенение топливно-воздушной смеси. Критериями качества расслоения топлива являются коэффициент избытка воздуха в районе свечи зажигания в момент подачи искры, и распределение топлива по объему камеры сгорания. Необходимо чтобы локальный коэффициент избытка воздуха находился в диапазоне 0,8-1,3, что соответствует максимальной скорости сгорания газа. Кроме того, газ должен быть распределен по пространству таким образом, чтобы не было зон с переобогащенной или очень бедной смесью. Достичь данного эффекта возможно только при определенной конфигурации камеры сгорания, расположении свечи зажигания и форсунки, давлении впрыска топлива. Были исследованы несколько вариантов камер сгорания. Проводился анализ вихревого движения воздуха, скорости движения потока свежего заряда, зоны распространения вихря, продолжительность его существования. По результатам исследований была предложена камера сгорания, представленная на рис. 6, которая позволяет обеспечить надежное воспламенение газовоздушной смеси при работе двигателя с суммарным коэффициентом избытка воздуха от 0,9 до 2,3 во всем диапазоне скоростных режимов.

При разработке системы топливоподачи необходимо стремиться к минимизации давления впрыска для более эффективного использования объема баллона с газом и уменьшения затрат энергии на создание давления впрыска. Однако уменьшение давления ниже определенного предела приводит к уменьшению интенсивности подачи топлива и ухудшению процесса расслоения, особенно при малых цикловых подачах. Рекомендуемое давление впрыска газа - 2,9 МПа.

Рис. 6. Рекомендуемая камера сгорания.

Одним из важных факторов, влияющих на картину распределения топлива, является угол опережения впрыска. Корректировка угла опережения впрыска газа является необходимым условием при работе двигателя на различных режимах. Угол опережения впрыска определяет момент перемещения в район свечи зажигания газовоздушной смеси требуемого состава для надёжного и эффективного воспламенения. Опережение впрыска необходимо согласовывать с опережением зажигания. Для данного двигателя с камерой сгорания предложенного типа получена зависимость угла опережения впрыска газа от коэффициента избытка воздуха на различных скоростных режимах (рис. 7). Зависимость имеет сложный нелинейный характер и может использоваться как алгоритм для системы управления двигателя.

Рис. 7. Зависимость угла опережения впрыска газа от коэффициента избытка воздуха

Рис. 8. Коэффициент избытка воздуха. Оптимальный угол опережения впрыска. _сум=1,5.

Рис. 9. Коэффициент избытка воздуха. Оптимальный угол опережения впрыска. _сум=2,0.

Рис. 10. Коэффициент избытка воздуха. Неоптимальный угол опережения впрыска. _сум=2,0

На рис. 8 и 9 приведены распределения коэффициента избытка воздуха по объему камеры сгорания при различных цикловых подачах и оптимальном угле опережения впрыска. На рис. 10 представлено поле  в случае, если угол опережения отличается от оптимального. Видно, что в этом случае локальный коэффициент избытка воздуха в районе свечи зажигания выше допустимого.

Далее в главе представлены результаты расчетного исследования модернизированной системы топливоподачи, предназначенной для подачи жидкого топлива в газодизеле ЧН 18/20. Расчетное исследование показало следующее:

- разработанная схема системы топливоподачи, включающая форсунку с двумя коаксиально расположенными распылителями, имеющими различное суммарное сечение сопловых отверстий, и нагнетательный клапан с разгрузкой постоянного давления (двусторонний клапан) позволяет при правильном подборе соотношений между элементами системы осуществить раздельную подачу малых и больших порций топлива. Это обеспечивает большее давление и продолжительность впрыскивания на малых подачах по сравнению с обычной системой (рис. 11 и 12), что благоприятно для впрыскивания запальной порции топлива в газодизеле;

- рациональным является следующее сочетание конструктивных параметров: суммарное сечение сопловых отверстий для малых подач - 0,19 мм², суммарное сечение сопловых отверстий для больших подач 0,76 мм², давление начала открытия иглы, управляющей открыванием отверстий малого сечения - 100 бар, давление начала открытия иглы, управляющей открыванием отверстий большого сечения 300 бар, давление открытия "прямого" нагнетательного клапана - 3 бар, давление открытия "обратного" нагнетательного клапана - 6,5 бар. При выбранной конструкции и указанном сочетании параметров системы обеспечивается впрыск запальной порции топлива через сопловой аппарат малого сечения на всех скоростных режимах;

- на режимах нагрузочных характеристик, соответствующих работе дизеля от полной нагрузки до холостого хода (от 0,3 до 0,1 г/цикл), подача топлива на основном участке впрыска происходит через все сопловые отверстия одновременно. При этом основные параметры впрыска отвечают требованиям к системам подачи топлива. При подаче больших порций топлива разработанная система обеспечивает эффект "ступенчатой" подачи и повышенное давление впрыска.

Рис. 11. Зависимость перемещения иглы форсунки от угла поворота

кулачкового вала насоса: n = 350 об/мин, g = 0,03 г/цикл;

Рис. 12. Зависимость давления впрыска от угла поворота

кулачкового вала насоса: n = 350 об/мин, g = 0,03 г/цикл

Целью расчетного исследования рабочего процесса судового газодизеля 6Ч 15/18 являлось определение состава смеси и угла опережения впрыска топлива, обеспечивающих получение максимального эффективного КПД на режимах винтовой характеристики при минимальной запальной дозе дизельного топлива.

Рис. 13. Винтовая характеристика газодизеля 3Д6 при различных способах регулирования мощности (g_зп= 0,027 г/цикл)

Минимально возможная запальная доза, при которой обеспечивалось надежное воспламенение газовоздушной смеси во всех цилиндрах, была определена экспериментально и составила – 18 % от номинальной подачи. Полученные зависимости эффективного КПД при различных способах регулирования газодизеля, подтвержденные экспериментально, представлены на рис. 13. На этом же рисунке представлены экспериментальные данные по токсичности и дымности отработавших газов. Сравнение качественного и смешанного способов регулирования мощности газодизеля (варианты 2 и 3, 4) показывает, что при смешанном регулировании значительно повышается эффективный КПД и снижаются выбросы несгоревших углеводородов на режимах частичных нагрузок. С точки зрения достижения максимального эффективного КПД оптимальным является закон регулирования состава смеси и установочный угол опережения впрыска топлива по варианту 3 (рис. 13). Однако в этом случае значительно возрастают выбросы NO_x по сравнению с дизелем, поэтому наиболее предпочтительным является вариант 4 с уменьшенным углом опережения впрыска -30 град. п. к. в. до ВМТ, при котором достигается эффективный КПД, близкий к дизельному режиму, а выбросы NO_x ниже на 20%.

Далее в данной главе рассмотрены принципы выбора характеристик эффективного регулирования состава водородосодержащих топливных смесей, и представлены данные расчетного исследования для двигателя ВАЗ – 2121.

Установлено, что наиболее рациональный состав топливовоздушной смеси на режиме максимальной нагрузки при добавке "чистого" водорода  = 1,0, r=G_H₂/(G_H₂+ G_б) = 0,04. При этом достигается такая же мощность, как у базового бензинового двигателя при  = 0,85, но значительно повышается эффективный к.п.д. и снижаются выбросы СО и С_nH_m. Однако выбросы NO_x возрастают в 2 раза.

Для снижения выбросов NO_x возможно использовать добавку водяного пара в бензоводородовоздушную смесь. В этом случает наиболее рациональный состав смеси  = 1,0, r = 0,04, К = G_H_2О/G_H₂=5,0. При этом выбросы NO_x значительно снижаясь, все же остаются на 20% выше, чем при работе двигателя на бензине с  = 0,85. Наличие водяного пара в топливной смеси ухудшает наполнение цилиндров двигателя и увеличивает продолжительность процесса сгорания, в результате чего на 4% снижается мощность.

Наибольший эффект по снижению токсичности ОГ и улучшению экономичности двигателя при добавке водорода к бензину достигается на режимах частичных нагрузок. Определять параметры состава смеси (, r, K) на этих режимах целесообразно исходя из условия получения наилучшей топливной экономичности. Задача решалась путем построения и анализа расчетных регулировочных характеристик по  для различных добавок водорода. Диапазон возможного варьирования параметров , r, K, определяющих состав многокомпонентной водородсодержащей смеси, ограничен с одной стороны пределом возможного обеднения, с другой стороны – возникновением обратных вспышек в двигателе. Зависимости для определения граничных составов были получены экспериментально. Добавка пара в бензоводородовоздушную смесь снижает эффективный предел обеднения смеси и соответственно к.п.д. двигателя, поэтому на режимах частичных нагрузок добавка водяного пара в топливовоздушную смесь нецелесообразна. Расчетные характеристики регулирования состава бензоводородовоздушной смеси, а также достигаемые при этом значения эффективного к.п.д. двигателя и токсичности ОГ, представлены на рис. 14.

Рис. 14. Регулирование бензоводородного двигателя по максимальному КПД

Наилучшая топливная экономичность двигателя достигается при максимально возможной замене бензина водородным топливом. При этом на режимах больших нагрузок (участок АВ на зависимости ) добавка водорода ограничивается необходимостью достижения требуемой мощности, затем - возникновением обратных вспышек (участок ВС) и, наконец, при Р_е  0,5Р_е (участок СЕ) возможна работа двигателя на водородовоздушной смеси. Регулирование мощности - смешанное (АД- качественное, ДЕ - количественное).

Для получения водорода разработан генератор на основе взаимодействия сплава магния с водой. В генераторе вместе с водородом образуется водяной пар. Вследствие инерционности реакции взаимодействия сплава магния с водой динамично изменять расход водорода невозможно. Поэтому рабочий режим генератора - стационарный, при постоянном расходе водорода, причем система водородного питания автомобиля обеспечивает относительное содержание пара в смеси, поступающей в карбюратор-смеситель, К =5,0. В этом случае, очевидно, расход пароводородной смеси следует устанавливать, исходя из условия обеспечения работы двигателя на минимальных оборотах холостого хода. Характеристики эффективного регулирования состава топливовоздушной смеси при постоянном расходе пароводородной смеси представлены на рис. 15. В этом случае при работе двигателя на максимальной нагрузке только при n = 1000 об/мин возможно обеспечить выбранный состав смеси  = 1,0, r = 0,04. При увеличении частоты вращения двигателя величина добавки водорода к бензину уменьшается и при n = 5400 об/мин составляет около 1%. В связи с этим, чтобы не допустить значительную потерю мощности, смесь необходимо обогащать до  = 0,95.

Наибольшее увеличение эффективного к.п.д. по сравнению с работой двигателя на бензине достигается на частичных нагрузках и происходит как за счет увеличения индикаторного к.п.д., так и механического.

Расчетные данные сопоставлялись с результатами экспериментов на моторном стенде и показали хорошее соответствие.

Рис. 15. Регулирование двигателя ВАЗ-2121 по максимальному КПД при постоянном расходе пароводорода

Проведен сравнительный расчетный анализ возможных вариантов организации рабочего цикла водородного двигателя. Как видно из рис. 14, двигатель с внешним смесеобразованием может работать на водородовоздушной смеси при 2,0. При меньших  возникают обратные вспышки, природа которых заключается в неконтролируемом самовоспламенении водородовоздушной смеси от горячих источников в камере сгорания. Такими источниками, как правило, являются изолятор свечи зажигания, выпускной клапан, остаточные газы. Таким образом, по сравнению с базовым бензиновым двигателем будет примерно 50 % потери мощности при переводе его на водород. Такое решение, очевидно, мало приемлемо.

Расчет, проведенный в предположении, что опасность "хлопков" и ухудшенное наполнение при работе на водороде устранены за счет внутрицилиндровой подачи газа, показывает, что мощность водородного двигателя может быть доведена до номинальной и даже несколько увеличена за счет более быстрого сгорания смеси, т.к. возможна организация рабочего процесса при α = 1. Температуры деталей при этом остаются приблизительно такими же, как при работе на бензине, то есть опасность преждевременного воспламенения сохраняется. Кроме того, концентрация оксидов азота увеличивается, по сравнению с бензиновым вариантом с 0,36% до 0,58%. Следовательно, этот вариант неприемлем по токсичности отработавших газов.

Наиболее очевидным способом компенсации потери мощности является применение газотурбинного наддува при α = 2. Для того, чтобы при этом не было существенного повышения температуры сгорания, требуется охлаждение наддувочного воздуха до 70°С, что вполне осуществимо при использовании современных теплообменников. В этом случае, как показывают расчеты, температура деталей в опасных точках камеры сгорания не выходит за допустимые пределы, а концентрация оксидов азота оказывается такой же низкой, как и при работе на водороде при α = 2 без наддува.

В четвертой главе диссертации приведено описание экспериментальных установок, применявшегося оборудования, измерительной аппаратуры, методики проведения экспериментов. Дана оценка погрешностей результатов измерения. Представлены результаты экспериментальных исследований.

Для исследования рабочего процесса газодизеля была разработана экспериментальная установка на базе судового дизеля 6Ч15/18 (3Д6), дооборудованного необходимой газоподающей аппаратурой. Регулятор частоты вращения был модифицирован для обеспечения возможности переключения в газодизельный режим, при этом предусмотрена регулировка запальной дозы дизельного топлива. Для регулирования подачи газовоздушной смеси предусмотрено две дроссельные заслонки: газовая, управляемая от регулятора частоты вращения, и газовоздушная – с ручным приводом. Это позволяло обеспечить смешанное регулирование мощности газодизеля. Установка была оборудована необходимыми контрольно-измерительными приборами, датчиками, усиливающей и записывающей аппаратурой. Индикаторная диаграмма регистрировалась на ПЭВМ, в которую был установлен модуль аналого-цифрового преобразователя.

Испытания газодизеля проводились на режимах винтовой характеристики, варьировались следующие параметры: величина запальной порции дизельного топлива, угол опережения впрыска дизельного топлива, состав газовоздушной смеси. Задачами экспериментального исследования являлось определение влияния указанных выше параметров на мощностные, экономические и экологические показатели газодизеля, получение данных (рис. 2 – 4), необходимых для математического моделирования тепловыделения в газодизеле, а также экспериментальное подтверждение, полученного расчетным путем, рационального закона регулирования состава смеси газодизеля при работе по винтовой характеристике (рис. 13).

В завершение экспериментальных работ были конвертированы на газодизельный цикл два главных судовых двигателя 3Д6 пассажирского судна проекта Р51 ("Нева – 1") Санкт-Петербургского Пассажирского порта. Судно-газоход прошло необходимые испытания и было допущено к эксплуатации. Экономия дизельного топлива в эксплуатации составила 60 % по сравнению с работой в дизельном режиме. Срок окупаемости переоборудования судна за счет использования более дешевого топлива – природного газа составляет 1 год. В случае учета экологических преимуществ судна-газохода срок окупаемости значительно сократится.

Экспериментальное исследование разработанной системы топливоподачи, включающей форсунку с двумя распылителями, выполнено на установке, смонтированной на стенде для испытания топливных насосов высокого давления EHF-5012 фирмы Hermann Hansmann. В состав стендовой информационно-измерительной системы входят элементы, предназначенные для исследования быстроменяющихся параметров впрыска, и контрольно-измерительная аппаратура для контроля параметров установившихся режимов. Кроме того, стенд был оборудован измерителем характеристики подачи топлива, работа которого основана на регистрации изменения давления в приемной камере, расположенной за распылителем форсунки, истечение из которой происходит через калиброванный жиклер.

При подготовке и проведении экспериментального исследования имелось в виду, что основная работа по выбору конструктивных и регулировочных параметров была выполнена с помощью методов математического моделирования. Поэтому основной задачей экспериментального исследования было подтверждение адекватности расчетных результатов.

Испытания двойной форсунки проводились на режимах дизельного цикла: максимальной подачи g_ц = 0,3 г/цикл при n = 500 и 750 об/мин, частичных подач g_ц = 0,15, 0,1 и 0,05 г/цикл при n = 350, 500 и 750 об/мин, а также на режимах подачи запальной дозы топлива в газодизельном цикле: g_ц = 0,03 г/цикл при n = 350, 500 и 750 об/мин. Результаты экспериментального исследования удовлетворительно совпадают с данными математического моделирования процесса топливоподачи во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. При этом подтвердилось, что параметры системы, полученные расчетным путем, обеспечивают на режимах подачи запальной дозы топлива впрыск топлива без подъема малой иглы с увеличенным давлением впрыска, а при работе на дизельном режиме опытная аппаратура обеспечивает эффект ступенчатой подачи.

Экспериментальные исследования по использованию водорода в качестве топлива для ДВС проводились на моторном стенде с двигателем ВАЗ-2121. В качестве нагрузочного устройства применялся гидравлический тормоз.

Целью экспериментального исследования являлось:

получение данных для построения математической модели рабочего процесса бензоводородного двигателя;
определение границ обеднения топливовоздушных смесей в зависимости от добавки водорода и водяного пара, а также допустимых пределов по добавкам водорода в зависимости от режима работы двигателя, превышение которых приводит к нарушению процесса сгорания;
сопоставление результатов расчетного исследования по определению эффективного способа регулирования состава водородосодержащих топливных смесей с экспериментальными данными;
испытание разработанной топливной аппаратуры, обеспечивающей работу двигателя на бензопароводородовоздушной смеси и оценка эффекта от применения добавки пароводорода.

Основные характеристики стендового генератора водорода следующие:

- диапазон регулирования расхода водорода - 0,03 - 0,8 кг/час

- давление пароводородной смеси на выходе из генератора - 98,1 кПа

- температура пароводородной смеси на выходе из генератора – 25 - 100 С

Содержание водяного пара в пароводородной смеси регулировалось с помощью встроенного в генератор теплообменника, охлаждаемого водой от водопровода.

Для обеспечения требуемых характеристик регулирования состава бензопароводородовоздушной смеси (рис. 15) на основе серийного карбюратора была разработана система питания двигателя, которая обеспечивала возможность работы двигателя и на бензине. Результаты сравнительных испытаний двигателя ВАЗ-2121 при работе на бензине и на бензине с добавкой пароводорода представлены на рис. 16. Как видно из рисунка, применение добавки пароводорода к бензину при регулировании состава смеси по предложенным характеристикам приводит к повышению эффективного к.п.д. на 3-8% при работе по внешней скоростной характеристике. Одновременно с этим выбросы СО снижаются на 1,4 - 2,5 раза, выбросы оксидов азота увеличиваются на 0-25%. На частичных нагрузках увеличение эффективного к.п.д. достигает 25%, выбросы окислов азота снижаются в 1,5-3 раза, а концентрация СО в ОГ не превышает 0,3%.

Системой водородного питания был оборудован автомобиль УАЗ-452В. Для снижения содержания водяного пара в пароводородной смеси, поступающей из генератора водорода в карбюратор-смеситель, была разработана водородная система питания автомобиля, защищенная авторским свидетельством (рис. 17). Снижение содержания водяного пара в смеси обеспечивается смесительным теплообменником, включенным в систему охлаждения двигателя, в которой установлен дополнительный радиатор.

Blog

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород 05. 04. 02 тепловые двигатели