Обоснование методов конвертации дизелей без наддува и с наддувом на питание природным газом с обеспечением норм по токсичности (15.05.2009)
Автор: Шишлов Иван Геннадьевич
Материалы диссертации используются в учебном процессе Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) при чтении лекций, курсовом проектировании, выполнении бакалаврских работ, дипломных проектов и диссертаций на звание магистра для студентов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» (140501). Научно-техническая разработка, проведенная при выполнении диссертационной работы по газовому двигателю без наддува, доведена до стадии внедрения при создании опытных образцов автобусов А-4216 и ЛИАЗ-5256. Апробация работ: Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях в МАДИ (ГТУ) (1997…2005г.г.), в МГТУ им. Н.Э. Баумана (1997г.), на международной конференции по автомобилям, питаемым газом топливом, NGV в городе Yokohama, Япония, в 2000г., на симпозиуме "ROZRUCH SILNICOV SPFLINOWYCH" в городе Szczecin, Польша в 2000 г., на 7-й международной научной конференции "SILNIKI GAZOWE" в городе Czestochow, Польша в 2006 г., на 1-й и 2-й международных конференциях «Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов» в городе Москве в 2005 г. и 2006 г. Публикации результатов исследования: по теме диссертации опубликовано 27 работ, из них в изданиях рекомендованным перечнем ВАК-1, в виде публикаций докладов на международных конференциях -5, в том числе, 3 на иностранных языках, 7 патентов РФ. На защиту выносятся следующие основные результаты исследования: расчетно-экспериментальное обоснование необходимости, для обеспечения мощности базового дизеля без наддува, снижения избытка воздуха в газовом двигателе до значений, при которых требуется принятие мер по снижению выбросов оксидов азота; результаты опытов по исследованию влияния охлаждаемой рециркуляции отработавших газов и впрыскивания мелко распыленной воды во впускной коллектор на выбросы оксидов азота и мощностные показатели газового двигателя без наддува; система питания V-образного газового двигателя без наддува для центральной эжекционной подачи газа, обеспечивающая точное поддержание по блокам близкого к стехиометрии состава смеси на режимах холостого хода и полной нагрузки при существенном обеднении смеси (до (=1,5...1,6) на остальных режимах работы; расчетно-экспериментальное обоснование необходимости подбора управляемой системы наддува для газового двигателя с наддувом, обеспечивающей работу на бедных смесях при достижении запаса крутящего момента (30%; экспериментальное обоснование необходимости использования в нейтрализаторах газовых двигателей палладиевого катализатора для эффективного снижения выбросов с отработавшими газами метана; результаты обеспечения на двигателях без наддува норм ЕВРО-3 и с наддувом норм ЕВРО-5 (за исключением выбросов метана по которым выполняются нормы ЕВРО-3).. Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 220 страницах, в т.ч. 112 стр. машинописного текста, содержит 57 рисунков и 33 таблицы. Список литературы содержит 97 наименования, в т.ч. 19 на иностранных языках. 37 стр. занимают Приложения. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены научная новизна и практическая ценность работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту. В первой главе проанализированы энерго-экологические проблемы автотранспортного комплекса, связанные с постоянным приростом парка автотранспортных средств, сопровождающегося значительным ростом масштабов потребления традиционных топлив нефтяного происхождения и заметным загрязнением окружающей среды, что диктует необходимость всё более широкого использования перспективных и альтернативных видов топлива. Применительно к России природный газ можно считать наиболее перспективным моторным топливом в ближайшие десятилетия XXI века. В РФ большой вклад в исследование и разработку газовых двигателей внесли Луканин В.Н., Генкин К.И., Морозов К.А., Хачиян А.С., Панов Ю.В., Пронин Е.Н., Савельев Г.С., Гайворонский А.И., Кавторадзе Р.3., Лукшо В.А., Карницкий В.В., Лупачев П.Д. и др. Приведен обзор способов конвертации дизелей на питание природным газом и анализ ряда работ, показавший, что информация о последних разработках газовых двигателей нередко носит ознакомительный, рекламный характер и практически не содержит результатов научных исследований. Поэтому проблемы, связанные с созданием таких двигателей, требуют пристального внимания и исследования. На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования: Исследовать возможность обеспечения стабильности частоты вращения холостого хода при работе двигателя в составе автобуса с гидромеханической коробкой передач, разработать рекомендации по усовершенствованию системы управления двигателем. Выполнить анализ причин необходимости снижения коэффициента избытка воздуха применительно к газовым двигателям без наддува для сохранения мощности базового дизеля до значений, при которых достаточно высокими оказываются выбросы оксидов азота. Исследовать возможность обеспечения перспективных норм по токсичности при конвертации дизеля без наддува в газовый двигатель без наддува, имеющего мощностные показатели базового дизеля, применением охлаждаемой рециркуляции отработавших газов, впрыска воды на режимах полной нагрузки и максимального крутящего момента. Разработать систему питания V-образного двигателя для центральной эжекционной подачи газа, обеспечивающей точное поддержание близкого к стехиометрии состава смеси по обоим блокам на режимах холостого хода и полной нагрузки при обеспечении существенно бедной смеси на остальных режимах. Исследовать возможность обеспечения действующих норм по токсичности (включая выбросы метана) при конвертации дизеля без наддува в газовый двигатель без наддува, имеющий мощностные показатели базового дизеля, применением подобранного катализатора в нейтрализаторах, устанавливаемых на обоих блоках Исследовать возможность сохранения мощности базового дизеля с наддувом и обеспечения высокого запаса крутящего момента в газовом двигателе, работающем на бедных смесях ((=1,5...1,6), несмотря на крайне узкий диапазон варьирования избытком воздуха, выбором системы управляемого наддува. Исследовать возможность обеспечения действующих норм по токсичности при конвертации дизеля с наддувом в газовый двигатель с наддувом, имеющего мощностные показатели базового дизеля, применением специально подобранной системы нейтрализации отработавших газов. Вторая глава посвящена расчетным исследованиям циклов газового двигателя и выбора системы наддува. Расчеты проведены по методикам и программам, разработанным ранее в МАДИ (ГТУ) под руководством профессора А.С.Хачияна. Сравнивая параметры цикла дизеля и газового двигателя при равных избытках воздуха(( = 1,6), можно отметить следующее: Среднее индикаторное давление в газовом двигателе без наддува с внешним смесеобразованием ниже, чем в дизеле на 8,3…8,7% вследствие снижения зv и зi. Параметры, характеризующие механические и тепловые нагрузки на детали в газовом двигателе существенно ниже. Исключение составляют лишь максимальная температура цикла и температура газов в выпускном трубопроводе. Различия эти, однако, невелики и не могут повлиять заметным образом на надежность работы газового двигателя. Для обеспечения равной мощности в газовом двигателе необходимо обеспечить более высокое давление наддува за счет уменьшения минимального сечения подвода газов к колесам турбины. Для получения качественных и количественных данных о влиянии различных факторов на показатели цикла газового двигателя без наддува, с тем, чтобы использовать их при составлении программы экспериментов и анализе их результатов были проведены расчетные исследования влияния на показатели цикла коэффициента избытка воздуха, давления во впускном трубопроводе (положения дроссельной заслонки), частоты вращения и угла опережения воспламенения. Характеристики тепловыделения определялись по формуле Черняка-Ефремова. Следует отметить, что пределы изменения показателей характеристик тепловыделения в формуле Черняка-Ефремова были ранее определены с использованием характеристик тепловыделения, полученных расчетным путем по индикаторным диаграммам, снятым на газовом двигателе КАМАЗ без наддува. При расчетах диссоциации использованы исследования К.А.Морозова. (=1,3…1,4 (эти сведения были в дальнейшем использованы при выборе состава смеси на большинстве режимов работы двигателя без наддува и на всех режимах двигателя с наддувом). Обеднение смеси в исследованных пределах приводит к росту (i цикла на 12,75%. При этом существенно сни-жается максимальная температура заряда (Tmax) с 2711 К до 1776,3 К. Это, несомненно, учитывая гомогенность заряда, приведет к резкому снижению Рис.1. Зависимости основных показателей цикла газово- содержания оксидов азота го двигателя без наддува от коэффициента избытка (NOX) в отработавших га- воз духа (n=2200 мин-1, ?=12,9, полный дроссель) зах двигателя, что под- твердилось при проведении экспериментов. Однако, снижение температуры заряда в момент начала открытия выпускного клапана с 1414,9 К до 993,9 К, несомненно, затруднит эффективное окисление несгоревших углеводородов, особенно метана, в нейтрализаторе и окажет влияние на выбор газотурбокомпрессора. Уменьшение давления во впускном трубопроводе (прикрытие дроссельной заслонки) (см. рис.2) сопровождается заметным снижением теплоиспользования (на 21,4…23,4%). Причиной снижения КПД цикла, как это следует из расчетного анализа, являются заметное увеличение при неизменной поверхности теплообмена относительных потерь в систему охлаждения (Qw/Q1) на 18,2%...35,2% для ?=1,0 и на 16,6%...35,5% для ? =1,6.Происходит рост температур заряда, в том числе, средней результирующей по теплообмену темпера-туры, как следствие увеличения коэффициента остаточных газов. Однако, абсолютное количество теплоты, теряемой в среду охлаждения, уменьшается из-за уменьшения интенсивности теплоотдачи. Основное влияние на снижение интенсивности теплоотда- Рис.2. Влияние давления во впускном трубопроводе (поло- чи оказывает, очевид- жения дроссельной заслонки) в газовом двигателе но, существенное без наддува на показатели цикла (n=2200 мин-1, уменьшение плотнос- ?=12,9) ти заряда. |