Зниження викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами транспортних дизелів шляхом конвертування їх в газові двигуни - Автореферат

В світі цієї тенденції відбувся миттєвий перехід від перших експериментів із вугільним пилом, який спочатку пробували використовувати в якості палива для дизелів до дизельного палива нафтового походження. Подальше зниження вмісту вуглецю в паливі означає зниження процентного вмісту у відпрацьованих газах дизеля токсичних речовин, що містять вуглець (CO, NMHC, тверді частки, ПАВ, альдегіди та ін.). Цей шлях поліпшення екологічних показників транспортних дизелів потребує значно менших витрат матеріальних ресурсів, ніж використання складних і дорогих у виготовленні і в експлуатації дизельних паливних систем і систем очищення відпрацьованих газів від шкідливих речовин, тому в сучасних умовах він вважається оптимальним. В України проблема забруднення навколишнього середовища токсичними речовинами, що містяться у відпрацьованих газах дизелів, також стоїть досить гостро, тому проблема покращання екологічних показників транспортного дизеля за рахунок зниження викидів з відпрацьованими газами шкідливих речовин на сьогоднішній день є актуальною. В роботі пропонується конвертувати дизель в двигун з високоенергетичною системою іскрового запалювання, що працює на стиснутому природному газі.

Основні положення дисертаційної роботи опубліковано в семи роботах, шість з яких - у фахових виданнях ВАК України.

Обсяг і структура дисертації

Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та _ додатків. Повний обсяг дисертації складає ___ сторінки; з них __ ілюстрацій у тексті; __ ілюстрацій на __ сторінках; __ таблиць на __ сторінках; ___ найменувань використаних джерел на __ сторінках; _ додатки на __ сторінках.

Основний зміст згоряння газ двигун

У вступі обґрунтовується актуальність розроблюваної теми дисертації, формулюється її мета та основні завдання дослідження, визначаються шляхи їх вирішення, надається інформація про наукову новизну та практичну цінність роботи, визначається особистий внесок здобувача в одержані результати досліджень.

В першому розділі виконаний аналіз шляхів поліпшення екологічних показників транспортних дизелів, в тому числі за рахунок їх конвертації на стиснутий природний газ. Аналіз досліджень, присвячених екологічним аспектам використання стиснутого природного газу в якості моторного палива, показав можливість істотного зниження викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами при конвертації дизельних ДВЗ на СПГ. Так, вміст моноксида вуглецю СО, неметанових вуглеводнів NMHC, канцерогенних речовин і твердих часток у вихлопі стає нехтовно малим, а викиди NOX істотно знижуються. Таким чином, конвертація частини автомобільних двигунів на стиснутий природний газ дозволить істотно покращити екологічну обстановку в місцях, де використовується автомобільний транспорт. При цьому обгрунтовано, що такий шлях покращення екологічних показників транспортних дизелів значно дешевший, ніж використання складних і дорогих сучасних дизельних паливних систем (насос-форсунки, common-rail та ін.)

В якості прикладу на рис. 1 наведено результати дослідження, проведеного в одному з автобусних парків м. Вашингтон - середній рівень викидів шкідливих речовин автобусів Orion з дизельними двигунами Detroit Diesel Series 50 (чорний колір) і з такими ж дизелями, конвертованими на СПГ (білий колір).

Як можна бачити з рис. 1, заміна дизельних ДВЗ на газові дозволила знизити викиди транспортними засобами СО - приблизно в 10 разів, NOX - в 2 рази, CH - в 1.2 рази, викиди твердих частинок з відпрацьованими газами стали нехтовно малими.

Проведенный аналіз шляхів максимальної реалізації потенційних можливостей стиснутого природного газу в якості моторного палива показав, що використання двопаливних двигунів, що працюють як на стиснутому природному газі, так і на рідкому паливі, неефективно. Хоча цей спосіб має ряд переваг, він не дозволяє повною мірою реалізувати переваги, які надає високе октановое число стиснутого природного газу. Аналіз показав, що найкращі екологічні показники буде мати двигун, що працює тільки на газовому паливі.

Другий розділ присвячений вдосконаленню математичної моделі, що дозволяє виконати розрахунок процесу згоряння газового ДВЗ з високоенергетичною системою запалювання з метою вибору оптимальних значень параметрів роботи газового двигуна.

Для розрахунку кривої тепловиділення було обране рівняння І.І. Вибе

, (1) де - кут початку згоряння, град. пкв; - кут, що відповідає тривалості згоряння, град. пкв; m - показник характеру згоряння.

Порівняння кривих тепловиділення, розрахованих за рівнянням (1), з експериментальними, показало недостатню адекватність цієї математичної моделі експериментальним результатам. Тому у запропонованій методиці постійний показник m замінюється на залежність виду

, (2) де t - відносний час. Моменту початку згоряння відповідає t=0, кінцю згоряння - t=1; х - частка палива, що вигоріла на момент часу t.

Для визначення змінного показника m з експериментальних кривих тепловиділення була розроблена методика, в основі якої знаходиться рівняння

(3) де i - порядковий номер елементу в масиві; ti - час, що пройшов з початку згоряння; tz - загальна тривалість згоряння; xi - частка палива, що вигоріла на момент часу ti; mi - значення змінного показника m у момент часу ti. Кінець згоряння визначається моментом, коли х=0.999.

Враховуючи, що при х=0.999 ln (1-xz)= -6.908, в результаті логарифмування рівняння (3) по ti/tz отримуємо

, (4)

. (5)

Як наслідок, рівняння для розрахунку визначення змінного показника m з експериментальних кривих тепловиділення приймає наступний вигляд

. (6)

У третьому розділі описана методика експериментального дослідження газового ДВЗ 6Ч13/14 з високоенергетичною системою запалювання, конвертованого з дизельного двигуна ЯМЗ-236.

Зняття індикаторних діаграм здійснювалось за допомогою вимірювального комплексу «ІВК ДВЗ» на базі персонального компютера ІВМ РС із спеціальним модулем аналого-цифрового перетворення, програмним забезпеченням і комплектом периферійних пристроїв вимірювальної апаратури, до якої належать датчики, підсилювачи електричних сигналів, джерела живлення та електричні лінії зєднання.

Вимірювання тиску в циліндрі виконувалося за допомогою тензодатчика. Окрім того, використовувались оптичні датчики ВМТ і кута повороту колінчастого валу, змонтовані в одному корпусі. Тарування датчику тиску в циліндрі проводилося за допомогою поршневого манометру перед кожним випробуванням і після нього.

Індикаторна діаграма, відмітки ВМТ та відмітки кута повороту колінчастого валу записувались паралельно. Копія екрану процедури зняття індикаторної діаграми наведена на рис. 2.

Вибір представницької індикаторної діаграми здійснювався наступним чином. На встановленому режимі роботи двигуна оброблялись на pi 240 суміжних індикаторних діаграм. Далі визначалось усереднене значення pi, за яким підбиралась представницька індикаторна діаграма. Ця діаграма вибиралася для подальшої обробки.

Обробка індикаторних діаграм газового двигуна виконувалось з допомогою методики, розробленої на кафедрі ДВЗ.

Для скорочення обсягу експериментальних досліджень використовувався ортогональний математичний план другого порядку для чотирьох факторів на трьох рівнях. Для виконання цього плану необхідно провести експеримент всього в 25 точках. Як змінні величини використовувалися: - коефіцієнт надлишку повітря ?;

- кут випередження запалювання q, град. пкв до ВМТ;

- частота обертання колінчатого валу n, хв-1;

- середній ефективний тиск Ре, МПА.

Діапазони варіювання цих величин наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Діапазон варіювання змінних величин у математичному плані експерименту ? q n Pe

- град. пкв до ВМТ хв-1 МПА

1 32 1000 0

1.25 36 1550 0.5

1.5 40 2100 1.0

В четвертому розділі наведені результати розрахунково-експериментального дослідження газового двигуна 6Ч13/14 з високоенергетичною системою запалювання.

Проведений аналіз впливу параметрів режиму роботи двигуна на форму кривої показника m і на величину тривалості згоряння ?z дозволив одержати наступні розрахункові залежності.

Зміна показника m в процесі згоряння

, (4) де ti - відносний час, ti = 0…1; n - частота обертання двигуна, хв-1; ? - коефіцієнт надлишку повітря; ? - кут випередження запалювання, град. пкв до ВМТ; ?v - коефіцієнт наповнення.

Тривалість згоряння, град. пкв до ВМТ

, (5)

На рис. 3, 4, 5 наведені результати розрахунків при постійному значенні показника m, визначеному за методом найменших квадратів, і при змінному показнику m, визначеному за методикою, що наведена вище, у порівнянні з результатами експерименту.

З таблиці 2 видно, що при обробці індикаторної діаграми, розрахованої за методом Вибе з постійним значенням показника m, погрішність визначення індикаторного тиску склала 5.4%, в той час як при розрахунку за методикою зі змінним значенням показника m похибка визначення pi склала 2.7%.

Таблиця 2. Результати розрахунку середнього індикаторного тиску

Величина pim pim? pi

Значення 0. 792 0. 771 0. 751

При порівнянні розрахункових та експериментальних діаграм за максимальною величиною тиску згоряння pz також видно, що запропонована методика забезпечує більш точну відповідність експериментальним результатам (таблиця 3).

Таблиця 3. Порівняння розрахункових та експериментальних індикаторних діаграм по pz

Величина pzm pzm? pz

Значення 6.94 6.75 6.61

З таблиці 3 видно, що похибка розрахунків максимального тиску згоряння по методу з постійним показником m становить 4.9%, а за методикою зі змінним значенням показника m - 2.1%.

Оптимальне з точки зору забезпечення найкращіх екологічних показників газового двигуна значення коефіцієнту надлишку повітря знаходиться в межах ?=1.35…1.5, в залежності від частоти обертання колінчастого валу і навантаження.

Значення кута випередження запалювання, що забезпечує оптимальні екологічні показники газового двигуна, знаходиться в межах q=35…41°пкв, в залежності від частоти обертання колінчастого валу і навантаження.

На рис. 6 і 7 наведені оптимальні з точки зори забезпечення мінімального рівня викидів шкідливих речовин значення коефіцієнтів надлишку повітря і кутів випередження запалювання для всіх можливих режимів роботи газового ДВЗ з високоенергетичною системою запалювання, тобто для всіх можливих комбінацій ефективного крутного моменту Me, Н·м, та частот обертання n, хв-1, в діапазоні, що досліджувався.

Конвертація дизельного двигуна в газовий за екологічною схемою призводить до наступних результатів (рис. 8, рис. 9).

На режимі холостого ходу при n = 1000 хв-1 і Ре = 0 МПА вміст NOX у відпрацьованих газах при конвертації дизельного двигуна в газовий за екологічною схемою знижуются на 20%. Зниження викидів СО при цьому складає 60%, однак вміст СН у відпрацьованих газах при цьому збільшується - на 25%.

При збільшенні навантаження із зберіганням постійного значення частоти обертання різниця вмісту NOX у відпрацьованих газах дизеля та газового двигуна суттєво зростає, при цьому на всіх режимах роботи викиди NOX дизельним двигуном перевищують викиди цієї речовини газовим.

Так, при n = 1000 хв-1 збільшення навантаження з Ре = 0 МПА до Ре = 1.0 ця величина зростає з 20% до 55%. При цьому спостерігається зниження викидів СО газовим двигуном з ростом навантаження. Завдяки цьому досить суттєва різниця за викидами СО між дизелем та газовим двигуном на режимі холостого ходу при збільшенні Ре до 1.0 МПА сягає величини 68%. При частоті обертання n = 2100 хв-1 ці величини приймають значення 75% і 79% відповідно. При навантаженні Pe = 0.4…0.6 МПА різниця викидів СО найменша і складає 61…65%.

При збільшенні навантаження вміст СН у відпрацьованих газах дизеля суттєво не змінюється до величини навантаження Pe = 0.6 МПА, але потім спостерігається його зростання. В той же час викиди цієї речовини газовим двигуном з ростом навантаження постійно зменшуються. Як наслідок, при відсутності навантаження викиди СН газового двигуна перевищують викиди цієї речовини базовим дизелем (при n = 1000 хв-1 - на 25%, при n = 2100 хв-1 - на 12%), але при збільшенні навантаження ця величина починає зменшуватися, і при досягненні навантаження Ре = 0.6…0.8 МПА вміст СН у відпрацьованих газах дизеля починає перевищувати викиди цієї речовини газовим двигуном. На режимах максимального навантаження викиди СН дизеля перевищують вміст цієї речовини у відпрацьованих газах двигуна на СПГ на 20…50%, в залежності від частоти обертання колінчастого валу двигуна.

На режимах мінімальних обертів викиди СН дизеля нижчі від викидів газового двигуна на 15…40%, але при частотах обертання колінчастого валу, перевищуючих n = 1500-1800 хв-1, концентрація СН у відпрацьованих газах дизеля перевищує аналогічний показник двигуна, що працює на СПГ, на величину до 45%.

Зниження викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами при конвертації дизельного двигуна в газовий, в залежності від режиму роботи, складає: NOX - 15-60% %, СО - 55-80%, викиди СН збільшуються на 10% або зменшуються на 30%. При цьому викиди СН газового двигуна в основному складаються з нетоксичного метану, а викиди СН двигуна, що працює на дизельному паливі - з високотоксичних неметанових вуглеводнів NMHC.

Висновки

У дисертаційному дослідженні поставлена та вирішена науково-практична задача - визначення можливостей та умов поліпшення екологічних показників транспортного дизеля щляхом конвертування його в газовий двигун (на прикладі дизеля ЯМЗ-236). Рішення даної задачі дозволило одержати наступні наукові і практичні результати: 1. Вдосконалена математична модель процесу згоряння та утворення шкідливих речовин у відпрацьованих газах, що дозволяє оцінювати вплив параметрів роботи двигуна на показники цього процесу.

2. Розроблений метод експериментального дослідження газового двигуна 6Ч13/14.

3. Розроблена методика визначення змінного показника m з індикаторної діаграми, що дозволяє розробити рівняння залежності змінного показника m від параметрів робочого процесу газового двигуна з іскровим запалюванням.

4. Отримані аналітичні залежності, що дозволяють виконати розрахунок тривалості згоряння, а також зміни показника m в в залежності від параметрів роботи газового двигуна з високо енергетичною системою запалювання.

5. Зниження викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами при конвертації дизельного двигуна в газовий, в залежності від режиму роботи, складає: NOX - 15-60% %, СО - 55-80%, викиди СН збільшуються на 10% або зменшуються на 30%. При цьому викиди СН газового двигуна в основному складаються з нетоксичного метану, а викиди СН двигуна, що працює на дизельному паливі - з високотоксичних неметанових вуглеводнів NMHC.

6. Розроблені тримірні характеристичні карти значень коефіцієнтів надлишку повітря та кутів випередження запалювання в залежності від частоти обертання та ефективного крутного моменту газового двигуна 6Ч13/14 з високоенергетичною системою запалювання, призначені для використання в мікропроцесорній системі управління двигуном.

7. Результати дослідження і програмні комплекси передані для використання і впровадження державному підприємству «Харківський автомобільний ремонтний завод №126», науково-дослідній лабораторії кафедри ДВЗ ХНАДУ, а також використовуються у навчальному процесі при підготовці студентів спеціальності 7.090210 - двигуни внутрішнього згоряння в ХНАДУ.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Богомолов В.А., Абрамчук Ф.И., Кабанов А.Н., Салдаев С.В. Перспективы применения природного газа в качестве топлива для автомобильных дизелей // Автомобильный транспорт. ? Харьков: ХНАДУ. ? 2005. ? №16. ? С. 247 - 249. Здобувачем виконаний аналіз вітчизняної та закордонної літератури з метою оцінки перспектив використання природного газу в якості моторного палива для автомобільних дизелів.

2. Богомолов В.А., Абрамчук Ф.И., Манойло В.М., Кабанов А.Н., Салдаев С.В. Экспериментальная установка для доводки систем зажигания и управления газовым двигателем с искровым зажиганием 6Ч 13/14 // Авто Газо Заправочный комплекс Альтернативное топливо. ? Москва: АГЗК АТ. ? 2005. ? №4 (22). ? С. 42 - 45. Здобувач приймав участь у встановленні систем запалювання та керування двигуном на експериментальний стенд.

3. Абрамчук Ф.И., Кабанов А.Н., Салдаев С.В. Реализация возможностей сжатого природного газа при использовании его в качестве топлива для ДВС // Автомобильный транспорт. ? Харьков: ХНАДУ. ? 2005. ? №17. ? С. 61 - 66. Здобувачем зібрані, систематизовані та проаналізовані дані по економічним та екологічним показникам двигунів, що працюють на дизельному пальному та СПГ.

4. Абрамчук Ф.И., Кабанов А.Н., Салдаев С.В. Расчет процесса сгорания газового двигателя с высокоэнергетической системой зажигания // Автомобильный транспорт. ? Харьков: ХНАДУ. ? 2006. ? №18. ? С. 100 - 103. Здобувачем проведено розрахункове дослідження процесу згоряння газового ДВЗ.

5. Абрамчук Ф.И., Кабанов А.Н. Расчетная оценка эколого-химических показателей газового двигателя с высокоэнергетической системой искрового зажигания // Автомобильный транспорт. ? Харьков: ХНАДУ. ? 2007. ? №20. ? С. 63 - 67. Здобувачем проведено розрахункове дослідження утворення шкідливих речовин у відпрацьованих газах двигуна на СПГ.

6. Абрамчук Ф.И., Кабанов А.Н. Методика расчета процесса сгорания газового двигателя с высокоэнергетической системой зажигания // Двигатели внутреннего сгорания. ? Харьков: НТУ «ХПИ». ? 2007. ? №2. ? С. 67 - 73. Здобувачем уточнена методика розрахунку процесу згоряння газового двигуна, розроблена методика отримання змінного показника m з експериментальної індикаторної діаграми.

7. Богомолов В.А., Абрамчук Ф.И., Манойло В.М., Воронков А.И., Салдаев С.В., Кабанов А.Н. Особенности конструкции экспериментальной установки для проведения исследований газового двигателя 6Ч13/14 с искровым зажиганием // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. ? Харьков: ХНАДУ. ? 2007. ? №37. ? С. 43 - 47. Здобувач приймав участь у розробці креслень деталей експериментального стенду з газовим ДВЗ та у експериментальній перевірці методу розрахунку процесу згоряння газових ДВЗ.

Размещено на .ru