Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Хрипач Николай Анатольевич. Совершенствование экологических и топливо экономических показателей работы двигателя с принудительным зажиганием применением предварительной термохимической конверсии метанола : Дис. ... канд. техн. наук : 05.04.02 : Москва, 2004 199 c. РГБ ОД, 61:04-5/1411

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

стр.
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава 1. ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

КАК СПОСОБ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И

ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ

СРЕДСТВ 13

  1. Проблемы экологии и энергетики автотранспорта 13

  2. Нормирование экологических и энергетических показателей автотранспортных средств и пути их улучшения. 20

  3. Организация процесса предварительного термохимического преобразования топлива в составе системы питания двигателя, 30

  4. Выводы, постановка цели и задач диссертационной работы 53

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА
ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТОПЛИВ В СОСТАВЕ
СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ 58

  1. Эффект термохимической регенерации тепловой энергии отводимой в рабочем цикле комбинированной энергетической установки, включающей систему предварительной конверсии топлива 58

  2. Особенности показателей рабочего цикла двигателя с термохимической регенерацией отводимой теплоты 64

  3. Вопросы математического моделирования явлений переноса теплоты в системе выпуска двигателя с системой термохимического преобразования топлива. Тепловой расчет реактора 78

  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

  1. Задачи экспериментальных исследований 127

  2. Экспериментальная установка и оборудование 128

  3. Методика проведения исследований на моторном стенде 139

  4. Оборудование, аппаратура и методы проведения исследований двигателя в составе автомобиля на стенде с беговыми барабанами 145

  5. Оценка погрешностей измерений 152

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 156

4.1 Результаты термометрирования выпускного тракта двигателя при

его работе на метаноле 156

  1. Результаты исследования по оценке аэродинамического сопротивления реактора конверсии метанола 164

  2. Результаты исследования влияния режимных параметров двигателя с опытной системой конверсии метанола на эффективность термохимической регенерации теплоты ОГ 166

  3. Исследования топливо экономических показателей двигателя с термохимической регенерацией теплоты ОГ 171

  4. Исследования экологических показателей двигателя с системой

питания с термохимическим реактором конверсии метанола 180

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 186

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ 188

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

рс- среднее эффективное давление, МПа;

ра- давление воздуха на впуске в двигатель, МПа;

pz- максимальное давление цикла, МПа;

Т - текущая температура, К;

Тэкв- эквивалентная температура среды, К;

п - частота вращения коленчатого вала, мин*1;

Ne - эффективная мощность, кВт;
W М- - эффективный крутящий момент, Нм;

GT- часовой расход топлива, кг/ч;

ge - удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ч);

GB - часовой расход воздуха, кг/ч;

а - коэффициент избытка воздуха ;
' tjv-коэффициент наполнения;

9 - угол опережения зажигания, град, п.к.в;

R - универсальная газовая постоянная, 8314,3 Дж/(кмоль.К);

L — работа, Дж;

Pi - среднее индикаторное давление в цилиндре, МПа;
# gi - удельный индикаторный расход топлива, г/(кВт ч );

р - плотность, кг/м3;

- удельный объем, м3/кг;

- объем, м ;

S - ход поршня, м;

D - диаметр цилиндра, м;

cv- изохорная теплоемкость, Дж/(кг К);

ср- изобарная теплоемкость, Дж/(кг К );

w - степень термохимической регенерации;

х - степень повышения теплотворной способности топлива в ТХР;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К);

5 H„ - низшая топлива сгорания топлива, кДж/кг, кДж/м3;

І, і — энтальпия, удельная энтальпия, Дж, Дж/кг;

s - энтропия, Дж/К.

Индексы:

Вып - выпуск

Вп - впуск

Вх - вход

Вых - выход

max - максимальная величина

min - минимальная величина

Ср - средняя величина

о — значение параметров при условиях окружающей среды

Сокращения:

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

КС - камера сгорания

ЦПГ - цилиндропоршневая группа

ТХР - термохимический реактор

ТКР - термокаталитический реактор

ПТХР - продукты термохимической реакции

ПКМ - продукты 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.

Подобные работы
Сапожников Сергей Валерьевич
Улучшение основных показателей работы двигателя с искровым зажиганием путем применения альтернативного топлива и обоснования оптимальных температурных режимов
Филатов Александр Сергеевич
Исследование влияния добавки эфир- альдегидной фракции этилового спирта в дизельное топливо на показатели работы дизельного двигателя
Девянин Сергей Николаевич
Улучшение эксплуатационно-технических показателей быстроходного дизеля совершенствованием процесса впрыскивания и распыливания топлива
Кибяков Евгений Иванович
Совершенствование экологических показателей дизелей при одновременном использовании антидымных присадок в топливо и каталитической нейтрализации отработавших газов
Полухин Евгений Евгеньевич
Улучшение эксплуатационно-технических показателей транспортного дизеля путем совершенствования системы регулирования угла опережения впрыскивания топлива
Смекалин Василий Васильевич
Влияние геометрических характеристик впускной системы на энергетические показатели и межцилиндровую неравномерность работы автомобильного двигателя
Коробицин Николай Анатольевич
Анализ влияния показателей газотурбинных установок на базе конвертированных авиационных двигателей на эффективность их работы в автономном режиме и в составе электростанций
Люхтер Александр Борисович
Повышение эффективности работы системы конверсии метанола и рабочего процесса энергоустановки на базе ДВС
Кадхем Нассер Сальман
Совершенствование системы впрыска жидкого топлива для газодизеля
Шашев Александр Валентинович
Совершенствование рабочего процесса дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием при использовании в качестве топлива рапсового масла

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net