CC BY
11Анализ возможности применения топлив с низкой удельной теплотой сгорания в ДВС
С.В. Гусаков,
зав. кафедрой Российского университета дружбы народов (РУДН),
профессор, д.т.н.,
И.В. Афанасьева,
аспирантка РУДН,
Х. Мурад,
аспирант РУДН
В статье представлены результаты расчетно-теоретического анализа применимости топлив с низкой удельной теплотой сгорания в двигателях внутреннего сгорания за счет применения инновационных рабочих процессов с внутренней рециркуляцией теплоты и самовоспламенением от сжатия гомогенных топливно-воздушных смесей.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, низшая теплота сгорания топлива, процесс с самовоспламенением гомогенной смеси от сжатия, рециркуляция теплоты.
Analysis of the possibility of using fuels with low specific heat of combustion in internal combustion engines
S.V. Gusakov, I.V. Afanasieva, H. Murad
In article results of calculation and theoretical analysis of the applicability of fuels with low specific heat of combustion in internal combustion engines through innovative work processes with internal recirculation of heat and spontaneous ignition from compression of homogeneous fuel-air mixes.
Keywords: internal combustion engine, lower heating value of fuel, process with homogeneous charge of compression ignition, recycling of heats.
Широкое применение практически во всех сферах деятельности человека двигателей внутреннего сгорания (ДВС) сделало их одним из основных потребителей органического топлива нефтяного происхождения. Среди различных классификационных признаков ДВС можно выделить следующие: стационарные двигатели и двигатели, используемые в качестве силовых установок транспортных средств. Двигатели обоих типов могут незначительно отличаться по своей конструкции, важно другое - транспортному средству с ДВС
требуется иметь определенный запас топлива, емкость для хранения которого на борту этого средства не должна существенно снижать его грузоподъемность, увеличивать габариты и ухудшать другие потребительские качества. Поэтому удельная энергетическая емкость топлива, применительно к двигателям внутреннего сгорания (низшая теплота сгорания), имеет для транспортных ДВС важное значение, следствием чего является, как правило, ориентация на жидкие моторные топлива, получаемые переработкой нефти.
Вопрос об организации системы питания топливом стационарного ДВС в силу специфики его эксплуатации всегда являлся второстепенным. Поэтому такие двигатели потенциально могут использовать низкокалорийное топливо без снижения потребительских качеств энергоустановки в целом. Однако, за исключением ряда специфических условий применения (например, привода насосов на перекачивающих станциях магистральных газопроводов), в качестве стационарных двигателей используются те же самые двигатели, которые изначально проектировались как транспортные: автомобильные, тракторные, тепловозные и др. Этим объясняется то, что принципы организации рабочего процесса в этих двух классах двигателей одинаковы, конструкции систем питания топливом аналогичны и, как следствие, стационарные ДВС так же ориентированы на традиционные виды топлива.
В двигателях с искровым зажиганием, прежде всего, с успехом используются компримированный природный (КПГ) и сжиженный углеводородный (СУГ) газы. Существует опыт эксплуатации такого типа ДВС на горючих газах, получаемых газификацией твердого топлива, преимущественно древесины (генераторный газ), или путем анаэробной переработки органических отходов сельскохозяйственного производства или крупных городов (биогаз). Традиционно сложилось, что эффект от применения альтернативного топлива прежде всего принято оценивать по той мощности, которую при работе на нем развивает двигатель в сравнении с работой на традиционном виде топлив. Так, например, номинальная мощность ДВС заметно снижается при работе на генераторном газе и биогазе, что связано с наличием в их составе негорючих составляющих. Это послужило одной из причин отказа от положительного опыта эксплуатации газогенераторных автомобилей. Однако сейчас ситуация по оценки эффекта применения альтернативных видов топлив кардинально меняется. В одних случаях, как например, с диметилэфиром, на первое место выходят экологические
аспекты их применения, в других, например, с рапсовым маслом, - соображения энергетической безопасности и экономической выгоды.
Несомненно, что экономические и экологические критерии являются основными, и конверсия двигателя для работы на альтернативном виде топлива не должна в качестве обязательного условия подразумевать сохранение номинальной мощности двигателя. Основываясь на этом подходе, рассмотрим в качестве потенциальных видов топлив такие, которые до настоящего времени таковыми не считались в силу своей малой энергоемкости.
В мире постоянно ведутся исследования, направленные на поиск способов сжигания сверхнизкокалорийных топлив, таких как газы, выходящие из угольных шахт, некоторые промышленные газы, газы канализационных стоков и др. Одна из современных концепций получения энергии из потенциальных топлив состоит в повышении температурного уровня окисления горючих составляющих за счет рециркуляции теплоты при горении.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в этом случае количество рециркулирую-щей теплоты может более чем в два раза превышать количество теплоты, выделяющейся в ходе сгорания топлива [1]. Концентрация топлива,
соответствующая пределу воспламенения, снижается в три и более раза. Одним из технических решений, позволяющих осуществить сгорание очень бедных смесей, является создание условий для теплообмена между продуктами сгорания и свежей смесью, как, например, это реализовано в лабораторной горелке, показанной на рис. 1.
Устройство изготовлено в форме двойной спирали Архимеда из полос металла внешним диаметром около 10 см. Торцы герметизированы и покрыты тепловой изоляцией. Образовавшийся газовый тракт имеет сечение 4x35 мм.
Проведенные исследования показали возможность устойчивого горения при расходе 350...600 мл/с мета-новоздушных смесей при снижении содержания метана в воздухе до 1,7 %, когда стандартный предел воспламенения СН4 составляет 5,3 %.
Удельная мощность процесса горения в установке составляет
= 6см СНС„ Ни
Ят 100У„
^ 3,4 МВ т/м ,
где 0см = 0,6^10-3 м3/с - объемный расход метановоздушной смеси;сСН4=5,3 % - содержание метана в смеси (соответствующее нижнему концентрационному пределу воспламенения при нормальных условиях);
Ни = 33,7 МДж/м3 - низшая теплота сгорания метана; V = 0,314^10-3 м3
Рис. 1. Схема устройства для сжигания смесей с очень низким теплосодержанием при интенсивной рециркуляции теплоты [2]
- рабочий объем камеры сгорания и теплообменника для сжигания метана (диаметр 10 см, толщина около 4 см).
Удельная мощность установки в сравнении с ДВС невысокая. Так, средняя мощность на 1 л рабочего объема современных автомобильных бензиновых поршневых двигателей составляет Ne/Vh = 45,6 кВт/дм3 при средней степени сжатия е = 9,5 [3]. Так как сгорание в двигателях с искровым зажиганием происходит вблизи ВМТ, то для оценки удельной мощности горения следует привести мощность не к рабочему объему цилиндра, а к объему камеры сгорания = Vh / (е - 1). Поршневой двигатель - машина периодического действия, поэтому следует учитывать, что процесс сгорания в ней идет не непрерывно. Приняв, что основная стадия процесса сгорания составляет приблизительно 60° угла поворота коленчатого вала, то есть примерно Т1ф = 1/12 от двух его оборотов, за которые осуществляется рабочий цикл 4-тактного ДВС, можно оценить среднюю удельную мощность двигателя
9дас = МеУн{-г~Г) = 4650 МВт/м3.
Лр
Как видно, оценочная удельная мощность тепловыделения в ДВС более чем на два порядка превышает мощность, реализуемую в горелке с рекуперацией энергии. Поэтому такой способ не реализуем в камерах сгорания поршневых двигателей, так как при имеющейся высокой интенсивности выделения энергии для ее даже частичной рекуперации потребовались бы чрезмерно громоздкие теплообменные устройства.
Следует отметить, что в ДВС при осуществлении рабочего процесса по сути реализуется принцип рекуперации энергии. Действительно, воздушному заряду сообщается в процессе его сжатия некоторая энергия, являющаяся частью энергии, запасаемой в виде кинетической энергии движущихся масс и маховика во время рабочего хода двигателя (рис. 2).
Понятно, что основной целью предварительного сжатия рабочего тела в ДВС является повышение термодинамического КПД цикла, однако взгляд на сжатие-расширение
Рис. 2. Расчетное изменение внутренней энергии рабочего тела, отнесенное к количеству теплоты, выделившейся при сгорании цикловой подачи топлива в ДВС с искровым зажиганием при 0Ц/5П = 80/80 мм; е = 9,5; а - 1,02; л = 5000 мин-1
с позиции передачи энергии из одной части цикла в другую позволяет несколько иначе оценить проблемы сгорания топлива.
С ростом температуры топливо-воздушной смеси нижний концентрационный предел (НКП) воспламенения смещается в область более бедных смесей. По мнению А.С. Соколика [4], подогрев смеси вызывает такое снижение НКП горения, что адиабатическая температура горения остается неизменной, то есть уменьшение теплоты сгорания приблизительно компенсируется повышением начальной энтальпии смеси. Исходя из положения о постоянстве адиабатической температуры горения, можно вычислить НКП в зависимости от начальной температуры смеси [5]. Известно, что при постоянном объеме адиабатическая температура обедненных смесей определяется как Н„
обеднения для данного типа двигателя (при аНКП = 1,25) адиабатическую температуру Т . = 2391 К.
1 J \ J ад min
Преобразовав формулу для адиабатической температуры к виду
1-
Я„
CvCTiämm Г0)
получим зависимость для определения степени обеднения смеси (коэффициент избытка воздуха), при которой будет достигаться найденная адиабатическая температура для различных начальных температур смеси.
Зависимость НКП горения от начальной температуры смеси приведена ниже:
Т, К.....500 600 700 800 900 1000
а,,,
.1,25 1,32 1,41 1,50 1,60 1,72
Для использования в ДВС различных альтернативных топлив, в том числе и низкосортных, а также смесей бедного состава, в работе [6] предлагается метод повышения температуры конца сжатия путем так называемого сверхадиабатического сжатия. Это связано с экономией расхода топлива и улучшением экологических параметров двигателя при работе на обедненных смесях.
Авторы базируются на идее уменьшать количество топливно-воз-душного заряда в цилиндре ДВС на малых нагрузках путем снижения его плотности, то есть повышая начальную температуру смеси при атмосферном давлении на впуске, вместо снижения давления в цилиндре за счет прикрытия дроссельной заслонки при температуре смеси, равной температуре окружающей среды [7]. Предварительный подогрев позволяет существенно расширить область использования бедных смесей при устойчивой работе двигателя.
Это не единственный способ интенсифицировать химические реакции горения в бедных смесях. Имеются данные по применению для этих
(а /0+1)с„ ' где Т0 - начальная температура смеси, К; Ни - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; а - коэффициент избытка воздуха; /0 - теоретическое количество воздуха (кг), необходимое для сгорания 1 кг топлива; су - средняя массовая теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кг^К).
Таким образом, приняв температуру конца сжатия в двигателе с принудительным воспламенением Т0 = 500 К, получим на пределе
£0 3 0 40 50
Рис. 3. Рабочий диапазон HCCI-двигателя [7]
Параметры двигателя с искровым при Du/Sn = 80 / 80 мм;
зажиганием (Диз) и HCCI-двигателя б = 9,5; n = 50013 мин1
Параметры Диз Номера рабочих точек HCCI-двигателя (см. рис. 3)
1 2 3 4 5 6
а 1,0 5,0 4,75 3,75 2,75 1,3 2,5
EGR, % 0 0 23 50 52 31 0
фс,°пкв 60 17 18 17 22 12 6
мпа 3,42 3,17 2,77 2,24 2,28 5,42 5,05
(dp/dy)^, МПа/°ПКВ 0,09 0,21 0,16 0,14 0,12 0,80 1,29
UK 2929 1362 1272 1295 1444 2418 1985
N¡v кВт 19,4 5,10 4,14 3,37 4,33 12,5 9,78
"П/ 0,389 0,511 0,511 0,506 0,496 0,470 0,49
г/(кВт-ч) 206 157 157 158 161 170 163
5цик' мг 26,6 5,3 4,3 3,6 4,6 14,1 10,7
целей источников активных частиц, например, плазматронов [8].
Перспективным методом организации рабочего процесса поршневых двигателей является процесс с самовоспламенением от сжатия гомогенного заряда (HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition). Следует отметить, что HCCI-процесс может быть осуществлен на различных видах топлива: дизельном, бензине, диметилэфире, природном газе при обеспечении соответствующего регулирования начала воспламенения [9]. Как показано в работе [7], двигатель с самовоспламенением гомогенного заряда сохраняет работоспособность при степени рециркуляции EGR отработавших газов до 55 % и коэффициенте избытка воздуха около 5 (рис. 3). Используя программу расчета рабочего цикла HCCI-двигателя [10] были проанализированы точки, через которые проходят линии, ограничивающие поле рабочих режимов (таблица). Для сопоставления приведен расчет классического рабочего процесса.
Из приведенной таблицы видно, что HCCI-двигатель развивает максимальную мощность, составляющую около 64 % (точка 5) от мощности двигателя с искровым зажиганием.
Как указывалось ранее, это расплата за возможность высокоэффективно использовать энергетический потенциал топлива и иметь низкую токсичность отработавших газов. На всех режимных точках HCCI-двигатель
имеет индикаторный КПД выше, чем у двигателя с искровым зажиганием на номинальном режиме, и, соответственно, более низкий индикаторный расход топлива. Причиной тому - предельно малая продолжительность тепловыделения. Однако следствием этого является на 59 % более высокое максимальное давление цикла на номинальном режиме (точка 5), высокие давления на средних (точка 6) и даже малых нагрузках (точка 1) и, что особенно важно, предельно высокая скорость его нарастания. Именно эта
скорость обусловливает ограничение поля возможных режимов работы при уменьшении коэффициента избытка воздуха. Характерным для НСС1-дви-гателя является уровень максимальной температуры цикла, которая значительно ниже, чем в двигателе с принудительным зажиганием. Это и определяет ультранизкие концентрации оксидов азота в отработавших газах НСС1-двигателя.
Как видно из приведенныхданных, двигатель с самовоспламенением от сжатия допускает достаточно сильное разбавление свежего заряда отработавшими газами. Цикловая подача топлива на режимной точке 3 в 7,4 раза меньше цикловой подачи в двигателе с искровым зажиганием при работе на стехиометрической смеси. Следовательно, НСС1-двигатель оказывается работоспособным на очень бедных топливовоздушных смесях, лежащих далеко за стандартными концентрационными пределами воспламенения. Это открывает возможность использования в качестве моторного топлива газов, содержащих малый процент горючих веществ и ранее не рассматривавшихся как энергоносители, особенно если речь идет о стационарных ДВС, в которых удельные показатели, например, по мощности, не являются определяющими.
Литература
1. Карасев Г.К., Доровский А.Я. Некоторые сведения о шахтном метане // Экологические системы (http://www.shestopalov.org/sh_hp/arc12.htm). - 2006. - № 1.
2. Lloids S.F., Weinberg F.J. // Nature. - 1974. - Vol. 251. - P. 48.
3. Современные подходы к созданию дизелей для легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков / А.Д. Блинов, П.А. Голубев, Ю.Е. Драган и др.; под ред. В.С. Папонова и А.М. Минаева. - М.: НИЦ «Инженер», 2000. - 332 с.
4. Соколик А.С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 428 с.
5. Макаров А.П. Совершенствование параметров рабочего процесса биогазовой модификации малоразмерного двигателя. - Дисс. на соиск. канд. техн. наук. - М.: РУДН, 2002.
6. Николаев В.М., Шмелев В.М. О сжигании бедных смесей в ДВС со сверхадиабатическим сжатием. - Материалы Х научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей». - Владимир, 2005.
7. Ramos J.I. Internal Combustion Engine Modeling. HPB, New York, 1984. - Р. 422.
8. Гармай А.С., Гальченко В.П. Конвертирование двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с использованием плазмо-электро-химических технологий для работы на природном и синтез-газе. - Тезисы докладов международной конференции «Образование через науку», М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - С. 55-56.
9. Zhili Chen, Mitsuru Konno, Mitsuharu Oguma, Tadanori Yanai. Experimental Study of CI Natural-Gas/DME Homogeneous Charge Engine / SAE Technical Paper Series, 01 № 0329, 2000.
10. Эль-Гхобаши Эль-Хагар М.М. Разработка методов управления рабочим процессом двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда. - Дисс. на соиск. канд. техн. наук. - М.: РУДН, 2004.
