CC BY
45
УДК 621.43
ОЦЕНКА ЭНЕРГИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ПОРШНЕВЫХ ДВС, ОБОРУДОВАННЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИМ НЕЙТРАЛИЗАТОРОМ
В. А. Романов, B.C. Кукис
ESTIMATION OF ENERGY OF EXHAUST GASES OF RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES EQUIPPED WITH CATALYST CONVERTER
V.A. Romanov, V.S. Kukis
Приведены результаты определения энергетических показателей газов, выбрасываемых в атмосферу из каталитического нейтрализатора (КН), установленного в выпускной системе дизеля КамАЗ-740 в виде многопара-метровых характеристик, а также и при его работе на эксплуатационных режимах дизелей грузовых автомобилей при движении по городскому и междугороднему циклам.
Ключевые слова: каталитический нейтрализатор, энергия отработавших газов, выпускная система.
The article gives the results of energy datum definition of gases emitted into the atmosphere from catalyst converter installed in the exhaust system of Ka-mAZ-740 diesel engine in the form of multi-parameter characteristics, as well as at its work in operation conditions of truck diesels during movement in city and inter-city cycles.
Keywords: catalyst converter, energy of exhaust gases, exhaust system.
В работе [1] показано, что эффективность утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС заметно повышается, если утилизационная установка будет использовать энергию этих газов после прохождения их через каталитический нейтрализатор, оборудованный системой подачи в него дополнительного воздуха (рис. 1).
1 2 3 4 5
14 13 12 11 10 9 8 7 6
Рис. 1. Принципиальная схема каталитического нейтрализатора с утилизационным сгирлинг-генератором: 1 - полость перед сажевым фильтром; 2, 11 - наружная полость окислительного блока; 3 - внутренняя полость окислительного блока; 4 - наружная полость восстановительного блока; 5 - утилизационная стирлинг-генераторная установка; 6 - электрический провод; 7 - теплоизоляция; 8 - нагнетатель воздуха; 9 - восстановительный блок; 10 - воздухопровод; 12 - окислительный блок; 13 - патрубок входа отработавших газов; 14 - сажевый фильтр
В работе [2] была произведена оценка энергетических показателей потока продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу из КН уходящих газов (УГ) при работе поршневых ДВС по скоростной и нагрузочной характеристикам. Полученные и обсуждаемые в этой работе материалы о количестве и качестве теплоты (определяется количеством работы, которая может быть совершена), теряемой дизелем КамАЗ-740 при работе по внешней скоростной и нагрузочной характеристикам, весьма полезны для осуществления идеи утилизации этой теплоты и получения за этот счет дополнительной мощности. Однако в эксплуатации транспортный двигатель работает на самых различных режимах. В статье продолжен анализ энергетических показателей УГ применительно к реальным условиям эксплуатации.
Оценивалось изменение: энергии потока теплоты, принципиально пригодной для утилизации ( С)уг); термической эксергии (количества работы, которая может быть получена из теплоты
С)^ (ЕхТуг )); энергии потока теплоты, передаваемой для утилизации (С)^); эксергии, передаваемой рабочему телу утилизационной установки (); потенциальной степени использования термического потенциала УГ (^); потенциальной степени использования эксергии потока УГ ( ґех ); характеристики работоспособности потока теплоты УГ ( т6уг); характеристики работоспособности утилизируемой теплоты (т ).
ут
На рис. 2, 3 и 4 в качестве примера показаны многопараметровые характеристики, позволяющие оценить изменение Оот. Ехт
У1 хуг
и тЄугв функции нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.
Отметим, что два первых показателя при испытаниях оценивались во времени, в результате чего единицами их измерения служили киловатты.
Найденные в отношении Оот, Ехт и
■У1 *уг
тСуг закономерности отражают два основных
очевидных факта. Тепловой поток, выбрасываемый в атмосферу с УГ, увеличивается как с ростом частоты вращения коленчатого вала двигателя, так и с повышением нагрузки. В первом случае это связано с тем, что рост п приводит к увеличению количества рабочих циклов, а следовательно, и количества уходящих из дизеля в единицу времени газов.
Во втором случае (с ростом нагрузки) увеличивается цикловая подача топлива, что приводит к незначительному повышению количества УГ и к весьма заметному повышению их температуры. Кроме того, происходящее при этом уменьшение коэффициента избытка воздуха несколько увеличивает теплоемкость продуктов сгорания.
Многопараметровые характеристики для С>"г, С>™, , С>£™, Ех"уг, Ех™, Ех£,
Ех^н, Ихи соответствующих коэффициентов работоспособности внешне схожи с рассмот-
ренными выше (см. рис. 2-4), поэтому мы сочли возможным их не проводить.
Для определения количества теплоты, отводимой от УГ для последующей утилизации, ее эксергии и величины коэффициента работоспособности в условиях эксплуатации, был проведен специальный эксперимент, в котором было использовано распределение полигонов эксплуатационных режимов дизелей грузовых автомобилей при движении автомобиля в городе и по шоссе [5] (рис. 5).
Рис. 2. Зависимость энергии потока теплоты, принципиально пригодной для утилизации, от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала
Ne.кВт
139.5
] 24,0
108.5
93.0
77.5
62.0
46.5 31,0
15.5
-=г* 0
Рис. 3. Зависимость термической эксергии энергии потока теплоты принципиально пригодной для утилизации, от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала
Рис. 4. Зависимость коэффициента работоспособности потока теплоты, принципиально пригодной для утилизации, от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала
Проведенные измерения и расчеты показали следующее.
При работе дизеля КамАЗ-740 в указанных условиях его средняя эффективная мощность 1ч^ксп составляет 110,6 кВт (рис. 6). Потери теплоты с УГ в случае штатной комплектации двигателя составили 80,5 % от >^ксп (89,0 кВт). Если дизель укомплектован КН, то УГ уносят в атмосферу 102 кВт энергии в форме теплоты (92,2 % от М^ксп). Добавление воздуха в нейтрализатор доводит рассматриваемые потери до 115,4 кВт (до 104,3 % по отношению к 1ч[^ксп ). Теряемая с УГ
Рис. 5. Вероятностное распределение полигонов эксплуатационных режимов дизелей грузовых автомобилей при движении по городскому и междугороднему циклам
по 100 -90 80 70 60 -50 -40 -30. -20 10 о
/ 4 1111
у 102.0 /
1111
Ех»
Л / 59, 7
1111 3 íííííííS / 'Ш/
У 54,7 А ¡(1
/
1/ 47'4 / 37
Q5
41.:
ЕхїГ
Рис. 6. Эксплуатационная величина энергетических показателей уходящих газов: 1 - дизель КамАЗ-740; 2 - при работе с КН; 3 - при подаче дополнительного воздуха в нейтрализатор
термическая эксергия соответственно составляет 50,7 кВт (45,8 % от ^ксп ), 66,8 кВт (60,4 % от
1^ксп) и 79,4 кВт (71,8 % от ^ксп ). В случае установки в выпускную систему дизеля утилизационного двигателя Стирлинга ему от УГ передается для последующей трансформации в работу 47,4
кВт теплоты (42,9 % от >^ксп) при штатной комплектации двигателя; 54,7 кВт (44,5 % от ]ч^ксп )
при наличии КН и 59,7 кВт (54,0 % от >^ксп) при добавлении в нейтрализатор воздуха.
Термическая эксергия перечисленных потоков теплоты соответственно составляет 31,7 кВт
(28,7 % от ^ксп), 37,6 кВт (34,0 % от 1ч^ксп) и 41,2 кВт (37,3 % от >^ксп). Приведенные цифры
свидетельствуют о существенном увеличении энергетических показателей УГ при установке в выпускную систему дизеля КН, особенно при добавлении в нейтрализатор воздуха. Так в случае
использования КН С>^сп увеличивается на 14,6 %, а добавление воздуха в нейтрализатор повышает (ЗурСП еще на 15,1 %. Таким образом, общее увеличение С^сп составляет 29,7 %. В отношении Ех^п соответствующие цифры выглядят так: 31,8, 24,9 и 56,7 %. К теплоте, передаваемой ДС с целью последующей утилизации, установка КН добавляет 7,3 кВт (15,4 %), подача дополнительного воздуха еще 5 кВт (10,5 %). В общем итоге увеличивается на 25,9 %. Соответствующие эксергетические показатели повышаются на 5,9 кВт (18,6 %), на 3,6 кВт (11,5 %) и на
9,5 кВт (на 30,1 %).
Результаты экспериментов, касающиеся fq , ^ , теуг и теут , приведены в таблице.
Некоторые энергетические характеристики уходящих газов дизеля КамАЗ-740 в условиях эксплуатационных режимов дизелей грузовых автомобилей при движении по городскому и междугороднему циклам
Комплектация выпускной системы г-ЭКСП q г-ЭКСП ех эксп ^ е уг эксп ^ е ут
Штатная 0,377 0,625 0,570 0,669
С каталитическим нейтрализатором 0,369 0,563 0,655 0,688
С добавлением воздуха в каталитический нейтрализатор 0,357 0,519 0,689 0,690
Выводы
1. Отработавшие газы дизеля КамАЗ-740 обладают значительным термическим потенциалом, сравнимым по абсолютной величине с эффективной мощностью двигателя.
2. Установка в выпускную систему дизеля каталитического нейтрализатора и особенно добавление в него воздуха существенно повышают количество и качество теплоты, теряемой с уходящими газами. Так, в последнем случае на режиме номинальной мощности составляет
164.5 %, а Ех^ - 118,3 % от NeH0M . На режиме максимального крутящего момента эти показатели достигают 118,3 и 81,6 %от NChom соответственно. При эксплуатации автомобиля КамАЗ-5404 с дизелем КамАЗ-740 в городских условиях Q^cn превышает NgKCn на 4,3 %, а Ех^п составляет 71,8 % от NgKCn .
3. Количества теплоты и ее эксергии, которые могут быть переданы рабочему телу утилизационного двигателя Стирлинга, весьма велики. На режиме номинальной мощности это 135,2 и
97.5 кВт, на режиме максимального крутящего момента - 75,3 и 51,9 кВт соответственно. В условиях городской эксплуатации Q^3KCn составляет 59,7 кВт, Ех^эксп -41,2 кВт.
4. Приведенные в пп. 1, 2 и 3 цифры свидетельствуют о существовании значительных резервов повышения мощностных и экономических показателей дизеля КамАЗ-740 за счет утилизации теплоты уходящих из него газов.
Литература
1. Кукис, B.C. Повышение эффективности утилизации теплоты отработавших газов ДВС / B.C. Кукис, В.А. Романов //Ilpaifi TaepiucKoi державног агротехтчно\ академи. - Вип. 7. — Том 9.
— Мелитополь, 2008. - С 52-60.
2. Кукис, B.C. Энергетические показатели потока продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу из каталитического нейтрализатора / B.C. Кукис, В А. Романов // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: материалы научно-технической конференции, посвященной 40-летию кафедры двигателей. - Челябинск: Изд-во ЧВВАКИУ, 2008.
- С. 43-49.
3. Парсаданов ИВ. Повышение качества и конкурентоспособности дизелей на основе комплексного топливно-экологического критерия / ИВ. Парсаданов. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2003 — 244 с.
Поступила в редакцию 10 июня 2009 г.
Романов Виктор Анатольевич. Кандидат технических наук. Директор Федерального государственного унитарного предприятия «15 центральный авторемонтный завод» Министерства обороны Российской Федерации, г. Новосибирск. Область научных интересов -рабочие процессы поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Viktor A. Romanov. Candidate of engineering science. The director of the Federal state unitary plant “15 central auto repairplant” of the Ministry of Defense of the Russian Federation, Novosibirsk. Area of scientific interests - working processes of piston internal combustion engines.
Кукис Владимир Самойлович. Доктор технических наук, профессор кафедры двигателей Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (военного института), заслуженный деятель науки Российской Федерации. Область научных интересов - рабочие процессы поршневых двигателей внутреннего сгорания, утилизация тепловых потерь поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Vladimir S. Kukis. Doctor of engineering science, professor at the Engines department of the Chelyabinsk Higher Military Automobile Command-Engineering School (Military Institute), honoured worker of science of the Russian Federation. Area of scientific interests - working processes of piston internal combustion engines, salvage of thermal losses of piston internal combustion engines.
