Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Улучшение экологических показателей дизеля за счет добавления к основному заряду водородосодержащих газовых смесей

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Имад М-Д Аль-Джунейди, Москва

/

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи

ИМ АД М-Д АЛЬ-ДЖУНЕЙДИ

УДК 621.436.038

УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ ЗА СЧЕТ ДОБАВЛЕНИЯ К ОСНОВНОМУ ЗАРЯДУ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

05.04.02 - Тепловые двигатели

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук В.М.ФОМИН

Научный консультант:

кандидат технических наук Ю.Л.МАСЛОВ

Москва - 1998

СОДЕРЖАН И Е

Перечень условных обозначений

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ работ, посвященных исследованию использования водородосодер-

жащих газообразных продуктов (синтез-газов) в дизелях в качестве сред-

1.1. Возможности улучшения эколого-экономических показателей дизеля за счет использования добавок водородосодержащих газовых смесей .

1.2. Получение реакционно активных газообразных продуктов в системах конверсии топлив.......................

1.3. Качественный состав продуктов конверсии твердого топлива биологи-й 1 ческого происхождения.....................

Глава 2. Исследование процесса получения водородосодержащих продуктов и эффективности их использования в качестве средств улучшения показателей

дизеля .............................

2.1. Физико-химические основы термохимического преобразования биомассы в газообразные продукты...................

2.2. Условия реализации процесса термохимической переработки биомассы в газообразные водородосодержащие продукты..........

2.3. Исследование влияния добавок водородосодержащих продуктов, введенных в дизель, на его экономические показатели......

2.4. Исследование влияния добавки к основному заряду водородосодержа-щего компонента на экологические показатели дизеля . ......

ства повышения их показателей

"

1.4. Задачи исследования

Глава 3. Экспериментальная установка и оборудование. Методика проведения

исследований. Оценка погрешностей измерений ..........."^'0

3.1. Задачи экспериментальных исследований.............

3.2. Экспериментальная установка и оборудование...........

3.3. Методика проведения исследований...............

3.4. Оценка погрешности измерений.................

Глава 4. Экспериментальное изучение показателей дизеля, работающего с добав-*

кой к основному заряду продуктов термохимической переработки топлива растительного происхождения..................

4.1. Исследование процесса газификации твердого топлива в термохимическом реакторе .........................

4.2. Исследование топливно-экономических показателей дизеля, работающего с добавкой к основному заряду продуктов конверсии биомассы (древесины).......................... .

4.3. Исследование экологических характеристик дизеля при его работе с добавками продуктов термохимической переработки биомассы (древесины) ..........................

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.................

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Ре - среднее эффективное давление, МПа; Ра- давление воздуха на впуске в двигатель, МПа; Р2- максимальное давление цикла, МПа; \/ Р - текущее дваление в цилиндре, МПа;

Т - текущая температура рабочего тела в цилиндре, К;

Тэкв - эквивалентная температура среды, К;

п - частота вращения коленчатого вала, мин1;

Ые - эффективная мощность, кВт;

Ме - эффективный крутящий момент, Нм;

От - часовой-расход топлива, кг/ч;

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

Ов - часовой расход воздуха, кг/ч;

а - коэффициент избытка воздуха;

г|У - коэффициент наполнения;

О - угол опережения подачи топлива, град.п.к.в.;

и - период задержки самовоспламенения, мкс;

Ф1- угол, соответствующий периоду задержки самовоспламенения, град.п.к.в.; Р) - среднее индикаторное давление в цилиндре, МПа; & - удельный индикаторный расход топлива, г/( кВт-ч); р - плотность, кг/м3;

V - удельный объем, м3/кг;

V - объем, м3;

Б - ход поршня, м;

D - диаметр цилиндра, м;

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

СР- изобарная теплоемкость, Дж/(кг\К);

ф7- обшая продолжительность сгорания, град.п.к.в.

ИНДЕКСЫ

Вып. - выпуск; вп. - впуск; вх. - вход; вых. - выход;

тах - максимальная величина; min - минимальная величина; ср. - средняя величина.

СОКРАЩЕНИЯ

ДВС - двигатель внутреннего сгорания; КС - камера сгорания; ЦПГ - дилиндро-поршневая группа; ТНВД - топливный насос высокого давления; ЛДВ - линия высокого давления; ХАС - химически активное соединение; ТХР - термохимический реактор; ПТХП - продукты термохимической переработки.

ВВЕДЕНИЕ

Защита окружающей среды и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов являются важнейшими мировыми проблемами. Одним из источников загрязнения природной среды все в большей степени становятся двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Ежегодно с отработавшими газами (ОГ) двигателей в атмосферу поступает более 10 миллионов тонн загрязняющих веществ. В большинстве стран проблема снижения выбросов с ОГ ДВС в настоящее время выросла до "уровня неотложных социально-экономических проблем. Одновременно с этим по-прежнему остается актуальной проблема снижения эксплуатационного расхода топлива установок с ДВС.

Общепризнанно, что одним из радикальных направлений в решении указанных проблем является дизелизация. Мировой опыт эксплуатации дизелей показывает, что основными токсическиш! компонентами ОГ этих двигателей являются оксиды азота и

сажа.

- -

Топливная экономичность и токсичность ОГ дизелей в условиях эксплуатации изначально определяется совершенством их конструкции. При этом одним из основных путей решения проблем экономии топлива и снижения выбросов с ОГ токсичных продуктов сгорания является совершенствование процесса сгорания.

Значительное число известных методов улучшения процесса сгорания основано на предположении неизменности характеристик топлива, участвующего в этом процессе, и химизма (кинетики) его окисления. Однако за последние годы наметилась тенденция к поиску новых нетрадиционных путей подхода к решению проблемы на основе метода, предусматривающего известную трансформацию характеристик топлива, а, следовательно, и процесса его сгорания в дизеле, а также влияние на кинетический механизм окисления за счет повышения реакционной способности

углеводородно-воздушной среды путем введения в нее реакционно активных компонентов, имеющих более низкую энергию активации в реакциях окисления углеводородов. Одним из возможных путей активации (промотирования) процесса сгорания топлива в камере сгорания (КС) дизеля с целью более полного превращения его химической энергии в полезную работу дизельного цикла и снижения содержания вредных веществ в продуктах сгорания является предварительная термохимическая переработка (газификация) твердого топлива растительного происхождения с последующим использованием этих продуктов в качестве активирующих добавок к основному заряду.

Начиная с начала 80-х годов, в мировой исследовательской практике отмечается определенный интерес к решению проблемы токсичности и экономичности ДВС, в частности, дизелей именно этим путем. В России работы по этому направлению проводятся в МГТУ им. Н.Э.Баумана, НИКТИД, РУДН и др. организациях и научно-исследовательских цсчирах. К сожалению, но достигнутому уровню все эти работы до настоящего времени еще не вышли из стадии поисково-опытных разработок, а многие аспекты исследуемой проблемы не нашли своего рационального решения.

Настоящая работа посвящена исследованию возможностей дальнейшего совершенствования рабочих процессов дизеля путем введения активных (водородосодержащих) продуктов термохимического преобразования твердого топлива в цилиндры двигателя, а также изучению условий оптимального функционирования системы переработки твердого топлива биологического происхождения с учетом требований рациональной организации рабочего процесса дизеля по показателям токсичности, топливной экономичности.

На защиту выносятся:

■ физико-химический механизм термохимического преобразования твердого биотоплива в водородосодержащие газообразные продукты;

■ методика определения содержания основных горючих компонентов в составе синтезированной газовой смеси с учетом условий организации процессов термохимической конверсии биотоплива;

■ установленные пределы оптимального содержания конверсионных продуктов в топливно-воздушной смеси, при которых достигается одновременное улучшение экологических и экономических качеств дизеля;

■ экспериментальные материалы по эколого-экономическим показателям дизеля при его работе с добавками к основному заряду продуктов термохимического преобразования биотоплива;

■ рекомендации по организации рабочего процесса дизеля, работающего с добавками к основному заряду, поступающему в цилиндры, продуктов термохимической газификации твердого топлива растительного происхождения.

Глава 1.

Анализ работ, посвященных исследованию использования водородосодержащих газообразных продуктов (синтез-газов) в дизелях в качестве средства повышения их

показателей

Наиболее эффективным методом улучшения санитарно-гигиенических и топливно-экономических качеств дизелей является метод воздействия на внутрицилиндровые процессы, протекающие с образованием токсических веществ и оказывающие решающее влияние на термодинамическую эффективность цикла. Известны и уже практически реализованы методы такого воздействия: оптимизация степени сжатия и параметров топливоподачи, уровня форсирования, режимов воздухоснабжения и охлаждения, а также применения рециркуляции ОГ, водотопливных эмульсий и др. Однако применение перечисленных мероприятий, как правило, сопровождается возникновением ряда негативных эффектов. В частности, как показывает анализ опытных данных, любое воздействие, направленное на сокращение выхода с ОГ оксидов азога, приводит к снижению эффективности термодинамического цикла и повышению расхода топлива. Проблема усложняется еще и тем, что любое мероприятие, связанное с уменьшением содержания в продуктах сгорания оксидов азота, обычно сопровождается ростом содержания в них СО и сажи.

Между тем, современные и особенно перспективные требования к техническому уровню и качеству дизелей требуют одновременного снижения удельного расхода топлива и выбросов вредных веществ, в первую очередь - оксидов азота и сажи, определяющих на 90 - 95% общую токсилогическую вредность дизельного выхлопа [1,2, 3,4].

Очевидно, что в этих условиях необходим поиск новых решений данных взаимосвязанных и противоречивых проблем, а также мер, способствующих одновременному снижению расхода топлива, дымности и токсичности ОГ.

Априори, для рациональной организации рабочего цикла дизеля желательно иметь эффективный и, по возможности, универсальный «инструмент» целенаправленного воздействия на процессы цикла, определяющие его экономические и экологические качества. При этом концепция, реализующая возможность совершенствования рабочих процессов дизеля на основе применения физико-химических средств воздействия на них, на наш взгляд, представляется наиболее перспективной. Данная концепция логична по своей сущности: внутрицилиндровые процессы (явления), протекающие в дизеле, по своей природе (кинетическому механизму) связаны с физико-химическими превращениями углеводородно-воздушной среды, а, следовательно, и средства воздействия на них должны быть технологически подобными этим превращениям. Реакционно способным физико-химическим средством, в принципе, можно обеспечить строгую индивидуальную направленность реализуемого воздействия на кинетику реагирующей топливно-воздушной смеси, обеспечивая при этом улучшение как экологических, так и экономических показателей дизельного цикла. Доказательством этому являются результаты ряда исследований по применению химически активных средств, осуществленных в РУДН за последнее десятилетие [5, 6, 7, 30, 31].

В этих работах, результаты которых были подтверждены рядом других исследований [8, 19, 29, 43], показано, что существует принципиальная возможность рационализировать способ организации рабочего процесса дизеля, усовершенствуя его одновременно по экологическим и топливно-экономическим качествам.

Аналогичную цель преследуют и работы, направленные на поиск возможностей замены традиционных моторных топлив альтернативными, а также на поиск присадок

или добавок, частично заменяющих топливо и позволяющих активизировать процесс сгорания основного топлива, и тем самым повысить качественный уровень эколого-экономических показателей [28, 59]. Различные варианты использования горючих добавок с высокой реакционной способностью рассмотрены, например, в работах [19, 20, 44, 53].

Особое место среди активизирующих добавок, используемых в двигателях, занимает водород [12, 13, 14, 16, 23]. Высокая эффективность его воздействия на рабочие процессы двигателя связана, в первую очередь, с необычайно высокой нормальной скоростью сгорания этого газа. Гак, если для дизельного топлива эта величина по отдельным группам углеводородов имеет значения [16]: для парафиновых 32 - 37 см/с, ароматических - 38,5 см/с, циклических - 35 см/с, то для водорода этот показатель равен 267 см/с. Заметим, что для окиси углерода нормальная скорость сгорания превышает 41 см/с.

1.1, Возможности улучшения эколого-экономических показателей дизеля за счет использования добавок водородосодержащих газовых смесей

Из многочисленных источников [12, 13, 14, 16, 17, 23] явствует, что использование водорода является эффективным средством улучшения экологических и топливно-экономических показателей ДВС. Рассматриваются возможности использования водорода как в качестве самостоятельного вида топлива, где дизельное топливо используется только в качестве запального [12, 16, 17], так и в качестве присадки к основному топливу [14, 23]. При этом отмечается улучшение экономических и токсических характеристик дизеля как при работе с относительно большими добавками водорода (до 5% по массе по отношению к основному топливу), так и при малых добавках (0,02 - 0,1%) [13, 14, 23]. При добавке водорода в количестве 1,5 г/квт-ч

экономия топлива составляет 18 г/квт-ч, а при добавке 9 г/квт-ч водорода -соответственно экономится топливо до 37 г/квт-ч [14].

/

Важным моментом является определение величины присадки водорода к <

дизельному топливу, при которой сгорание водородно-дизельной смеси в дизеле \

(

происходит без детонации и тем самым предотвращается снижение мощности и ухудшение других эффективных показателей двигателя. В работах [12, 23] приведены данные растетно-экспериментальных исследований, устанавливающие границы антидетонационного сгорания водородно-дизельной смеси по содержанию в ней водорода. Эти границы определены как: 5И1 = УМ1 / У(М = 0,03...0,15.

Наибольшее количество исследований выполнено по изучению рабочего процесса двигателя с добавками водорода в составе его смесей с негорючими

■г"' " ' — ••"

(инертными) компонентами, в частности, с рециркулируемыми отработавшими газами и парами воды [13, 16]. Результаты испытания дизеля 84Н 13/14 (ЯМЗ - 238НБ) [13], проведенного с добавкой пароводородной смеси от 15,6 до 18,1% по массе от расхода дизельного топлива, показали, что на режиме холостого хода, на котором проводились испытания, было отмечено снижение максимального давления сгорания Р7 на 6%, средней скорости нарастания давления по углу поворота коленчатого вала ф - с1Р / с!ф на 17% - 34% при некотором увеличении длительности индикаторного периода задержки воспламенения. Величина добавки собственно водорода в этом случае являлась относительно малой и составляла 0,1% (относительное содержание водорода в поступающей в дизель пароводородной смеси не превышало 0,08 - 0,1%). Увеличение периода задержки воспламенения предположительно обусловлено наличием паров воды, которые отбирают из зоны реагирования теплоту на повышение своей внутренней энергии, а также на диссоциацию, что приводит к замедлению скорости предпламенных реакций.

В общем случае эффективность активирования топливно-воздушной смеси продуктами конверсии, содержащие водород и другие компоненты с низкой энергией активации, зависит от качественного состава этих продуктов, газодинамического состояния реагирующей среды, которые и определяют временную (кинетическую) и пространственную протяженность активированной зоны камеры сгорания, а также суммарный эффект активации по выходным показателям двигателя, влияющим на его эколого-экономические качества. В результате воздействия активных компонентов добавок условная (кажущаяся) энергия активации основной массы, находящаяся в цилиндре топливно-воздушной смеси, характеризующая ее реакционную способность, уменьшается, что связано с уменьшением участия в суммарном химическом процессе реакций самозарождения, требующих больших энергий активации [55, 58].

�