Введение к работе
Актуальность темы. Транспорт является одним из ключевых элементов современной цивилизации. Его состояние и перспективы развития в огромной степени зависят от возможностей снабжения транспортных энергоустановок топливом. Истощение запасов жидких углеводородных топлив и проблемы загрязнения окружающей среды могут поставить человечество перед альтернативой – либо сократить транспортные перевозки, либо найти новые пути энергоснабжения транспорта.
Перспективы решения топливной проблемы транспорта, основной энергетической установкой которого является двигатель внутреннего сгорания, связаны с применением газовых топлив, в первую очередь – природного газа, в дальнейшей перспективе – водорода.
Из этого вытекает необходимость более интенсивных разработок в области конструирования и исследования газовых двигателей. Распространенные на данный момент подходы, связанные с конвертированием обычных двигателей жидкого топлива для работы на газах, не всегда позволяют в полной мере использовать потенциал газовых топлив. Наиболее эффективным подходом к решению этих проблем является комплексная оптимизация, охватывающая конструкцию и настройку систем воздухоснабжения и топливоподачи, выбор состава рабочих смесей на различных режимах работы, при которых обеспечиваются наилучшие показатели по экономичности двигателя и токсичности отработавших газов.
Разработка, совершенствование и исследование двигателей, работающих на альтернативных топливах, связано с большими трудностями, определяемыми отсутствием эмпирического материала, обычно используемого при аналогичных работах в случае применения традиционных топлив. Эти трудности могут быть наиболее эффективно преодолены с помощью методов математического моделирования. С учетом того, что замена топлива может кардинальным образом повлиять на все процессы, происходящие в двигателе, объективное прогнозирование перспектив применения новых видов топлива и необходимых для этого изменений конструктивных и регулировочных параметров требует, чтобы моделирование было комплексным и включало в связанную систему расчет всех основных явлений в двигателе. Особое внимание должно быть уделено процессам топливоподачи, смесеобразования, сгорания и формирования токсичных составляющих отработавших газов. В связи с этим сформулируем следующее.
Целью работы является разработка теоретических основ, комплекса методов и средств для улучшения энергоэкономических и экологических показателей двигателей конвертированием рабочего процесса на природный газ и водород.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
анализ физико-химических и моторных свойств различных альтернативных топлив для ДВС, способов их получения, хранения, систем топливоподачи;
разработка математической модели нестационарного течения газа в цилиндре ДВС и анализ с ее помощью возможности осуществления эффективного расслоения топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя с непосредственным впрыском газа;
разработка математических моделей рабочего процесса газодизеля и бензоводородного двигателя, и на основе расчетно-теоретического исследования выбор способов рационального регулирования составов топливовоздушных смесей двигателей, работающих на природном газе и водородсодержащих топливных смесях;
разработка топливной системы, обеспечивающей улучшение параметров подачи запального топлива для газодизеля;
создание испытательных стендов и экспериментальное исследование топливной аппаратуры и рабочего процесса газодизеля 6Ч15/18 и бензоводородного двигателя 4Ч 7,6/8,0;
разработка и исследование опытных образцов силовых установок с двигателями, работающими на природном газе и водороде.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:
- математическая модель нестационарного течения рабочего тела в цилиндре ДВС на тактах выпуска, наполнения, сжатия и смесеобразования; новые данные о газодинамических процессах происходящих в четырехтактном газовом двигателе с послойным смесеобразованием;
- модель сгорания и тепловыделения в газодизеле и зависимости для определения ее параметров;
- конструкция топливной системы газодизеля со специальной форсункой, имеющей в одном корпусе два распылителя с различными сечениями сопловой части, которая обеспечивает улучшение процесса подачи запального топлива;
- зависимости для определения характеристик тепловыделения и математическая модель рабочего процесса бензоводородного двигателя;
- границы возможного варьирования составов водородосодержащих топливных смесей с учетом обеспечения воспламеняемости и недопущения аномального сгорания;
- принципы выбора рациональных составов многокомпонентной водородосодержащей топливной смеси в широком диапазоне режимов на основе математического моделирования рабочих процессов и токсичности отработавших газов;
- новые схемы водородного питания двигателя, защищенные авторскими свидетельствами.
Достоверность результатов исследований достигается разработкой математических моделей на основе фундаментальных законов и уравнений механики, термодинамики, газодинамики, физической обоснованностью принятых допущений и подтверждается согласованием результатов расчета с экспериментальными данными. Достоверность результатов эксперимента обуславливается соблюдением действующих стандартов РФ, использованием поверенных и аттестованных измерительных приборов и оборудования.
Практическая значимость. Предложены практические рекомендации, обеспечивающие повышение эффективности теплоиспользования и снижения токсичности отработавших газов:
- форма камеры сгорания, расположение свечи зажигания и газовой форсунки, угол опережения, продолжительность и давление впрыска газа, обеспечивающие эффективный рабочий процесс газового двигателя с послойным смесеобразованием при непосредственном впрыске газа;
- конструктивные параметры опытной топливной системы судового газодизеля с двухсопловой форсункой, обеспечивающей улучшение процесса подачи запального топлива.
- рациональные зависимости состава смеси и угла опережения впрыска дизельного топлива при работе судового газодизеля по винтовой характеристике, обеспечивающие минимизацию эмиссии оксидов азота с учетом требований по экономичности;
- характеристики регулирования состава смеси двигателя, работающего на бензине с добавками водорода и водяного пара, и система топливоподачи, реализующая данные характеристики.
Реализация результатов работы. Результатами реализации работы являются разработанные системы питания и конвертированные на природный газ и водород, следующие транспортные двигатели, прошедшие всесторонние испытания:
- газодизель 6Ч 15/18, используемый в качестве главного судового двигателя на первом в России пассажирском судне - газоходе проекта Р51 "Нева – 1" Санкт-Петербургского Пассажирского порта. На газодизеле реализован полученный расчетно-экспериментальным путем закон регулирования состава смеси;
- бензиновые двигатели ВАЗ - 2106 и ЗМЗ – 24, переведенные на работу с добавками водорода и водяного пара. Макетный образец автомобиля УАЗ-452В с малотоксичной моторной установкой и автономным генератором водорода демонстрировался на ВДНХ СССР.
Эксплуатационные испытания пассажирского судна-газохода и водородного автомобиля показали надежность работы элементов систем питания, значительное снижение токсичности ОГ и расхода жидкого топлива.
Разработанные математические модели и программы внедрены в конструкторских отделах ОАО "Звезда" и ООО ЦНИДИ. Научные и технические материалы работы используются в учебном процессе СПбГПУ на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания".
Реализация работы подтверждена соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на следующих семинарах и конференциях:
всесоюзный научно-технический семинар «Снижение токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания», Москва, ФНИКТИД, 1982.
семинар «Применение водорода для уменьшения выбросов в атмосферу токсичных веществ транспортными двигателями», Москва, ВДНХ СССР, 1984.
всесоюзная научно-техническая конференция «Альтернативные топлива в ДВС», Киров, КирСХИ, 1988.
7-ая международная конференция «Водородная энергетика», Москва, 1988.
заседание комиссии Правительства РФ по использованию природного и сжиженного нефтяного газа в качестве моторного топлива, 1996.
26-ая международная научная конференция «KONES 2000», Nateczow, Польша, 2000.
ХIII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», Санкт-Петербург, 2001.
Всероссийский конгресс двигателестроителей, Санкт-Петербург, ЦНИДИ, 2003.
международная научно-практическая конференция «Безопасность водного транспорта», Санкт-Петербург, СПГУВК, 2003
научная конференция «Топливо - двигатель – экологически чистая система, проблемы Северо-западного региона», Санкт-Петербург, Северо-Западное отделение Научного Совета по горению и взрыву при Президиуме РАН, ФГУП РНЦ «Прикладная химия», 2003.
международная научно-техническая конференция «Транспорт, экология – устойчивое развитие», Технический ун-т г. Варна, Болгария, 2004.
научно-техническая конференция «Водородная энергетика и технологии», Санкт-Петербург, Северо-Западное отделение Научного Совета по горению и взрыву при Президиуме РАН, ФГУП РНЦ «Прикладная химия», 2004.
международный симпозиум «Образование через науку», 175 лет МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005.
межотраслевая научно-техническая конференция "Современные проблемы развития поршневых ДВС", посвященная 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 2005.
международная конференция "Двигатель - 2007", МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, 2007.
научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС», посвященная 100-летию П.А. Истомина, СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 2008.
III международная конференция "Альтернативные источники энергии для больших городов", Департамент природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы, 2008.
ежегодные научно-технические конференции ЛПИ им. М.И.Калинина – СПбГПУ, Санкт-Петербург, 1982 – 2009.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 57 печатных работах, в том числе монография, справочник, 6 учебных пособий, 3 авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 362 страницы основного текста, 183 рисунка, 31 таблицу, список использованной литературы из 314 наименований.
