Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Организация термохимической конверсии углеводородов в составе системы питания двигателя как способ совершенствования процесса сгорания и утилизации теплоты отработавших газов .
1.1. Об эффекте термохимической регенерации тепловой энергии отработавших газов энергетической установки, работающей совместно с системой предварительной конверсии топлива 12
1.2. Организация процесса предварительного термохимического преобразования топлива в составе системы питания двигателя 19
1.3.Состав продуктов конверсии углеводородов с низкой температурой диссоциации и характер их воздействия на внутрицилиндровые процессы дизеля 31
1.4. Выводы по главе. Задачи исследования 35
Глава2. Исследование эффективности термохимической регенерации теплоты отработавших газов дизеля .
2.1.Утилизация теплоты отработавших газов двигателя на основе предварительного термохимического преобразования (конверсии) топлива - метод термохимической регенерации 40
2.2. Термодинамический цикл дизеля с регенерацией теплоты отработавших газов и анализ его эффективности 45
2.3. Согласование уровней располагаемой энергии отработавших газов и энергетических затрат на реализацию термохимического преобразования исходного топлива в конвертированное с учетом рабочего диапазона изменения режимных параметров двигателя 57
2.4. Анализ влияния продуктов конверсии метанола на эколого-экономические показатели дизеля 63
2.5. Выводы по главе 72
Глава 3. Экспериментальная установка и оборудование. методика проведения исследований. оценка погрешностей измерений .
3.1 .Задачи экспериментальных исследований 75
3.2. Эксперименталъная установка и оборудование 75
3.3.Методика проведения исследований 77
3.4.Оценка погрешностей измерений 89
Глава 4. Анализ результатов исследования.
4.1. Анализ результатов исследования влияния режимных параметров дизеля с опытной системой конверсии метанола на эффективность термохимической регенерации теплоты ОГ 94
4.2.Анализ топливо-экономических показателей дизеля с термохимической регенерацией теплоты ОГ 100
4.3. Анализ экологических показателей дизеля с системой питания с термохимическим реактором конверсии метанола 103
Основные результаты и выводы 108
Список использованной литературы 11.
- Организация процесса предварительного термохимического преобразования топлива в составе системы питания двигателя
- Термодинамический цикл дизеля с регенерацией теплоты отработавших газов и анализ его эффективности
- Анализ влияния продуктов конверсии метанола на эколого-экономические показатели дизеля
- Анализ экологических показателей дизеля с системой питания с термохимическим реактором конверсии метанола
Введение к работе
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%, в дизелях она достигает 40%, что соответствует примерно 17000 кДж на каждый килограмм израсходованного топлива
[1]-
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 данного 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 [2].
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 [3] конвертированным топливом) с более высокими энергетическими возможностями. Сущность подобного 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 монооксид углерода и водород, участие которых в
организации рабочего цикла двигателя 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. [3].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, дизельного топлива, полученные в высокотемпературном реакторе [4] на основе механизма 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 дизельного, 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 баланса в атмосфере диоксида углерода С02, 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 исследованию условий реализации и эффективности термохимической регенерации теплоты отработавших газов дизеля, работающего совместно с системой конверсии спиртового топлива, и изучению влияния последней на экологические показатели энергетической установки.
На защиту выносятся:
Способ утилизации теплоты отработавших газов дизеля на основе предварительного термохимического преобразования топлива.
Зависимости по оценке эффективности термодинамического цикла дизеля с термохимической регенерацией теплоты ОГ
Условия согласования уровней располагаемой энергии греющего теплоносителя (ОГ) и энергетических затрат на реализацию термохимического преобразования исходного топлива в
конвертированное топливо с более высокими энергетическими показателями.
Выявленный рабочий диапазон изменения нагрузки дизеля, при котором располагаемая тепловая мощность отработавших газов обеспечивает наибольшую эффективность регенерации их теплоты.
Данные по экологическим показателям дизеля, система питания которого оснащена термокаталитическим преобразователем топлива.
Рекомендации по совершенствованию показателей работы дизеля,
работающего по циклу с термохимической регенерацией теплоты
ОГ.
Организация процесса предварительного термохимического преобразования топлива в составе системы питания двигателя
Вариантом организации процесса термохимического преобразования топлива является конверсионная система, использующая в качестве исходного продукта моторное топливо. При конверсии жидкого топлива происходит преобразование его химического состава и соответствующее изменение (возрастание) энергетических характеристик горения (если процесс преобразования осуществляется с поглощением теплоты). Процесс конверсии жидкого углеводородного соединения представляет собой сложный физико-химический процесс, отличающийся гетерогенностью и многостадииностью химических превращений углеводородов. Конечная эффективность процесса конверсии определяется энергозатратами, связанными с его реализацией, и степенью выхода водорода, как наиболее энергоемкого компонента в составе газообразного конвертированного топлива.
В настоящее время процессы конверсии углеводородных тогашв как жидких, твердых, так и газообразных применяются в химическом и металлургическом производствах, а также в энергетике [21,32,74] например, сжижение мазута с предварительной его газификацией.
Наиболее полно в теоретическом и практическом аспектах исследованы процессы конверсии легких углеводородов, имеющих относительно простую химическую структуру. Термохимическое преобразование жидких моторных топлив, как считают многие специалисты [32,74], является также одним из эффективных способов совершенствования рабочих процессов двигателей. Применение на транспортных и стационарных установках собственных конверсионных систем, использующихся в качестве исходного (сырьевого) продукта моторное (базовое) топливо, представляется, на первый взгляд, более целесообразным с организационной и практической точек зрения, так как при этом обеспечивается полная автономность средств в условиях его эксплуатации. Однако на пути развития подобных, систем возникает ряд серьезных проблем, сдерживающих на данный момент их внедрение в промышленность.
Высокий температурный уровень диссоциации (разложения) этого вида жидких углеводородов обусловливает необходимость дополнительных затрат тепловой энергии на организацию конверсионного процесса, присутствие серы в моторном топливе исключает возможность использования катализаторов, а большое относительное содержание инертных компонентов в составе целевых продуктов конверсии оказывает негативное влияние на энергетические показатели конвертированного топлива.. Экспериментальные образцы конверсионных установок для получения водородосодержащих продуктов, используемых в ДВС, разработаны в МГТУ им. Н.Э.Баумана, НИКТИД, РУДН и др. организациях. Термохимическая переработка топлива осуществляется в специальном реакторе. В камере сгорания реактора происходит процесс преобразования тяжелых углеводородов в легкие газообразные продукты под действием высоких температур. В зависимости от условий протекания химических преобразований углеводородов (температурных, концентрационных и др.) меняется количественное соотношение основных компонентов в конвертированном газообразном топливе. Процессы преобразования исходного топлива могут быть реализованы с применением термохимических конверсионных систем без применения активирующих сред, а также с применением последних (термокаталитические, плазмохимические системы). Значительный опыт по разработке систем термохимической переработки жидкого топлива накоплен в НИКТИД и МГТУ [19,25,27,78]. В НКИ (г. Николаев) совместно с РУДН проведены предварительные исследования по изучению возможности конверсии дизельного топлива на основе его плазмохимической переработки, где в качестве источника активирующей среды (эффект ионизации) для интенсификации актов химического преобразования углеводородов использовался плазмотрон [12]. На рис.1.3 приведен общий вид генератора, в котором осуществляется процесс плазмохимической переработки дизельного топлива. Генератор представляет собой плазмохимический реактор (температура плазменного шнура не превышает 3000С) прямоточного типа с вводом плазмообразующей среды ( воздуха) в плазмотрон через тангенциальный канал и подачей дизельного топлива поперечными струями в плазменный поток. Реакции, протекающие при смещении потоков плазмы и топлива в рабочем пространстве реактора, приводят к образованию сверх равновесных концентраций атомов и радикалов и продуктов неполного превращения углеводородов (СО и Нз), которые через специальное устройство ввода и дозирования поступают в дизель.
Следует заметить, что при использовании каталитических сред в конверсионных системах возникают трудности, связанные с наличием серы в топливе, отравляющей катализатор, что наиболее ощутимо в случае конверсии дизельного топлива [4] .
Способ получения водородсодержащего конвертированного продукта без использования катализатора разработан на кафедре комбинированных ДВС РУДН совместно с НИКТИД [4,76,77]. Термохимическое преобразование моторного (дизельного) топлива реализуется в термохимическом реакторе на основе двух последовательно протекающих стадий. На первой стадии в камере сгорания осуществляется полное окисление топлива при стехиометрическом соотношении с воздухом для получения конечных продуктов сгорания СОг и паров Н20 и тепловой энергии, необходимой для организации экзотермической реакции между углеводородами топлива, углекислым газом СОг и парами воды, осуществляемой на последующий стадии цикла в реакторной зоне реактора.
Термодинамический цикл дизеля с регенерацией теплоты отработавших газов и анализ его эффективности
Как уже отмечалось, реализация способа термохимической регенерации теплоты ОГ двигателя связана с возможностью проявления активирующего воздействия водородосодержащего конвертированного топлива, являющегося одним из компонентов рабочего тела регенеративного цикла ДВС, на кинетические параметры процесса сгорания и как следствие этого - на экологические качества двигателя.
Это проявление обусловлено новыми реакционно кинетическими свойствами конвертированного топлива, отличающимися от исходного благодаря его термохимическому преобразованию.
Основными компонентами, определяющими состав конвертированного топлива, являются монооксид углерода СО и водород Н2. Изучению особенностей активирующего воздействия последнего на кинетику внутрицилиндровых процессов посвящен ряд исследований [16,17,18,20,23,26,42,43], по результатам которых можно воспроизвести качественный характер и оценить в целом эффективность этого воздействия.
Высокая эффективность воздействия водорода на рабочие процессы, протекающие в цилиндре двигателя, связана, в первую очередь, с необычайно высокой нормальной скоростью сгорания этого газа. Так, если для дизельного топлива эта величина по определенным группам углеводородов имеет значения [53]: 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 монооксида углерода, второго основного компонента конвертированного топлива, нормальная скорость сгорания тоже достаточно высока и равна 41 см/с.
Обращает на себя внимание и другое важное свойство этого газа - проявление промотирующего эффекта в актах превращений углеводородов, способствующего совершенствованию процесса их сгорания, что уже широко используется в энергомашиностроении и технологиях химического производства [6,32].
Из перечисленных выше источников явствует, что использование водорода является эффективным средством улучшения экологических и топливно-экономических показателей ДВС. Рассматриваются возможности использования водорода в качестве самостоятельного вида топлива, где дизельное топливо используется только в качестве запального [20,23], как и в качестве присадки к основному топливу [17,18]. При этом отмечается улучшение экономических и токсических характеристик дизеля как при работе с относительно большими добавками водорода (до 5% по массе по отношению к остальному топливу), так и при малых добавках (0,02...0,1%). 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 топлива до 37 г/(кВт ч).
Важным моментом является определение величины присадки водорода к дизельному топливу, при которой сгорание водородно-дизельной смеси в двигателе происходит без детонации и тем самым предотвращается снижение мощности и ухудшение его других эффективных показателей. В работе [16] приведены данные расчетно-экспериментальных исследований, устанавливающие границы антидетонационного сгорания водородно-дизельной смеси по содержанию в ней водорода. Эти границы определены как VH2/VCM=0,03...0,15.
Ряд исследований выполнен по изучению рабочего процесса двигателя с добавками водорода в составе его смесей с негорючими (инертными) компонентами, в частности с рециркулируемыми отработавшими газами и парами воды [17,20]. Результаты испытания дизеля 8ЧН13/14 (ЯМЗ-238НБ) [17], проведенного с добавками паро-водородной смеси от 15,6 до 18,1% по массе от расхода дизельного топлива показали, что в режиме холостого хода, на котором проводились испытания, было отмечено снижение максимального давления сгорания Pz на 6%, средней скорости нарастания давления по углу поворота коленчатого вала - dP/d(p на 17...34%, при некотором увеличении длительности индикаторного периода задержки воспламенения. 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 проводит к замедлению скорости предпламенных реакций.
Не менее эффективное воздействие присадки водорода оказывают на внутрицилиндровые процессы, определяющие экологические показатели дизеля. Так установлено, что добавление к рабочему телу 0,1...0,2% по массе к потребляемому топливу позволяет снизить содержание в ОГ оксидов азота на 10 ... 15%, сажи - на 35... 45% и более [4,10,12,27,28,35,77,101].
В общем случае эффективность активирования топливно-воздушной смеси продуктами конвертированного топлива, содержащими водород и другие компоненты с низкой энергией активации, зависит от качественного состава этих продуктов и их содержания в рабочем теле, 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, определяющим его эколого-экономические качества. В результате воздействия активирующих компонентов конвертированного топлива условная энергия активации основной массы, находящейся в цилиндре топливно-воздушной смеси, характеризующая ее реакционную способность, уменьшается, что связано с уменьшением участия в суммарном химическом процессе реакций самозарождения, требующих больших энергий активаций [45,46,47].
Анализ кинетического влияния химически активных компонентов конвертированного топлива на горение распыленного дизельного топлива показывает, что их высокая реакционная способность проявляется в процессах выгорания как богатых, так и бедных углеводородно-воздушных смесей [46,47]. Отсюда следует важный вывод о том, что для условий рабочего процесса дизеля, где воспламенение носит многоочаговый характер, присутствие в реагирующей смеси продуктов с высокой реакционной способностью в момент ее воспламенения уменьшает термодинамическую (температурную) неоднородность среды в объеме рабочего пространства двигателя за счет расширения пределов самовоспламенения смеси и увеличения зон (очагов) воспламенения. В этих условиях, как известно [9,10,54,70], скорость окисления азота в цилиндре двигателя снижается, что обуславливает уменьшение результирующего выхода оксидов азота с продуктами сгорания.
Анализ влияния продуктов конверсии метанола на эколого-экономические показатели дизеля
Как уже отмечалось, вопросы о характере и эффективности воздействия на рабочий процессе продуктов конверсии метанола, используемых в качестве добавок к рабочему телу дизеля, до настоящего времени остаются еще малоисследованы. Поэтому, опираясь на известные положения теории химической кинетики и катализа [32,33,34,45,46,47,50,52,62,67,69,73] в рамках рабочей гипотезы попытаемся проанализировать возможные механизмы воздействия этих продуктов на основные процессы рабочего цикла дизеля, определяющие его экологические показатели. При проведении анализа предполагалось, что основными компонентами продуктов конверсии метанола являются: водород, моноокисид углерода и метан. Причем последний компонент составляет незначительную часть в общем составе конверсионной смеси. Следует учесть также, что наиболее эффективное воздействие на внутрицилиндровые процессы, протекающие в дизеле, проявляет водород и, следовательно, его содержание в продуктах является определяющим фактором уровня их активности, Следует отметить, что интегральный, результирующий эффект влияния конверсионной газовой смеси на параметры рабочего цикла двигателя может быть достоверно выявлен по динамике изменения его основных показателей на основании данных экспериментальных исследований. Тем не менее, результаты предварительного анализа позволяют в первом приближении установить методическую направленность этих исследований. Возможность активации предпламенного реагирования и сгорания топливно-воз душной смеси в дизеле продуктами конверсии. Самовоспламенение и сгорание углеводородного топлива обусловлены сложными физико-химическими процессами и механизм их активации (промотирования) до настоящего времени полностью не раскрыт: исследована лишь качественная сторона этой проблемы. Как уже отмечалось выше, большинство химических превращений углеводородного топлива протекает по цепному механизму. В соответствии с представлениями теории цепных реакций, ведущая роль в их развитии принадлежит химически активным частицам, легко вступающим в соединение с исходными или промежуточными продуктами, возобновляя при этом цепь превращений. Так как основным, наиболее реакционно способным компонентом продуктов конверсии является водород, рассмотрим один из возможных вариантов зарождения и развития цепи, в котором водород играет роль возбудителя цепной реакции. Допустим, при взаимодействии молекулы водорода с активным радикалом происходит ее разложение на атомы: В итоге видно, что один атом водорода при взаимодействии порождает три новых, то есть реакции идет с само разгоном. Схема реакции в зависимости от условий (концентрационных, температурных и т.д.) может быть иной, но в любом случае атомарный водород является активным возбудителем цепной реакции. В схемах цепных реакций даже небольшая доза водорода, вводимого в зону реагирования углеводородно-воздущной смеси, может оказать эффективное воздействие на процессы предпламенного периода рабочего цикла дизеля.
Как уже отмечалось, повышение реакционной способности топливно-воздушнои смеси введением в ее состав активных продуктов конверсии обуславливает не только изменения кинетических параметров воспламенения, но и сгорания, что, в свою очередь, может оказывать влияние на характер протекания тепловыделения в цикле и его экологические показатели.
В рабочем цикле дизеля принято [1] выделять две характерные стадии (кинетическая и диффузионная), отличающиеся интенсивностью и продолжительностью активного тепловыделения. Количество выделившейся теплоты и интенсивность процесса тепловыделения в кинетической стадии сгорания в значительной степени связаны с продолжительностью периода задержки воспламенения и количеством горючей смеси, подготовленной к воспламенению за этот период. Высокая скорость тепловыделения в кинетической стадии сгорания является причиной высокой интенсивности нарастания давления. На основе результатов многочисленных экспериментальных исследований установлена косвенная взаимосвязь между величиной показателя характера сгорания, характеризующего интенсивность тепловыделения в этот период, и эмиссией оксидов азота [1,9,10,11,28,42,43,52,53]: с ростом интенсивности тепловыделения увеличивается выход оксидов азота. Из сказанного следует, что повышение реакционной способности промотированием активными продуктами конверсии топливно-воздушной смеси в дизеле, способствующее сокращению продолжительности предпламенного цикла подготовки топлива к самовоспламенению, снижает интенсивность тепловыделения в кинетической стадии сгорания и количество относительной теплоты, выделяющейся за эту стадию цикла, что в свою очередь приводит к уменьшению максимального уровня температуры цикла [18,23,27]. Воздействие продуктов конверсии на процессы окисления и восстановления азота в дизеле. Это воздействие может проявиться в двух аспектах: термодинамическом и химическом.
Анализ экологических показателей дизеля с системой питания с термохимическим реактором конверсии метанола
В целом, анализируя результаты предварительного экспериментального исследования характеристик реактора конверсии метанола, можно отметить, что для выбранного типа катализатора минимально допустимый уровень температуры, выше которого реакцию разложения метанола можно считать завершенной, соответствует 300...310 С. Эти результаты близки к данным, полученным с применением наиболее эффективных известных катализаторов, например, интерметалли-дов [93,95]. Кроме того, можно говорить о достаточно высоких селективных свойствах исследованного катализатора: объемное содержание в конверсионном газе побочных продуктов конверсии не превышает 1% для указанного уровня температур.
На графиках рис. 4.4 отражено влияние относительного содержания в рабочем теле продуктов конверсии метанола и свободного водорода, содержащегося в них. на основные показатели работы исследуемого дизеля для режима близкого к номинальному (Ре=0,55 МПа, и=3000 мин ).
Откуда следует, что повышение экономичности цикла и снижение удельного расхода теплоты qe происходит по мере роста дпкм = GnKM/(GnKM + GT). Снижение qe наблюдается до S = 10%, после чего оно приостанавливается и далее по мере роста содержания в рабочем теле ШСМ фиксируется даже некоторое повышение удельного расхода теплоты. Это объясняется тем, что в рассматриваемой точке («5 =10%) обнаруживается энергетический баланс, когда потребляемая реактором тепловая энергия и располагаемая теплота ОГ идентичны. Дальнейшее повышение расхода метанола через реактор обуславливает дефицит в располагаемой тепловой энергии ОГ, при котором процесс конверсии становится незавершенным. При неполной конверсии метанола в продуктах его термохимического преобразования будут содержаться пары метанола. Содержание этих паров непрореагировавшего спирта однозначно определяется величиной рк : (100 - рк). В рассматриваемом случае процесс термохимической регенерации, достигнув определенного уровня, далее приостанавливается, а пары непрореагированного метанола, содержащиеся в ГЖМ, способствуют ухудшению протекания рабочего процесса дизеля. Известно, что скорость и температура сгорания метаноло-воздушных смесей заметно ниже, чем при сгорании дизельного топлива [38,39].
При фиксированном значении 5пкм была снята нагрузочная характеристика дизеля, отображенная на рис. 4.5. При значениях Ре, не превышающих 0,31 МПа, показатели дизеля при его совместной работе с реактором практически не отличаются от штатных показателей (работа без реактора). При дальнейшем повышении нагрузки и соответствующем росте температуры ОГ (свыше 300С) наблюдается улучшение экономических показателей двигателя благодаря тому, что реактор конверсии метанола выходит на расчетный рабочий режим. Присутствие в системе питания дизеля термокаталитического реактора позволяет на режиме, соответствующему Ре = 0,55 МПа, снизить удельный расход теплоты на 6%. Здесь следует отметить, что улучшение топливно-экономических характеристик исследуемого дизеля обусловлено совокупным влиянием двух факторов: эффектом термохимической регенерации теплоты ОГ и улучшением кинетических показателей процесса сгорания (совершенствованием рабочего процесса). Для выделения доли участия в повышении экономичности двигателя каждого из названных факторов были использованы результаты проведенного ранее исследования [99]. Указанное исследование проводилось на этом же дизеле, оснащенном реактором конверсии метанола с автономным электрическим подогревателем, то есть без использования тепловой энергии ОГ. При этом на режиме Ре = 0,55 МПа и с адекватным расходом продуктов конверсии было зарегистрировано уменьшение удельного расхода топлива на 3,5%.
Отсюда можно сделать вывод, что снижение расхода топлива за счет эффекта термохимической регенерации соответствует 2,5%, что соответствует данным теоретического прогнозирования.
При работе дизеля с добавками ПКМ коэффициент избытка воздуха а для сходственных нагрузочных режимов практически не изменяется вследствие того, что для конверсионных газов, содержащих в основном Нг и СО, стехиометрическое соотношение /0 = 6,45 кг/кг, то есть более чем в 2 раза меньше, чем для дизельного топлива. Тем самым компенсируется снижение содержания в заряде воздуха, замещенного ПКМ.
