автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование особенностей сгорания газовых топлив, используемых в двигателях внутреннего сгорания

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи Гогиберидзе Олег Эрнстович

Исследование особенностей сгорания газовых

топлив, используемых в двигателях внутреннего сгорания

Специальность 05.04.02 - "Тепловые двигатели"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: чл.-корр. РАН, проф. Луканин В.Н.

МОСКВА 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ГАЗОВЫХ ТОПЛИВ В ДВС.......................9

1.1. Альтернативные топлива для автомобильных двигателей.................9

1.2. Рабочие процессы двигателя при работе на газовых топливах........19

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ................22

2.1. Описание модельной камеры сгорания постоянного объема...........22

2.1.1. Камера сгорания...............................................................................23

2.1.2. Система питания камеры сгорания................................................26

2.1.3. Оптическая система.........................................................................28

2.1.4. Система зажигания...........................................................................30

2.2. Методика определения основных характеристик горения газовых смесей в турбулентном режиме....................................................................33

2.2.1. Определение параметров турбулентности....................................33

2.2.2. Определение степени расширения смеси......................................35

2.2.3. Регистрация изменения давления...................................41

2.2.4. Тарировка датчика давления................................................41

3. ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ГАЗОВЫХ ТОПЛИВ................45

3.1. Ламинарные и турбулентные скорости горения.................................45

3.2. Обоснование способа моделирования условий работы реального двигателя..........................................................................................................56

3.3. Влияние критерия Льюиса при горении углеводородов с

различными молекулярными свойствами....................................................73

Выводы по третьей главе...............................................................................98

4. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИСТОЧНИКА ЗАЖИГАНИЯ С ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИЕЙ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬЮ РАЗРЯДА НА РАБОТУ ДВС........................................................104

4.1. Влияние характеристик источника зажигания на воспламенение и стабильность процесса сгорания в ДВС.....................................................104

4.2. Экспериментальная установка газового двигателя, работающего на базе дизеля КамАЗ........................................................................................121

4.3. Влияние параметров искрового разряда на мощностные, экономические и экологические показатели двигателя КамАЗ..............125

4.4. Влияние параметров искрового разряда на нестабильность последовательных циклов газового двигателя КамАЗ.............................131

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКЕЛЬНОГО ЗАЖИГАНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НЕКОТОРЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ..........................................................................................137

5.1. Анализ работ, посвященных форкамерно-факельному зажиганию углеводородных топлив...............................................................................137

5.2. Методика проведения экспериментов по факельному зажиганию в камере сгорания постоянного объема........................................................147

5.3. Экспериментальная установка и методика испытания форкамерного двигателя........................................................................................................159

5.3.1. Работа форкамерной системы 165

5.3.2. Система впрыска топлива 166

5.4. Процесс сгорания в форкамере...........................................................167

5.5. Результаты экспериментов..................................................................173

5.6. Определение суммарного коэффициента избытка воздуха.............180

6. ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ.....................................................184

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................187

ВВЕДЕНИЕ

Все возрастающие темпы промышленного развития, огромные масштабы в освоении природных ресурсов страны, расширяющаяся с каждым годом внешняя и внутренняя торговля невозможны без мощного развития транспорта. Особую роль в обеспечении нормальной жизни и развития экономики приобрел автомобильный транспорт.

Автомобильный транспорт потребляет значительную часть углеводородных топлив нефтяного происхождения. Общая мощность автомобильных двигателей в мире равна примерно 11 млрд. кВт (15 млрд. л.с.) при среднем потреблении 0,2 кг топлива на 1 л.с. в час.

Автомобильный транспорт является одним из основных источников загрязнения окружающей среды. Доля вредных выбросов с отработавшими газами автомобильных двигателей составляет 39-63 % общего загрязнения окружающей среды [32] .В связи с быстрым ростом автомобильного парка и его концентрацией в крупных городах и промышленных центрах встал вопрос о необходимости резкого снижения загрязнения биосферы вредными выбросами и рационального использования топливных ресурсов, в частности нефти, потребление которой с каждым годом возрастает.

Энергетические и экологические проблемы приобретают в настоящее время первостепенное значение и должны рассматриваться в тесной взаимосвязи.

По мнению большинства ученых, в ближайшие 25-30 лет основной силовой установкой на автомобильном транспорте останется поршневой двигатель внутреннего сгорания. Поэтому, в связи с загрязнением атмосферы и ограниченностью нефтяных ресурсов во всех промышленно развитых странах, в последние годы все большее внимание уделяется экономии топлива и снижению

токсичности отработавших газов двигателей. Это достигается различными способами, вплоть до использования газовых топлив и топлив ненефтяного происхождения.

Актуальность проблемы повышения экономичности и снижения токсичности выхлопных газов ДВС связано с расширением диапазона используемых смесей бедных составов. В настоящее время одним из основных путей удовлетворения этим требованиям считается применение газовых топлив. На основе анализа результатов экспериментальных данных по сопоставлению скоростей турбулентного горения и пределов поджигания в ИХФ РАН была выдвинута гипотеза о том, что в диапазоне смесей бедных составов наиболее рационально могут быть использованы топлива, более легкие, чем кислород, такие как водород и метан. Бензиновые топлива, как состоящие из углеводородов, более тяжелых, чем кислород, более эффективно горят в диапазоне богатых составов. Такие особенности горения связываются в предложенной гипотезе с влиянием "избирательной" диффузии недостающего более легкого компонента. В смесях водорода и метана оба эти газа являются недостающими в диапазоне смесей бедных составов, там, где "избирательная" диффузия более легкого компонента обогащает участки фронта пламени большой кривизны. Наоборот, в богатых смесях бензиновых топлив недостающим более легким компонентом является кислород, избирательная диффузия которого и приводит к локальному обеднению и увеличению скоростей горения.

Цель работы - исследование особенностей горения метана и водорода как более легких, чем кислород, газовых топлив, а пропана и бутана - как боле тяжелых. Изыскание способа интенсификации сжигания бедных смесей в двигателе с форкамерой (ФК) и без нее. Использование в качестве основного топлива в форкамерном двигателе более тяжелого

углеводородного топлива (газоконденсат ГК), а метана и пропана - в качестве - форкамерного топлива.

Научная новизна. Выявлены причины горения крайне бедных составов газовых топлив с воздухом, в особенности метана, связанные с влиянием диффузионно-тепловых явлений или с избирательной диффузией недостающего более легкого компонента в зону пламени.

Показано, что топлива тяжелее кислорода легко поджигаются и горят в смесях богатых составов, где недостающим более легким компонентом является кислород, а избирательная диффузия кислорода приводит к локальному обеднению смеси и, соответственно, к локальному увеличению скорости горения.

Предложено объяснение изменения турбулентной скорости горения от времени на основе анализа изменения радиуса пламени на начальном участке распространения ламинарного пламени в зависимости от изменения кривизны пламени.

Практическая ценность заключается в обосновании преимуществ использования для ДВС газовых топлив, особенно метана, в сравнении с пропаном и бутаном, и с жидкими нефтяными топливами. Разработаны научно-технические принципы применения метана в двигателях с искровым зажиганием с целью решения вопросов снижения токсичности и повышения топливной экономичности путем расширения диапазона используемых смесей бедных составов.

• Снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах (ОГ);

• Уменьшение требуемой энергии разряда для поджига бедных смесей топлив легче кислорода;

• Показано, что при увеличении энергии искрового разряда для богатых смесей метана, угол опережения зажигания уменьшается до 7° (для газового двигателя КамАЗ);

• Осуществлен поджиг газоконденсата в одноцилиндровом отсеке двигателя с помощью факела, в конце впрыска топлива, где в качестве форкамерного топлива были использованы метан и пропан. В отличие от бензина был осуществлен поджиг бедных смесей газоконденсата вплоть до асум=2,8-2,9, то есть крайне бедных составов;

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на научном семинаре в МГТУ им. Баумана (1997 г.) и на семинарах и заседаниях кафедры "Автотракторные двигатели" МАДИ (1993 г., 1994 г., 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы три печатные работы. Автор принимал участие при выполнении двух хоздоговорных тем.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержит 2 таблицы, 81 иллюстрацию. Список использованной литературы содержит 102 наименования, из них -20 иностранных.

На защиту выносятся:

• Влияние роли диффузионно-тепловых явлений (избирательной диффузии) при горении смесей различных газовых топлив, в особенности метана;

• Способы моделирования условий работы реального двигателя на модельной камере сгорания;

• Влияние параметров искрового разряда на показатели газового двигателя КамАЗ и поджиг бедных смесей в модельной камере сгорания для разных энергий искрового разряда (Еир);

• Результаты экспериментального исследования форкамерного двигателя при использовании в качестве основного топлива

газоконденсата, а в качестве дополнительного - метана, пропана и бензина;

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю чл.-корр. РАН Валентину Николаевичу Луканину и ведущему научному сотруднику ИХФ РАН Владимиру Петровичу Карпову, а также всему коллективу группы за оказанную всестороннюю помощь при проведении экспериментов и написании диссертации.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ГАЗОВЫХ ТОПЛИВ В две

1.1. Альтернативные топлива для автомобильных двигателей

Интенсивное развитие автомобильного транспорта сопровождается потреблением большей части добываемой в мире нефти. При использовании автомобилями топлив нефтяного происхождения в атмосферу выбрасывается масса вредных веществ, оказывающих нежелательное воздействие на здоровье людей и окружающую среду.

Охрана окружающей среды рассматривается как важная задача, от решения которой зависит здоровье нынешнего и будущих поколений.

Первые поршневые двигатели внутреннего сгорания во второй половине XIX века были, как известно, двигателями газовыми. С появлением жидкого нефтяного топлива и двигателей с воспламенением от сжатия, весьма экономично работающих на этом топливе, в первой половине XX века газовые двигатели уступили свое место жидко-топливным.

Промышленный выпуск газобаллонных автомобилей, работающих на газе, был начат еще в довоенный период.

Большие запасы природного газа, высокие темпы его добычи и создание развитой сети магистральных газопроводов открывают широкие возможности для повсеместного использования сжатого природного газа (СПГ) и сжиженного нефтяного газа (СНГ) в качестве нефтяного топлива.

Для крупных городов основным источником загрязнения среды является автомобильный транспорт. Рост автомобильного парка связан, в известной мере, с плотностью заселения городов. Автомобиль, как источник загрязнения воздушной среды, отличается рядом особенностей: отработавшие газы представляют собой чрезвычайно сложную смесь

токсичных компонентов; численность автомобилей в крупных городах быстро увеличивается, а вместе с тем непрерывно растет и суммарный выброс вредных продуктов в атмосферу, при этом в условиях городской застройки затрудняется их рассеивание.

В России разработано и освоено производство практически всех базовых моделей автомобилей и автобусов, работающих на СПГ и СНГ. Дальнейшее развитие охватывает работы по переводу дизелей на газовое топливо.

Дизель является отличной базой для создания высокоэффективного газового двигателя, несмотря на то, что характер рабочего процесса при переводе дизеля на газ принципиально меняется.

Особенно важно для решения экологических проблем крупных городов рекомендовать перевод (конвертацию) на газ дизелей всех транспортных средств, работающих в черте города. В первую очередь, это относится к двигателям городских автобусов, грузовых автомобилей, строительных и дорожных машин [6].

Для применения природного газа (ПГ) в качестве топлива на автомобильном транспорте не требуется его существенной технологической обработки. В этом заключается одно из основных преимуществ использования ПГ. Газовые топлива и, прежде всего, СПГ, СНГ и водород рассматривают в качестве реальных заменителей жидких нефтяных топлив.

Сравнение этих видов топлива по затратам, отнесенным к равному количеству содержащейся в топливе энергии, показывает, что стоимость синтетического жидкого топлива в 3-4 раза, метанола в 2,5 раза больше, чем сжатого природного газа [1,11].

Внедрение газовых двигателей в значительной мере способствует также достаточная простота из унификации с жидко-топливными двигателями. При этом высокие качества газа, как моторного топлива,

обеспечивают повышение некоторых важных эксплуатационных показателей двигателей при переводе их на газ. Газовые двигатели просты по устройству, надежны в работе и долговечны [48, 57].

Характерным свойством газового топлива являются его антидетонационные свойства, характеризуемые высоким октановым числом.

Выгодные свойства газа как моторного топлива начали находить достаточно полную реализацию в конструкции и эксплуатационных показателях газовых двигателей.

На практике можно руководствоваться данными рис. 1-01, согласно которым степень сжатия при работе двигателя на метане может доходить до 15, а на пропане - до 10 при температуре смеси на входе в двигатель не более 40°С.

Применение природного газа в качестве топлива является весьма эффективным с точки зрения улучшения экологической ситуации, при условии его правильной разработки и эксплуатации. Использование природного газа позволяет также уменьшить выбросы углекислого газа, способствующего созданию "парникового эффекта" при его накоплении в верхних частях атмосферы, что, в свою очередь, оказывает негативное влияние на климат планеты. (Для стехиометрических смесей по проценту для дизельного топлива С02 - 13%, для бензина СО2 - 12,7%, для метана - 9,5%).

Как было показано в работе [Баевич В.Я., Исамухамедов B.C., Карпов В.П. "Физика горения и взрыва", 1992, т. II, №11, стр. 1575-1579] при горении метана в выхлопных газах концентрация этилена и ацетилена на порядок меньше, чем при горении других топлив. По современным представлениям этилен и ацетилен являются звеньями в образовании канцерогенных составляющих.

метан —»—пропан

1°,С

Рис. 1-01. Допустимая степень сжатия в экспериментального одноцилиндрового двигателя "Рикардо" в зависимости от температуры смеси I на входе в двигатель при питании его метаном и пропаном при а=1.

Природный газ представляет собой перспективное альтернативное топливо для транспортных средств (запас СН4 в России составляет 33% от мировых). Благодаря относительно низкой стоимости его применение снизит потребление жидкого углеводородного топлива. Одновременно с экономией жидкого топлива увеличивается существенно (в 1,5-2 раза) срок службы двигателя, возрастает периодичность замены масла в нем.

Применение СПГ и СНГ в качестве моторного топлива позволяет существенно снизить токсичность отработавших газов (ОГ) по основным контролируемым параметрам: окиси углерода (СО) в 2-3 раза, окисям азота (NOx) в 1,2-2,0; углеводородов (СН) в 1,2-1,4 раза. В ОГ газобаллонного автомобиля не содержатся вредные соединения свинца [12, 32, 99,100].

В США, в Юго-Западном НИИ (SWRI), в целях снижения эмиссии токсичных веществ дизельными ДВС для работы в тяжелых условиях был разработан способ организации процессов сгорания с использованием бедных и сверхбедных горючих смесей. Разработанный способ организации рабочего процесса проверялся на ДВС такого же класса пу�