Помощь студентам в учебе
Совершенствование рабочего процесса газо-поршневых установок
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Природный газ в двигателе автомобиля 6
2 Контроль над выбросами токсичных веществ 9
2.1 Выбросы СО 9
2.2 Выбросы СН 9
3 Способы снижения выбросов в атмосферу 16
3.1 Варианты снижения выбросов СН и СО 16
3.2 Варианты снижения выбросов NO 21
4 Алгоритм проведения и анализ результатов проведенных
испытаний 24
4.1 Предмет и условия испытаний 24
4.2 Измерительное оборудование 26
4.3 План проведения лабораторных испытаний 28
4.4 Взаимосвязи используемые при анализе результатов
испытаний 29
4.5 Погрешности показателей измерений 29
4.6 Результат измерения и оценка его среднего
квадратического отклонения 31
5 Результаты лабораторных исследований и их анализ 36
5.1 Регулирование состава смеси 36
5.2 Управление нагрузкой 42
5.3 Управление режимами с помощь УОЗ 48
5.4 Токсичность силового агрегата при использовании
водорода 51
6 Способы улучшения показателей газового двигателя и
рекомендации к добавлению водорода 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 64
ПРИЛОЖЕНИЕ А 68
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 71
1 Природный газ в двигателе автомобиля 6
2 Контроль над выбросами токсичных веществ 9
2.1 Выбросы СО 9
2.2 Выбросы СН 9
3 Способы снижения выбросов в атмосферу 16
3.1 Варианты снижения выбросов СН и СО 16
3.2 Варианты снижения выбросов NO 21
4 Алгоритм проведения и анализ результатов проведенных
испытаний 24
4.1 Предмет и условия испытаний 24
4.2 Измерительное оборудование 26
4.3 План проведения лабораторных испытаний 28
4.4 Взаимосвязи используемые при анализе результатов
испытаний 29
4.5 Погрешности показателей измерений 29
4.6 Результат измерения и оценка его среднего
квадратического отклонения 31
5 Результаты лабораторных исследований и их анализ 36
5.1 Регулирование состава смеси 36
5.2 Управление нагрузкой 42
5.3 Управление режимами с помощь УОЗ 48
5.4 Токсичность силового агрегата при использовании
водорода 51
6 Способы улучшения показателей газового двигателя и
рекомендации к добавлению водорода 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 64
ПРИЛОЖЕНИЕ А 68
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 71
За последнее время, снижение выбросов в атмосферу токсичными веществами, выделяемыми промышленными предприятиями и автомобильным транспортом, является одной из самых главных задач, для всех промышленно развитых стран. Загрязнение атмосферы оказывает вреднейшее воздействие не только на человека, животных, растения, воду, климат ... Урон, приносимый загрязнением в атмосферу, трудно подсчитать, так как для этого необходима полная информация от различных предприятий и других отраслей народного хозяйства страны.
Снизить объем выбросов отравляющих веществ в атмосферу безусловно возможно путем внедрения и использования других видов топлива.
Использование иного вида топлива способствует изучению иных физических и химических свойств, а также развитие и применение разнообразных видов присадок.
Проводимые ранее исследования очень мало публикуются в прессе. Расследование проблемы только в одном направлении, с помощью химической кинетики не могло объяснить все открытые вопросы, которые касаются не только рабочих циклов двигателя, но и добывания водорода, его переработки, использовании и хранении инновационного вида топлива. Так, например, представленные схемы не позволяют в полном объеме изучить характеристики рабочей смеси при их использовании в качестве инновационного вида топлива, что вызвано нестабильным хим. составом традиционного топлива.
Переоборудование силового агрегата под альтернативное, водородосодержащее топливо влечет за собой внедрение сложного социально - экономического процесса, для реализации которого необходима крупнейшая модернизация определенных отраслей промышленности (добыча, переработка, реализация через АЗС...).
Минимальная освещённость и доступность информации в литературе о характеристиках сгорания углеводородного топлива с добавлением в дизельную установку водорода, не позволяет определенно полно ответить на возникающие вопросы о влиянии и воздействия водородосодержащего топлива на изменяющиеся характеристики, проходящие в результате рабочих процессов (такты) в цилиндрах дизельной установки.
Основная цель, полноценно провести анализ и рассмотреть особенности в процессах при работе дизельной установки с использованием возможности добавления водорода к основному топливу. Обладая полученной информации из дополнительных источников (литература и интернет), об объемном распространении зоны концентрации сажи и температуры и по результатам проведенного анализа установлено, что существующие конструкции силовых агрегатов основаны в основном на двухмерной температурно-концентрационной неоднородности топливной смеси в цилиндре дизельной установки.
Для анализа и подтверждения полученной информации была определена цель: провести изучение объемного распространения зон температуры и основной концентрации образования и отложении сажи в камере сгорания дизельного силового агрегата, а также на поршне и стенки крышки головки блока.
При проведении исследования был взят четырехтактный двигатель, а/м КамАЗ-820.52-260 (КамАЗ-820.53-260) с принудительным искровым зажиганием, микропроцессорным блоком управления (М 20) и системой впрыском сжатого природного газа V-8.
На этапе подготовки к выполнению работ был проведён предметный обзор соответствующей литературы и на основе характеристик выбранного двигателя, оценена практическая возможность проведения опыта по методики работ кафедры «Энергетические машины и системы управления» ТГУ. Данная методика была разработана на полученных исследовательских работах поршневых ДВС на бензоводородных смесях. Эти работа направлены на экспериментальные исследования по влиянию добавления водорода к основному топливу, после чего выполнен аналитический анализ полученных результатов.
По результатам исследований, показана и оценена эффективность добавок водорода, получены показатели потребного расхода водорода, близких к эксплуатационным для силового агрегата автомобиля (КамАЗ-820.53-260), наработан способ получения водорода и составлено техническое задание для изготовления необходимого автономного генератора водорода.
После сгорания дизельного топлива образуется сажа. Сажа, как правило, представляет собой дисперсный углеродный продукт неполного сгорания, в виде сферических частиц черного цвета, состоящий в основном из углерода. В составе сажи так же содержится от 1 до 3 % водорода.
Ее образование происходит при высокой температуре более 1500° С, в результате объемного процесса термического разложения углеводородов при максимальном дефиците кислорода. Данную реакцию между продуктами пиролиза (термическое разложение органических и многих неорганических соединений).
Для сравнительного анализа предоставим результаты лабораторных исследований двух разных рабочих процесса в дизельной силовой установке: в первом варианте используем стандартное дизельное топливо и второй вариант с добавлением водорода к дизельному топливу и стандартную систему питания дизельного двигателя. Проведение сравнительного анализа позволили определить возможность снижения расхода дизельного топлива и уменьшить выделение токсичных элементов в окружающую среду и атмосферу, а также удостовериться в теоретических исследовательских расчетах, представленных в данной работе.
В отчёт внесены результаты аналитического обзора литературы по применению природного газа в силовой агрегат автомобиля, причины образования токсичных компонентов в выхлопных газах, методы их снижения с обоснованием выбора того или иного способа, а также результаты лабораторных исследований, на основании которых определен облик системы добавления водорода и конкретные характеристики генератора водорода (водородосодержащего газа).
Снизить объем выбросов отравляющих веществ в атмосферу безусловно возможно путем внедрения и использования других видов топлива.
Использование иного вида топлива способствует изучению иных физических и химических свойств, а также развитие и применение разнообразных видов присадок.
Проводимые ранее исследования очень мало публикуются в прессе. Расследование проблемы только в одном направлении, с помощью химической кинетики не могло объяснить все открытые вопросы, которые касаются не только рабочих циклов двигателя, но и добывания водорода, его переработки, использовании и хранении инновационного вида топлива. Так, например, представленные схемы не позволяют в полном объеме изучить характеристики рабочей смеси при их использовании в качестве инновационного вида топлива, что вызвано нестабильным хим. составом традиционного топлива.
Переоборудование силового агрегата под альтернативное, водородосодержащее топливо влечет за собой внедрение сложного социально - экономического процесса, для реализации которого необходима крупнейшая модернизация определенных отраслей промышленности (добыча, переработка, реализация через АЗС...).
Минимальная освещённость и доступность информации в литературе о характеристиках сгорания углеводородного топлива с добавлением в дизельную установку водорода, не позволяет определенно полно ответить на возникающие вопросы о влиянии и воздействия водородосодержащего топлива на изменяющиеся характеристики, проходящие в результате рабочих процессов (такты) в цилиндрах дизельной установки.
Основная цель, полноценно провести анализ и рассмотреть особенности в процессах при работе дизельной установки с использованием возможности добавления водорода к основному топливу. Обладая полученной информации из дополнительных источников (литература и интернет), об объемном распространении зоны концентрации сажи и температуры и по результатам проведенного анализа установлено, что существующие конструкции силовых агрегатов основаны в основном на двухмерной температурно-концентрационной неоднородности топливной смеси в цилиндре дизельной установки.
Для анализа и подтверждения полученной информации была определена цель: провести изучение объемного распространения зон температуры и основной концентрации образования и отложении сажи в камере сгорания дизельного силового агрегата, а также на поршне и стенки крышки головки блока.
При проведении исследования был взят четырехтактный двигатель, а/м КамАЗ-820.52-260 (КамАЗ-820.53-260) с принудительным искровым зажиганием, микропроцессорным блоком управления (М 20) и системой впрыском сжатого природного газа V-8.
На этапе подготовки к выполнению работ был проведён предметный обзор соответствующей литературы и на основе характеристик выбранного двигателя, оценена практическая возможность проведения опыта по методики работ кафедры «Энергетические машины и системы управления» ТГУ. Данная методика была разработана на полученных исследовательских работах поршневых ДВС на бензоводородных смесях. Эти работа направлены на экспериментальные исследования по влиянию добавления водорода к основному топливу, после чего выполнен аналитический анализ полученных результатов.
По результатам исследований, показана и оценена эффективность добавок водорода, получены показатели потребного расхода водорода, близких к эксплуатационным для силового агрегата автомобиля (КамАЗ-820.53-260), наработан способ получения водорода и составлено техническое задание для изготовления необходимого автономного генератора водорода.
После сгорания дизельного топлива образуется сажа. Сажа, как правило, представляет собой дисперсный углеродный продукт неполного сгорания, в виде сферических частиц черного цвета, состоящий в основном из углерода. В составе сажи так же содержится от 1 до 3 % водорода.
Ее образование происходит при высокой температуре более 1500° С, в результате объемного процесса термического разложения углеводородов при максимальном дефиците кислорода. Данную реакцию между продуктами пиролиза (термическое разложение органических и многих неорганических соединений).
Для сравнительного анализа предоставим результаты лабораторных исследований двух разных рабочих процесса в дизельной силовой установке: в первом варианте используем стандартное дизельное топливо и второй вариант с добавлением водорода к дизельному топливу и стандартную систему питания дизельного двигателя. Проведение сравнительного анализа позволили определить возможность снижения расхода дизельного топлива и уменьшить выделение токсичных элементов в окружающую среду и атмосферу, а также удостовериться в теоретических исследовательских расчетах, представленных в данной работе.
В отчёт внесены результаты аналитического обзора литературы по применению природного газа в силовой агрегат автомобиля, причины образования токсичных компонентов в выхлопных газах, методы их снижения с обоснованием выбора того или иного способа, а также результаты лабораторных исследований, на основании которых определен облик системы добавления водорода и конкретные характеристики генератора водорода (водородосодержащего газа).
На основании результатов выполненных работ можно сделать следующие выводы:
В соответствии программой и методикой испытаний подготовлены и проведены на моторном стенде, экспериментальные работы по исследованию улучшения показателей добавок водорода, с помощью которых можно увидеть не только его эффективность, но и возможность использования данного способа по уменьшению токсичности силовом агрегате КАМАЗ - 820.52-260.
В результате исследования работы двигателя внутреннего сгорания с добавлением водорода, по характеристикам, оказывающим регулировочное действие (на саму смесь, ее состав и угол опережения зажигания) пришли к выводу, что на режимах, подвергшихся исследованию заметны кардинальные изменения показателей силового агрегата:
- согласно условию работы силового агрегата, на ХХ, где коэффициент избытка воздуха а = 1,4, добавления водорода 0,2 кг/ч, расход природного газа снизится до 30% и останется на этом уровне при изменении значения а= 1,5; объемные выбросы углеводорода будут понижаться в четыре этапа, концентрация выбросов углекислого газа останется неизменной, а вот значения оксида азота понизятся до 30%. Важно отметить снижение выбросов NO наблюдается при обогащениях смеси;
- согласно условию работы силового агрегата, на нагрузочном режиме n = 1500 об/мин и нагрузке Ре = 1,46 кг/см2и добавлении водорода Н = 0,26 и 0,44 кг/ч расход природного газа снижается. При работе с регулировочными характеристиками показатели составят около 11%, вырастет КПД 3,5-е-10%о, до 40% проявится снижение углеводорода, хотя это повлечет за собой повышение выбросов оксида азота приблизительно на 50 % и выше;
- проведенные исследования влияния УОЗ при добавках водорода дают возможность улучшить их: выбросы СН и НОх при условии работы в экономичном режиме, к примеру, при добавках водорода и снижении угла опережения зажигания на режиме n = 1500 об/мин и Ре = 1,46 кг/ч до 10° эффект КПД возрастет до 11%.
Исследование работы силового агрегата при добавках водорода по нагрузочным характеристикам показало:
- если n = 1500 об/мин (УОЗ=15°), а Н = 0,26 и H = 0,44 кг/ч имеем значительное понижение расхода природного газа на нагрузках до Ре = 3 кг/см2, к примеру, если Ре = 1,46 кг/см2 на 30% при Н = 0,26 кг/ч и 35% при Н = 0,44 кг/ч, то положительный эффект КПД возрастет от 5 до 13 %. Влияние добавки водорода снизится, а расход природного газа в данном случае составит 1 - 2%.
- влияние, которое оказывают добавки водорода на токсические показатели остается таким же сильным на небольших нагрузках, к примеру, если Ре = 1,46 кг/ч (п = 1500 об/мин, УОЗ=15°) снижение выбросов углеводорода разбито на 9 этапов и при увеличении нагрузки больше 3 кг/см2 снизится до 40%. Ростом нагрузки при УОЗ = 15°. увеличивают выбросы NO;
- влияние, которое оказывают добавки водорода при нагрузочной характеристике, где п = 2200 об/мин (УОЗ = 18°) равны стандартным показателям с меньшим количественным выражением, к примеру, по мере возрастания нагрузки уменьшение расхода ПГ будет варьироваться от 10 % до 2 %, при условии стабильного эффективного коэффициента полезного действия.
Данные исследования помогли выделить нужную область параметров силового агрегата по частоте вращения коленчатого вала, коэффициенту избытка воздуха, нагрузке и УОЗ в тех параметрах у которых более активно наблюдается влияние водорода на снижение расхода природного газа и выбросов углеводородов в правильном количестве, данное количество можно определить с помощью современных технологий в объёме Н = 0, 2 кг/ч.
С помощью данных исследований получены результаты по использованию аппроксимации и «интерполяции, их можно использовать при расчётах уровня токсичности, согласно официальной методике оценки.
В ходе проведенных исследований были получены методы улучшения показателей силового агрегата, особое значение имеет наиболее актуальный метод с использованием добавок водорода в виде смеси ПГ и пятипроцентного водорода для заправки транспортных средств. Не исключено использование ряда других методов, имеющих хорошие показатели, но требующие детальной исследовательской и практической доработки.
Работу по использованию добавок водорода следует вести и далее, провести исследовании при смешивании топливовоздушной смеси, чтобы понизить выбросы оксида углерода, что направлено на освоение новых научных подходов и проведение практических работ по калибровке ЭСУД при работе силового агрегата на смеси, состоящей из природного газа и водорода.
В соответствии программой и методикой испытаний подготовлены и проведены на моторном стенде, экспериментальные работы по исследованию улучшения показателей добавок водорода, с помощью которых можно увидеть не только его эффективность, но и возможность использования данного способа по уменьшению токсичности силовом агрегате КАМАЗ - 820.52-260.
В результате исследования работы двигателя внутреннего сгорания с добавлением водорода, по характеристикам, оказывающим регулировочное действие (на саму смесь, ее состав и угол опережения зажигания) пришли к выводу, что на режимах, подвергшихся исследованию заметны кардинальные изменения показателей силового агрегата:
- согласно условию работы силового агрегата, на ХХ, где коэффициент избытка воздуха а = 1,4, добавления водорода 0,2 кг/ч, расход природного газа снизится до 30% и останется на этом уровне при изменении значения а= 1,5; объемные выбросы углеводорода будут понижаться в четыре этапа, концентрация выбросов углекислого газа останется неизменной, а вот значения оксида азота понизятся до 30%. Важно отметить снижение выбросов NO наблюдается при обогащениях смеси;
- согласно условию работы силового агрегата, на нагрузочном режиме n = 1500 об/мин и нагрузке Ре = 1,46 кг/см2и добавлении водорода Н = 0,26 и 0,44 кг/ч расход природного газа снижается. При работе с регулировочными характеристиками показатели составят около 11%, вырастет КПД 3,5-е-10%о, до 40% проявится снижение углеводорода, хотя это повлечет за собой повышение выбросов оксида азота приблизительно на 50 % и выше;
- проведенные исследования влияния УОЗ при добавках водорода дают возможность улучшить их: выбросы СН и НОх при условии работы в экономичном режиме, к примеру, при добавках водорода и снижении угла опережения зажигания на режиме n = 1500 об/мин и Ре = 1,46 кг/ч до 10° эффект КПД возрастет до 11%.
Исследование работы силового агрегата при добавках водорода по нагрузочным характеристикам показало:
- если n = 1500 об/мин (УОЗ=15°), а Н = 0,26 и H = 0,44 кг/ч имеем значительное понижение расхода природного газа на нагрузках до Ре = 3 кг/см2, к примеру, если Ре = 1,46 кг/см2 на 30% при Н = 0,26 кг/ч и 35% при Н = 0,44 кг/ч, то положительный эффект КПД возрастет от 5 до 13 %. Влияние добавки водорода снизится, а расход природного газа в данном случае составит 1 - 2%.
- влияние, которое оказывают добавки водорода на токсические показатели остается таким же сильным на небольших нагрузках, к примеру, если Ре = 1,46 кг/ч (п = 1500 об/мин, УОЗ=15°) снижение выбросов углеводорода разбито на 9 этапов и при увеличении нагрузки больше 3 кг/см2 снизится до 40%. Ростом нагрузки при УОЗ = 15°. увеличивают выбросы NO;
- влияние, которое оказывают добавки водорода при нагрузочной характеристике, где п = 2200 об/мин (УОЗ = 18°) равны стандартным показателям с меньшим количественным выражением, к примеру, по мере возрастания нагрузки уменьшение расхода ПГ будет варьироваться от 10 % до 2 %, при условии стабильного эффективного коэффициента полезного действия.
Данные исследования помогли выделить нужную область параметров силового агрегата по частоте вращения коленчатого вала, коэффициенту избытка воздуха, нагрузке и УОЗ в тех параметрах у которых более активно наблюдается влияние водорода на снижение расхода природного газа и выбросов углеводородов в правильном количестве, данное количество можно определить с помощью современных технологий в объёме Н = 0, 2 кг/ч.
С помощью данных исследований получены результаты по использованию аппроксимации и «интерполяции, их можно использовать при расчётах уровня токсичности, согласно официальной методике оценки.
В ходе проведенных исследований были получены методы улучшения показателей силового агрегата, особое значение имеет наиболее актуальный метод с использованием добавок водорода в виде смеси ПГ и пятипроцентного водорода для заправки транспортных средств. Не исключено использование ряда других методов, имеющих хорошие показатели, но требующие детальной исследовательской и практической доработки.
Работу по использованию добавок водорода следует вести и далее, провести исследовании при смешивании топливовоздушной смеси, чтобы понизить выбросы оксида углерода, что направлено на освоение новых научных подходов и проведение практических работ по калибровке ЭСУД при работе силового агрегата на смеси, состоящей из природного газа и водорода.