Введение 4
1 Состояние вопроса. Силовые установки и их параметры 8
1.1 Эффективность силовых установок 8
1.2 Состояние энергетического сектора 12
1.3 Перспективы альтернативных топлив силовых установок 13
1.4 Способы улучшение показателей двигателя путем добавки воды в 16
рабочую смесь
2 Теоретические аспекты улучшения показателей двигателя способом
добавки воды в впускную систему 23
2.1 Теоретические исследования парообразования воды в цилиндре
дизельного двигателя 23
2.2 Теоретические исследования рабочего цикла дизельного двигателя
при применении водной инжекции 29
2.3 Термическое разложение воды 42
3 Образование нормируемых токсических веществ при сгорании
топлива в поршневых ДВС 45
3.1 Выбросы окиси углерода 45
3.2 Выбросы углеводородов 45
3.3 Образование и выбросы окислов азота 48
3.4 Образование и выбросы сажи 49
4 Экспериментальное исследование влияния добавки водяного пара в
впускной коллектор 54
4.1 Термины и определения 54
4.2 Измерительное оборудование 55
4.3 Порядок проведения испытаний 57
4.5 Порядок обработки и анализа результатов испытаний 64
4.6 Результаты испытаний 65
Заключение 70
Список используемой литературы и используемых источников 72
Приложение А Протоколы испытаний двигателя ВАЗ-341 79
Поршневые двигатели внутреннего сгорания занимают значительную часть сектора силовых установок. Особенно применяемы типы двигателей с внутренним подводом тепла, то есть дизельные. Они обеспечивают высокие экономические и мощностные параметры. Однако в реальных условиях отработавшие газы дизельных двигателей содержат значительное количество токсических веществ, наиболее опасное из которых сажа. Сажа ,абсорбируя в себе оксиды азота, углеводороды, альдегиды, бензопирен, и т.д., негативно влияет на здоровье человека и экологию в целом. Особенно актуальна эта проблема в крупных городах, где на транспорт приходится до 30% выбросов токсических веществ. В связи с чем вводятся новые нормы по токсичности отработавших газов, такие как ЕВРО-4 и ЕВРО-5.
Объектом исследования является дизельный двигатель.
Предметом исследования являются процессы, обеспечивающие повышения эффективности и экономичности дизельного двигателя
Проблемой является высокое содержание токсических веществ в отработавших газах дизельных двигателей без систем нейтрализации, в особенности сажи.
Цель исследования улучшение экономических и экологических показателей дизельного двигателя ВАЗ-341, путем внедрения системы водной добавок в рабочую смесь.
В ходе работы решались следующие задачи:
• Обзор литературных источников и существующих систем впрыска воды,
• Анализ теоретических моделей влияния добавки воды в рабочую смесь,
• Определение параметров лабораторной установки,
• Лабораторный испытания двигателя ВАЗ-341 с системой водной добавки.
Добавка воды в цилиндры карбюраторного двигателя широко применялась в начале 20-ого века, в первую очередь для снижения детонации. Влияние воды на рабочий процесс дизельного двигателя изучено недостаточно. Однако можно предположить, что вода будет снижать температуру внутри цилиндра, вместе с тем пары будут совершать работу. Испаряясь на стенках впускных патрубков, вода будет способствовать их охлаждению, что увеличит плотность свежего заряда и может способствовать повышению мощности. Не достаточно изучены и вопросы токсичности при впрыске воды.
Не однозначны влияние добавки воды на ресурс двигателя. При высокой влажности в двигатель попадает значительное количество воды в виде насыщенного пара, что не сильно влияет на рабочий процесс. Для отслеживания изменений в работе двигателя необходимо добавлять 30-100% воды от количества углеводородного топлива. В таком случае вода будет в виде мелкодисперсной взвеси (тумана). Это может вызвать коррозию деталей двигателя.
Применяемые методы исследования включают в себя:
• Теоретический анализ, включает в себя изучение и анализ научных публикаций, стандартов, нормативных документов и других источников, связанных с исследуемой проблемой;
• Экспериментальные исследования, включают в себя проведение экспериментов, в том числе на моторном стенде, для получения данных, необходимых для формулирования и проверки гипотез и выведения закономерностей;
• Моделирование, включает в себя создание математических моделей рабочего процесса двигателя и их использование для анализа и прогнозирования поведения системы в различных условиях....
На основании теоретического расчета параметров двигателя с водной
добавкой, анализа влияния воды на процесс горения в дизельном двигателе и
экспериментальных исследований можно заключить, что концепция водных
добавок в дизельный двигатель имеет перспективы в применении.
В ходе работы выполнены следующие задачи:
- Проанализировано состояние энергетического сектора;
- Проведен обзор существующих систем добавки воды в двигатель;
- Выполнен теоретический расчет влияния добавки воды в впускную
систему на рабочий дизельного двигателя ВАЗ-341;
- В соответствии с программой и методикой испытаний подготовлены
и проведены на моторном стенде экспериментальные работы по
определению зависимости токсичности ОГ двигателя ВАЗ-341 с
добавкой и без добавки ультразвукового пара во впускной коллектор
двигателя.
По результатам испытаний сформулированы следующие выводы:
- снижение удельного расхода топлива на режимах номинальной
нагрузки, составило 3-5 %;
- снижение дымности (коэффициента поглощения, k м
-1) на режимах
номинальной нагрузки, составило более 50 %;
- снижение удельных средневзвешенных выбросов оксидов азота
(NOx), eNOx составило, от 20 до 50 %;
- снижение удельных средневзвешенных выбросов оксида углерода
(СО), eco составило от 10 до 20 %.
- необходимо проведение дополнительных экспериментальных работ по
определению оптимального количества добавляемой воды через
ультразвуковой испаритель на экономические и экологические
показатели дизельного двигателя;
71
- необходимо проведение дополнительных экспериментальных работ по
установлению влияния кислородосодержащих добавок на
экономические и экологические показатели дизельного двигателя;
Результаты экспериментальных работ показали, что при расходе воды
30% от расхода углеводородного топлива в мелкодисперсном виде (GH2O
=1,52 кг/ч), необходимость выполнения дополнительных конструктивных
мероприятий для уменьшения вероятности гидроудара при работе с системой
подачи ультразвукового пара. Мощностные характеристики двигателя не
изменились, однако стало возможно увеличить цикловую подачу без
увеличения дымности.
Наблюдалось явление отчистки камеры сгорания после
непродолжительной работы с впрыском воды. В начале концентрация
токсических веществ и особенно дымность резко повышалась, после
снижалось на 10-20%. Эффект сохранялся при отключении впрыска на
непродолжительное время (30 мин работы двигателя), далее значение
концентраций в ОГ возвращались к номинальным значениям.
Для определения потенциала применения ВВТ в двигателях
внутреннего сгорания целесообразно проведение работ на газовых двигателях
с искровым зажиганием. Так же представляет интерес введение
кислородосодержащих и каталитических добавок, растворенных в воде.
Технологию можно рекомендовать как альтернативу сажевому фильтру
или каталитическому нейтрализатору для установки на уже эксплуатируемые
силовые установки как дополнительный модуль. Это позволит снизить
выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
