Снижение эмиссии оксидов азота в ДВС с унифицированным рабочим процессом при работе на обводненном этаноле

Актуальность исследования.

Истощение запасов нефти и газа, а также негативные экологические последствия их переработки и сжигания — глобальные проблемы современной мировой энергетики.

Одним из основных потребителей топлив на основе ископаемого сырья являются поршневые ДВС (ПДВС). Объем потребления нефти для производства моторных топлив достиг 3,5 млрд. тонн и продолжает увеличиваться. Между тем, извлекаемые запасы нефти в мире и России оцениваются, соответственно, в 140 и 7 млрд. т., этих ресурсов даже при сохранении нынешних объемов добычи (в РФ — ок. 470 млн. т. в год) хватит лишь на несколько десятков лет [13]. Тем не менее, в ближайшем будущем не предвидится массовая замена ПДВС на какой-либо альтернативный источник механической энергии.

Общая мощность ПДВС составляет 80 — 85% мощности всех энергоустановок мировой энергетики. На автомобильном, железнодорожном, водном транспорте, в сельском хозяйстве, в строительстве, средствах малой механизации и ряде других областей ПДВС как источник энергии не имеет альтернативы. Мировое производство только автомобильных двигателей превысило 60 миллионов единиц в год. Количество производимых малоразмерных стационарных двигателей также превышает десятки миллионов в год. В авиации поршневые двигатели доминируют по суммарной мощности, количеству моделей и модификаций и общему количеству установленных на самолеты двигателей [13].

Указанные выше причины обуславливают заинтересованность ведущих стран мира во внедрении в широкое использование альтернативных (неископаемых) топлив. При этом новое топливо должно удовлетворять ряду требований:

— простота производства и доступность сырья;

— незначительное изменение топливной инфраструктуры при переходе на новое топливо;

— возможность адаптации устройств-потребителей под использование нового топлива.

Наиболее приемлемым топливом, удовлетворяющим перечисленным выше условиям, могло бы быть топливо, участвующее в кругообороте веществ в природе. Таковыми являются топлива из растительного сырья, при использовании которых не происходит роста содержания углекислого газа в атмосфере, а производство и переработка могут быть налажены практически в любой стране мира. Из топлив растительного происхождения наиболее перспективным является этанол, который может быть получен в процессе естественного брожения из растительного сырья (в том числе и из органических отходов). В этом случае существует возможность обеспечения круговорота этанола в биосфере и решается проблема выбросов основного источника парникового эффекта — углекислого газа [48].

Другой актуальнейшей является экологическая проблема, связанная с токсичностью отработавших газов ПДВС. В настоящее время силовые установки с поршневыми двигателями, в первую очередь автомобили, стали наиболее массовыми загрязнителями окружающей среды. Доля автотранспорта в загрязнении атмосферы крупных городов достигает.

80 — 90% по выбросам оксида углерода и оксидов азота. Автомобили являются также мощным источником канцерогенов: бенз (а)пирена, его гомологов и несгоревших углеводородов [16, 22]. Осознание серьезности назревающей экологической опасности привело к введению в развитых странах поэтапно ужесточающихся норм предельно допустимых выбросов для автомобилей.

Современные методики понижения токсичности ДВС основаны на принципе обработки отработавших газов в выпускной системе. Однако, для удовлетворения перспективных норм токсичности, прежде всего понижения эмиссии оксидов азота, их эффективности нейтрализации уже не достаточно. По этому, при разработке перспективных систем понижения токсичности.

ДВС, особое внимание уделяется подавлению образования токсичных компонентов непосредственно в рабочей камере двигателя.

В настоящее время наибольшие успехи в области подавления образования оксидов азота при сгорании были достигнуты в газотурбинных установках (ГТУ) [1, 24, 28, 49], где доминирующими являются два направления:

• Сжигание бедных предварительно перемешанных смесей.

• Добавление в рабочую камеру двигателя воды.

В первом случае экологический эффект обеспечивается сознательным ухудшением эффективных показателей двигателя. В ПДВС, где рабочий процесс, в отличие от ГТУ носит циклический характер, наряду с проблемами сгорания бедных смесей, возникают проблемы, связанные с их воспламенением. Этого недостатка лишён второй способ, но здесь возникают проблемы с организацией подачи воды в рабочую камеру и смесеобразованием, поскольку вода не смешивается с товарными топливами.

Наилучшим, с точки зрения добавления воды, было бы спиртовое топливо, так как оно образует с водой устойчивые смеси. В то же время, спиртовое топливо обладает высоким значением скрытой теплоты парообразования, что вызывает большие затраты тепла на испарение и, соответственно, трудности со смесеобразованием и воспламенением (особенно в холодное время года). Добавка воды усугубляет эту проблему.

Одной из особенностей унифицированного рабочего процесса (УРП) является то, что воспламеняется топливовоздушная струя, еще не успевшая распространиться по всему объему камеры сгорания, т. е. организовано горение предварительно не перемешанной (или частично перемешанной) смеси. Таким образом, появляется, возможность воспламенения топлив, неспособных воспламеняться в современных дизельных и бензиновых двигателях, в том числе и сильно обводненного этанола.

Возможность функционирования ДВС с УРП на этаноле была показана в работах, проведённых ранее [12]. Тем не менее, потенциал снижения и закономерности эмиссии вредных веществ при сжигании этанола в условиях УРП изучены не были.

Актуальность исследования вытекает из возможности воспламенения и сжигания в условиях ПДВС с УРП сильно обводнённого этанола, что в традиционных ПДВС не представляется возможным. Поскольку метод обводнения топливо-воздушной смеси (TBC) является одним из наиболее перспективных, вопрос снижения эмиссии оксидов азота в ПДВС с УРП посредством использования в качестве топлива обводнённого этанола требует детального исследования.

Цель и задачи исследования

.

Целью исследования является снижение эмиссии оксидов азота в ДВС с унифицированным рабочим процессом при использовании обводненного этанола.

В соответствии с целью формулировались задачи исследования:

1. Провести численное исследование влияния обводнения топливовоз-душной смеси на кинетический механизм окисления топлива и эмиссию оксидов азота.

2. Экспериментально исследовать возможность работы поршневого ДВС с унифицированным рабочим процессом на обводнённом этаноле.

3. Экспериментально определить возможность снижения эмиссии оксидов азота за счёт увеличения содержания воды в топливе. Определить влияние степени обводнения топлива на индикаторные показатели двигателя.

4. Экспериментально определить влияние степени обводнения топлива на процесс горения и эмиссию продуктов неполного горения.

Методы исследования.

При выполнении работы использованы следующие методы исследования:

— методы и модели химической кинетики процессов высокотемпературного окисления;

— методы математического моделирования сложных систем, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений;

— методы экспериментальных исследований полноразмерных ДВС.

Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Используемые математические модели процессов химической кинетики проверялись на достоверность. В части, выполненной методом исследования на полноразмерном ДВС, продемонстрировано и количественно показано влияние степени обводнения TBC на эмиссию оксидов азота, продуктов неполного окисления топлива и индикаторные показатели экспериментального двигателя.

Научная новизна.

1. Экспериментально доказана возможность снижения эмиссии оксидов азота в поршневых ДВС с унифицированным рабочим процессом без ухудшения индикаторных показателей двигателя посредством сжигания обводнённых этаноловоздушных смесей.

2. Теоретически обосновано влияние воды на кинетику окисления топлива и подавление эмиссии оксидов азота в условиях поршневого ДВС.

Практическая ценность и достоверность научных положений.

Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно могут быть использованы:

1. При численных исследованиях влияния обводнения на кинетику окисления топлива.

2. При разработке перспективных малотоксичных ДВС на основе УРП.

Результаты моделирования химической кинетики окисления топлива в присутствии воды и зависимости экологических характеристик и индикаторных показателей ДВС с УРП от содержания воды в обводнённом этаноле внедрены в учебный процесс в УГАТУ (г. Уфа).

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Влияние добавки воды к этанолу на снижение эмиссии оксидов азота в поршневых ДВС заключается в увеличении времени достижения равновесия за счет снижения концентрации атомарного кислорода.

2. Обводнение топливовоздушной смеси в двигателе с унифицированным рабочим процессом позволяет радикально снизить эмиссию оксидов азота без негативного влияния на индикаторные показатели двигателя.

Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:

— корректном использовании фундаментальных уравнений химической кинетики;

— использовании признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, применении современного математического аппарата;

— сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов на реальном ДВС в стендовых условиях.

Апробация работы, публикации.

Работа изложена и одобрена на расширенном заседании кафедры ДВС УГАТУ. Результаты работы докладывались на третьей и четвёртой всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых учёных «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2008, 2009), всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2009).

Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2004 по 2009 годы.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах, в том числе в 2 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Содержит 137 страниц машинописного текста, включающего 91 рисунок, 7 таблиц и библиографический список из 112 наименований.

выводы.

1. Проведено численное исследование влияния обводнения топливо-воздушной смеси на кинетический механизм окисления топлива и эмиссию оксидов азота. Установлено, что в основе механизма влияния воды на эмиссию оксида азота лежит увеличение времени достижения равновесия за счет снижения концентрации атомарного кислорода в присутствии воды. Влияние обводнения зависит от температурного диапазона реакции. При Г~ 2500 К и выше это влияние несущественно. При Г~ 1900 -К2500 влияние обводнения зависит от времени пребывания продуктов сгорания при данных температурах. При Т< 1900 К это влияние наиболее велико и практически не зависит от времени пребывания продуктов сгорания при высоких температурах, поскольку время достижения равновесия гораздо больше времен, характерных для продолжительности сгорания в поршневых ДВС.

Показано, что сжигание обводненной околостехиометрической топли-во-воздушой смеси более предпочтительно в сравнении с сжиганием бедных предварительно перемешанных смесей, поскольку при равнозначных концентрациях оксида азота температура, а следовательно и скорость реакции окисления в случае добавок воды оказывается большей. Это обстоятельство способствует большей устойчивости и полноте горения.

2. Экспериментально исследована возможность работы поршневого ДВС с унифицированным рабочим процессом на обводнённом этаноле. Доказана возможность устойчивого воспламенения обводнённого этанола с объёмной долей спирта до 45% по объёму включительно. При этом двигатель стабильно работает на околостехиометрических топливо-воздушных смесях.

3. Экспериментально определена возможность снижения эмиссии оксидов азота за счёт увеличения содержания воды в топливе. Установлено, что с ростом количества воды в обводнённом этаноле (от 95% до 45% этанола по объёму) происходит снижение уровня эмиссии оксидов азота до 19 раз по сравнению с базовым двигателем.

Определено влияние степени обводнения топлива на индикаторные показатели двигателя. Установлено, что на режиме частичной нагрузки, соответствующем по составу смеси режиму максимальной нагрузки базового двигателя, не происходит снижения среднего индикаторного давления с ростом количества воды в обводнённом этаноле. На режиме максимальной нагрузки наблюдается рост среднего индикаторного давления до 20% по сравнению с базовым двигателем, что объясняется возможностью большего обогащения топливо-воздушной смеси в унифицированном рабочем процессе.

4. Экспериментально определено влияние степени обводнения топлива на процесс горения и эмиссию продуктов неполного горения. Установлено, что с ростом количества воды в обводнённом этаноле (от 95% до 45% этанола по объёму) не происходит увеличения времени тепловыделения. На исследованных водных растворах этанола продолжительность тепловыделения составила не более 70 угла поворота коленчатого вала, тогда как в базовом о двигателе эта величина составляет 90 .

Показано, что с увеличением количества воды в обводнённом этаноле уменьшается уровень максимального давления (до 1,5 раз) и жёсткость работы двигателя (до 3 раз).

Установлено, что на режиме частичной нагрузки, соответствующем по составу смеси режиму максимальной нагрузки базового двигателя, увеличение количества воды в обводнённом этаноле не увеличивает эмиссию оксида углерода. Средний уровень выбросов СО на этом режиме на 50% ниже, чем в базовом двигателе. При дальнейшем обогащении топливо-воздушной смеси наблюдается рост выбросов СО, что объясняется работой двигателя вблизи предела обогащения. Соответственно, уровень индикаторного КПД на частичной нагрузке соответствует базовому двигателю, на максимальной нагрузке уровень индикаторного КПД в среднем на 10% ниже, чем в базовом двигателе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Подводя итог, Оценим перспективность дальнейших работ в данной области развития ПДВС.

Постоянное ужесточение норм токсичности, предъявляемых к ПДВС, стимулировало исследования, направленные на совершенствование систем нейтрализации токсичных компонентов ОГ. Постепенное повышение эффективности таких систем неизбежно ведёт к усложнению и удорожанию энергетической установки. Тем не менее, для удовлетворения перспективных норм токсичности, уже не достаточно той эффективности, которую могут обеспечить современные системы нейтрализации.

Успехи в области ГТУ, достигнутые в вопросе снижения эмиссии токсичных компонентов ОГ, прежде всего оксидов азота, однозначно показывают, что значительного увеличения уровня экологичности энергетической установки можно добиться, воздействуя на рабочий процесс. Тем не менее, методики, хорошо зарекомендовавшие себя на ГТУ, не применимы к ПДВС.

Описанный в работе способ подавления эмиссии оксидов азота не только показал свою высокую эффективность, но также выгодно отличается отсутствием негативного влияния на эмиссию продуктов неполного окисления топлива и индикаторные показатели двигателя. Применение обводнённого этанола в качестве топлива для ПДВС с УРП позволило добиться уровня эмиссии N0*, удовлетворяющего самым жёстким перспективным нормам токсичности без применения дополнительных средств нейтрализации.

Результаты, полученные в работе, позволяют утверждать, что данное направление развития ПДВС является перспективным. Однако, для выхода ПДВС с УРП, работающих на обводнённом этаноле, на товарный уровень, необходимо выполнить комплекс дополнительных исследований, связанных, прежде всего, с обеспечением холодного запуска и устойчивой работы двигателя во всём диапазоне нагрузок и скоростей.