Повышение экологической безопасности двигателей внутреннего сгорания за счет утилизации теплоты их отработавших газов

В течение тысячелетий человек смотрел на природу, как на неисчерпаемый склад, из которого можно брать все, что ему нужно, и как на огромную свалку, на которую можно выбрасывать все, что ему не нужно" [15]. Времена эти безвозвратно прошли. Воздействие техники на окружающую среду (антропогенное воздействие) стало в наше время сопоставимо по своим масштабам с происходящими на земле природными процессами [36].

Существенный вклад в антропогенное воздействие вносят поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС). Согласно статистическим оценкам суммарная доля энергии, выработанной этими двигателями в конце XX века, составляла около 25%, а к середине XXI века, по прогнозам экспертов, может возрасти до 40−60% [110]. При этом в ближайшем будущем характер этого увеличения останется, как и сейчас, экспотенциальным [86,92].

В процессе работы ПДВС непрерывно взаимодействуют с окружающей средой, забирая из нее топливо и воздух и выбрасывая в нее продукты своей деятельности. Эта ситуация рождает значительное количество экологических проблем.

Начинаются эти проблемы со сжигания в ПДВС огромного количества природного топлива. Разведанные же запасы его не безграничны. По прогнозам специалистов, при сохранении современных тенденций добычи, потребления и использования новых месторождений запасы нефти и газа истощатся через 70−140 лет [57].

Процесс превращения (трансформации) термохимической энергии топлива в механическую работу в ПДВС включает в себя, как обязательный элемент, окисление этого топлива с использованием кислорода атмосферного воздуха. Широкая распространенность обсуждаемых двигателей обусловливает интенсивное его расходование. Достаточно сказать, что один автомобиль среднего класса за один месяц работы сжигает столько^{ислорода,} сколько воспроизводит его 1 га девственного леса за целый год. По подсчетам специалистов на сгорание разнообразных видов топлив сейчас требуется до 25% кислорода, производимого зелеными растениями. Полагают, что в ближайшие 150−180 лет количество кислорода в атмосфере сократится на треть по сравнению с современным его содержанием [105].

Серьезнейшие проблемы в окружающей среде порождает и то, что выбрасывается в нее из ПДВС.

В первую очередь, здесь следует сказать о токсичных веществах, входящих в состав отработавших газов. Их более 280. Это и оксид углерода, и углеводороды, и оксиды азота, и сажа и многое другое, что наносит непоправимый вред здоровью человека, возведенным им зданиям и сооружениям, окружающей природе.

Кроме того, выбрасываемые из ПДВС газы имеют высокую температуру (до 700 °С) и нагревают атмосферу. Чем грозит человечеству такое тепловое «загрязнение» — хорошо известно [46,98,100 и др.].

Однако, тепловым «загрязнением» атмосферы не исчерпываются проблемы, связанные с выбросом в окружающую среду горячих отработавших газов. Известно, что в конечном счете полезность для человека ресурсов вещества и энергии определяется их пригодностью к действию, т. е. к превращению в работу (работоспособностью), которую сегодня называют эксергией [16, 101, 106 и др.]. В обсуждаемом аспекте эксергия — это свойство потока энергии, определяемое количеством работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при их взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия.

Чем выше температура тела, обладающего определенным запасом энергии, тем больше его эксергия, т. е. тем большее количество работы может быть получено из имеющегося количества энергии. Поэтому при одинаковом количестве выбрасываемых в атмосферу отработавших газов, количество теряемой с ними эксергии будет различным в зависимости от их температуры. При этом следует иметь в виду, что эта эксергия не просто попадает в окружающую среду (где ее теоретически в последующем можно было бы к использовать). В процессе остывания отработавших газов в атмосфере их энтропия растет, количество содержащейся в них эксергии уменьшается: эксер-гия исчезает (происходит ее диссипация), превращаясь в анергию — составляющую энергии теплового потока, которую уже никогда нельзя будет превратить в работу [17]. В результате отмеченных необратимых процессов человечество безвозвратно теряет часть эксергии мировых энергетических запасов, теряет возможность использовать природные (в соответствии с законом сохранения энергии принципиально неуничтожимые) энергетические ресурсы в своих нуждах.

Кроме отмеченных негативных воздействий на окружающую среду ПДВС «засоряют» ее, излучая шум и вибрации.

Однако, сколь ни велики экологические проблемы, рождаемые этими двигателями, они широко используются практически во всех областях человеческой деятельности. Это обусловлено тем, что в результате многолетнего развития, ставшего возможным благодаря общему научно-техническому прогрессу, успехам металлургии и машиностроения, они достигли весьма высоких энергетических показателей и экономичности, обладают достаточной надежностью и хорошо освоены в технологическом отношении. Термодинамические показатели современных ПДВС близки к предельно теоретически возможному уровню.

Однако, несмотря на сказанное, работа ПДВС сопровождается значительными потерям. В первую очередь это относится к потерям теплоты с отработавшими газами (ОГ). В дизелях они составляют 86−107% по отношению к эффективной мощности, в карбюраторных двигателях превосходят ее на 25−43%. Приведенные данные свидетельствуют о существовании значительных резервов повышения экономичности и получения дополнительной мощности в случае утилизации энергии, теряемой с уходящими в атмосферу продуктами сгорания.

Анализ литературы показывает, что на объектах наземной мобильной техники сейчас нет доведенных до серийной зрелости систем, обеспечивающих использование энергии уходящих из ПДВС газов. Однако, известно, что в этом плане могут быть использованы паросиловые установки, термоэлектрические генераторы и др. Квалиметрический анализ возможных вариантов систем утилизации [111, 115, 132 и др.] показал определенное преимущество газовых двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ), в частности, ДВПТ с внутренним парообразованием (ДВПТВП). В цилиндры таких двигателей поступают отработавшие газы ДВС, сжимаются и в них впрыскивается вода. Расчеты показывают, что температура в конце сжатия может достигать 1500 °C и более. Распыленная вода в этих условиях интенсивно испаряется, рабочее тело расширяется, производя полезную работу. Эта дополнительно произведенная работа увеличивает общую мощность силовой установки (включающей ПДВС и утилизационный двигатель), и снижает удельный расход топлива.

Не останавливаясь во введении на конструкции и термодинамических вопросах функционирования упомянутого утилизационного двигателя, отметим, что при указанной выше температуре компоненты парогазовой смеси, находящиеся в цилиндре после впрыскивания в него воды, претерпевают сложные изменения. Предварительный анализ этих изменений [103] позволяет ожидать, что в результате прохождения отработавших газов ПДВС через утилизатор — двигатель с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием, токсичность этих газов будет снижаться.

Таким образом, можно предположить, что существующая острая научная проблема, связанная с высокой экологической опасностью использования поршневых двигателей внутреннего сгорания для нужд человечества, частично разрешается при утилизации теплоты их отработавших газов при помощи двигателя с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием.

Цель настоящего исследования — оценить повышение экологической безопасности двигателей внутреннего сгорания за счет утилизации теплоты их отработавших газов при помощи двигателя с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализировать экологические проблемы, вызываемые эксплуатацией поршневых двигателей внутреннего сгорания в окружающей среде.

2. Разработать основы системно-экологического подхода к исследованию силовых установок, включающих в себя поршневой двигатель внутреннего сгорания и утилизационный двигатель с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием.

3. Разработать комплекс показателей для всесторонней оценки экологической безопасности отмеченных в предыдущем пункте силовых установок, и математическую модель, позволяющую определять принятые показатели в зависимости от режимных и регулировочных характеристик утилизационного двигателя.

4. Создать экспериментальную установку, включающую поршневой двигатель внутреннего сгорания и утилизационный двигатель с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием.

5. Экспериментально оценить влияние утилизации теплоты отработавших газов поршневого двигателя внутреннего сгорания при помощи двигателя с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием на показатели экологической безопасности силовой установки.

6. Определить экономический эффект от снижения показателей экологической безопасности силовой установки при утилизации теплоты отработавших газов доршневых двигателей внутреннего сгорания двигателем с внешним подводом теплоты щ внутренним парообразованием.

Объектом исследования служили процессы, влияющие на экологическую безопасность поршневых двигателей внутреннего сгорания при утилизации теплоты их отработавших газов.

Предметом исследования являлась техническая система, включающая в себя поршневой двигатель внутреннего сгорания и утилизационный двигатель с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием.

Методика исследования базировалась на использовании основных положений системного подхода, элементов эксергетического метода термодинамического анализа, метода математического планирования многофакторного эксперимента и статистической обработки результатов на ЭВМ.

Работа носит теоретико-экспериментальный характер, в опытах использовалась современная измерительная и вычислительная аппаратура.

Выводы и рекомендации сформулированы на основе результатов натурного и математического экспериментальных исследований технической системы, включающей в себя поршневой двигатель внутреннего сгорания и утилизационный двигатель с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием.

Научная новизна заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:

— впервые выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о возможности снижения вредного воздействия на окружающую среду поршневых двигателей внутреннего сгорания при утилизации теплоты их отработавших газов;

— создана математическая модель, позволяющая исследовать изменение экологических показателей поршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от температуры продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу и параметров впрыскивания воды в утилизационный двигатель;

— установлена зависимость и объяснена природа улучшения экологических показателей поршневых двигателей внутреннего сгорания от температуры продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу, и параметров впрыскивания воды при утилизации теплоты отработавших газов с помощью двигателя с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием.

Практическая ценность работы состоит в том, что получена математическая модель (система полиномиальных уравнений), использование которой позволяет расчетным путем количественно оценить снижение вредного воздействия на окружающую среду поршневых двигателей внутреннего сгорания при утилизации теплоты их отработавших газов с помощью двигателей с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием.

Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях, занимающихся созданием теплосиловых установок на базе двигателей внутреннего сгорания.

Реализация результатов работы. Материалы диссертационного исследования реализованы в ФГУП 21 НИИИ, приняты к использованию в центре энергосбережения РАО ЕС Россиииспользуются и внедрены при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении отдельных разделов курсов лекций по дисциплинам «Двигатели военной автомобильной техники» и «Теплотехника» в Челябинском и Рязанском военных автомобильных институтах.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на третьем Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2001 г.) — седьмом Республиканском семинаре «Ресурсосбережение и новые технологии» (Мелитополь, 2001 г.) — Российской конференции «Естественные науки в военном деле» в рамках четвертой Международной выставки вооружения и военной техники (Омск, 2001 г.) — Всероссийской научно-технической конференции «Инженерная защита окружающей среды в транспортном строительстве» (Челябинск, 2002 г.) — межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Омск 2002 г.) — научно-методическом семинаре с участием сотрудников кафедр «Двигатели», «Автомобильная техника» Челябинского военного автомобильного института- «Двигатели внутреннего сгорания»,.

Автомобили и тракторы" Южно-Уральского государственного университ# та- «Тракторы и автомобили» Челябинского агроинженерного университета и отдела силовых установок научно-исследовательского института промышленных тракторов (Челябинск, 2002 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, получено 3 свидетельства на полезную модель.

Диссертация содержит 163 страницы машинописного текста, 29 рисунков, 16 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка основной использованной литературы, включающего 135 наименований, и приложений.

Выводы по работе.

1. Экспериментально подтверждена гипотеза о возможности повышения экологической безопасности поршневых ДВС при утилизации теплоты их отработавших газов двигателем с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием.

2. Разработаны основы системно-экологического подхода к исследованию установок двухуровневого использования теплоты, включающих в себя два контура: первичный — поршневой ДВС, и вторичный — двигатель с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием, предназначенный для утилизации теплоты отработавших газов первичного контура. Проведенный поэтапный анализ внешних, внутренних и промежуточных связей на трех иерархических уровнях рассматриваемой системы раскрыл с экологических позиций природу происходящих в ней процессов.

3. Разработана система показателей для оценки эффективности повышения экологической безопасности поршневых ДВС в случае утилизации теплоты их отработавших газов двигателем с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием.

4. Получена математическая модель (система из восьми полиномиальных уравнений второго порядка), позволяющая расчетным путем оценивать: удельную (приведенную к единице рабочего объема) эффективную мощность утилизационного двигателястепени снижения: теплового «загрязнения» окружающей среды, диссипации эксергии при выбросе в нее отработавших газов, дымности выбросовконцентрации в них: оксида углерода, углеводородов, оксидов азота и степень снижения комплексного показатель вредности выбросов в окружающую среду в зависимости: от температуры отработавших газов дизеля на входе в цилиндр утилизационного двигателятемпературы стенок внутрицилиндрового пространствадавления впрыскивания воды в цилиндрпродолжительности и момент начала впрыскивания. Адекватность модели проверена по критерию Фишера и при исследовании работы дизеля по внешней скоростной и нагрузочной характеристикам (расхождение опытных и расчетных показателей составило 7,9 и 6,4% соответственно).

5. Оценено (качественно и количественно) влияние перечисленных выше режимных и регулировочных характеристик утилизационного двигателя на экологические показатели силовой установки и объяснена природа установленных влияний.

6. Экспериментально и расчетами установлено, что при утилизации теплоты отработавших газов поршневого ДВС (дизеля КамАЗ-740) с помощью разработанного при участии автора двигателя с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием вредное воздействие первого на окружающую среду существенно уменьшается.

Так при работе дизеля по внешней скоростной характеристике дым-ность отработавших газов в среднем уменьшилась на 29%, содержание углеводородов — на 46%, оксида углерода — на 62%, оксидов азота — на 24%, комплексный показатель вредности выбросов на 24%, расход топлива и воздуха — на 14%, тепловое «загрязнение» атмосферы — на 69%, диссипация эк-сергиина 66%. Коэффициент экологической безопасности в среднем равен 0,38.

При работе по нагрузочной характеристике (п = 1600 мин" 1) экологические показатели в среднем уменьшились соответственно на 57, 48, 48, 33, 36, 21 и 13, 71, 74%. Коэффициент повышения экологической безопасности в среднем равен 0,40.

При эксплуатации дизеля КамАЗ-740 в городских условиях дым-ность отработавших газов уменьшилась на 35%, содержание углеводородовна 54%, оксида углерода — на 55%, оксидов азота — на 29%, комплексный показатель вредности выбросов на 39%, расход топлива и воздуха — на 9 и 2%, тепловое «загрязнение» атмосферы — на 79%, диссипация эксергиина 76%. Коэффициент повышения экологической безопасности равен 0,41.

8. Уменьшение экологического ущерба, наносимого окружающей среде одним дизелем КамАЗ-740 в условиях городской эксплуатации при утилизации теплоты его отработавших газов с помощью двигателя с внешним под-водом теплоты и внутренним парообразованием составляет 4958 руб/год. Снижение удельного экономического ущерба на единицу выработанной мощности — 0,015 руб/(кВт ч). Снижение удельного экономического ущерба на единицу израсходованного топлива — 0,165 руб/л топлива. Общий годовой экономический эффект от утилизации теплоты продуктов сгорания, выбрасываемых дизелем в окружающую среду 18 636,15 руб. Суммарный экономический эффект на одну машину (с учетом снижения расхода топлива при утилизации) составит 26 911,1 руб/г.

9. Материалы теоретических и экспериментальных исследований, изложенные в диссертации и опубликованные в работах в автора, реализованы в ФУГП 21 НИИИ МО РФвошли в типовую программу развития малой энергетики, разработанную центром энергосбережения РАО «ЕЭС России" — используются и внедрены при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении отдельных разделов курсов лекций по дисциплинам «Двигатели военной автомобильной техники» и «Теплотехника» в Челябинском и Рязанском военных автомобильных институтах.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Хасанова M.JI., Кукис B.C., Руднев В. В., и др. Утилизационный двигатель с внешним подводом теплоты. Свидетельство на полезную модель. RU 21 068 U1 7 °F 01 К 7/00. Опубл. 20.12.2001. Бюл. № 35.

2. Хасанова M.JI., Кукис B.C., Дерябин В. А. и др. Свободнопоршне-вой паровой термоэлектрогенератор для утилизации теплоты отработавших газов ДВС. Свидетельство на полезную модель. Заявка № 2 002 113 208/20(14 137). Решение о выдаче свидетельства от 14.08.2002.

3. Кукис B.C., Хасанова M.JI. Повышение экологической безопасности двигателей мобильной техники. // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). М., -2001.-С. 130−132.

4. Руднев В. В., Хасанова M. JI, Смолин А. Б. Система утилизации тепловых потерь автомобильных двигателей. // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). М.,-2001. — С. 165−167.

5. Хасанова M.JI. Улучшение экологических показателей автомобильных двигателей. // Материалы научной краеведческой конференции «Челябинск в прошлом и настоящем». — Челябинск, 2001. — С. 147−149.

6. Кукис B.C., Хасанова M.JI., Пятковская H.A. Возможность снижения токсичности двигателей внутреннего сгорания при утилизации теплоты их отработавших газов. // Пращ Таврийськой державной агротехничной академии — Вип. 2, Т. 17. — Мелшшоль: ТДАТ, 2001. — С. 151−155.

7. Кукис B.C., Хасанова М. Л., Богданов А. И. и др. Проблемы функционирования системы «Поршневой двигатель и окружающая среда» и возможности ее решения. // Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования. Т. 3. — Москва, 2001. — С. 82−83.

8. Кукис В. С, Хасанова М. Л., Пятковская H.A. Снижение токсичности отработавших газов двигателей военной автомобильной техники при утилизации тепловых потерь. // Научно — методический сборник: Материалы Российской конференции «Естественные науки в военном деле». Вып. 50, ч. 1. -Омск: Изд-во ОТИИ, 2001. — С. 50−52.

9. Хасанова М. Л. Изменение токсичности отработавших газов дизеля КамАЗ -740 при работе по внешней скоростной характеристике в случае утилизации тепловых потерь. // Научный вестник «Автомобильная техника». Вып. № 14. — Челябинск: ЧВАИ, 2002. — С. 136−140.

10. Хасанова М. Л. Утилизация тепловых потерь отработавших газов автомобильных двигателей как один из способов улучшения их экологических показателей. // Научный вестник «Автомобильная техника». Вып. № 14. -Челябинск: ЧВАИ, 2002. — С. 133−135.

11. Хасанова М. Л. Влияние системы утилизации теплоты отработавших газов на экологические характеристики дизеля КамАЗ-740. // Материалы межрегиональной науч.-техн. конф. «Многоцелевые гусеничные и колесные машины». — Ч. 2. — Омск, 2002. — С. 19−21.

12. Хасанова М. Л., Кукис B.C., Руднев В. В. и др. Двигатель с разделенными процессами газо-парообразования. Свидетельство на полезную модель. Заявка № 2 002 116 607. Решение о выдаче свидетельства от 26.09.2002.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Эксплуатация поршневых двигателей внутреннего сгорания создает значительные экологические проблемы, которые связаны со сжиганием огромного количества природного топливаинтенсивным расходованием кислорода атмосферного воздухавыбросом в окружающую среду большого количества токсичных веществ. Кроме того, выбрасываемые из поршневых ДВС газы имеют высокую температуру и нагревают атмосферу. В процессе остывания отработавших газов их эксергия исчезает (происходит ее диссипация), превращаясь в анергию — составляющую энергии теплового потока, которую уже никогда нельзя будет превратить в работу. Кроме отмеченных негативных воздействий на окружающую среду ПДВС «засоряют» ее, излучая шум и вибрации.

Проведенное исследование показало, что частично эти проблемы могут быть решены при утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС двигателем с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием, разработанным, изготовленным с участием автора диссертации и на который получено свидетельство на полезную модель.

Принцип компоновки силовой установки, исследованной в настоящей работе, может быть рекомендован для внедрения на стационарных мини-ТЭЦ и других стационарных объектах, где источником механической энергии являются двигатели внутреннего сгорания (не обязательно поршневые).

На объектах мобильной техники целесообразными представляются другие конструктивные решения. В частности — перевод одного или нескольких цилиндров многоцилиндрового поршневого ДВС на работу по принципу двигателя с внешним подводом теплоты и внутренним парообразованием (приоритетная справка на полезную модель такой силовой установки диссертантом получена). В этом случае при существенном повышении экономических и экологических показателей практически не изменяются массогабарит-ные характеристики поршневой машины, что весьма важно с точки зрения компоновки силовой установки в моторном отсеке. Незначительно увеличивается и стоимость такого двигателя.

Другим путем решения проблемы создания силовой установки с утилизацией теплоты отработавших газов для мобильной техники может служить перевод четырехтактных поршневых ДВС на шеститактный цикл. В этом случае после завершения в каждом цилиндре традиционных четырех тактов и прихода поршня в нижнюю мертвую точку, не следует открывать выпускные органы. Тогда в процессе последующего перемещения поршня от нижней мертвой точки к верхней (пятый такт) оставшиеся в цилиндре продукты сгорания будут сжиматься, и температура их существенно увеличится, При приближении поршня к верхней мертвой точке в цилиндр через форсунку подается вода, происходит ее интенсивное испарение, перегрев и расширение парогазообразной смеси (шестой такт) с совершением работы.

Окончательный выбор компоновки силовой установки, в которой осуществляется утилизация теплоты отработавших газов поршневого ДВС с помощью использованного в работе принципа, в каждом конкретном случае представляет собой серьезную самостоятельную экономическую задачу, решение которой выходит за рамки настоящего исследования.