Совершенствование экологических показателей дизеля на основе термохимического преобразования топлива в одном из его цилиндров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Шиале Висенте Пауло Шикуби

• Шиале Висенте Пауло Шикуби
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шиале Висенте Пауло Шикуби

Перечень условных обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПРОДУКТЫ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ТОПЛИВА КАК ЭФФЕКТИВНОЕ СРЕДСТВО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЕЙ (аналитический обзор литературных источников).

1.1 Анализ возможности улучшения эколого - экономических показателей дизеля за счет использования добавок водородосодержащих продуктов синтеза углеводородного топлива.

1.2 Способы получения (синтезирования) водородосодержащих продуктов из моторных топлив.

1.3 Качественный состав продуктов термохимической конверсии углеводородных топлив.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование экологических показателей дизеля на основе термохимического преобразования топлива в одном из его цилиндров»

Защита окружающей среды и рациональное использование топливоно-энергетических ресурсов являются важнейшими мировыми проблемами. Одним из всё более и более опасных источников загрязнения природной среды становятся двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Ежегодно с отработавшими газами (ОГ) двигателей в атмосферу поступает более 10 миллионов тонн загрязняющих веществ. В большинстве стран проблема снижения выбросов с ОГ ДВС в настоящее время возросла до уровня неотложных социально-экономических проблем. Одновременно с этим по-прежнему остается актуальной проблема' снижения эксплуатационного расхода топлива установок с ДВС.

Общепризнано, что одним из радикальных направлений в решении указанных проблем является дизелизация. Мировой опыт эксплуатации дизелей показывает, что основными токсическими .компонентами ОГ этих двигателей являются оксиды азота, сажа.

Топливная экономичность и токсичность ОГ дизелей в условиях эксплуатации изначально определяется совершенством их КОНСТРУКЦИИ. При этом одним из основных путей решения проблем экономии топлива и снижения выбросов с ОГ токсичных продуктов сгорания является совершенствование процесса сгорания.

Значительное число известных методов улучшения процесса сгорания основано на предположении неизменности характеристик топлива, участвующего в этом процессе, и химизма (кинетики) его окисления. Однако за последние годы наметилась тенденция к поиску новых нетрадиционных путей подхода к решению проблемы на основе метода, предусматривающего известную трансформацию характеристик топлива, а следовательно, и процесса его сгорания в дизеле, а также влияние на кинетический механизм окисления 8 за счет повышения реакционной способности углеводородно - воздушной среды путем введения в нее реакционно активных компонентов, имеющих более низкую энергию активации в реакциях окисления углеводородов. Одним из возможных путей активации (промотирования) процесса сгорания топлива в камере сгорания (КС) дизеля с целью более полного превращения его химической энергии в полезную работу дизельного цикла и снижения содержания вредных веществ в продуктах сгорания является предварительная термохимическая переработка (газификация) топлива с последующим использованием этих продуктов в качестве активирующих добавок к основному заряду.

Начиная с начала 80-х годов в мировой исследовательской практике отмечается определенный интерес к решению проблемы токсичности и экономичности ДВС, в частности, дизелей именно этим путем . В России работы по этому направлению проводятся в МГТУ им. Н. Э. Баумана, НИКТИД, РУДН и др. организациях' и научно-исследовательских центрах. К сожалению, по достигнутому уровню все эти работы до настоящего времени еще не вышли из стадии поисково-опытных разработок, а многие аспекты исследуемой проблемы не нашли своего рационального решения.

Настоящая работа посвящена исследованию возможностей дальнейшего совершенствования рабочих процессов дизеля путем использования активных (водородосодержащих) продуктов термохимического преобразования топлива, а также изучению условий оптимального функционирования конверсионной системы с учетом требований рациональной организации рабочего процесса дизеля по показателям токсичности, топливной экономичности.

Диссертационная работа выполнена на основе совместных исследований, проведенных в НИКТИД и РУДН, в которых автор принимал непосредственное участие. 9

На защиту выносятся:

•разработанный в ходе исследования усовершенствованный способ организации рабочего процесса дизеля на основе предварительного термохимического преобразования моторного топлива в реакционно активные продукты внутри рабочего пространства одного из цилиндров двигателя;

• расчетно-аналитический метод определения необходимого соотношения масс окислительной среды и дизельного топлива для организации конверсионного процесса в реакторном цилиндре двигателя;

• методика расчета равновесного состава продуктов термохимического преобразования дизельного топлива в реакторном цилиндре;

• расчетно-аналитическое обоснование условий достижения эффективной работы дизель-реакторной установки по показателям токсичности и экономичности;

• рекомендации по организации рабочего процесса дизеля Д-144 с улучшенными экологическими показателями при работе одного из его цилиндров в режиме термохимического реактора.

10

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Шиале Висенте Пауло Шикуби

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснованы принципиальная возможность и условия осуществления процесса термохимического преобразования (конверсии) топлива и предложено техническое, решение для его реализации в одном из цилиндров дизеля.

2. Предложена методика расчета равновесного состава конечных продук 110 тов термохимического преобразования дизельного топлива применительно к условиям реакторного цилиндра с учетом состава исходной окислительной среды. Установлено, что реакции преобразования углеводородов топлива в окислительной среде отработавших газов протекают по сложному кинетическому механизму, в котором в качестве реагентов принимают участие не только остаточный кислород, но и С02 и пары воды, что в совокупности обуславливает повышенное содержание водорода в конверсионных продуктах по сравнению с его выходом в реакциях неполного окисления углеводородов в кислородно-воздушной среде.

3. Установлены оптимальные соотношения масс окислительной среды и дизельного топлива для организации эффективного (по выходу водорода) конверсионного процесса в реакторном цилиндре. Наибольший выход конверсионного водорода обеспечивается при значениях коэффициента избытка окислителя в реакционной среде 0,75.,.0,9; уменьшение величины этого коэффициента ниже 0,7 приводит к резкому падению температуры в реакторном цилиндре и прекращению конверсионного процесса как такового.

4. Проведена оценка уровня энергетических потерь вследствие перевода цилиндра на работу в режим термохимического реактора, величина которых, в частности, зависит от соотношения объема реакторного цилиндра и общего рабочего объема всех цилиндров двигателя и снижается с ростом последнего. Для исследованной энергетической установки, созданной на базе дизеля Д-144 и имеющей указанное соотношение, равное 0,25, потери мощности в зависимости от режима составляют 6. 12% по сравнению с базовым ДВС.

5. Обоснованы рациональные условия функционирования дизель-реакторных установок на основе предложенного метода, при которых достигается улучшение их экологических показателей. Для установки, созданной на базе дизеля Д-144, обеспечивается получение следующих положительных изменений по дизельным цилиндрам: снижение выбросов с ОГ оксидов азота на 32%, сажи - на 20%, а для установки в целом: снижение комплексного показателя токсичности на 28%. Наиболее высокие эколого-экономические пока

Ill затели могут быть получены на дизель-реакторных установках при условии, когда массовая доля добавляемых к воздушному заряду дизельных цилиндров продуктов конверсии соответствует 0,05,.0,15 и при обеспечении замкнутого контура их обмена между реакторным и рабочими цилиндрами, что на практике мажет быть реализовано ( без переделки реакторного цилиндра на меньший рабочий объем) при использовании для их. создания двигателей с числом цилиндров более 6.

112

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шиале Висенте Пауло Шикуби, 2000 год

1. Аксенов И. Я., Аксенов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. -М.: Транспорт, 1986. 176 с.

2. Ахмедов Р.Б., Раменская Е.С., Жно И.К. Сжигание жидкого топлива в промышленных установках. М.: Металлургия, 1966, -с.373.

3. Ахмедов Р.Б., Цирульников Л.Д. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. JL: Недра, 1984. -с.238.

4. Альтшулер B.C. Новые процессы газификации твердого топлива. -М.: Недра, 1976.-с. 254.

5. Белосельский Б.С., Соляков В.Н. Энергетическое топливо. -М: Энергия, 1980.-c.168.

6. Бронштейн JI.A., Найденов Б.Ф. Технико-экономические основы применения местных видов топлива на транспорте. -М.: Минкомхоз, 1948. -с. 74.

7. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. -М: ГНТЦ, 1962. 172 с.

8. Войнов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1977.-с.320.

9. Грибов И.В. Двигатели внутреннего сгорания. -М.:Транспорт, 1956. -с. 406.

10. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970. -с. 215.

11. Гутаревич Ю.Ф., Редзюк A.M. Повышение экономичности и снижение токсичности многоцилиндровых дизелей. // Двигателестроение. -1982. -№ И.-с. 3-5.

12. Груздев В.Н. Тавгер М.Д. Талантов A.B. Исследование влияния активных частиц на основные характеристики горения в турбулентном потоке. . Известия ВУЗов. Авиационная техника. -1980. № 3. -с.37- 41.

13. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС. Алгоритмы прикладных программ/ P.M. Петриченко, С.А. Батурин и др. JI.: Машиностроение, 1989.-с.328.

14. Зельдович И.Л., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: АН СССР, 1974. -с.148.

15. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. -М.: Ма шиностроение, 1989. 159 с.

16. Иванов В.М. Парогазовые процессы и их применение в народном хозяйстве.-М. Наука, 1970, -с.320с.

17. Тменов Д.П. Интенсификация процессов пиролиза. -Киев: Техника, 1987.-с. 192.

18. Иващенко H.A., Аникин С.А., Фомин В.М. Перспективы использования продуктов термохимической конверсии углеводородных топлив в транспортных дизелях// Двигатель -97: Материалы междунар. Н.-т.конфер. М.: МГТУ, 1997.-е. 114-115.

19. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакий. М.: Химия, 1989. -с.519.

20. Кантарович Б.В. Основы теории горения и газификации топлив. М.: Изд. АН СССР, 1958. -с.380.

21. Круглов М.Г. Ускорение технического прогресса в двигателестроении -одно из важнейших направлений развития народного хозяйст-ва//Двигателестроение. -1980. № 3. с. 3 - 5.

22. Костяков В.Н. Бринов А.Е. Особенности неполного сжигания топли-ва//Газовая промышленость. -1982. №11. -с. 28- 31.

23. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. -М.: Наука, 1974. -с.558.

24. Когарко С.М., Басевич В.Н. Промотирование горения распыленного то114пливаУ/ Физика грения и взрыва. -1977. -№. С 275- 237.

25. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдения. М.: Наука, 1970.-с. 140.

26. Каменев В.МФ., Фомин В.М., Шиале Висенте ГТ.Ш. Применение био-топлив в дизелях // Проблемы конструирования двигателей : Сб. На-учн. Трудов. -М: Изд-во НАМИ, 1998. -с. 188-193.

27. Линчевский В.П. Топливо и его сжигание. М.: Металлургиздат, 1959, -с.398.

28. Лункин В.Н., Каширский В.Г. Исследование окислительной конверсии природного газа в циклонном реакторе// Газовая промышленость. -1974.-№4.-с46-49.

29. Лавров Н.В., Шурыгин А.П. Введение в теорию горения и газификации топлива// Изв. АнСССР. -1982. -с. 81- 92.

30. Лазерев Е.А. Определение продолжительности процесса сгорания с учетом особенностей дифференциальной характеристики выгорания топлива в дизелях.// Двигателестроение. -1990. -№ 10. -с. 9-11.

31. Лихонов В. А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. -М.: Агропромиздат, 1991. 208 с.

32. Малов Р. В., Ерохов В.И., Беляев В.Б. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. -М.: Транспорт, 1982. -200с.

33. Магидович Л.Е., Румянцев В.В. Обсуждение проблемы применения водорода на транспорте// Двигателестроение. -1984. № 6 с.54 -55.

34. Матиевский Д.Д., Вагнер В.А. Осуществление присадок водорода к топилву и их влияние на показатели работы двигателя// Двигателестроение. 1985. -№ 2. -с.53 -56.

35. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобилльных двигателей. Киев: Науково Думка, 1984. -с. 143.

36. Магидович Л.Е., Румянцев В.В., Шабанов А.Ю. Особености тепловеде-ния и рабочего процесса дизеля, работающего с добавквми водорода// Двигателестроение. -1983. -№ 9 -с. 7- 9.

37. Маслов Ю.Л. Перспективы использования ДВС с газогенераторными установками на твердых топливах// Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: Тр. Научн.-практ. Семинара. Владимир, 1997. -с.93- 94.

38. Магарил Р.З. Механизм и кинетика гомогенных термических превращений углевододов. -М.: Химия, 1970. -с.224.

39. Махов В.З., Ховах М.С. Исследование влияния присадок к топливу на процесс образования и сгорания сажи в цилиндре дизеля. / Сб. Докладов 2-го симпозиума СЭВ -М.: НИИавтопром, 1971. -с.49- 52.

40. Матиевский Д.Д. , Дудкин В.И., Батурин С.А. Участие сажи в рабочем цикле дизеля и индикаторный к.п.д.// Двигателестроение. -1983. -№ 3. -с. 53- 56.

41. Носач В.Г. Методы повышения эффективности использования топлива в технологических процессах// Теплофизика и теплотехника. -1977. -№ 37. с. 44-47.

42. Носач В.Г., Кривоконь A.A. Совершенствование превращения топливной энергии в двигателях внутреннего сгорания// Вестник УкрАН. -1985.-№ 2-с. 63-67.

43. Носач В.Г., Кривоконь A.A. Повышение экономичности двигателя внутреннего сгорания путем конверсии топлива в продуктах сгорания// Промышленная теплотехиника. -Т.7. -№ 5. -с. 88- 92.

44. Нащекин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Машиностроение, 1979.- 559 с.

45. Островский Г.Л. Возможности повышения топливной экономичности двигателей при регулировании мощности отключением цилиндров// Двигателестроение. -1986. -№11. -с. 38- 40.

46. Орлин A.C. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машностроение, 1983. -с. 375.

47. Петриченко P.M., Осносовский В.В. Рабочие процессы поршневых машин. Л.: Машиностроение, 1972. 167 с.

48. Передерий В.Ф., Носков Н.И., Петренко JI.A. Исследование условий для организации предварительной термохимической подготовки топлива в цилиндрах дизелей с цельию улучшения их топливной экономичности //Двигателестроение. -1991. -№ 1. -с.42-44.

49. Передрий В.Ф., Носков Н.И., Петренко JI.A. Эффективность использования предварительной термохимической подготовки топлива в системах питания дизелей// Двигателестроение. -1990. № 6. -с. 31 -32.

50. Патрахальцев H.H., Фомин В.М., Иващенко H.A. Улучшение экологических показателей дизеля применением присадки к топливу продуктов его термохимической переработки// Двигатель -97: Материалы междунар. Н-т. Конфер. М.:МГТУ,1997.-е 115- 116.

51. Панченков Г.М., Лебедев В.И. Химическая кинетика и катализ. М.: МГУ, 1989. -с.234.

52. Преображенский В.Н. Теплотехнические измерения и приборы. М. Энергия, 1978.-е. 703.

53. Прошкин В.Н. О химических превращениях в углеводороных топливах при сгорании в дизелях.// Двигателестроение. 1990. -№ 2. -с. 58- 59.

54. Перевод двигателей внутреннего сгорания на газообразное топливо. -М.: Машгиз, 1948. -с. 240 // Труды МВТУ.

55. Панютин К. А. Газогенераторные автомобили ГАЗ-42 и ЗИС-21. -М.: Наркомхоз РСФСР, 1942. -с. 103.

56. Передерий В.Ф., Носков Н.И., Петренко Л.А. Эффективность использования предварительной термохимической подготовки топлива в системах питания дизеля// Двигателестроение. -1990. -с. 31- 32

57. Руководство по устройству, изготовлению оборудования и технике безопасности газогенераторных станций. -М.: Гостоптехиздат, 1949. -с. 92.

58. Рамбуш Н.Э. Газогенераторы. М: ГОНТИ, 1959. -с. 422.

59. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. -Д.: Машиностроение, 1982. 128 с.

60. Скляренко Е.В. Анализ процесса тепловыделения в дизеле при добавках конвертированного топлива.// Тепло- и массобменные аппараты. -Киев. 1998. -с.95-98.

61. Сурис А.Л. Термодинамика высокотемпературных процессов. Справочник. М.: Металлургия, 1985. -с.568.

62. Серебренников В.А., Батурин С.А., Румянцев В.В. Опыт применения присадок пароводородной смеси в транспортном дизеле// Двигателе-строение. -1982. -№ 2 -с. 41 44.

63. Семенов М.В.Исследование газогенераторной установки мощностью 8 кВт в лаборатории ДВС ГМТУ// Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: Тр. Научн.-практ. Семинар. Владимир, 1997. -с. 105- 106

64. Тменов Д.П. Интенсификация процессов пиролиза. -Киев: Техника, 1987.-с. 192.

65. Семенов H.H. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. М.: Наука, 1970. -с207.

66. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Д.: Машино-стрение, 1972. с.224.

67. Соколик A.C. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М.: АН СССР, 1960.-427 с.

68. Смаль Ф.В., Арсенов Е.Е. Перспективные топлива дла автомобилей. М. Транспорт, 1989.-151 с.

69. Тавгер М.Д., Груздев В.Н., Талантов A.B. Влияние активных частиц на процессы горения.// Электрофизика горения. -1979. с.45- 48.

70. Тменов Д.П. Интенсификация процессов прролиза. -Киев: Техника,1987.-с188.

71. Устройство для обработки топлива в двигателе внутреннего сгорания// ФРГ № 491238, МКИ Г 02 М 27/02. -Сименс. -Опубл. 06.02.76

72. Фомин В.М., Савастенко A.A., Реда Надер Ф. Экспериментальное изучение влияния добавок к топливу продуктов его плазмохимической переработки на сажесодержание ОГ дизеля.// Вестник РУДН. Тепловые двигатели. -1996. -№ 3. -с. 16-19.

73. Фомин В.М., Ермололович И.В. Влияние антидымной присадки к топливу на экономические показатели дизеля// Тракторы и сельскохозяйственные машины.-1996. -№ 3. -с 16 19.

74. Фомин В.М., Ермолович И.В., Халиль A.C. Использование рапсового масла в качестве моторного топлива для дизелей// Тракторы и сельскохозяйственные машины.-1997.-№5.-с.11- 14.

75. Фомин В.М., Маслов Ю.Л., Имад М.Д. Присадки газообразных водо-росо- держащих продуктов как средство улучшения экол о го-экономических показателей дизелей// Двигатель-97: материалы меж-дунар. Н.-т. Конфер. М.: МГТУ, 1997. -с. 127- 128.

76. Флейнова JI.H. Промежуточные стадии неполного горения метана в кислороде// Химическая промышленность. -1965. -№ 4. -с.8- 13.

77. Фомин В.М., Иванов P.A. Улучшение эколого-экономических показателей дизелей применением термохимическкой переработки части топлива, поступающего в цилиндры// Проблемы теории и пратики в инженерных исследованиях.-М.: Изд-во АСВ, 1998. -с. 199- 205.

78. Шрайнер Д.Д. Способ работы двигателя внутреннего сгорания. // A.C. № 127 100 СССР, МКИ Г 02 В 43/08. Заявлено 19.05.81. Опубликовано 07.12.86.

79. Шуров М.В Двигатели внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1940. -с. 212.

80. Щетников Е.С. Физика горения газов. -М.: Наука, 1965. 237 с.

81. Яковлев В.М. Математическая обработка результатов исследования. М.:

82. Физматиздат, 1958. -с.480.

83. Apostolescu N.D., Vattew R.D., Sawyer R.F. Effekt of a barium-based fuel additive on particulate emmsions from disel engine// SAE preprint. -1977. -N 70828. p/81-86/

84. Вырубов Д.Н. Смесобразование в двигателях дизеля. /Рабочие процессы ДВС и их агрегатов. -М.: Машгиз, 1946. -с.20- 34.

85. Miller C.O. Diesel smoke suppressant improves engine performance. // Diesel and gaz turb. Progr. 1967. -V.33. -N 6. p. 54- 55.

86. Newhall H. K. Kinetics of engine-generated nitrogen oxides and carbon monoxide / 12 th int. Symp. On Combustion. -1968. (The combustion Institute, Pittsburg), -p/ 131- 143/

87. Reulein H., Reyl G. Abgasprobleme bei fahrzeung-dieselmotoren. // MTZ. -1972.-N12.-p. 33- 38.