CC BY
46Научные разработки и исследования
vWWWWW
Частично-гомогенное сгорание традиционных и альтернативных топлив в дизелях
Часть 1. Способы гомогенизации сгорания
1Р.З. Кавтарадзе, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,
Т.М. Натриашвили, профессор, директор Института механики машин
им. Рафаэля Двали (Тбилиси, Грузия), д.т.н.,
М.Г. Глонти, докторант Института механики машин им. Рафаэля Двали (Тбилиси, Грузия),
Э.В. Бахрамов, аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана
Проанализированы факторы, осложняющие применение гомогенного сгорания, и приведен сравнительный анализ различных способов осуществления перспективного процесса частично-гомогенного сгорания, предназначенного для снижения концентрации вредных веществ в продуктах сгорания дизеля. Исследованы способы частичной гомогенизации сгорания, в том числе и разделенное (гомогенно-гетерогенное) сгорание (Split combustion). На основе результатов экспериментальных исследований и BD-моделирования рабочего процесса для различных вариантов дизелей с частично-гомогенным сгоранием определена стратегия многократного впрыскивания с учетом степени рециркуляции отработавших газов, приводящая к низкотемпературному процессу сгорания и заметному улучшению экологических характеристик дизеля.
__Ключевые слова:
дизель, частично-гомогенное сгорание, разделенное (гомогенно-гетерогенное) сгорание, многократное впрыскивание, вредные выбросы.
37
Введение. Постановка задачи
Перспективное развитие дизелей, не имеющих себе равных по топливной экономичности не только среди поршневых двигателей, но и среди тепловых машин в целом, подразумевает, прежде всего, минимизацию концентраций сажи, оксидов азота N0^ оксида углерода СО, несгоревших углеводородов СН, а также парникового газа С02 в составе отработавших газов путем усовершенствования внутрицилиндровых процессов. При этом улучшение экологических
характеристик двигателя должно сопровождаться снижением или (в случае компромиссного решения проблемы) незначительным повышением удельного расхода топлива.
Постепенное ужесточение законодательных норм по ограничению эмиссии указанных вредных веществ (ВВ), а также ограниченные запасы природных то-плив способствуют активизации поиска новых усовершенствованных способов сгорания в дизелях. В качестве одной из перспективных возможностей решения данной проблемы рассматриваются
^Cou»^
38
образование и самовоспламенение гомогенной топливовоздушной смеси, то есть реализация так называемого HCCI-процесса (Homogeneous Charge Compression Ignition), или, если говорить коротко, гомогенного сгорания. Подчеркнем, что здесь термин «гомогенное сгорание» подразумевает горение гомогенной топливовоздушной смеси. HCCI-процесс разработан с целью снижения эмиссии твердых частиц, в которых основную долю (>70 %) составляет чистая сажа (углерод) [1], и оксидов азота, обезвреживание которых различными нейтрализаторами по сравнению с СН и СО затруднено и которые создают особую опасность для человека, флоры и фауны.
Неуправляемость процесса сгорания в совокупности с другими факторами, осложняющими осуществление HCCI-процесса на серийных дизелях (см. ниже), привела к разработке так называемого процесса частично-гомогенного сгорания, подразумевающего сначала раннее впрыскивание части цикловой подачи топлива с целью гомогенизации смеси, как в HCCI-процессе, а потом более позднее впрыскивание оставшейся части топлива, как в традиционном дизельном процессе с образованием гетерогенной смеси. В результате процесс сгорания получается частично-гомогенным.
Задача данной работы - сравнительный анализ существующих способов осуществления частично-гомогенного сгорания и исследование его потенциальных возможностей с целью разработки альтернативного процесса разделенного (гомогенно-гетерогенного) сгорания (Split Combustion), обеспечивающего уменьшение концентраций ВВ в продуктах сгорания дизеля.
Способы гомогенизации топливовоздушной смеси в дизелях
Так как в качестве основы процесса гомогенного сгорания заложена
гомогенизация топливовоздушной смеси до ее сгорания, важное значение имеет способ ее гомогенизации. Гомогенизация смеси может быть осуществлена посредством введения топлива (традиционного или альтернативного) во впускной коллектор (внешняя гомогенизация) или непосредственно в цилиндр (внутренняя гомогенизация). Несмотря на то, что по испаряемости дизельное топливо существенно уступает бензину, при непосредственном впрыскивании в цилиндр процессы его нагрева, испарения и образования горючей смеси происходят при высокой температуре (700...900 К), созданной сжатием, и, естественно, протекают быстрее.
При подводе дизельного топлива во впускной коллектор, где температура существенно меньше, чем в цилиндре, требуется установка дополнительной системы смесеобразования, возникает также опасность образования топливной пленки во впускном коллекторе. Впрыскивание паров дизельного топлива во впускной коллектор или в цилиндр способствует их быстрому перемешиванию с воздухом и, конечно, требует затраты энергии на подготовку пара. В связи с этим для развития гомогенного сгорания в дизелях предпочитают внутреннюю гомогенизацию, основанную на одном из следующих способов [2]:
1. Раннее впрыскивание в цилиндр во время впуска и сжатия. Характерны длительная задержка воспламенения, увеличение времени для смесеобразования, опасность смачивания топливом стенок и разбавления им же смазочного масла, повышенная концентрация СН.
2. Позднее впрыскивание в цилиндр, после верхней мертвой точки (ВМТ) во время расширения. Характерны длительная задержка воспламенения (увеличение времени для смесеобразования), неэффективность с термодинамической точки зрения.
3. Многократное за цикл впрыскивание. Приводит к лучшему локальному распределению топлива в камере сгорания (КС) и минимизирует возможности смачивания стенок КС топливом.
4. Использование форсунок с увеличенным числом z сопловых отверстий и с уменьшенными диаметрами dc (например, z=40 и dc<0,1 мм) или форсунок, имеющих сопловые отверстия с различными проходными сечениями, обеспечивающими образование капель малых размеров, которые быстро испаряются.
5. Применение так называемых ва-риосопел (нем. Varioduse [2]) с проходными сечениями, изменяющимися в зависимости от нагрузки двигателя, или образование топливного факела с переменной геометрией (Variable Geometry Spray), позволяющей менять угол конусности впрыскивания топлива (УКВТ) на такте сжатия, дают возможность устранить попадание топлива на стенки и управлять моментом самовоспламенения [3, 4].
6. Оптимальное согласование вихревого движения впускного воздуха, числа сопловых отверстий, характеристики впрыскивания и предварительного подогрева воздуха, которые способствуют равномерному распределению и быстрому испарению топлива в цилиндре [5].
Проблемы осуществления гомогенного сгорания в дизелях
В традиционных дизелях, как известно, не ставится задача гомогенизации смеси, скорее наоборот [5]. Осуществление гомогенного сгорания в дизелях затруднено наличием следующих проблем:
1. Начало и протекание сгорания (скорость нарастания давления, продолжительность сгорания и т.п.) управляются не началом впрыскивания, а
состоянием заряда в цилиндре к моменту закрытия впуска и в процессе сжатия, а также составом заряда. Очевидно, что здесь существенную роль могут сыграть изменяющиеся значения температуры впускного воздуха, степени сжатия и степени рециркуляции отработавших газов (РОГ, англ. EGR-Exhaust Gas Recirculation).
2. Вероятность преждевременного воспламенения, особенно в случае применения топлив со склонностью к самовоспламенению (с высокими це-тановыми числами), во избежание которого требуется, например, снижение степени сжатия и разбавление впускного заряда продуктами сгорания путем РОГ.
3. Сложность образования оптимального «окна воспламенения», представляющего собой область локальных параметров в КС «коэффициент избытка воздуха ав - температура Т рабочего тела».
4. Сложность получения высокого значения среднего эффективного давления, связанная со сгоранием с высокой скоростью, подобным детонации, а также с необходимостью применения высоких значений степени РОГ или коэффициента избытка воздуха ав >>1.
5. Наличие верхней границы частоты вращения коленчатого вала, обусловленной величиной необходимого для качественного смесеобразования (гомогенизация) интервала времени.
6. Вероятность роста эмиссии СН и СО из-за повышения влияния стенки КС (смачивание стенки топливом, гашение пламени стенкой). Кроме того, росту концентрации СН и СО в отработавших газах способствует неполное их догорание, имеющее место в результате снижения температуры в цилиндре. Известное противодействующее мероприятие -установка катализатора-дожигателя -приводит к повышению затрат и требует улучшения условий работы катализатора, в частности, повышения сниженной
10 лет
журналу
39
'**оци»Г'
40
из-за разбавления температуры выпускных газов.
7. Необходимость предотвращения смачивания стенки топливом, особенно при подводе топлива во впускной коллектор или при раннем впрыскивании в цилиндр в ходе впуска или сжатия.
8. Из-за снижения степени сжатия (к чему, как уже было отмечено, прибегают в целях предотвращения преждевременного воспламенения) усложняется холодный пуск, для облегчения которого можно, например, использовать двукратное (пилотное) или многократное впрыскивание.
9. Трудности управления протеканием процесса на переходных режимах работы двигателя и расширения диапазона режимов частичной нагрузки с гомогенным сгоранием.
Очевидно, что указанные проблемы, особенно проблема управления процессом гомогенного сгорания в дизелях, не могут быть решены без значительного увеличения (по сравнению с традиционным дизелем) необходимых затрат на создание дизелей с гомогенным сгоранием. В связи с этим из практических соображений возникает вопрос оптимизации степени гомогенизации заряда в цилиндре по эмиссии оксидов азота и сажи, а также по расходу топлива для всего диапазона режимов работы двигателя путем регулирования процессов впрыскивания топлива, РОГ (внешней и внутренней) и наддува (давление и температура наддувочного воздуха). При соблюдении названных границ по возможности в широком диапазоне частичных нагрузок и частот вращения можно добиться довольно полной гомогенизации смеси и обеспечить оптимальную степень гомогенизации (частичную гомогенизацию) в зависимости от режима работы двигателя. Очевидно, что частичная гомогенизация расширяет диапазоны изменения среднего эффективного давления, частоты вращения коленчатого вала и бездето-национно-подобного сгорания.
Рециркуляция отработавших газов
Отличают два вида рециркуляции: внутреннюю и внешнюю [2]. При внутренней рециркуляции отработавших газов происходит регулирование количества остаточных от предыдущего цикла газов в цилиндрах двигателя путем изменения фаз газораспределения, то есть изменением моментов открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. При этом во время перекрытия фаз газораспределения создаются условия для поступления отработавших газов из выпускных каналов во впускные, то есть в период одновременного открытия впускного и выпускного клапанов. При этом количество рециркули-руемых газов зависит главным образом от продолжительности перекрытия фаз. Для этого впускные клапаны должны открываться задолго до верхней мертвой точки, а выпускные - закрываться непосредственно перед верхней мертвой точкой. В результате оба клапана остаются открытыми одновременно, и отработавшие газы перетекают во впускные каналы. К преимуществам внутренней рециркуляции отработавших газов по сравнению с внешней рециркуляцией относятся ускоренная реакция системы и повышенная равномерность распределения рециркулируемых газов по цилиндрам.
Система внешней рециркуляции подразумевает перепуск части отработавших газов из выпускной системы во впускной трубопровод. После этого они, смешиваясь с воздухом (при внутреннем смесеобразовании) или топли-вовоздушной смесью (в двигателях с внешним смесеобразованием), повторно участвуют в горении. Отметим, что в случае бензиновых двигателей обычно применяется внутренняя рециркуляция отработавших газов для того, чтобы ускорить воспламенение детонационно-стойких топлив. В дизелях идут путем
рециркуляции охлажденных отработавших газов, чтобы замедлить химические реакции, при этом снижением температуры противодействуют высокой воспламеняемости дизельного топлива.
Разработанный в [6-8] частично-гомогенный процесс сгорания подразумевает регулирование момента начала и продолжительности сгорания путем РОГ. Так как отработавшие газы содержат после процесса сгорания очень мало кислорода, максимальные температура и давление при сгорании топлива снижаются, что приводит к сокращению выброса оксидов азота. Снижение температуры в цилиндре достигается благодаря более высокой теплоемкости отработавших инертных газов (в основном СО2), которые не участвуют в реакции. Количество отработавших газов, участвовавших в рециркуляции, может достигать 20...50 % и более от общего расхода газа, при этом содержание оксидов азота снижается примерно до 60 %. Однако верхний предел степени РОГ ограничен увеличением выбросов углеводородов и расхода топлива, а также повышением неравномерности работы двигателя. На режиме холостого хода система рециркуляции выключается, так как образование оксидов азота на этом режиме незначительно. На режимах полных нагрузок или близких к ним рециркуляция осуществляется за относительно короткое время, а в режиме частичных нагрузок наоборот - за более длительное время, и эффективность действия системы на этом режиме наивысшая.
Способы осуществления
частично-гомогенного
сгорания
Большинство используемых концепций HCCI-процесса относится к категории так называемого Low Temperature Combustion (LTC) - низкотемпературное сгорание заранее перемешанной и гомогенизированной смеси.
В настоящее время разработаны различные варианты частично-гомогенного сгорания, среди которых следует выделить процесс, управляемый разбавлением впускного заряда отработавшими газами - DCCS (Dilution Controlled Combustion System), разработанный фирмой Toyota [2]. Его применение в дизелях предусматривает очень высокую степень РОГ (до 75 %). В результате такого сильного разбавления впускного заряда инертными продуктами сгорания температура рабочего тела снижается ниже порога, необходимого для образования NOx и сажи. Среднее эффективное давление при высоких нагрузках достигает почти l МПа при очень низких эмиссиях NOx и сажи. Эмиссия СН заметно растет, индикаторный КПД существенно уменьшается.
Другой процесс частично-гомогенного сгорания МК (Modulated Kinetics), предложенный фирмой Nissan [2], подразумевает частичную гомогенизацию путем позднего (после ВМТ) впрыскивания топлива. Увеличение периода задержки воспламенения из-за снижения температуры рабочего тела обеспечивается степенью РОГ z=40 %. Для предотвращения образования сажи важно четко отделять друг от друга по времени процессы впрыскивания и сгорания топлива. Достигается среднее индикаторное давление ~0,8 МПа. Оно ограничено увеличением температуры в цилиндре и одновременным сокращением задержки воспламенения, которые имеют место при росте мощности (то есть при росте продолжительности впрыскивания). КПД, а также эмиссии СН и СО примерно такие же, как у обычного дизеля. Этот способ известен также как HPLI-процесс (Highly Premixed Late Injection).
HCLI (Homogeneous Charge Late Injection) - этот процесс объединяет характерные свойства частичной гомогенизации и высокой степени РОГ, а также подразумевает позднее впрыскивание. Интервал времени между
10 лет
журналу
41
42
окончанием впрыскивания и началом сгорания значительно больше, чем в HPLI-процессе. Это может избавить от образования сажи при очень низких уровнях эмиссии NOx, сохранив КПД двигателя на уровне обычного дизеля. Среднее индикаторное давление может превышать 0,6 МПа, а эмиссия СН и СО получается примерно такая же, как и у современных бензиновых двигателей с непосредственным впрыскиванием.
В зависимости от стратегии впрыскивания топлива частично-гомогенные процессы сгорания классифицируются следующим образом [9]:
1. С поздним впрыскиванием, когда угол опережения впрыскивания топлива фвпр=10---40°. Реализуется HCLI-процесс.
2. С поздним впрыскиванием, когда угол опережения впрыскивания топлива фвпр<10°. Осуществляется HPLI-процесс.
Фирма Daimler AG запатентовала процесс частично-гомогенного сгорания, который предусматривает применение тарельчатой формы камеры в поршне [10]. С помощью форсунки с сопловыми отверстиями, обеспечивающими угол раскрытия топливного факела 90°, в период раннего внутреннего смесеобразования предотвращается попадание топлива на стенки, а специальная форма камеры способствует улучшению гомогенного распределения топлива. Аналогичный подход используется при осуществлении так называемого NADI-процесса (Narrow Angel Direct Injection) [11].
Концепция процесса сгорания с частичным предварительным перемешиванием смеси, названного PPC (Partially Premixed Combustion), представляет собой частный случай низкотемпературного сгорания (LTC-процесс). Снижение локальных температур в цилиндре достигается в результате предварительной частичной гомогенизации горючей смеси, осуществленной с помощью управляемого многократного впрыскивания в сочетании с РОГ. При этом
характеристика впрыскивания и степень РОГ подбираются таким образом, чтобы время задержки воспламенения было вполне достаточно для обеспечения качественного перемешивания топлива с воздухом до начала воспламенения, и процесс сгорания становился управляемым [4, 12].
Разделить процесс сгорания на две фазы с промежутком времени так, чтобы первая (предварительная) из них была гомогенной, а вторая (заключительная) - гетерогенной, и осуществить так называемое «разделенное сгорание» (Split Combustion, или коротко SC-процесс) возможно разными способами. В [13] для этого в цилиндре были установлены три форсунки с различными CR-давлениями впрыскивания. При этом одна форсунка была приспособлена к геометрической форме КС, а другие две имели специальные распылители с микросопловыми отверстиями (Micro-hole-nozzles), обеспечивающие высокую мелкость распыливания. В [7] SC-процесс был осуществлен путем пятикратного впрыскивания за рабочий цикл. При этом первые четыре порции впрыскиваются очень рано - начало впрыскивания первой дозы 75° угла поворота коленчатого вала (УПКВ) до ВМТ - и обеспечивают гомогенное сгорание, после окончания которого впрыскивается основная доза топлива (50 % цикловой подачи). Она воспламеняется после ВМТ и приводит к гетерогенному сгоранию.
Следует подчеркнуть, что разделенное сгорание (Split Combustion) находит применение с целью расширения нагрузочных режимов в сторону высоких нагрузок [7]. При объединении в одном цикле процессов гомогенного и гетерогенного сгорания способ гомогенизации (внутренняя или внешняя гомогенизация) не играет решающей роли. Тем ни менее преимущество имеет внутренняя гомогенизация, так как при ней может быть использована та же самая
топливная аппаратура, что и для ге- смеси отказываются от РОГ, и расшире-терогенного сгорания. Например, из- ние диапазона режимов работы двига-вестен PREDIC-процесс, аналогичный теля достигается увеличением расхода 8С-процессу, идея которого заключа- топлива. При этом эмиссия оксидов азо-ется в дополнительном впрыскивании та и сажи повышается по сравнению с топлива после окончания гомогенно- чисто гомогенным сгоранием несущего сгорания с помощью форсунки, рас- ственно, но остается явно ниже по срав-положенной центрально в камере [14]. нению с чисто гетерогенным сгоранием. Тем самым вновь начавшийся процесс Достигается также снижение выбросов сгорания имеет уже гетерогенный харак- СН и СО по сравнению с гомогенным тер и продолжается в такте расширения. сгоранием.
Однако в результате такого изменения В [16] разработан частично-гомо-
процесса сгорания расход топлива может генный процесс сгорания с оптималь-
ухудшаться. ным сочетанием конструктивных и
Как видно из краткого анализа, регулировочных параметров двигате-
наиболее известные на сегодня спо- ля (интенсивность вихревого движе-
собы осуществления частично-го- ния впускного воздуха, характеристика
могенного сгорания отличаются, в впрыскивания топлива, степень РОГ,сте-
основном, моментом начала и кратно- пень сжатия, число сопловых отверстий
стью впрыскивания, способом гомоге- форсунки), позволяющий практически
низации (внутренняя или внешняя), полностью блокировать образование
степенью РОГ, а также расположением оксидов азота и существенно снизить
на временной оси рабочего цикла го- выброс сажи. Важно, что при этом было
могенного и гетерогенного сгораний. достигнуто улучшение эффективных
Оптимальное сочетание этих факто- показателей дизеля. ров может меняться не только в зави- В исследованиях [17, 18] традицион-
симости от режима работы двигателя, ный дизельный гетерогенный процесс
но и от вида используемого топли- сгорания заменяется альтернативным
ва. Следует заметить, что некоторые частично-гомогенным процессом, осу-
названия способов осуществления ществляемым посредством многократ-
частично-гомогенного сгорания, вве- ного за цикл впрыскивания топлива.
денные отдельными авторами, не от- В результате исследования различных
личаются четкостью и по содержанию вариантов пятикратного впрыскивания
даже повторяют друг друга. топлива разработан частично-гомоген-
При использовании рециркуляции вания топлива, приводящие к частич-
охлажденных отработавших газов хи- но-гомогенному сгоранию на режиме
мические реакции горения замедляют- неполной нагрузки. Установлено, что
ся, температура в цилиндре снижается, альтернативный процесс частично-го-
что противодействует высокой воспла- могенного сгорания, оптимизирован-
меняемости дизельного топлива. Та- ный на режимах неполной нагрузки,
кой подход применяется в [15] с целью целесообразно совместить с традици-
расширения диапазона нагрузочных онным дизельным гетерогенным сгора-
режимов двигателя с гомогенным сгора- нием на номинальном режиме работы
нием. Из-за небольшой доли гомогенной двигателя.
43
Частично-гомогенное сгорание традиционного дизельного топлива
ный процесс сгорания, позволяющий уменьшить концентрацию оксидов азота почти в 1,8 раза и снизить интенсивность образования сажи. Определены оптимальные характеристики впрыски-
44
Частично-гомогенное сгорание альтернативных топлив
Очевидно, что многие альтернативные топлива, особенно газообразные и спирты, лучше, чем дизельное топливо, подходят для образования гомогенной смеси.
В работе [19] приведены результаты исследования НСС1-процесса на дизеле с высокой степенью сжатия (е=18,2), работающем на н-бутаноле. Заметим, что н-бутанол (н-бутиловый спирт) С4Н9ОН, представитель одноатомных спиртов (формула С4Н10О), имеет температуру кипения 117,7 °С и температуру самовоспламенения 345 °С. Незначительная модификация двигателя была проведена для осуществления впрыскивания н-бутанола. Все остальные узлы и детали дизеля в целом были сохранены без изменения. Экспериментальные исследования показали, что гомогенизация смеси посредством раннего впрыскивания н-бутанола при работе на бедной смеси приводит к почти нулевой дымности отработавших газов и крайне низкой эмиссии оксидов азота даже при отсутствии РОГ. Выполненные экспериментальные исследования выявили также проблемы управления гомогенным сгоранием спиртового топлива.
Целью работы [20] являлось одновременное сокращение эмиссии N0^ и дымности (сажа) без существенного снижения эффективных показателей быстроходного дизеля с непосредственным впрыскиванием, газотурбинным наддувом, водяным охлаждением и СЯ.-системой топливоподачи, работающего на смеси н-бутанол/дизельное топливо. Добавление н-бутанола к дизельному топливу с низким цетановым числом повышает температуру самовоспламенения и снижает вероятность преждевременного воспламенения. Установлено, что горение смеси н-бутанол/дизельное топливо с объемным содержанием н-бутанола
20 и 40 % уменьшает эмиссию вредных веществ при несущественном повышении расхода топлива.
В работе [21] для осуществления HCCI-процесса использовались такие альтернативные топлива, как биогаз и водород, которые по сравнению с традиционным дизельным топливом имеют высокие температуры воспламенения и поэтому менее склонны к преждевременному воспламенению. Кроме того, газообразное топливо быстрее, без особой задержки образует качественную гомогенную смесь. Это способствует снижению эмиссии несгоревших углеводородов СН и сажи. HCCI-процесс в дизеле, работающем на биогазе, названный как BDHCCI-процесс (Biogas Diesel HCCI), существенно зависит от характеристики впрыскивания. В частности, установлено, что двукратное впрыскивание биогаза по сравнению с однократным способствует гомогенизации смеси и улучшает экологические показатели двигателя. Были также исследованы двухтопливные режимы работы для различных соотношений биогаза и дизельного топлива.
В [22, 23] впервые в трехмерной постановке было проведено детальное исследование влияния частичной гомогенизации смеси на образование оксидов азота в камере сгорания дизеля с непосредственным впрыскиванием газообразного водорода. Частичная гомогенизация водородно-воздушной смеси при позднем впрыскивании достигается увеличением числа сопловых отверстий водородной форсунки, а также повышением интенсивности вихревого движения заряда в цилиндре.
Адекватность результатов моделирования оценивается путем сопоставления с экспериментальными данными. Определены оптимальные конструктивные параметры водородной форсунки, обеспечивающие минимизацию эмиссии оксидов азота. Установлено, что частично-гомогенное сгорание в водородном
дизеле имеет особенности, в частности, повышение интенсивности вихревого движения воздуха, генерированного во впускной канал, приводит к росту задержки воспламенения и затягиванию процесса горения водорода с заметным смещением максимума скорости тепловыделения подальше от ВМТ [24]. Это объясняется тем, что увеличение интенсивности вихревого движения впускного воздуха в цилиндре в момент впрыскивания газообразного водорода усиливает перемешивание водорода с воздухом. В результате уже в начале подачи водород так разбавляется воздухом, что его концентрация даже в локальных зонах оказывается ниже пределов воспламенения (то есть меньше 4 % по объему). Самовоспламенение достигается позже, когда в цилиндре оказывается необходимая для самовоспламенения концентрация водорода.
Совершенствование процесса смесеобразования, связанное с ростом интенсивности вихревого движения, способствует гомогенизации водород-но-воздушной смеси и обусловливает снижение общего уровня локальных температур в цилиндре водородного дизеля, что в результате уменьшает концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания водородного дизеля. Кроме того, затянутый процесс преобразования энергии приводит к снижению скорости нарастания давления и уровня шума водородного дизеля. Следует подчеркнуть, что вопреки ожиданиям увеличение интенсивности вихря в цилиндре водородного дизеля не приводит к улучшению эффективных показателей двигателя.
Сравнительный анализ концепций частично-гомогенного сгорания в дизелях на примере экспериментального двигателя
Ниже проанализированы результаты исследования различных концепций процесса сгорания частично гомогенизированных смесей как традиционного (дизельный), так и альтернативного топлива (н-бутан) с воздухом. Детальные экспериментальные исследования рабочих процессов, основанных на этих концепциях, были проведены авторами работ [6-8]. Результаты этих экспериментов были использованы авторами данной работы для разработки и верификации SD-модели рабочего тела, реализованной с применением CRFD-кода AVL FIRE [25].
Следует отметить, что исследования опирались на концепции раннего впрыскивания и проводились в стендовых условиях на одноцилиндровом отсеке четырехтактного двигателя ОМ 500 (Daimler-Benz) [7, 8], основные характеристики которого даны в табл. 1.
Анализ рабочего процесса дизеля ОМ 500 (Daimler-Benz) проводился для различных концепций осуществления процесса сгорания:
1. Традиционный (серийный) дизель с разделенным (двукратным) впрыскиванием и гетерогенным сгоранием.
2. Дизель с многократным (пятикратный за цикл) впрыскиванием и частично-гомогенным сгоранием.
3. Дизель, конвертированный на бутан, с впрыскиванием в процессе впуска, обеспечивающий почти идеальное гомогенное сгорание бутановоздушной смеси.
Таблица 1
Параметры опытного двигателя ОМ 500 (Daimler-Benz)
Модель двигателя ОМ 500
Диаметр цилиндра / ход поршня, В/8, мм/мм 130/150
Степень сжатия, £ 14,7
Число клапанов на цилиндр 4
Система впрыскивания CR
10 лет
журналу
45
'**оци»Г'
46
Таблица 2
Исследуемые варианты рабочего процесса
Характеристика впрыскивания с указанием количества топлива в долях от цикловой подачи тц
Угол поворота [риеошипз град
Традиционный (серийный) дизельный процесс с гетерогенным сгоранием, предусматривающий разделенное двукратное (предварительное + основное) впрыскивание. При этом двукратное впрыскивание осуществляется с промежуточным интервалом 4° УПКВ и общей продолжительностью впрыскивания 19° УПКВ. Угол конусности впрыскивания топлива (УКВТ), т.е. угол между осями цилиндра и соплового отверстия, равен 160°, а максимальное давление впрыскивания составляет рвпр=160 МПа. Распределение цикловой подачи топлива (в долях) шц =0,2+0,8=1,0. Без РОГ.
Многократное впрыскивание, приводящее к частично-гомогенному сгоранию, экспериментально исследованное в [7, 8]. Все дозы разделенной подачи топлива впрыскиваются до ВМТ, угол опережения впрыскивания первой порции составляет 79° УПКВ. При этом вся цикловая масса топлива подается в цилиндр за 27° УПКВ до ВМТ. УКВТ равен 160°. Максимальное давление впрыскивания рвпр=160 МПа. В результате пятикратного впрыскивания цикловая доза топлива распределяется по долям шц =0,15+0,18+0,20+0,22+0,25=1. Интервал времени между отдельными впрыскиваниями соответствует 60° УПКВ. Используется РОГ (¿=61 %).
Идеально гомогенный процесс с подачей во впускной коллектор альтернативного топлива - бутана. Гомогенизация воздушно-бутановой смеси начинается еще во впускном тракте и продолжается в цилиндре в процессах наполнения и сжатия так, что к моменту воспламенения от сжатия значения локальных коэффициентов избытка воздуха ав|. совпадают с величиной его среднего значения ав;, т . е. ав ; = ав; . В связи с этим такой процесс назван идеально гомогенным процессом [7, 8]. Температура самовоспламенения бутана в воздухе в атмосферных условиях 365 °С (у дизельного топлива 250 °С), концентрационные (объемные) пределы воспламенения бутана 2...9 %. РОГ (¿=37 %).
Гомогенно-гетерогенное или разделенное сгорание (Split combustion), при котором раннее последовательное впрыскивание первых четырех одинаковых порций топлива, начатое при Ф=75° УПКВ до ВМТ, обеспечивает гомогенизацию топливовоздушной смеси. Угол конусности впрыскивания топлива равен 160°. Максимальное давление впрыскивания _рвпр=160 МПа. Как и в случае варианта № 2, импульс струй топлива и продолжительность впрыскивания рассчитаны так, что топливо на поверхность стенки практически не попадает. После окончания гомогенного сгорания первых четырех порций топлива при ф=20° УПКВ после ВМТ впрыскивается пятая заключительная порция, инициирующая гетерогенное сгорание. Цикловая подача топлива делится пополам - 50 % на гомогенное сгорание (первые четыре впрыскивания) и 50 % на гетерогенное сгорание (пятое заключительное впрыскивание) и распределяется по долям = 0,125+0,125+0,125+0,125+0,5=1,0. Без РОГ.
1
2
3
4
4. Дизель с разделенным (гомогенно-гетерогенным) сгоранием (Split Combustion), реализованным путем пятикратного впрыскивания.
В табл. 2 приведены краткие характеристики подачи топлива исследуемых концепций, используемые в качестве исходных данных при проведении численных экспериментов по исследованию образования ВВ в процессе сгорания.
Условием сравнения экологических
показателей рабочего цикла традиционного (серийный) дизеля и альтернативных рабочих циклов с различными концепциями гомогенного сгорания является равенство среднего индикаторного давления и частоты вращения коленчатого вала. В табл. 3 приведены параметры двигателя для различных вариантов процесса сгорания. Эти параметры обеспечивают условия сравнения «=1100 мин~1=idem и рг=0,6 МПа=idem для исследуемых процессов.
10 лет
журналу
47
Таблица 3
Исходные данные для моделирования и сравнительного анализа исследуемых рабочих процессов
Параметры двигателя Традиционный дизельный процесс Частично-гомогенное сгорание путем многократного впрыскивания Идеальная гомогенизация путем подачи бутана во впускной коллектор Гомогенно-гетерогенное сгорание (Split Combustion)
Частота вращения коленчатого вала, п, мин1 1100 1100 1100 1100
Давление наддува, рк, бар 1,46 1,46 1,46 1,5
Температура впуска, tk,0С 42 35 65 41
Коэффициент избытка воздуха, ав 3,17 1,1 2,07 2,77
Степень РОГ, г, % 0 61 37 0
Максимальное давление впрыскивания, рг, бар 1600 1600 - 1600
Кратность впрыскивания топлива в КС за цикл 2 5 - 5
Среднее индикаторное давление, р,, бар 6 6 6 6
Влияние исследуемых концепций осуществления рабочего процесса на эмиссии отдельных ВВ, нормированных законодательством, приведено на рис. 1-4. При этом на рис. 1 приведена диаграмма изменения концентрации
сажи в зависимости от исследуемых концепций рабочего процесса, полученная путем пересчета данных измерения дымности Bh продуктов сгорания по шкале Бош [7, 8] по эмпирической формуле, предложенной A.C. Alkidas [26]:
(1)
[Cpart] = 565
In
10 ■
10 - В h.
, [мг/м3].
Рис. 1. Изменение концентрации сажи (мг/м3) в зависимости от концепции рабочего процесса,
полученное по результатам обработки экспериментальных данных из [7, 8]
Рис. 2. Изменение концентрации оксидов азота (ррт) в зависимости от концепции рабочего процесса
Рис. 3. Изменение концентрации СН (ррт) в зависимости от концепции рабочего процесса
ВПРЫСКИВАНИЕ СГОРАНИЕ
Концепция рабочего процесса
Рис. 4. Изменение концентрации СО (ррт) в зависимости от концепции рабочего процесса
Как видно, наименьшие значения эмиссии сажи (рис. 1) и оксидов азота N0X (рис. 2) получаются при реализации процессов с идеальной гомогенизацией (вариант № 3, см. табл. 2 и 3), достигнутой при внешнем смесеобразовании бутановоздушной смеси, и частичной гомогенизацией смеси дизельного топлива с воздухом (вариант № 2, см. табл. 2 и 3), осуществленной путем пятикратного впрыскивания. Нулевое значение концентрации сажи в случае этих концепций, конечно, следует рассматривать с учетом точностей определения дымности при экспериментах [7, 8] и расчета концентрации сажи по эмпирической формуле (1). Тем не менее можно сделать некоторые выводы. Прежде всего, заметно существенное сокращение оксидов азота: эмиссия N0X в частично-гомогенном процессе с многократным впрыскиванием (вариант № 2, см. табл. 2 и 3) составляет 15 ррт (или приблизительно 0,03 [г/(кВт-ч)]), что почти в 66 раз меньше по сравнению с выбросами N0X при реализации гетерогенного (традиционный дизельный) процесса (вариант № 1, см. табл. 2 и 3).
Замечательные показатели по эмиссиям оксидов азота и сажи, полученные в случае многократного впрыскивания, ненамного уступают результатам, полученным при идеальной гомогенизации смеси (рис. 1 и 2). По результатам оптического исследования процесса многократного впрыскивания, проведенного на специальной камере в условиях давления и температуры, приближенным к условиям на реальном двигателе [7, 8], было установлено, что не следует стремиться к идеальной гомогенизации смеси для всего объема КС. Лучше, когда в центральной части КС образуется облако гомогенной смеси, а другая часть смеси удерживается в надпоршневом объеме (то есть в объеме вытеснения). Увеличение количества впрыскиваний
(больше пяти) не приводит к заметному улучшению процесса гомогенного сгорания [7, 8, 17, 18]. Как видно, в случае правильной организации рабочего процесса с многократным впрыскиванием можно добиться частичной гомогенизации смеси, приводящей к одновременному снижению эмиссии сажи и оксидов азота до уровней, почти соответствующих идеальной гомогенизации (рис. 1 и 2).
С другой стороны, при многократном впрыскивании трудно избежать попадания части топлива в относительно холодные пристеночные зоны КС. Заметим, что при исследуемом процессе пятикратного впрыскивания угол опережения впрыскивания первой порции составляет 79° УПКВ, а вся цикловая масса топлива подается в цилиндр за 27° УПКВ до ВМТ (см. вариант № 2 в табл. 2), то есть частичная гомогенизация смеси достигается в результате ранней подачи топлива и предварительного перемешивания топлива с находившимся в цилиндре воздухом. Очевидно, что этот процесс относится к РРС-процессу, рассмотренному выше.
Длительный период задержки воспламенения после впрыскивания первой дозы топлива, обеспечивающий хорошую гомогенизацию смеси до начала сгорания и свойственный РРС-процессу, имеет также нежелательное последствие -соударение топливного факела со стенками гильзы цилиндра из-за раннего впрыскивания, когда поршень находится далеко от ВМТ. Очевидно, что здесь заметную роль может сыграть такая характеристика распылителя форсунки, как УКВТ, а также момент начала впрыскивания первой дозы топлива, точнее соответствующее этому моменту положение поршня. Попадание топлива в пристеночную зону гильзы приводит к существенному (по сравнению с традиционным дизелем) повышению эмиссии СН (см. рис. 3), разжижению смазочного масла [6-8] и способствует неполноте
10 лет
журналу
49
50
сгорания, сопровождающейся повышением эмиссии СО и расхода топлива (см. рис. 4).
Таким образом, экспериментальные исследования (см. рис. 3) показывают, что гомогенизация процесса сгорания является эффективным способом одновременного уменьшения эмиссии NOx и твердых частиц сажи. Однако из-за снижения локальных температур в процессе сгорания она может привести к увеличению выбросов СО - в случае дизельной гомогенизации путем многократного впрыскивания (см. вариант № 2 в табл. 2) - и к увеличению выбросов СН - в случае как дизельной (см. вариант № 2), так и идеальной (см. вариант № 3) гомогенизации. Правда, СО и СН по сравнению с оксидами азота и сажей считаются менее опасными и могут быть существенно сокращены с помощью обычных катализаторов окисления.
Минимальные концентрации CH и CO в выпускных газах наблюдаются в традиционном дизельном процессе (см. вариант № 1). В процессе с разделенным гомогенно-гетерогенным сгоранием (Split combustion, см. вариант № 4) они повышаются, правда, не так стремительно, как в процессах с идеальной (№ 3) и дизельной (№ 2)
гомогенизацией. Увеличение выбросов СН и СО при повышенном уровне гомогенизации смеси обусловлено снижением локальных температур в объеме камеры сгорания, значения которых в традиционном дизельном процессе (№ 1), где сгорание носит ярко выраженный гетерогенный характер, значительно выше.
Кроме того, следует иметь в виду, что в случае традиционного дизельного (№ 1) и гомогенно-гетерогенного (№ 4) процессов отсутствовала рециркуляция отработавших газов (см. табл. 2). Умеренные выбросы СО и СН зафиксированы в идеально гомогенном процессе (№ 3) несмотря на то, что в данном случае степень рециркуляции отработавших газов составляла 37 %. Максимальные выбросы СО и СН получились при реализации НСС1-процесса с многократным впрыскиванием (№ 2). Например, выбросы СО в 183 раза больше аналогичных выбросов в традиционном дизельном процессе, а выбросы СН больше в 38 раз, что объясняется наличием РОГ.
Работа выполнена в рамках проекта FR/241/3-170/14.
Окончание в следующем номере.
_ Литература
1. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. 2-е издание. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 590 с.
2. Basshuesen R., Schäfer F. Handbuch. Verbrennungsmotor. 4. Aufgabe. - Wiesbaden: Vieweg & Sohn Verlag, 2007. - 1032 s.
3. Ra Y., Reitz R.D. The Use of Variable Geometry Sprays with Low Pressure Injection for Optimization of Diesel HCCI-Engine Combustion. - SAE, 2005-01-0148.
4. Исследование горения в дизеле (материалы конгресса CIMAC-2013) // Двига-телестроение. - 2016. - №1. - С. 45-57.
5. Kavtaradze R.Z., Natriashvili T.M., Zelentsov A.A. Ignition Delay and Emission of the Noxious Substances in Double-Fuel Engines Working on the natural Gas and Syngases // Chapter 15 (p. 109-120) in the Book: Innovative Methods for Improvement of Technical, Economic and Ecological Efficiency of Motor Cars (ISBN:978-1-63463-671-1). - New-York: NOVA-Publishers, 2015. - 138 p.
6. Wesslau M., Bargende M., Haas S., Boulouchos K., Barroso G., Escher A. Homogene Dieselverbrennung - Verfahren zur Emissionsreduzierung. Teil 1: Untersuchungen am PkwDieselmotor // MTZ. - 2006. - № 10. - S. 798-805.
7. Müller E., Weiskirch Ch., Bach E., Emmrich Th., Bach E., Schneemann A. Homogene Dieselverbrennung - Verfahren zur Emissionsreduzierung. Teil 2: Untersuchungen am Nfz-Motor // MTZ. - 2006. - № 11. - S. 906-917.
8. Schneemann A., Emmrich Th., Bach E. Oberflächentemperaturmessung und lokale Wärmeübergang // Informationstagung Motoren. Herbst 2006, Würzburg. Heft R 535 (2006). - S. 281-305.
9. Henle A. Entkopplung von Gemischbildung und Verbrennung bei einem Dieselmotor: Dissertation. - München, 2006. - 193 s.
10. König, G., Raab, A. Brennraum einer selbst zündenden Brennkraftmaschine Stuttgart, DaimlerChrysler AG, Patentschrift W0/2006/058640 (2006).
11. Gatellier, B., Ranini, A., Castagne, M. New developments of the NADI concept to improve operating range, exhaust emissions and noise In: Oil & Gas Science and Technology // Rev. IFP. - 2006. - Vol. 61. - Nr. 1. - S. 7-23.
12. Lewander M., Jojansson B., Tunestal P., Keeler T., Tullis S., Milovanovich N. Evaluation of the Operating Range of Partially Premixed Combustion in a multi Cylinder Heavy Duty Engine with Extensive EGR. - SAE. 2009-01-1127.
13. Hashizume T., Myamoto T., Akagawa H., Tsujimura K. Combustion and Emission Characteristics of Multiple Stage Diesel Combustion. - SAE Paper 980505, 1998.
14. Shimazaki, N., Akagawa, H., Tsujimura, K. An experimental study of premixed lean diesel combustion. - SAE-paper 1999-01-0181.
15. Weiskirch, C. Reduktion von NOx- und Partikelemissionen durch (teil-) homogene Dieselbrennverfahren. - Braunschweig, Technische Universität, Dissertation (2007).
16. Кавтарадзе Р.З., Сергеев С.С. Новый альтернативный (частично-гомогенный) процесс сгорания как способ снижения концентраций оксидов азота и сажи в продуктах сгорания дизеля // РАН. Теплофизика высоких температур. - 2014. - Т. 52. -№ 2. - С. 294-309.
17. Кавтарадзе Р.З., Зиновьев И.А. Влияние частичной гомогенизации процесса сгорания на экологические показатели дизеля // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2016. - № 4. - С. 113-127.
18. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Зиновьев И.А., Голосов А.С. Влияние альтернативного процесса впрыскивания топлива на локальные образования оксидов азота и сажи в камере сгорания дизеля // Известия РАН. Энергетика. - 2016. - № 5. -
19. Han X., Wang M., Zheng M. An Enabling Study ofNeat n-Butanol HCCI Combustion on a High Compression-ratio Diesel Engine. - SAE Technical Paper. 2015-01-0001.
20. Valentino G., Corcione F.E., Iannuzzi S.E., Serra S. Experimental study on performance and emissions of a high speed diesel engine fuelled with n-butanol/diesel blends under premixed low temperature combustion // Fuel. - 2012. - 92(1). - Pp. 295-307.
21. Rahman A., Ramesh A. Effect of Split Injection on Combustion and Performance of a Biogas-Diesel Fueled PPCCI Engine. - SAE Technical Paper, 2015-24-2453.
22. Кавтарадзе Р.З. Улучшение экологических показателей водородного дизеля с непосредственным впрыскиванием газообразного водорода // РАН. Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2016. - T. 45. - № 4. - С. 20-29.
23. Кавтарадзе Р.З., Краснов В.М. Влияние частичной гомогенизации смеси на образование оксидов азота в камере сгорания водородного дизеля // Транспорт на альтернативном топливе. - 2016. - № 2 (50). - С. 50-56.
51
С. 152-159.
24. Кавтарадзе Р.З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 238 с.
25. FIRE. Users Manual // AVL List GmbH. - Graz (Austria), 2017.
26. Alkidas A.C. Relationships between smoke measurements and particulate measurements // SAE Technical Paper 840412. - 1984. - 9 p.
27. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Зеленцов А.А. Трехмерное моделирование нестационарных теплофизических процессов в поршневых двигателях. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - 85 с.
28. Kavtaradze R., Natriashvili T., Zelentsov A., Glonti M. Lokal heat exchange in combustion chamber and the intensive heat state of the diesel piston, converted into the two-fuel engine // International Scientific Journal IFToMM «Problems of Mechanics». - 2013. -№ 1 (52). - Pp. 55-61.
29. Kavtaradze R.Z., Zelentcov A.A., Onishchenko D.O., Skripnik A.A. Simulation of Local Heat Transfer in Combustion Chamber of Aircraft Piston Engine / Proceedings AVL International Simulation Conference 2017, June 27-29, Austria, Graz. - 2017. - Pp. 1-7.
30. Chang J., Güralp O., Filipi Z., Assanis D., Kuo T.W., Najt P., Rask R. New Heat Transfer Correlation for an HCCI Engine Derived from Measurements of Instantaneous Surface Heat Flux // SAE Technical Paper 2004-01-2996. - 18 p.
31. Reitz R.D., Duraisamy G. Review of high efficiency and clean reactivity controlled compressionignition (RCCI) combustion in internal combustion engines // Progress in Energy and Combustion Science. - 2015. - V. 46. - Pp. 12-71.
32. Reitz R.D. Das Diesel-Dilemma // MTZ. - 2016. - № 3. - S. 90.
Требования по подготовке статей к опубликованию в журнале
В связи с тем, что Международный научно-технический журнал Национальной газомоторной ассоциации «Транспорт на альтернативном топливе» включен в обновленный Перечень ВАКа, просьба ко всем авторам строго выполнять следующие требования при подготовке статей к публикации:
1. Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:
заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.
2. Все английские тексты следует набирать только строчными буквами, сохраняя начальные прописные буквы в именах собственных.
3. Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).
Редакция журнала также доводит до сведения авторов требования, которые необходимо соблюдать при подготовке статей для публикации.
Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Объем статьи -не более 15 000 знаков с пробелами.
Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать
в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих ГОСТов. Текст и таблицы должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии и графические рисунки (не менее 300 dpi, CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Не следует форматировать текст самостоятельно.
При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы. При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию. В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц. Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.
Редакция оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).
