CC BY
305.20.03 - ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ _В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ)_
DOI 10.53980/24131997_2022_3_69
П.А. Болоев1, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected]
Т.В. Бодякина2, мл. науч. сотр., e-mail: [email protected] Е.В. Елтошкина2, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] Т.П. Гергенова1, ст. преподаватель, e-mail: [email protected] 1 Бурятский государственный университет, г. Улан-Удэ 2 Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, г. Иркутск
УДК 631.372.502.4
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Конвертация дизельных двигателей на природный газ метан отмечается снижением затрат на топливо, улучшением экологических показателей и не требует значительных конструктивных изменений двигателя. Процесс сгорания при работе дизельного двигателя осуществляется путем зонального впрыска дизельного топлива. При кинетическом расчете полученных продуктов рассмотрели вопрос о действии водяного пара с учетом взаимодействия возникающих паров воды под действием высоких температур. Анализируя результаты исследования о эффективности использования альтернативных видов топлива, можно сформулировать вывод, что увеличилась скорость сгорания по нагрузочной и скоростной характеристикам двигателя и при этом корректируется угол опережения подачи топлива в ходе процесса сгорания. При работе по нагрузочной характеристике изменяются коэффициент избытка воздуха и подвод воздуха к сгораемому топливу, что меняет период задержки воспламенения, интенсивности сгорания в первой и второй фазах горения. Использование метана при переходе на водородное топливо способствует снижению углеводородных выбросов с отработанными газами примерно в 2,5-5 раз в зависимости от режимов эксплуатации.
Ключевые слова: природный газ, горение, парциальное окисление, топливо, водяной пар.
P.A. Boloev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
T.V. Bodyakina, Junior research associate E.V. Eltoshkina, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
T.P. Gergenova, Senior Lecturer
EFFICIENCY OF USING NATURAL GAS AS FUEL FOR AUTOMOTIVE DIESEL ENGINES
The conversion of diesel engines to natural gas methane is marked by a reduction in fuel costs, an improvement in environmental performance and does not require significant structural changes to the engine. The combustion process during the operation of a diesel engine is carried out by zonal injection of diesel fuel. In the kinetic calculation of the obtained products, the question of the action of water vapor is considered, taking into account the interaction of emerging water vapors under the action of high temperatures. Analyzing the results of the study on the efficiency of the use of alternative fuels, it is possible to formulate a conclusion about increasing the combustion rate by the load and speed characteristics of the engine, and at the same time adjusts the fuel delivery angle during the combustion process.
When working on the load characteristic, the coefficient of excess air and the supply of air to the combustible fuel changes, which changes the period of delay of ignition, combustion intensity in the first and second phases of combustion. The use of methane during the transition to hydrogen fuel helps to reduce hydrocarbon emissions with exhaust gases by about 2.5-5 times, depending on the operating modes.
Key words, natural gas, burning, partial oxidation, fuel, water vapor.
Введение
Конвертация дизельных двигателей на природный газ метана отличается существенным улучшением экологических показателей и снижением затрат на топливо и не требует существенных конструктивных изменений двигателя.
Переоборудовать на газовое топливо (метан, пропан или природный газ) можно не только бензиновый, но и дизельный двигатель, как автомобильный, так и тракторный.
Сам процесс сгорания осуществляется путем зонального впрыска дизельного топлива в пределах 10-20 % от количества дизельного топлива при работе в базовом варианте.
Целью исследования является эффективность использования природного газа в качестве топлива для автотракторных дизелей.
Материалы и методы исследования
В камере сгорания при различных давлениях происходит горение при различных значениях соотношения топлива и воздуха. Изменение давления в КС влияет на процесс воспламенения топливовоздушных смесей, что приводит к изменению состава продуктов сгорания и тем самым - состава отработанных газов.
Основным источником при выработке синтез-газа является метан, который состоит из химических соединений, товарных моторных топлив и другой каталитической паровой конверсией. Каталитический метод редко удорожает процесс получения водорода. Сотрудниками Института химической физики В.М. Шмелевым и В.М. Николаевым предложен способ безка-талитического парциального окисления метана на базе двигателя внутреннего сгорания с конверсией до 97 %. Уравнениями (1) и (2) описываются реакции метана при парциальном окислении [10]:
СН4 + 0,502 = CO + 2H2 - 35,6 кДж/моль, (1)
СН4 + 02 = CO + H2 - 277,5 кДж/моль. (2)
При данных экзотермических реакциях выделяющаяся тепловая энергия будет способствовать испарению и дополнительному подогреву рабочей смеси.
Для описания химического преобразования метана использовался метод кинетического моделирования, и авторами [10] были решены кинетические дифференциальные уравнения, учитывающие параметры материального баланса. Кинетическое уравнение суммарной скорости окисления метана Wm имеет вид:
Wm = dNm = -ANamNboxNcnTd exp(-Ea /RT), (3)
dt
где A, a, b, c, d - эмпирические параметры,
Ea - эффективная энергия активации процесса,
N m - молярные концентрации метана в метано-воздушной смеси,
Nox - молярные концентрации кислорода в метано-воздушной смеси,
Nn - молярные концентрации азота в метано-воздушной смеси,
t - время,
T - текущая температура,
R - универсальная газовая постоянная.
В уравнении (3) эмпирические коэффициенты подбирались на основании результатов проведенных экспериментов при моделировании топливной смеси [4]. При кинетическом расчете полученных элементов реакции ограничимся рассмотрением реакции водяного пара и при высоких температурах достаточно учесть диссоциацию паров молекул воды:
dNl
соэ
dt
■ КNcoNн2o - КМсо2 ■.
(4)
где мсо2, МСО,NИ2О, Мя2
молярные концентрации углекислого газа, оксида углерода,
водяного пара и водорода соответственно,
Кь К2 - константы прямой и обратной реакции [5].
Результаты исследования
Изменение внутренней кинетической энергии, полученной при моделировании метано-воздушной смеси в камере сгорания двигателей описывается системой дифференциальных уравнений:
dE dV т„ т„ т— = р— + Жс - ,
dt
dt dV
dt
= £УИ
dt
= и ^),
dTr,
(5)
сата
dt d (стТ )
= ао^а (Та - ТX
dt
= ао$а (Та - Т)-
Здесь ро и То - начальные давление и температура смеси;
Е - внутренняя энергия единицы массы газовой смеси;
с, р, Т, V - теплоемкость, давление, температура и объем газовой смеси;
Vо - объем цилиндра;
Л - степень сжатия; Жс - скорость тепловыделения; Щ - скорость теплопотерь; %п и Жп - относительная концентрация исходных компонентов в газовой смеси массой или продуктов реакции (СИ4, СО,СО2, И2,Н2О, Яо), определяемых индексом и безразмерная скорость их превращения в химической реакции соответственно, - концентрация компонентов в остаточных газах цилиндра; %то - начальная концентрация метана в смеси; V - скорость поршня; са - теплоемкость; аа - коэффициент теплообмена газа; Та, 8а, та - температура, площадь, масса реагентов.
Концентрации полученных элементов реакции были найдены из уравнения материального баланса [7]:
ХтСИ4 + О2 ^ (1 - %ХхтСИ4 + О2 ) + %(л1СО + Х2И2 + Х3СО2 + Х4И2О\ где хт - входной параметр задачи, а неизвестные молярные коэффициенты Х1, Х2, Х3 вычислялись из баланса по углероду, водороду и кислороду, а коэффициент Х4 - из кинетического уравнения (4), доля прореагировавшего метана х - из уравнения (2) [10].
На основе исследований концентрации продуктов реакции разработана теория вовлечения воздуха в процесс сгорания (а):
1) первичное окисление углеводородов, образование тяжелых радикалов (а1 « 0,1);
2) образование промежуточных радикалов, перекисей и альдегидов типа С3 Н 7 СНО, С3Н7СН2ОО(а2 *0,2);
3) образование соединений типа СН3СНО, СН3СН 2ОО и ряда менее сложных продуктов (а3 * 0,5);
4) образование соединений типа СН3ОН, СН3СО, СО и др. (а4 * 0,75);
5) получение конечных продуктов окисления СО2, Н2О и т. д. (а5 * 1,0).
Суммарное время от впрыска до воспламенения (фазы испарения, 1, 2 и 3) является временем задержки воспламенения, влияющей на характер и скорость видимого сгорания:
— = + - v2 N, (6)
Л
где N о - число активных центров при г = 0;
V - скорость разветвления цепей реакции;
У2 - скорость разрушения цепей реакции.
Акад. Н.Н. Семенов считает, что повышение давления и температуры ускоряют накопление промежуточных продуктов, ускоряющих цепные реакции [7], т. е. скорость горения.
Угол подачи топлива влияет на все фазы сгорания топлива [8]. С уменьшением нагрузки двигателя сокращается продолжительность сгорания и увеличивается относительная скорость сгорания, а при работе по скоростной характеристике продолжительность сгорания меняется обратно пропорционально частоте вращения коленчатого вала.
Таким образом, угол опережения подачи топлива корректируется при использовании альтернативных видов топлива, а также изменяется скорость сгорания по нагрузочной и скоростной характеристикам двигателя [9]:
- при работе по нагрузочной характеристике изменяется коэффициент избытка воздуха и подвод воздуха к сгораемому топливу, что изменяет период задержки воспламенения, интенсивности сгорания в первой и второй фазе горения;
- при работе по скоростной характеристике изменяется турбулизация заряда от скорости движения поршня.
Продолжительность видимого сгорания топлива пропорциональна количеству топлива, вводимого в цилиндр в течение цикла.
Экспериментальными исследованиями Ю. Варнатца и др. [1, 2, 3] доказано образование свободных атомов кислорода, водорода, углерода, азота в процессе сгорания с последующими образованиями высокоэнергетических радикалов: СО, СН, ОН, которые мгновенно вступают в химическую реакцию сгорания с образованием конечных продуктов СО2, Н2О и т. д.
Вывод
На основании результатов моделирования и проведенных исследований полученной смеси можно сформулировать заключение о том, что при использовании метана для автотракторных дизелей наблюдается существенное снижение выбросов загрязняющих веществ с отработанными газами примерно в 2,5-5 раз в зависимости от режимов эксплуатации.
Таким образом, при актуальной тенденции перехода на водородное топливо использование метана в дизельных двигателях будет способствовать снижению углеводородных выбросов с отработанными газами.
При использовании альтернативных видов топлива корректируется угол опережения впрыска топлива и изменяется скорость сгорания по нагрузочной и скоростной характеристикам двигателя.
Библиография
1. Болоев, П.А., Смирнов П.Г., Перфильева Т.П. Улучшение экологических показателей работы автотракторных двигателей путем перевода на сжиженный газ // Вестник ИрГСХА. - 2009. - № 36. -С. 36-41.
2. Болоев П.А., Хатархеева Н.С., Гергенова Т.П. Улучшение экологических показателей альтернативных моторных топлив // Материалы VIII Регион. науч.-практ. конф., посвящ. юбилею проф. Д.С. Сандитова. - Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2021. - С. 63-65.
3. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. - М.: Физматлит, 2003. - 352 с.
4. Дворников Н.А. Равновесное и кинетическое моделирование пиролиза и окисления углеводородов при высоких давлениях // Физика горения и взрыва. - 2011. - № 3. - С. 20-28.
5. Евламниев А.В., Фролов С.М., Басевич В.Я., Беляев А.А. «Глобальные» кинетические механизмы для расчета турбулентных реагирующих течений. Ч. IV. Диффузионное горение // Химическая физика. - 2001. - Т. 20, № 11. - C. 21-27.
6. Ларионов В.М. [и др.] Экспериментальная оценка скорости горения метано-водородного топлива с воздухом при изменении концентрации водорода // Инженерный вестник Дона. - 2018. - № 4 (51). - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/eksperimentalnaya-otsenka-skorosti-goreniya-metano-vodorod-nogo-topliva-s-vozduhom-pri-izmenenii-kontsentratsii-vodoroda.
7. ЛарионовЛ.Б., БураевМ.К. Расчет процесса сгорания биогаза в газовом двигателе с искровым зажиганием, конвертированном из дизеля с наддувом// Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, 2015. - Т. 12. - № 1. - С. 52-28.
8. Лиханов В.А., Скрябин М.Л. Исследование влияния природного газа на характеристики процесса сгорания и жаропрочность поршневых алюминиевых сплавов дизеля д-245.7 // Транспорт на альтернативном топливе. - 2018. - № 3 (63). - С. 52-59.
9. Панков Ю.В., Новопашин Л.А., Денежко Л.В., Садов А.А. Количественные соотношения и свойства смесевых систем углеводородного состава для дизельного двигателя // Аграрный вестник Урала. - 2016. - № 12 (154). - С. 72-76.
10. Шмелев В.М., Николаев В.М. Парциальное окисление метана в химическом реакторе многостадийного сжатия с регенерацией тепла // Теоретические основы химической технологии. - 2009. -Т. 43, № 1. - С. 54-61.
Bibliography
1. Boloev P.A., Smirnov P.G., Perfilyeva T.P. Improvement of the environmental performance of tractor engines by converting to liquefied gas // Vestnik IrGSKHA 2009 - No. 36. - P. 36-41.
2. Boloev P.A., Khatarkheeva N.S., Gergenova T.P. Improving the environmental performance of alternative motor fuels // Proceedings of the VIII Regional Scientific and Practical Conference dedicated to the anniversary of Prof. D.S. Sanditov. - Ulan-Ude, 2021. - P. 63-65.
3. Varnats Yu., Maas U., Dibbl R. Combustion. Physical and chemical aspects, modelling, experiments, formation of pollutants // M.: Fizmatlit, 2003. - 352 p.
4. Dvornikov N.A. Equilibrium and kinetic modelling of pyrolysis and oxidation of hydrocarbons at high pressures // Combustion, Explosion and Shock Waves, 2011. - No. 3. - P. 20-28.
5. Evlamniev A.V., Frolov S.M., Basevich V.YA., Belyaev A.A. «Global» kinetic mechanisms for calculating turbulent reactive currents. P. IV. Diffusion combustion // Russian Journal of Physical Chemistry B: Focus on Physics. 2001. - Vol. 20, No. 11. - P. 21-27.
6. Larionov V.M. [and etc.]. Experimental evaluation of the combustion rate of methane-hydrogen fuel with air when hydrogen concentration changes.// Ingineering Journal of Don, 2018. - No.4 (51). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/eksperimentalnaya-otsenka-skorosti-goreniya-metano-odorodnogo-topliva-s-vozduhom-pri-izmenenii-kontsentratsii-vodoroda.
7. Larionov L.B., BuraevM.K. Calculation of the combustion process of biogas in a spark ignition gas engine converted from a supercharged diesel engine// Vestnik of North-Eastern Federal University, 2015. -Vol. 12, No 1. - P. 52-28.
8. Lkihanov V.A., Skryabin M. L. Study of the influence of natural gas on the combustion process characteristics and heat resistance of piston aluminum alloys of diesel D-245.7// Transport on alternative fuel, 2018. - No. 3 (63). - P. 52-59.
9. Pankov Yu.V., Novopashin L.A., Denezhko L.V., Sadov A.A. Quantity ratios and properties of mixed hydrocarbon systems for diesel engine // Agrarian Bulletin of the Urals. 2016. - No. 12 (154). - P. 72-76.
10. Shmelev V.M., Nikolaev V.M. Partial oxidation of methane in a multi-stage compression chemical reactor with heat recovery // Theoretical bases of chemical technology, 2009. - Vol. 43, No 1. - P. 54-61.
