CC BY
55
УДК 621.436.038.51
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ БИО-ТОПЛИВ В ДВС КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МОТОРНЫХ
И.И. Тимченко, профессор, к.т.н, Д.И. Тимченко, и.о. доц., к.т.н.,
ХНАДУ
Аннотация. Изложены научные основы эффективного применения био-топлив как альтернативных моторных в ДВС. Проанализированы причины ухудшения показателей работы ДВС и изложены особенности рабочего цикла ДВС на биотопливах. Предложен механизм для обеспечения эффективного сгорания биогазовоздушных смесей.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, биогаз, рабочий цикл, процессы смесеобразования и сгорания, принудительное зажигание, форка-мерно-факельное зажигание, экономичность.
Введение
Возможность и целесообразность применения в ДВС с внешним смесеобразованием биогаза как одного из наиболее перспективных моторных топлив для Украины обоснована в работе [1].
Решение этой задачи в значительной степени зависит от глубины научного понимания проблемы и выбора наиболее рационального пути ее решения. Для этого, прежде всего, должны быть объяснены механизмы, которые определяют особенности основных протеканий процессов в ДВС при работе на биотопливе, и установлено влияние на них конструктивных, регулировочных и режимных параметров и факторов. Это и является основной целью данной работы.
Формулирование проблемы
Анализ свойств биогаза, а также других био-топлив как моторных для ДВС традиционной конструкции [1 - 3 и др.] показывает, что основные причины недостатков, связанных с их применением вместо бензинов, такие:
1. Меньшие значения низшей теплоты сгорания биовоздушных смесей, а соответственно и худшие технико-экономические показатели работы двигателей, при простой замене бен-
зинов биогазом потери мощности Ые достигают 20 - 22%, а экономичности - до 25%;
2. Меньшая скорость сгорания биосмесей, а в итоге этого - растягивание процесса сгорания на такт расширения и, как результат, уменьшение Ые и увеличение удельного эффективного расхода топлива, gе (или уменьшение эффективного КПД, Пе);
3. Меньшее массовое наполнение цилиндров свежим зарядом из-за подогревания его при впуске, что также уменьшает Ые и увеличивает gе;
4. Более высокое значение температуры самовоспламенения, а отсюда затрудненный запуск ДВС, особенно при низких температурах;
5. Худшие антикоррозионные качества, особенно биогаза, а отсюда и меньшая эксплуатационная надежность деталей ДВС из-за значительной части в нем SО2.
Вместе с тем биотоплива имеют большее значение октанового числа (у биогаза ОЧ равно 126), что открывает возможность для устранения (частичного или полного) отмеченных выше недостатков.
Исследование проблемы повышения эффективности сгорания биотоплив в ДВС
Основные особенности в протекании рабочего цикла в ДВС на биотопливах, в том числе
на биогазе, по сравнению с аналогичными при работе на бензинах, связаны с отличиями в процессах воспламенения, смесеобразования и сгорания. Поэтому выбор путей наиболее эффективного использования биотоплив в ДВС должен быть связан с изучением их влияния именно на эти процессы.
Кинетика воспламенения биогазовых топлив
В связи с тем, что для воспламенения биовоздушной смеси требуется более высокая температура, чем при воспламенении бензовоз-душной смеси, необходимо, чтобы энергия искры зажигания была более высокой. Это первая особенность (или различие) в процессе воспламенения биогаза, которая требует иных подходов для обеспечения качественного зажигания. Вторая особенность зажигания - более характерный одностадийный высокотемпературный механизм воспламенения. При сгорании биотоплив, по нашему мнению, при окислении происходит объединение цепного (по Семенову [3]) и теплового (по Арениусу [4]) механизмов. Его первая стадия является результатом взаимодействия активизированных искрой молекул топлива и окислителя, во время которого образуются нестойкие промежуточные продукты (СО, ОН и др.). Дальше действует цепной механизм реакций, более сложный и менее разветвленный, чем при окислении бензовоз-душных смесей. Скорость таких реакций определяется взаимодействием активных центров во время разветвления и возникновением и исчезновением активных центров при их рекомбинации, разрыве связей или затухании реакций окисления на холодных стенках КС. С учетом изложенного делаем выводы, что для устойчивого воспламенения биовоздушных смесей необходимо увеличить энергию электрического разряда или применение более эффективного энергетического способа воспламенения смеси, например, путем реализации механизма форкамерно-факель-ного зажигания.
Изложенный механизм «тепло-цепного» зажигания свидетельствует о значительном влиянии температуры на скорость реакции, которая, в свою очередь, приводит к увеличению температуры заряда. Такое взаимное влияние обеспечивает прогрессирующий разогрев горючей смеси и ускорение процесса зажигания. Достижение необходимой температуры в зоне зажигания является необходимым, но недостаточным условием возникновения очага пламени. Чтобы это произошло, необходимо обеспечить еще и минимально необходимую энергию зажигания. Без этого горение в зоне очага воспламенения может начаться, а дальнейшее распространение пламени по всему объему КС не произойти. Это относится, в первую очередь, к горению биотоплив, у которых температура самовоспламенения высокая. По нашему мнению, на воспламенение влияют как тепловой, так и ионизационный факторы. Это подтверждается и данными работы [5].
Исходя из описанного, процесс воспламенения можно представить таким образом. При зажигании от электрической свечи высокая температура (около 104 °С) в электрическом разряде между ее электродами быстро снижается из-за теплоотдачи в окружающую горючую смесь и электроды свечи. В результате этого достаточно большой объем горючей смеси может не разогреться до необходимой температуры, и пламя погаснет. Однако если разогреваемый объем достигнет критического значения Ур, а его температура Т будет больше Ткр, произойдет дальнейшее распространение пламени. Таким образом, на воспламенение и дальнейшее распространение пламени влияют Ткр, Укр, свойства топлива в зоне зажигания и мощность источника зажигания. В работе [6] показано, что критическая энергия зажигания (Окр) связана с нормальной скоростью сгорания (ин) зависимостью
ин2'3.
Фактор Горючая смесь
н2 СН4 Биогаз Природный газ
Коэффициент а, соответствующий Цнтах 0,8 0,9 0,95 0,9
Теплопроводность кДж/смсК 0,73 0,73 0,7 0,76 - 0,77
Ц,, см/с [6] 320 35 37 40
Окр, Дж 0,2 0,24 0,25 -
ОЧ 45 - 90 107 - 120 123 - 126 100- 110
Таблица 1 Параметры, определяющие воспламенение и сгорание биотопливных смесей
В табл. 1 приведены значения QKp при а, соответствующему максимальной скорости распространения пламени U max .
Из приведенных в таблице данных можно сделать вывод, что для устойчивого воспламенения биовоздушных смесей необходимо обеспечить большую энергию, чем при зажигании бензовоздушных и даже газовоздушных смесей. Таким источником может быть фор-камерно-факельное зажигание.
Кинетика распространения фронта пламени в биогазовых топливах
ческим константам горючей смеси относят нормальную скорость распространения фронта пламени в ламинарной смеси ин. В таблице приведены значения Ц для разных топлив и значений коэффициента избытка воздуха а, при которых они достигаются.
Сопоставление показывает, что значения Ц для разных топлив близки, однако для биогазовых топлив они на 20 - 25 % меньше, что требует дополнительных мер по интенсификации процессов смесеобразования и сгорания для обеспечения эффективного их сгорания.
Продолжительность фазы распространения фронта пламени от очага воспламенения завершается достижением им наиболее удаленной точки КС и составляет примерно 30 - 45 °п.к.в. По данным исследований акад. Стечкина Б.С. [6] и проф. Генина К.И. [5], лучшие показатели ДВС можно обеспечить, если эта фаза примерно симметрично располагается относительно ВМТ. Механизм сгорания сложный, поэтому целесообразно рассмотреть его вначале в модельных условиях в ламинарной смеси.
Распространение пламени в биогазовой ламинарной смеси
Как показывают исследования [1, 7, 8], наибольшее влияние на Ц оказывают а, концентрационные пределы распространения фронта пламени, температура смеси и количество инертных компонентов (для биогаза -СО2) в ней. Влияние температуры на Ц меньше, чем скорость химической реакции, что также подтверждает тезис о том, что Ц определяется суммарным влиянием теплопроводности и скорости диффузии активных центров из фронта пламени в несгоревшую смесь.
Распространение пламени в биогазовой турбулентной смеси
Простейший механизм распространения фронта пламени по КС, заполненной нетур-булизированной биогазовоздушной горючей смесью, состоит в послойном подогреве не-сгоревшей смеси путем теплопроводности и диффузии активных центров из фронта пламени. На наш взгляд, в биогазовых смесях превалирует тепловой фактор, так как развитие цепных реакций, а соответственно и образование активных центров у газовых топ-лив и биотоплив ниже, чем у бензинов [1, 2, 6]. Это существенная особенность, определяющая продолжительность процесса сгорания. Подогрев происходит до тех пор, пока температура в несгоревшем слое смеси достигнет значения температуры самовоспламенения. На эту температуру влияют условия самовоспламенения, поэтому она не равняется температуре объемного самовоспламенения топливо-воздушной смеси.
Ширина зоны горения мала (десятые доли мм), поэтому в теории сгорания скорость сгорания оценивают по скорости распространения фронта пламени, а к важнейшим физи-
В КС ДВС топливовоздушная смесь находится в турбулентном состоянии, для которого характерна неизотропность, т.е. наряду с направленным движением заряда в КС происходит и неупорядоченное движение в форме отдельных вихрей, значительно усложняющих процесс.
Анализ многочисленных исследований механизма и скорости турбулентного сгорания Цт в ДВС [1, 2, 7, 8 и др.] позволяет сделать следующие выводы:
- значение Цт почти на порядок больше Цн;
- продолжительность основного сгорания в основном зависит от частоты вращения коленчатого вала ДВС, п, хв-1, т.е. Ц = Дп); незначительное отклонение от этой зависимости можно компенсировать изменением угла опережения зажигания 9заж.оп.;
- исходя из первых двух выводов, можно предположить, что на продолжительность основного сгорания незначительно влияют состав смеси и скорость химических реакций.
Однако с первой частью последнего вывода не коррелируются опытные данные проф. Ге-нина К.И. [5] по газовым двигателям. На наш взгляд, причиной этого является значительное отставание задней границы фронта пламени от количества сгоревшего газового топлива. Передняя граница фронта пламени является лишь границей, через которую горящие частицы проникают в несгоревшую смесь. Это подтверждает и анализ кинограмм, приведенных в работах [7, 8].
Из этого делаем вывод, что для эффективного сгорания биогаза необходимо прежде всего интенсифицировать участок основного сгорания. В работах [8 - 10] экспериментально подтверждено, что при обеднении биосмесей значительно расширяется по сравнению со стехиометрическим составом ширина фронта пламени, замедляя скорость сгорания в начальной стадии. Кроме того, увеличиваются различия в скоростях распространения фронта пламени и зоны выгорания смеси, в результате чего длительность основной фазы растягивается на такт расширения, что приводит к увеличению тепловых потерь, уменьшению мощности Ые и увеличению удельного эффективного расхода топлива ge. При значительном обеднении смеси из-за уменьшения скорости сгорания возрастает химическая неполнота сгорания и уменьшается температура сгорания. Оба эти процесса ускоряют друг друга, в результате чего часть заряда не превращается в теплоту, а удаляется из КС ДВС с ОГ, вследствие чего ухудшаются технико-экономические показатели ДВС.
Важными для практического повышения эффективности сгорания биогазовых смесей являются результаты работы [9], согласно которым зона полного выгорания при обеднении смесей смещается от свечи зажигания к центру КС, что указывает на возможность обеспечения процесса сгорания необходимой эффективности путем выбора вида организации процесса сгорания, например, микрообъемного пульсирующего, характерного для форкамерно-факельного процессов воспламенения и сгорания.
Выводы
Изложенные научные основы особенностей обеспечения эффективного процесса сгорания биогазовоздушных топлив позволяют сформулировать требования к выбору наи-
лучшей модели организации процессов смесеобразования и сгорания этих топлив. Намечены механизмы реализации различных моделей процессов смесеобразования и сгорания.
Опыт, накопленный по двигателям, работающим на биогазовых смесях, относительно не велик. Однако из опубликованных работ и приведенного выше анализа следует, что предложенные механизмы интенсификации сгорания могут обеспечить существенное повышение экономичности и снижение вредных выбросов. Очевидно, что это особенно ощутимо для случаев, когда двигатель работает при практически постоянных режимах.
Литература
1. Тимченко И.И., Жадан П.В., Ефремов А.А.
Использование биогаза как альтернативного моторного топлива в транспортных установках с ДВС // Автомобильный транспорт. - 2006.
2. Устименко В.С., Ковалев, С.О., Бейко О.Л.
Перспективы и проблемы расширения использования биотоплив в автомобильном транспорте Украины // Автошляхо-вик Украши. - №2. - 2002.
3. Семенов В.Г., Линьков О.Ю. Расчетно-экс-
периментальное определение свойств рабочих тел и состава продуктов сгорания смесей углеводородных топливных и метиловых эфиров рапсового масла // Вестник ХГТУ. - 2001. - Вып. 101. -С.231 - 234.
4. Семенов Н.Н. О некоторых проблемах хи-
мической кинетики и реакционной способности. - М.: АН СССР, 1958. -686 с.
5. Воинов А.И. Сгорание в быстроходных
поршневых двигателях. - М.: Машиностроение, 1977. - 276 с. 6 Генкин К.И. Газовые двигатели. - М.-Л.:
Госэнергоиздат, 1959. - 320 с. 7. Зельдович Я.Б., Франк-Каменецкий Д.А. Теория теплового распространения пламени // Журнал физической химии. -1938. - Т.12. - 100 с. 8 Сполдинг Д.Б. Основы теории горения. -
М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 320 с. 9. Hedden K. Einfluss verandezter Gas qualitat auf die Gasvezwendung /GWr -Gas/Ezdgas, 1981, Bd. 122, №3, Verland R. Oldenbourg. - Munchen.
Рецензент: В.П. Волков, профессор, д.т.н.,
ХНАДУ Статья поступила в редакцию 2 декабря 2008 г.
