CC BY
32
УДК 621.436
СИСТЕМЫ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА АВТОМОБИЛЬНОГО ДИЗЕЛЯ
М.М. Бендик, В.М. Фомин
Кафедра эксплуатации автотранспортных средств Российский университет дружбы народов 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, б
Рассмотрены методы и средства воздействия на кинетические параметры рабочего процесса автомобильных дизелей с целью совершенствования их эколого-экономических качеств. Обосновывается перспективность использования каталитических систем в качестве модификаторов рабочего процесса. Приведены данные экспериментальных исследований дизелей с каталитическими вставками в камере сгорания.
Методы физико-химического воздействия на внутрицилиндровые процессы рассматриваются как наиболее перспективные для совершенствования рабочего процесса с целью улучшения топливно-экономических и экологических показателей дизелей автотранспортных средств [1]. Из них выделяются следующие:
- введение в топливо различного рода присадок [2] - реакционно-активные средства присутствуют как компоненты рабочей смеси, принимают непосредственное участие в процессе сгорания топлива;
- использование в качестве средств воздействия на рабочий процесс продуктов предварительной термокаталитической переработки моторного топлива [3] - то же;
- использование каталитических систем воздействия на кинетические параметры рабочего процесса (каталитические камеры сгорания) [4] - размещенный в объёме рабочего пространства дизеля активирующий элемент (например, металлический) с каталитическим эффектом воздействия осуществляет селективное промотирование протекающих в цилиндре превращений углеводородов, обуславливая тем самым улучшение экологических и экономических показателей рабочего процесса дизеля;
- комбинация указанных выше способов.
Повышение концентрации активных частиц в реагирующей углеводородно-воздушной среде в камере сгорания представляется возможным путем введения в её объем присадок с реакционно-активными компонентами или формирования этих компонентов непосредственно в рабочем пространстве дизеля, используя с этой целью возможность термокаталитического преобразования части дизельного топлива с использованием каталитических средств. Такой способ организации промотированного сгорания топлива в дизеле наиболее просто осуществим и энергетически более выгоден.
Вероятность целевого формирования дополнительного фона активных частиц (центров зарождения реакций) за счет химического преобразования углеводородов дизельного топлива на каталитическом элементе обусловлена наличием ряда необходимых факторов:
- «фактор реагентов» - состав исходных компонентов рабочего тела, в частности, наличие реагентов, способствующих реакции пиролитического и термического разложения углеводородов;
- «контактный фактор» - для организации каталитической реакции необходимо обеспечить достижение реагентами зоны размещения катализатора в камере сгорания и их физический контакт;
- «температурный фактор» - технологический режим осуществления реакций каталитической конверсии углеводородов предполагает температуру, не ниже 400...500°С [4,6], что в значительной степени определяется конструкцией камеры сгорания и способом организации рабочего процесса.
- «диффузионный фактор» - для повышения реакционной способности всего объема топливно-воздушной смеси продукты каталитической конверсии топлива необходимо рассредоточить по рабочему объёму цилиндра, желательно уже в течение предпламенной фазы рабочего цикла или к началу активной стадии сгорания. Очевидно, наиболее интенсивное смешение продуктов конверсии с горючей смесью осуществимо в
дизелях, конструкция которых предусматривает организованное движение рабочего тела;
- «кинетический фактор» - в условиях рабочего цикла дизеля время протекания химических реакций ограничивается периодом в несколько миллисекунд.
В общем случае процесс каталитической конверсии углеводородного топлива можно представить следующим образом. Некоторое количество впрыскиваемого через форсунку топлива достигает стенки камеры сгорания, покрытой катализатором, под действием высокой температуры испаряется, образуя в пристенной зоне паровую подушку из смеси углеводородов и водяного пара, происходит термическая диссоциация длинных углеводородных цепей и колец тяжёлых алкенов и аренов с образованием активных и легко подвижных радикалов с высокой реакционной способностью. В первую очередь испарению подвержены легколетучие углеводороды, входящие в состав топлива. В таких условиях при рациональном выборе катализатора высока вероятность протекания реакций паровой (с участием водяного пара) конверсии углеводородов.
Образовавшиеся в процессе каталитической конверсии химически активные продукты смешиваются с парами топлива и благодаря газо-аэродинамически организованной структуре движения рабочего тела в камере сгорания диффундируют в её объеме.
Анализ кинетического влияния химически активных продуктов на горение распыленного топлива [6] показывает, что это влияние проявляется в расширении пределов воспламеняемости смеси, способствуя тем самым эффективному выгоранию зон, как с богатым, так и с бедным составом топливно-воздушных смесей. Отсюда следует вывод о том, что для условий рабочего цикла дизеля, где воспламенение носит многоочаговый характер [1], присутствие в смеси активных продуктов конверсии топлива при её самовоспламенении и сгорании уменьшает термодинамическую неоднородность реагирующей среды в объёме камеры сгорания за счет увеличения зон (очагов) воспламенения. При этом снижается количество зон с локальным максимальным уровнем температуры, являющихся «поставщиками» NOx [1].
Активация предпламенных реакций и снижение длительности индукционного периода обуславливают уменьшение доли топлива, участвующего в воспламенении, соответствующему снижению количества выделившейся теплоты в объёмной (кинетической) стадии быстрого сгорания, и как следствие, снижению соответствующего теплового эффекта и максимальной температуры цикла [1].
Присутствие в зоне реагирования дополнительного количества свободного водорода, одного из основных продуктов каталитической конверсии, приводит к снижению результирующего выхода NOx с ОГ, поскольку экспериментально установлено, что при сгорании топливно-воздушной смеси помимо окислительных реакций имеет место восстановление азота:
2NO + 2Н2 ~>N2 + 2Н20
Участие в диффузионном сгорании топлива химически не связанного водорода противодействует процессу сажевыделения [7]. Свободный водород проявляет свое влияние на механизм сажевыделения во всех фазах образования и выгорания частиц углерода. На стадии образования сажистых частиц водород ингибирует процесс образования химического радикала - зародыша С2Н [7]. Присутствующий в продуктах конверсии водород интенсифицирует процессы выжигания сажистых частиц в заключительной фазе цикла за счет образования воды, выступающей в данном случае в роли окислителя углерода по схеме реакции “мокрой газификации” [7].
При этом снижение доли участия сажевыделения в процессах сгорания топлива способствует уменьшению тепловых потерь за цикл и соответствующему повышению топливной экономичности дизеля [7].
Условие реализации каталитического преобразования топлива по "контактному фактору" требует непосредственного его взаимодействия с размещённым на стенке камеры катализатором. Подобный механизм смесеобразования характерен для некоторых дизелей с камерой сгорания в поршне (объёмно-плёночное или плёночно-пристенное
смесеобразование). Однако при данном способе смесеобразования температура стенок камеры сгорания, выполненной в головке обычно алюминиевого поршня, редко превышает 350°С, что не обеспечивает выполнения условий по "температурному фактору". Эти трудности могут быть преодолены путем, например, теплоизоляции стенок камеры сгорания.
Наибольший интерес для исследования представляют дизели с разделёнными камерами сгорания, в частности, вихрекамерные, широко используемые в качестве силовых установок легковых автомобилей. Отдельные элементы конструкции вихревой камеры сгорания (жаровые вставки) обычно выполняются из термостойкого материала, имеющего низкую теплопроводность, и размещаются в головке цилиндра двигателя с принятием мер по их тепловой изоляции. Относительно небольшие размеры этих камер обеспечивают достижение топливным факелом стенок камеры, что удовлетворяет условию "контактного фактора".
В вихрекамерных дизелях, по нашим предварительным оценкам, возможно соблюдение всех вышеперечисленных факторов, что с высокой степенью вероятности обеспечивает протекание процесса термокаталитической конверсии углеводородных дизельного топлива. Это обусловило целесообразность проведения предварительного (поискового этапа) исследования на дизеле с подобным способом организации рабочего процесса.
В качестве объекта расчетно-теоретического исследования был выбран лабораторный вариант одноцилиндровой дизельной установки с вихрекамерным способом смесеобразования с диаметром цилиндра 85 мм и ходом поршня 110 мм (рабочий объем цилиндра 0,624 л) [5].
Задача по оценке возможности реализации "контактного фактора" сводилась к исследованию количественного соотношения между объёмным и пристенным (плёночным) механизмами смесеобразования и параметров, влияющих на это соотношение. Конкретно были найдены зависимости для периодов прогрева и испарения полидисперсного топливного факела с учетом суммарной кривой распределения капель по размерам. Установлено, что для процесса смесеобразования в вихревой камере характерно следующее:
- периоды прогрева и испарения существенно зависят от размеров капли. Для малых капель (например, менее 25 мкм) время полного испарения не превышает 1 мс. Для капель более 50 мкм это время превышает 3 мс;
- за время движения топливного факела от сопла распылителя до стенки вихревой камеры уровня температуры равновесного испарения достигают капли размером менее 35 мкм; капли диаметром 25 мкм испаряются в объёме камеры полностью; капли промежуточного размера, испаряясь частично, достигают стенки и вместе с более крупными каплями осаждаются на стенке, обуславливая пленочный компонент механизма смесеобразования.
- 25 - 30 % цикловой подачи топлива испаряются в объёме камеры; остальное топливо, взаимодействуя со стенкой, формирует на ней пленку. Анализ показал, что найденное соотношение практически сохраняется при изменении скоростного и нагрузочного режимов двигателя.
Исследование теплового состояния стенок вихревой камеры сгорания включало в себя решение методом последовательных итераций следующих сопряженных по выходу и входу задач: моделирование рабочего процесса двигателя, моделирование теплообмена на поверхностях стенок камеры и моделирование теплового состояния стенок, образующих объем вихревой камеры сгорания.
Расчётное исследование показало, что стенки камеры сгорания, образованные стальной вставкой, имеют достаточно высокий уровень температур (420 - 560°С) в широком диапазоне изменения нагрузки двигателя, что свидетельствует об удовлетворении условия "температурного фактора" каталитической конверсии углеводородов.
Однако не вся поверхность камеры имеет достаточно высокую температуру. Жидкостное охлаждение чугунной головки цилиндра даже на номинальном режиме работы двигателя ограничивает температуру охлаждаемых стенок камеры уровнем, не превышающим 250°С, что исключает целесообразность размещения на них катализатора.
Следовательно, процесс термокаталитического преобразования (конверсии) дизельного топлива принципиально возможен лишь на поверхности стальной вставки вихревой камеры сгорания при условии гарантированного попадания топлива на эту часть поверхности камеры и наличия на ней катализатора. Дальнейшее сопоставление экспериментальных и расчётных данных показало, что погрешность определения температур стенок камеры не превышает 5 %.
Расчётные оценки гидродинамического состояния рабочего тела в вихревой камере сгорания по критерию "диффузионного фактора" позволили сделать следующие выводы:
- главным фактором, формирующим структуру движения рабочего тела в вихревой камере, является тангенциальная составляющая скорости, создаваемая тангенциальным соединительным каналом; она имеет две зоны изменения: центральную - по закону вращения квазитвёрдого тела и периферийную - по закону движения потенциального вихря;
- граница зон изменения тангенциальной составляющей скорости определяется лишь диаметром вихревой камеры сгорания;
организованное круговое движение центрального ядра рабочего тела в камере сохраняется, по крайней мере, до начала активного диффузионного сгорания;
- за период задержки воспламенения активные продукты конверсии диффундируют в топливно-воздушную среду, причем зона их проникновения занимает около половины пространства вихревой камеры сгорания, в том числе и зоны с наибольшей концентрацией паров топлива, подготовленных к воспламенению;
- в период диффузионного сгорания интенсифицируется макросмешение продуктов конверсии с реакционной средой вследствие дополнительного воздействия на него микротурбулентных пульсаций, генерируемых процессами сгорания (микросмешение);
- условия топливоподачи и смесеобразования в исследуемом двигателе обеспечивают потенциальную возможность термокаталитического преобразования примерно для половины поданного в камеру топлива уже на стадии предпламенного периода рабочего цикла;
- основная часть поданного за цикл и не испарившегося топлива взаимодействует с каталитически активной поверхностью горячей жаропрочной вставки вихревой камеры сгорания;
- уменьшение нагрузки и частоты вращения вала двигателя (до режима холостого хода) не приводит к ухудшению условий протекания диффузионных процессов для продуктов конверсии топлива, а в ряде случаев эти условия оказываются более благоприятными по сравнению с номинальным режимом.
- вынос химически активных продуктов каталитической конверсии топлива через соединительный канал вихревой камеры в надпоршневое пространство может способствовать интенсификации процессов догорания топливно-воздушной смеси и продуктов её неполного сгорания (газообразных и твёрдых), уменьшению в целом длительности процесса сгорания.
Как уже отмечалось, важным фактором является рациональный выбор катализатора и создание каталитической камеры сгорания.
Опыт промышленной эксплуатации установок конверсии жидких углеводородов показывает, что наилучшие избирательные качества и эффективность проявляют в этом случае катализаторы на основе металлического никеля. В нашем случае были разработаны и использованы два варианта каталитических камер сгорания. В обоих случаях на подготовленные к напылению поверхности жаровых вставок вихревой КС порошковоплазменным способом был нанесён слой грунтового покрытия из порошка нихрома ПХ20Н80 (т.е. сплав исходного порошка содержал 20% хрома и 80% никеля по массе). В первом варианте в качестве каталитического покрытия газопламенным напылением был нанесен слой того же нихрома ПХ20Н80 толщиной 0,15 мм. Второй вариант отличался от первого составом - напылялся порошок сплава ПХ15Н80Ю5 (15% хрома, 80% никеля и 5% алюминия) - и также наносился газопламенным напылением той же толщины на подложку. Пористость каталитически активных покрытий, согласно регламенту, составляла 25%.
Малая толщина слоя покрытия позволяет избежать его разрушения в случае активного углеродообразования. Даже в случае образования углерода на поверхности покрытия он не проникает глубоко внутрь и периодически удаляется вследствие естественного выжигания в рабочем процессе дизеля (эффект саморегенерации каталитической поверхности). В дальнейшем это было подтверждено экспериментально: визуальный контроль
каталитической вставки камеры сгорания после длительных многоэтапных испытаний обнаружил абсолютно чистую поверхность, тогда как поверхность вставки без каталитического покрытия традиционно имела значительные углеродистые отложения.
Результатами экспериментальных исследований установлено [5], что- применение каталитически активного покрытия на поверхности вставки вихревой камеры сгорания ускорило процесс предпламенной подготовки топлива, сократило продолжительность задержки воспламенения и сместило по регулировочной характеристике оптимальный режим работы двигателя (по удельному расходу топлива) в сторону более поздних углов подачи топлива.
Двигатель с каталитическим покрытием камеры сгорания имеет значительно более широкий диапазон работы с минимальным значением удельного расхода топлива по сравнению с двигателем, снабжённым штатной камерой. При оптимальных (по удельному расходу топлива) углах опережения впрыскивания удельный расход топлива двигателя с каталитической камерой сгорания находится ниже (на 5 - 7 г/кВтч) расхода топлива дизеля со штатной комплектацией, что подтверждает высказанное ранее предположение о влиянии продуктов конверсии на топливно-экономические показатели дизеля.
Применение каталитического покрытия камеры сгорания позволяет снизить концентрацию ИОх в ОГ до 25% при номинальном нагрузочном режиме, а содержание сажи
- более, чем на 20%. Причём снижение концентрации МОх в ОГ наблюдалось при соответствующем снижении жёсткости процесса сгорания.
Зарегистрировано также улучшение экологических показателей дизеля и по другим токсичным компонентам ОГ. Так, величина относительного снижения содержания СО во всем диапазоне изменения нагрузки дизеля при п = 1500 мин1 находится в интервале 10 -25%.
Задачей следующего этапа экспериментальных исследований явилось инструментальное подтверждение существования процесса каталитической конверсии углеводородов в камере сгорания исследуемого двигателя, именно благодаря которому и обеспечивается зарегистрированное качественное улучшение показателей дизеля. Наиболее достоверно это можно сделать по изменению содержания водорода и монооксида углерода в составе рабочего тела в пристенной области каталитической камеры сгорания (зона реагирования). Химический анализ проб газа, отобранных быстродействующим газоотборником из этих областей последовательно через каждые 6,5° п.к.в., показал, что к моменту начала активного диффузионного сгорания содержание СО в зонах отбора проб превышает в 2 раза, а Н2 - примерно в 5 раз содержание этих компонентов в серийной камере сгорания. Косвенным свидетельством увеличения концентрации водорода в пристенных зонах каталитической камеры (с благоприятными условиями для термического крекинга углеводородов) является существенное снижение содержания в рабочем теле основного продукта крекинга - кристаллического углерода (сажи).
Полученные результаты достоверно подтвердили реальное существование процесса термохимических превращений дизельного топлива, поданного на горячую стенку каталитической камеры сгорания.
По данным обработки индикаторных диаграмм установлено, что, как и прогнозировалось, длительность задержки воспламенения на номинальном режиме работы двигателя снизилась с 9,5° до 7° п.к.в., вследствие чего уменьшились интенсивность тепловыделения в кинетической стадии сгорания и её продолжительность. Присутствие катализатора в камере сгорания позволило снизить максимальную скорость тепловыделения на 25%. Вследствие более раннего самовоспламенения и активации процесса сгорания сократилась продолжительность выгорания топлива в вихревой камере сгорания. Вместе с тем уменьшилось количество выделившейся теплоты в камере,
ускорилось начало перетекания непрореагировавшей топливно-воздушной смеси в надпоршневое пространство двигателя, что увеличило долю выделившейся в этом пространстве теплоты.
При интенсификации процесса сгорания топливно-воздушной смеси в надпоршневом пространстве максимум тепловыделения смещается ближе к ВМТ. Общая
продолжительность сгорания в цикле сокращается на 20° п.к.в. Очевидно, это и является основной причиной улучшения топливно-экономических показателей двигателя наряду с уменьшением тепловых потерь за счет сниженного сажеобразования.
Второй вариант каталитической камеры сгорания отличался от первого составом каталитически активного покрытия: напылялся порошок сплава ПХ15Н80Ю5 (15% хрома, 80% никеля и 5% алюминия). Присутствие 5% алюминия в качестве промотора процесса конверсии, по нашим оценкам, должно было положительно повлиять на эффективность катализа и, соответственно, на показатели дизеля, что и было проверено экспериментально.
Результатами сравнительного исследования установлено повышение эффективности катализатора после введения в его состав промотирующих добавок. Применение второго варианта каталитической камеры сгорания привело к снижению содержания в ОГ оксидов азота на 30% по сравнению с камерой без катализатора, что на 5% больше, чем в случае применения не промотированного катализатора в первом варианте.
Ещё более значительным оказалось воздействие этого катализатора на механизм сажено давления: снижение сажесодержания в ОГ по сравнению с серийным вариантом составило 32%, что превышает активность не промотированного катализатора по данному эффекту на 12%. При многократных испытаниях катализатора с промотирующей добавкой алюминия регистрировалось дополнительное снижение удельного расхода топлива в пределах 2,5 - 3 г/кВтч,
Таким образом, результатами предварительного исследования на опытной одноцилиндровой установке была подтверждена реальная возможность совершенствования показателей рабочего процесса дизеля за счет применения внутрицилиндровых катализаторов. Безусловную практическую значимость содержит в себе вопрос о возможности применения данного метода к условиям рабочего процесса дизелей с неразделённой камерой сгорания (с камерой в поршне), которые наиболее распространены в качестве силовых установок автотранспортных средств.
Для проведения испытаний был подготовлен дизель малотоннажного грузового автомобиля ЗИЛ-5301- «Бычок» (44 11/12,5), который комплектовался поршнями с камерами сгорания типа ЦНИДИ.
Ранее отмечалось, что механизм смесеобразования в дизелях с камерой, выполненной в поршне, достаточно полно удовлетворяет условию "контактного фактора", обеспечивая попадание топлива на стенки камеры. Однако для обеспечения "температурного фактора" процесса конверсии требуется принятие специальных мер, которые заключаются в теплоизоляции стенок камеры. Изготовленное каталитически активное покрытие включало 3 слоя: адгезионный грунтовый слой порошка Н85Ю15 (85% никеля и 15% алюминия), теплоизоляционный слой порошка глинозёма Л1203 толщиной 1,2 мм, каталитически активный слой порошка нихрома ПХ20Н80.
Следует отметить, что при проведении сравнительных испытаний были использованы одни и те же поршни, что позволило обеспечить необходимую сравнимость результатов. После проведения серии контрольных испытаний дизеля штатной комплектации со снятием внешней скоростной и нагрузочной характеристик, поршни демонтировались для нанесения теплоизоляционного и каталитического покрытий. Испытания проводились с учётом обеспечения адекватности условий, а режимы, при которых производилось снятие характеристик (по 5 опорным точкам), согласовывались по принятым ранее опорным точкам.
Данные экспериментального исследования и в этом случае подтвердили очевидную возможность активного воздействия продуктов термокаталитических реакций на показатели рабочего процесса дизеля с неразделенной камерой сгорания. Например, для режима Ре = 0,62 МПа при п = 1800 мин1 это воздействие проявилось в снижении
содержания в ОГ NOx на 17%, в уменьшении сажесодержания ОГ на 33%, в повышении энергетических показателей двигателя (крутящего момента и мощности), в улучшении экономических показателей (удельного эффективного расхода топлива) в среднем на 3,5%.
Приведённые данные следует считать предварительными, так как вследствие разрушения керамического изоляционного слоя камеры сгорания в поршне, экспериментальное исследование было остановлено, и повторные испытания не проводились.
Тем не менее, даже на основе полученных данных была подтверждена принципиальная возможность организации термокаталитической конверсии топлива в условиях рабочего цикла дизеля с камерой в поршне. Трудности в решении этой задачи сводятся лишь к разработке технологического регламента нанесения многослойных покрытий, обеспечивающих требуемый комплекс механических, динамических и тепловых характеристик.
ЛИТЕРАТУРА
1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. /' Под ред. А.С.Орлина и М.Г.Круглова,- М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.
2. Серебренников В.А., Батурин С.А., Румянцев В.В. Опыт применения присадок пароводородной смеси в транспортном дизеле // Двигателестроение, 1982. - No 2.-C.41-44.
3. Фомин В.М., Носков Н.И., Халед Абдулгаббар. Улучшение экологических показателей дизелей на основе предварительной термохимической переработки топлива // Автомобильные и тракторные двигатели: Межвузовский сб. научн. трудов. Вып.ХУ,1999. -с. 102-108.
4. Васильев И.П., Звонов В.А., Гавриленко П.Н. Улучшение показателей дизеля применением турбулизаторов в КС с каталитическим слоем. // М. Двигателестроение, 1990. -№ 11.-С. 47-49.
5. Фомин В.М., Реда Н.Ф., Аполлинер Н.С. Исследование рабочего процесса дизеля с внутрицилиндровой каталитической конверсией топлива //Совершенствование мощности, эконом, и эколог, показателей ДВС: Материалы III науч.-практич. семинара. Владимир, 1993. - С.82-84.
6. Фомин В.М. Пути совершенствования эколого-экономических показателей дизей// Автомобильные и тракторные двигатели. Межвузовский сб. науч. трудов: Вып. XVI, 1999. -с.54-60.
7. Матиевский Д.Д., Вагнер А.Е. Осуществление присадки водорода к топливу и её влияние на показатели работы дизеля. // Двигателестроение, 1985. - № 2. - С. 53 - 56.
SYSTEMS OF CATALYTIC INFLUENCE ON PARAMETERS OF WORKING PROCESS
OF AUTOMOBILE DIESEL
M.M. Bendik, V.M. Fomin
Department of exploitation of automotive means Russian Peoples' Friendship University St. Miklucho-Maklay, 6, 117198 Moscow, Russia
Methods and means of influence for kinetic parameters of working process of automobile diesel engines are considered with the purpose of perfection of their ecological and economic qualities. Perspective of use of systems is proved as modifiers of working process. The data of experimental researches of diesel engines with inserts in the chamber of combustion are resulted.
