CC BY
51
УДК 66-5:504.054
А. Г. Саттаров, И. Г. Хафизов, С. Г. Семенова
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ В ГАЗОВОМ ДВС НА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОМ ТОПЛИВЕ «МЕТАН+ВОЗДУХ» И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
Ключевые слова: Лазерная система зажигания, импульсный оптический разряд, оптоволокно, импульсный лазер, оптический
пробой.
Создание ДВС на экологически чистом топливе, способствующих охране окружающей среды, удовлетворяющих по выбросам нормам ЕВРО-5 и которые помогут втрое снизить выбросы углекислого газа, способствующего созданию парникового эффекта, является актуальной задачей.
Keywords: Laser ignition system, pulsed optical discharge, fiber optic, pulsed laser, optical breakdown.
Creation of ICE, working on environmentally friendly fuel, promoting environmental protection, meeting the EURO V exhaust emission standards and helping three times reduce carbon dioxide emissions, which contribute to the greenhouse effect, is an urgent task.
Введение
Экологические преимущества и экономичность двигателей, работающих на альтернативных топли-вах, являются решающими факторами для прогресса в автомобилестроении. По этой причине все основные производители грузовых автомобилей и двигателей, работают над использованием альтернативных топлив, главным образом - в виде сжатого, т.е. компримиро-ванного природного газа (КПГ) или жидкого природного газа. В работе, на основе выполненных термодинамических расчетов показаны режимы работы двигателя, использующего топливо «метан+воздух», с точки зрения экологической эффективности.
Экспериментальная часть
Природный газ в основном состоит из метана, обладает высокими теплотой сгорания (49,5 мДж/кг) и детонационной стойкостью (110 ед.), имеет меньшую, чем воздух плотность, легко смешивается с воздухом, образуя при этом гомогенную смесь, с широкими пределами воспламенения. Необходимо отметить, что опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей подтверждает наименышую безопасность КПГ по сравнению с бензином и дизельным топливом.
Газовый двигатель относится к числу двигателей, с принудительным зажиганием, что вызвано высокой температурой воспламенения метана -650°С. При этом воспламенение газовоздушной смеси (ГВС) может быть осуществлено либо впрыском запального дизельного топлива, либо электрической искрой. При конвертации дизелей в газовый двигатель, предпочтение отдается искровому способу зажигания газовоздушной смеси.
С точки зрения достижения наименьшей токсичности отработанных газов, газовый двигатель с искровым зажиганием может быть:
- стехиометрическим (аок = 1.0), работающим с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором;
- работающим на бедных смесях, с каталитическим нейтрализатором или без него.
Наименьшие выбросы СО, НС и соответственно,
наилучшая экономичность газового двигателя без катализатора достигаются при значениях коэффициента избытка воздуха а^ = 1,1 - 1,2. Однако, при этом наблюдается максимальное значение МОх, как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения относительно вышеуказанного значения. При этом, СО и НС увеличиваются, а МОх существенно уменьшается, т.е. выбросы газообразных веществ находятся в противоречивой зависимости от альфа а^ .
В случае использования катализатора выбросы продуктов неполного сгорания СО и НС снижаются во всем рабочем диапазоне, а МОх только при а^ = 1.0. Наибольшая эффективность нейтрализации по всем трем компонентам (90%) достигается при аок = 10.
Следовательно, единственными способами достижения наименьших выбросов по всем трем компонентам являются:
1. Работа двигателя на стехиометрической газовоздушной смеси (аок = 1.0) с обязательным применением 3-х компонентного нейтрализатора отработавших газов;.
2. Работа двигателя на обедненной газовоздушной смеси (Оок > 1,5) без нейтрализатора.
Следует отметить, что при работе газового двигателя на стехиометрической газовоздушной смеси (а^ = 1.0) при степенях сжатия 20 и более, возникают детонационные явления в камере сгорания ДВС, а при а ок > 1,5 детонация не наблюдается.
Для дальнейшего снижения выбросов СО и НС необходим 2-х компонентный окислительный катализатор.
По результатам расчетов процесса горения смеси природного газа (на 92 - 98 % состоящего из метана) методом, термодинамического равновесия, разработанным на кафедре специальных двигателей КНИ-ТУ (КАИ) известными учеными в области ракетостроения Алемасовым В.Е., Дрегалиным А.Ф., Ти-шиным А.П. (Справочник, [1]), составлена диаграмма весовых долей индивидуальных веществ в конденсированном состоянии СО, С02 и N0 в зависимости от Оок и температуры (рис.1).
Анализ результатов термодинамического расчета показывает, что весовые доли индивидуальных веществ в конденсированном состоянии N0, СО, СО2 зависят от Оок и температуры горения смеси Т.
Рис. 1 - Изменение токсичности продуктов сгорания «метан+воздух» в зависимости от аок
Как следует из расчетов, (см. рис.1) снижение выброса токсичных выбросов наблюдается при увеличении Оок и уменьшении температуры горения Т. При Оок =1.0 и температуре Т=2272 К, доля газов СО2 в смеси составляет -0.085, доля СО -0.038, доля NO -0.01 при Оок =1.5 и температуре Т=1783 К доля газов доля СО -0.00 (отсутствует), СО2 в смеси составляет -0.065, доля NO -0.02.
При Оок =2.0 и температуре Т=1573 К доля газов доля СО -0.00 (отсутствует), СО2 в смеси составляет -0.015, доля NO -0.001.
Выводы
Таким образом, в процессе горения топливной смеси «метан+воздух» весовые доли индивидуальных веществ NO, CO, СО2 в конденсированном состоянии при увеличении а^ и уменьшении температуры горения Т снижаются. Поэтому, экспериментальное подтверждение работоспособности ДВС на топливе «метан+воздух» (стабильный поджиг и оптимальная организация горения топливной смеси) при больших (аок =1.7-2.0) является одним из основных и важных задач при дальнейших исследованиях.
Поджиг топливной смеси «метан+воздух» при больших (а^ =1.7-2.0) является сложной задачей для традиционного искрового зажигания.
Одним из эффективных вариантов решения данной задачи является создание и использование для поджига топливной смеси «метан+воздух» лазерной системы зажигания топлива с температурой в ядре
© А. Г. Саттаров - д-р техн. наук, проф. КНИТУ им.А.Н.Туполева-КАИ, albert@mail.ru; И. Г. Хафизов - асп. КНИТУ им.А.Н.Туполева-КАИ, ilgiz-rtkazan@mail.ru; С. Г. Семенова - зав. лабораторией каф. ТОМЛП КНИТУ, ssemyonova@mail.ru.
© А. G. Sattarov - Doctor of Technical Science, Prof. Tupolev KNRTU, albert@mail.ru; 1 G. Hafizov - graduate student Tupolev KNRTU, ilgiz-rtkazan@mail.ru; S. G. Semyonova - Head of the Laboratory of Department TOMLP, KNRTU, ssemyonova@mail.ru.
импульсного оптического разряда 1.0 млн. Кис образованием множественных плазменных образований в камере сгорания газового ДВС [2-5].
Работа выполнена в рамках договора с Минобр-науки РФ от «12» февраля 2013 г. № 02.G25.31.0004.
Литература
[1] В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин, Справочник. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Т.З.Под ред. В.П. Глушко. М.: АН СССР, ВИНИТИ 1978. 633 с.
[2] К.Г. Гуськов, Ю.П. Райзер, С.Т. Суржиков, О наблюдаемой скорости медленного движения оптического разряда. Квантовая электроника. 1990. Т. 17,№7.С.937-9423.
[3] А.Г. Саттаров, А.Р. Бикмучев, М.Ф. Вахитов, М.Ю.Коротков, Исследование внутрикамерных процессов в энергетических установках на основе оптического разряда. Вестник КГТУ - 2009. - №3. - С.35 - 39.
[4] А.Г. Саттаров, М.Ф. Вахитов, Оптический плазмотрон на основе непрерывного оптического разряда. Вестник КГТУ - 2009. - №3. - С. 17-20.
[5] А.Г. Саттаров, А.Р. Бикмучев, М.Ф. Вахитов, М.Ю.Коротков, Исследование внутри камерных процессов в энергетических установках на основе оптического разряда. Вестник КГТУ - 2009. - №3. - С.35
- 39.
[6] А.Г. Саттаров, Метод расчета множественных плазменных образований в камере поглощения лазерного ракетного двигателя. Изв. вузов. Авиационная техника
- 2008. - №4. - С. 69-71.
[7] А.Г. Саттаров, М.Ф. Вахитов, Оптический плазмотрон на основе непрерывного оптического разряда. Вестник КГТУ - 2009. - №3. - С. 17-20.
[8] А.Г.Саттаров, Метод расчета теплового состояния ракетного двигателя на основе оптического разряда со множественными плазменными образованиями. Изв. вузов. Авиационная техника - 2010.- №1.- С.39-41.
[9] А.Г.Саттаров, А.Н. Лунев, С.Г.Семенова, И.Г. Хафизов, И.Н.Шабалин. Воспламенение топливной смеси метан+воздух лазерным оптическим разрядом. Вестник Казанского технологического университета 2014. - №16. Т.17 - С.187-190.
[10] А.Г.Саттаров, А.Н.Лунев, А.В. Сочнев, И.Г. Хафизов, А.Р.Бикмучев, И.Н.Шабалин. Воспламенение топливной смеси метан+ воздух в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом. Вестник КГТУ им.А.Н.Туполева . 2014 - №3.Стр.75-78.
[11] А.Г.Саттаров, А.Р.Бикмучев, М.Ф. Вахитов, С.Г.Семенова, Теоретическое исследование характеристик осесимметричного потока рабочего газа в газодинамическом окне и в камере оптического плазмотрона. Вестник Казанского технологического университета 2014.- № 16. Т.17 - С .88-91.
