CC BY
55
УДК 12.06.662.75
М. Ю. Храмов, М. Х. Садеков
Волжская государственная академия водного транспорта Нижний Новгород
УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ ТЕРМОФОРСИРОВАНИЯ ТОПЛИВА
Введение
Один из перспективных путей снижения расхода топлива двигателями внутреннего сгорания - утилизация энергии их отработавших газов (ОГ). Рассматривая ОГ, имеем дело с потоком вещества с открытой термодинамической системой. Поскольку движение потока сопровождается подачей теплоты от ОГ в окружающую среду, а процесс выброса газов нельзя считать протекающим достаточно медленно, то, строго говоря, этот процесс является неравновесным. Однако, сделав предположение о квазиравновесности (это предположение в отношении процессов выхлопа относят ко второму порядку приближения [1]), можно воспользоваться уравнениями термодинамики для равновесных состояний и получить основные характеристики процессов, не отягченные неравновесностью.
Параметры, характеризующие равновесие с окружающей средой, обозначим соответственно Та и ра . Очевидно, что для исследуемых в статье случаев ТОГ > Та и рОГ> ра . Наличие градиента потенциалов обусловливает возможность термического и механического взаимодействий ОГ с окружающей средой, т. е. потенциальную возможность получения работы.
При термическом взаимодействии от ОГ отводится некоторое количество энергии в качестве теплоты:
Qoг = тОГСрОГ (ТОГ — Т а ) = Н ОГ — Но , (1)
где т0Г - масса ОГ; ср ОГ - изобарная средняя удельная теплоемкость ОГ; НОГ и Но - энтальпии ОГ и окружающей среды.
Известно, что эксергия рассматриваемого потока теплоты (термическая эксергия) определяется выражением
Ет = QoгTе = АНХе, (2)
где 1е - коэффициент работоспособности теплоты, равный (Тср - Т)/Тср (Тср - среднетермодинамическая температура процесса передачи теплоты).
Термическая эксергия представляет собой максимальное количество работы, которую можно получить из энергии теплового потока QoГ (1).
Использование разницы давлений рОГ и ра позволяет получить еще некоторое количество работы, которая представляет собой механическую составляющую эксергии
Ер = тОГ *огТ огМ Рог /ра ), (3)
где ^ОГ - индивидуальная газовая постоянная ОГ.
Наряду с термической и механической эксергия потока ОГ содержит еще химическую составляющую Ех, в общем случае представляющую собой сумму концентрационной и реакционной эксергии [2]. Первая определяется как максимальная работа, которая может быть получена при ра и Та в процессе выравнивания концентрации компонентов, составляющих ОГ, с концентрацией их в окружающей среде. Реакционная эксергия обусловлена возможностью протекания в термодинамической системе химических реакций. Если реакции окисления топлива при его сжигании в цилиндре прошли на всю глубину, то реакционная эксергия у ОГ будет отсутствовать.
Таким образом, энергию ОГ можно представить в виде суммы (1), (2), (3):
^ОГ = Qoг + Ер + Ех = Ех + Ет + Ер + Лог, (4)
где АОГ - энергия потока ОГ.
На рис. 1 энергия ОГ показана в виде суммы полос, каждая из которых соответствует одному из слагаемых правой части уравнения (4). Количественные соотношения между элементами потока энергии получены расчетом одного из исследованных автором режимов работы опытного четырехтактного одноцилиндрового дизеля размерностью 15/16 [3].
Из всех составляющих энергии потока ОГ в уравнении (4) технически доступными в настоящее время средствами можно утилизировать три последних. При этом механическая и термическая эксергия может быть трансформирована в работу.
Утилизация эксергии ОГ, обеспечивающая повышение экономичности судовых энергоустановок, связана с необходимостью создания утилизационных систем, позволяющих получать дополнительную работу.
Предлагается использовать установку термофорсирования и водотопливную эмульсию, чтобы возвращать часть теплоты уходящей с отработавшими газами, путем подогрева топлива с использованием установки термофорсирования, в результате чего увеличивается количество теплоты, превращенной в полезную работу, а также существенно сокращаются сроки подготовки топлива.
Данная установка позволит более эффективно использовать ресурсы двигателя, повысит КПД двигателя; уменьшит нагарообразование вследствие лучшей подготовки топлива.
В современных поршневых двигателях внутреннего сгорания термическая деструктивная подготовка топлива происходит в самом цилиндре и за счет времени, отводимого на соответствующий такт работы. Поэтому плохие дизельные топлива, хотя бы в виде ароматических структур, вследствие относительно большей термической прочности своих молекул требуют большего времени на образование необходимого количества осколков для начала горения, что и влечет за собой большой период задержки воспламенения. Этим же объясняется неполнота сгорания топлив.
Структура потока энергии от ОГ во вторичный контур использования теплоты (ВКИТ) (АВКит - часть энергии, направляющаяся от ОГ во ВКИТ; Аут - энергия теплоты, полученной ВКИТ; Пи,ос, Етос и АОГос - потери энергии ОГ, термической эксергии ОГ и энергии в окружающую среду; Жут - энергия, переданная во ВКИТ).
Моторные испытания по изучению влияния подогрева топлива на процесс горения со снятием характеристик проводили на одноцилиндровом двигателе со степенью сжатия 17. Термофорсирование путем подогрева топлива до 200-230 °С влечёт за собой сокращение сроков деструктивной подготовки топлива и значительно увеличивает его глубину, что положительно сказывается на окислительных предпламенных и массовых процессах горения в двигателе. В ходе испытания снимались характеристики скоростная, нагрузочная и по углу опережения впрыска топлива, основными были выбраны нагрузочные режимы при числе оборотов двигателя 1 000 в минуту и угле опережения впрыска топлива 20° до верхней мертвой точки.
Во вторичный контур использования теплоты
Рис. 1. Структура потока энергии
Вокруха-
На всех режимах испытаний при термофорсировании наблюдалось уменьшение периода задержки воспламенения и скорости нарастания давления в начальной стадии горения. За счет большей полноты сгорания уменьшалась дымность, работа двигателя была плавной с более высокими скоростями смещения. Особого внимания заслуживают благоприятные результаты при работе на топливах с высоким содержанием ароматических углеводородов, малопригодных в обычных условиях.
На основе анализов методов была разработана следующая экспериментальная система установки термофорсирования рис. 2.
Рис. 2. Схема установки термофорсирования двигателя
Из расходной цистерны топливо подается шестеренчатым насосом НШ на фильтры Ф тонкой очистки, навешенные на двигатель. После них топливо или ВТЭ (в зависимости от положения электромагнитных клапанов при работе установки приготовления ВТЭ), которые, проходя через трубки высокого давления от топливного насоса высокого давления (ТНВД) до форсунки, подогреваются за счет теплоты, отбираемой от отработанных газов в теплообменнике ТО при помощи промежуточного теплоносителя, подаваемого насосом. Подогрев осуществляется за счет изменения в конструкции трубок высокого давления (ТНВД) в межтрубном пространстве. Отсечное топливо или ВТЭ поступает обратно на подачу в ТНВД. Процентное содержание воды в эмульсии устанавливается электромагнитными клапанами. Для перехода на чистое топливо в системе установлены электромагнитные клапаны. Данная система универсальна и может работать как на дизельном, так и на моторном топливе. При использовании тяжелого топлива в цистерне необходимо установить подогреватель.
Заключение
Применение совместно ВТЭ и термофорсирования позволяет использовать более тяжелые сорта топлив, а также снижать удельный расход топлива до 10 %, а масла - до 6 %. Экономия топливных ресурсов, а также снижение выбросов в атмосферу происходит только от перевода на ВТЭ в ходовом режиме.
Установлено, что более глубокое изучение влияние ВТЭ и термофорсирования приведет к более выгодному использованию природных ресурсов с уменьшением дымности выхлопных газов, снижением токсичности, повышением КПД цикла.
При использовании установок термофорсирования и ВТЭ совместно возвращается часть теплоты, уходящей с отработавшими газами, в результате чего увеличивается количество теплоты, превращенной в полезную работу, а также существенно сокращаются сроки подготовки топлива.
Установка термофорсирования при использовании ВТЭ позволит расширить спектр используемых присадок, более эффективно использовать ресурсы двигателя, повысить КПД двигателя, уменьшить нагарообразование, выбросы вредных веществ и теплоты вследствие лучшей подготовки топлива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горшков А. М., Нестратова З. Н., Подольский А. Г. Процессы в открытых термодинамических системах У / Машиностроение. Изв. вузов. - 1969. - № 12. - С. 106-109.
2. Бродянский В. М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. - М.: Энерго-атомиздат, 1988. - 288 с.
3. Кукес В. С., Чекемес Ю. Т. Зависимость эксергии отработавших газов ДВС от параметров окружающей среды // Вестн. сельскохоз. науки Казахстана. - 1979. - № 4. - С. 90-93.
Статья поступила в редакцию 15.12.2006
THE IMPROVEMENT OF ENGINE CHARACTERISTICS BY MEANS OF THERMAL BOOSTING
M. Yu. Khramov, M. Kh. Sadekov
The way of fuel heating and its influence on ship diesel engine efficiency is presented in the paper. Ship systems used at present allow using only a small part of heat, however, ship electric power installations possess certain reserves giving the opportunity to increase their economic and mechanical efficiency. It concerns utilization systems for secondary power resources. The toxicity reduction of waste gases is achieved by different methods such as neutralizers, water-oil emulsion application and others. Considerable increase of completeness of combustion is possible by means of changing its quality as a result of adding additives and its heating.
