CC BY
27
Влияние вида газообразного топлива на экологические показатели дизеля, конвертированного в двухтопливный двигатель
Р.З. Кавтарадзе,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.
Исследованы влияния подогрева заряда при впуске и вида газообразного топлива на задержку воспламенения и экологические показатели дизеля, конвертированного в двухтопливный двигатель. В качестве основного топлива использовались природный газ (~ 98 % СН4), а также синтез-газ 1 (60 % Н2 + 20 % СН4 + 20 % N2) и синтез-газ 2 (30 % СН4 + 70 % N2). Проведен сравнительный анализ концентраций оксидов азота, оксида углерода и несгоревших углеводородов в продуктах сгорания двухтопливного двигателя.
Ключевые слова: конвертирование двигателя, природный газ, синтез-газ.
The influence of gas fuel type and intake charge temperature on the ecological parameters of diesel engine converted in the dual fuel engine
R.Z. Kavtaradze
The influence of intake charge heating and gas fuel type on combustion delay and ecological parameters of diesel engine converted in the dual fuel engine is investigated. As a mail fuel there were used three variants of fuel: natural gas (~ 98 % СН4), syngas-1 (60 % Н2 + 20 % СН4 + 20 % N2) and syngas-2 (30 % СН4 +70 % N2). Comparative analysis of concentrations of nitric oxides, carbon oxides and unburned hydrocarbons in the dual fuel combustion residue was carried out.
Keywords: diesel engine converted, natural gas, syngas.
Перевод поршневых двигателей на газообразное топливо в настоящее время является одной из самых актуальных задач современной транспортной энергетики, решение которой непосредственно связано с решением энергетических и экологических проблем [1].
Концептуальный подход при конвертировании поршневого двигателя на газ зависит от фазового состояния
(газообразного или жидкого) горючего газа и применяемых способов смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Исходя из этого будем следовать классификации, согласно которой все поршневые двигатели, работающие на различных газах, могут быть разделены на три основные группы:
1. Газовые двигатели, работающие на топливе любого вида, которое
находится в газообразном состоянии (природный газ, водород, генераторный газ, синтез-газы и др.).
2. Газожидкостные двигатели, работающие на сжиженном газе (про-пан-бутановая смесь, водород и т.п.).
3. Двухтопливные двигатели, предназначенные для работы одновременно на газообразном и жидком (чаще всего на дизельном) топливах. При этом основным является газообразное топливо, а традиционное жидкое топливо (например, дизельное топливо) используется для инициирования самовоспламенения.
Проблемы конвертирования серийных дизелей в газовые двигатели, использующие в качестве моторного топлива природный газ, подробно изложены в [2-4]. В данной работе проанализированы некоторые результаты, полученные при исследовании дизеля MAN 24/30, конвертированного в двухтопливный двигатель. Экспериментальные исследования были проведены автором в Мюнхенском техническом университете совместно с доктором К. Цайлингером (К. Zeilinger) и доктором Г. Цитцлером (G. Zitzler) [5]. Следует заметить, что по другой терминологии такие двигатели называют также газожидкостными двигателями или газодизелями [1, 4]. В процессе исследования в качестве основного топлива применялись различные синтез-газы и природный газ.
Подача газообразного топлива осуществлялась во впускную систему, а запальная доза жидкого дизельного топлива впрыскивалась в цилиндр в конце процесса сжатия газовоздушной смеси. Технические данные исследуемого двухтопливного двигателя и схема экспериментальной установки, а также описание метода исследования задержки воспламенения различных газообразных топлив подробно изложены в [5, 6].
Необходимо отметить, что синтез-газом называют смесь газов, главными компонентами которой являются оксид углерода СО и водород Н2.
Таблица 1
Диапазоны изменения параметров дизеля, конвертированного в двухтопливный двигатель, при использовании различных горючих газов
Параметр Горючий газ
Синтез-газ 1 (60 % Н2 + 20 % СН4 + 20 % Синтез-газ 2 (30 % СН4 + 70 % М2) Природный газ (~ 98 % СН4) с метановым числом
Угол впрыскивания дизельного топлива, градус УПКВ 330 < ш < 350 т впр 330 < ш < 350 впр 325 < ш < 350 впр
Суммарный коэффициент избытка воздуха 1,6 < а < 2,7 в 1,5 < а < 2,0 в 1,65 < а < 2,35 в
Частота вращения коленчатого вала, мин-1 700 < п < 850 700 < п < 850 700 < п < 850
Температура заряда при впуске,°С 30 < ^ < 55 40 < ^ < 55 30 < ^ < 60
Среднее индикаторное давление (ав=сопэ1), МПа 0,72 < р. < 1,31 0,98 < р: < 1,56 0,92 < р. < 1,65
Он используется для получения синтетического бензина из природного газа [1]. В некоторых случаях, в том числе и в данной работе, синтез-газом называют также газообразное моторное топливо, представляющее собой механическую смесь горючих и инертных газов, например, водорода, метана и азота или водорода и азота [6-9].
Очевидно, что как стоимость, так и теплофизические параметры (такие, как теплота сгорания топлива, скорость распространения фронта пламени, скорость тепловыделения, задержка воспламенения в газожидкостном цикле и др., обусловливающие эффективные и экологические характеристики поршневого двигателя) в таком случае определяются в зависимости от состава синтез-газа. Такие синтез-газы, позволяющие осуществить так называемое смесевое управление рабочим процессом, обычно являются более дешевыми в сравнении с традиционным жидким топливом и позволяют улучшить экологические характеристики двигателя.
Кроме известных факторов, влияние которых достаточно хорошо исследовано для традиционного дизельного топлива [5, 6], в случае конвертирования дизеля в двухтопливный двигатель на задержку воспламенения V, существенное влияние оказывают физико-химические свойс-
тва горючего газа (в данном случае природного газа и исследуемых синтез-газов) и температура заряда при впуске. Отметим, что период задержки воспламенения зависит от структуры молекул и химического состава топлива. С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводородного топлива время задержки воспламенения уменьшается. Чем выше цетановые числа дизельного или газообразного топлива, тем больше их склонность к самовоспламенению и тем меньше т;. Это очевидно, так как само цетановое число зависит от количества атомов углерода в молекулах (фракционного состава топлива) и их строения (группового состава топлива).
Чем больше молярная масса углеводорода, тем при прочих равных условиях выше его цетановое число. Известно, что в бензиновых двигателях повышение октанового числа наоборот приводит к увеличению задержки воспламенения. Кроме того, и понижение концентрации кислорода в окислителе приводит к усилению этого процесса. В связи с этим подогрев впускного воздуха обеспечивает стабильное сгорание в дизелях не только плохо воспламеняемых тяжелых топлив [5, 6], но и различных горючих газов. Правда, такие исследования для дизелей, конвертированных в двухтопливные двигатели,
до настоящего времени практически не проводились.
Диапазоны изменения параметров двигателя (табл. 1) были определены, прежде всего, условиями эксперимента, в процессе которого было установлено, что при использовании в качестве основного моторного топлива синтез-газа 2 невозможно обеспечить воспламенение, если температура заряда при впуске ^<40 °С. Очевидно также, что в зависимости от применяемого горючего газа менялась и мощность двигателя.
Влияние вида газообразного топлива
на задержку воспламенения
Исследованию задержки воспламенения синтез-газов и природного газа в настоящее время уделяется особое внимание [7-9]. Анализ влияния различных видов газообразного топлива на задержку воспламенения в данной работе проводился на основе метода, предложенного автором в [5]. В частности, для определения периода задержки воспламенения использовались соотношения, полученные в [5] и нашедшие в настоящее время применения в работах [7-9].
Исследования были проведены для различной температуры заряда при впуске, рост которой приводит
к повышению температуры в конце процесса сжатия (то есть в момент впрыскивания дизельного топлива) и средней по объему цилиндра максимальной температуры цикла. В результате продолжительность задержки воспламенения запальной дозы дизельного топлива сокращается для всех исследуемых газообразных топлив. Однако на задержку воспламенения запальной дозы дизельного топлива оказывают влияние вид и химический состав основного газообразного топлива (рис. 1). В частности, наличие водорода в синтез-газе, как видно из рис. 1, сокращает период задержки воспламенения, а наличие инертного газа (азота), наоборот, приводит к увеличению т;. Маловероятно, что такая закономерность является результатом только различных механизмов горения дизельного топлива в средах с различными сочетаниями воздуха и горючих газов.
Исследования, проведенные при практически одинаковых коэффициентах избытка воздуха (в зависимости от температуры впускного заряда его значение менялось в интервалах ав=1,81-1,87 для синтез-газа 2 и ав=1,77-1,89 для природного газа, рис. 2), показали, что максимальная температура (усредненная по объему цилиндра) рабочего тела Т в случае природного газа выше, чем в случае синтез-газа 2 (рис. 3). Это можно объяснить тем, что низшая теплота сгорания топлива Ни у природного газа в 5 раз больше, чем у синтез-газа 2 (табл. 2). Большая доля водорода в синтез-газе 1 приводит к повышению максимальных температур цикла в сравнении с метаном. Кроме того, высокие значения низшей теплоты сгорания и стехиометричес-кого количества воздуха позволяют получить приемлемые эффективные показатели в случае синтез-газа 1 при более высоких значениях коэффициента избытка воздуха ав=2,16-2,29 (см. рис. 2).
Таблица 2
Теплофизические параметры горючих газов, применяемых при конвертировании дизеля
Параметр Горючий газ
Водород Природный газ Синтез-газ 1 Синтез-газ 2
Низшая теплота сгорания топлива Ни, кДж/кг 120 000 49 200 30 400 9 900
Стехиометрическое соотношение воздух-газ ¿0, кг/кг 34,3 16,81 9,5 3,37
Плотность при Т=273,15 К и р=0,1013 МПа Р, кг/м3 0,09 0,73 0,45 1,09
Влияние вида газообразного топлива на концентрацию NOx в продуктах сгорания
На образование вредных компонентов, в частности оксидов азота, в процессе сгорания наиболее влияют локальные температуры в камере сгорания. Поэтому применение для исследования образования NOx значений усредненной по объему цилиндра максимальной температуры цикла Т, которая, строго говоря, представляет некую условную температуру рабочего тела, обычно приводит к неверным результатам [10, 11]. Действительно, в рабочих циклах со значением этой температуры Т < 1800 К (см. рис. 3) не должно наблюдаться образование оксидов азота [6], однако, результаты измерения приводят к противоположной картине (рис. 4), что подтверждает наличие очагов сгорания в цилиндре с более высокой локальной температурой. Тем не менее, между характерами изменения Т и NOx существует четкая корреляция, хорошо заметная при сравнении рис. 3 и 4. Отметим, что значения концентрации оксидов азота в случае синтез-газа 1, приведенные на рис. 4, соответствуют повышенным (в сравнении с другими использованными в данной работе горючими газами) величинам коэффициента избытка воздуха (см. рис. 2).
Влияние вида газообразного топлива на концентрацию СО в продуктах сгорания
Изменения концентрации оксида углерода СО при использовании в качестве основного топлива в двухтопливном двигателе приведены на рис. 5. Как известно, оксид углерода СО является продуктом неполного сгорания и образуется в случае локального недостатка воздуха (ав < 1). Окисление СО протекает по-разному, в зависимости от коэффициента избытка воздуха. В камере сгорания дизеля, конвертированного в двухтопливный двигатель, суммарный коэффициент избытка воздуха а > 1 независимо
от используемого горючего газа (см. рис. 2). Однако после впрыскивания запальной дозы дизельного топлива в камере сгорания образуются области, где локальные коэффициенты избытка воздуха ниже стехиометрической (ав< 1). Следует подчеркнуть, что в областях стехиометрической (ав = 1) и обогащенной (ав > 1) смеси окисление СО осуществляется по разным химическим реакциям, рассмотренным в [6].
В случае значительно обедненных смесей (ав> 1,4) возникновение СО возможно вследствие низких температур и неполного сгорания в
пристеночных зонах камеры сгорания. В целом окисление СО сильно зависит от температуры, и в процессе расширения оно замедляется также из-за снижения температуры. Поэтому концентрация СО в выпускных газах двигателя соответствует почти равновесной его концентрации при 1700 К.
Низкое содержание СО в продуктах сгорания синтез-газа 1 (рис. 5) по сравнению с другими, исследуемыми в данной работе, горючими газами объясняется высоким содержанием водорода в синтез-газе 1, а также
1400 ГОШ 1200
Рис. 4. Изменение концентрации оксидов азота в отработавших газах двухтопливного двигателя
в зависимости от температуры впускного заряда для различных газообразных топлив: природного газа (-О-); синтез-газа 1 (-■-); синтез-газа 2 (-А-) при фвпр=335° я=800 мин1
Аф =4°
^впр
700
55 60
О. °С
Рис. 5. Изменение концентрации оксида углерода в отработавших газах двухтопливного двигателя в зависимости от температуры впускного заряда для различных газообразных топлив: природного газа (-0-); синтез-газа 1 (-■-); синтез-газа 2 (-А-) при фвп =335°, Афвп =4°, я=800 мин1
более высокими значениями коэффициента избытка воздуха (см. рис. 2). Следует отметить, что температура заряда при впуске оказывает заметное влияние на скорость образования оксида углерода (3), а в результате и на концентрацию СО в продуктах сгорания. В случае природного газа резкое снижение СО происходит при температуре впускного заряда tk> 30 °С, а в случае синтез-газа 2 - при tk > 45 °С.
Влияние вида газообразного
топлива на концентрацию СН в продуктах сгорания
Известно, что в процессе сгорания углеводородных топлив СтНп при условии ав > 1 за фронтом пламени присутствие СН не замечается. Углеводороды возникают в зонах, которые не были охвачены или охвачены не полностью сгоранием [6]. Можно предположить, что в двухтопливном двигателе образование несгорев-ших углеводородов СН происходит по такой же причине. Тогда логично считать, что основными источниками возникновения СН являются: внешняя грань (поверхность) топливного факела, внутренняя область топливного факела, гашение диффузионного
пламени вследствие резкого падения температуры и давления в процессе расширения, попавшее на поверхность камеры сгорания топливо, испарение к концу сгорания несгоревшего топлива и т.п. Отметим, что несгорев-шее топливо в основном оседает в так называемых мертвых (вредных) объемах распылителя [6]. Изменения концентрации несгоревших углеводородов (рис. 6) носят аналогичный с изменениями СО характер. Они в значительной степени зависят от вида используемого горючего газа и уровня температуры цикла. В случае
синтез-газа 1 высокое содержание в нем водорода приводит к существенному повышению температурного уровня цикла (см. рис. 3), общее количество относительно «холодных» зон уменьшается, концентрация СН снижается и становится практически независимой от температуры впускного заряда (см. рис. 6). При этом в случаях природного газа и синтез-газа 1 резкое снижение СН происходит при температуре впускного заряда ^ > 30 °С, а в случае синтез-газа 2 - при ^ > 45 °С, то есть так же, как и в случае СО.
Таким образом, на концентрации оксидов азота, оксида углерода и несгоревших углеводородов в продуктах сгорания дизеля, конвертированного в двухтопливный двигатель, существенное влияние, помимо вида (химического состава) газообразного топлива, оказывает подогрев газовоздушной смеси при впуске.
Подогрев впускного заряда во всех исследуемых случаях приводит к заметному сокращению периода задержки воспламенения в дизеле, конвертируемом в двухтопливный двигатель, и заметно снижает концентрации СО и СН в выпускных газах. Из исследуемых горючих газов наилучшие результаты как по эффективным, так и по экологическим показателям конвертированного на газ дизеля дает применение синтез-газа 1. Это
ррщЭЭОО
40
ЛЬ
50
55 60
(к. щ
Рис. 6. Изменение концентрации углеводородов в отработавших газах двухтопливного двигателя
в зависимости от температуры впускного заряда для различных газообразных топлив: природного газа (-0-); синтез-газа 1 (-■-); синтез-газа 2 (-А-) при фвпр=335°, Афвпр=4°, п=800 мин1
объясняется меньшим (по сравнению с природным газом и синтез-газом 2) содержанием углерода и высоким содержанием водорода в исходном реагенте.
Высокое содержанием водорода в синтез-газе 1 обусловливает высокие локальные температуры в объеме камеры сгорания, что приводит к существенно большим (по сравнению с другими, использоваными в данной работе, горючими газами) концентрациям оксидов азота в продуктах сгорания. Регулированием содержания водорода в синтез-газе 1 в сочетании с регулированием температуры впускного заряда можно добиваться сокращения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания дизеля, конвертированного в двухтопливный двигатель.
Очевидно, что для однотопливных двигателей, использующих в качестве моторного топлива водород, например, для водородных дизелей, проблема снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания еще больше усугубляется и приводит к необходимости разработки новых методов, предназначеных для улучшения их экологических показателей.
Литература
1. Кавтарадзе З.Р., Кавтарадзе Р.З. Перспективы применения поршневых двигателей на альтернативных моторных топливах // Транспорт на альтернативном топливе. Часть 1, № 6 (12). - 2009. - С. 59-65. Часть 2, № 1 (13).
- 2010. - С. 74-80.
2. Kavtaradze R.Z., Onishchenko D.O., Zelentsov A.A., Sergeev S.S. The
influence of rotational charge motion intensity on nitric oxide formation in gas-engine cylinder // International Journal of Heat and Mass Transfer 52. - 2009. - P. 4308-4316.
3. Леонтьев А.И., Кавтарадзе Р.З., Шибанов А.В., Зеленцов А.А., Сергеев С.С. Влияние формы камеры на нестационарные процессы переноса и турбулентного сгорания в дизеле, конвертированном в газовый двигатель // Известия РАН, «Энергетика». - 2009. - № 2. - С. 49-63.
4. Zitzler G. Analyse und Vorausberechnung der Brennverläufe von Gasmotoren bei Einsatz verschiedener Gasarten. Dissertation, TU München. - 2003. - 182 р.
5. Kavtaradze R.Z., Zeilinger R., Zitzler G. Ignition Delay in a Diesel Engine Utilizing Differenz Fuels. High Temperature. Vol. 43, N6, 2005. - Р. 951-960.
6. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2008. - 720 с.
7. Lieuwen T., Yang V., Yetter R. (Edit). Synthesis Gas Combustion. Fundamentals and Applications. CRC Press, New York. - 2009. - 384 p.
8. Boehman A.L., Le Corre O. Combustion on Syngas in Internal Combustion Engines// Combustion Science and Technology, N 6 (180). - 2008. - Р. 1193-1206.
9. Janichka A., Walkowiak W. The Discursive Attitude of Emission Aspect vs. Air-Fuel Mixture Ignition Delay in Diesel Engine. Journal of KONES Powertrein end Transport, Vol.13, N4. - 2006. - Р. 223-228.
10. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях (второе издание). М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2007. - 472 с.
11. Иващенко Н.А., Кавтарадзе Р.З., Голосов А.С., Кавтарадзе З.Р., Скрипник А.А. Метод расчета локальных концентраций оксидов азота в поршневых двигателях с внутренним смесеобразованием на основе многозонной модели // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2004. - № 1.
- С. 43-59.
¿ттттттттттттттттттттттттттттттттттттттттт'
ОАО «Газпром» планирует удвоить число газовых заправочных станций в России
Достичь этой цели Газпром намерен за счет увеличения вдвое числа эксплуатируемых газовых заправочных станций, построив дополнительно 200 станций в регионах России, говорится в опубликованном отчете холдинга.
Газпром занимает на национальном газомоторном рынке доминирующее положение. По данным холдинга, из всех существующих автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) подавляющее большинство эксплуатируется предприятиями группы «Газпром». За
2009 г. на этих заправках было реализовано 297 млн м3 компримированно-го природного газа (КПГ), что составляет почти 90 % от общей реализации этого продукта в России.
«Взаимодействие уже налажено с Нижегородской, Новгородской, Калужской, Тамбовской, Орловской и Калининградской областями, городами Москвой и Надымом, - отмечается в отчете. - Автомобильная техника, работающая сегодня в России в основном на бензине и дизельном топливе, - основной загрязнитель воздуха в городах. Использование
природного газа в качестве моторного топлива гораздо более экологично с точки зрения обеспечения более высоких технических характеристик работы автомобильных двигателей и значительного уменьшения количества вредных выбросов».
Газпром также отмечает, что в результате целенаправленного взаимодействия холдинга с российскими автопроизводителями ОАО «КамАЗ» и группа «ГАЗ» начали серийное производство грузовых автомобилей и автобусов в газобаллонном исполнении.
На сегодняшний день Газпром, в частности, выпускает малотоннажный СПГ и газ в качестве моторного топлива. Ведется подготовка к созданию собственного производства синтетического жидкого топлива.
http://www. rian.ru/economy/2010n29/302193788.html
