На правах рукописи

Хергеледжи Михаил Валерьевич

МЕТОД СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ

ДИЗЕЛЯ ПРИМЕНЕНИЕМ СРЕДСТВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ

АКТИВАЦИИ ПРОЦЕССОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА

Специальность 05. 04. 02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) /Университет машиностроения/»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Фомин Валерий Михайлович

Официальные оппоненты: Марков Владимир Анатольевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Теплофизика»

ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э.Баумана»

Пономарев Евгений Григорьевич, кандидат технических наук, генеральный директор ООО НПП «АГРОДИЗЕЛЬ»

Ведущая организация: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»

Защита состоится «17» октября 2013 года, в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.140.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) /Университет машиностроения/» по адресу: 107023, Москва, ул. Б. Семеновская, д. 38, ауд. Б-304.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) /Университет машиностроения/».

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 107023, Москва, ул. Б. Семеновская, д. 38, Университет машиностроения, учному секретарю диссертационного совета Д 212.140.01.

Автореферат разослан «» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ю.С. Щетинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема экологической безопасности неуклонно растущего транспортного комплекса обуславливает необходимость внедрения новых методов и перспективных технологий, обеспечивающих выполнение нормативных требований по выбросам вредных веществ (ВВ) с отработавшими газами (ОГ) дизелей транспортных средств (ТС). К наиболее перспективным направлениям повсеместно относят развитие методов дальнейшего совершенствования рабочего процесса двигателя. В связи с тем, что реализация традиционных методов часто сопряжена с повышенными финансовыми и технологическими затратами, основной удельный вес перемещается в область поиска альтернативных решений, в частности, основанных на концепции, в основу которой положен метод использования средств физико-химического управления этими процессами. При этом предполагается, что экологическая чистота рабочего процесса двигателя должна быть обеспечена при одновременном улучшении его топливной экономичности, что трудно осуществимо при использовании других методов. Одним из таких средств являются биологические соединения, производимые из растительных масел, которые в настоящее время находят широкое распространение в транспортной энергетике как заменители традиционных моторных топлив. Однако применение подобного соединения порождает сопутствующие проблемные задачи, в частности, повышение эмиссии с ОГ оксидов азота (NOx), а в ряде случаев и снижение эффективности рабочего цикла. Понятно, что без успешного решения этих задач эффективная реализация обозначенной концепции представляется проблематичной. Выход из подобной ситуации возможен на основе использование дополнительного реакционно-химического реагента, в частности, водорода.

Скоординированное активирующее воздействие на процессы рабочего цикла двигателя одновременно двух реакционных средств (биологического и водородного) обуславливает возможность совокупного повышения эффективности этого воздействия и, как следствие, реализации в полном объеме концепции метода экологического совершенствования дизеля.

Целью диссертационной работы является: научно-методическое обоснование концепции совершенствования экологических качеств транспортного дизеля на основе применения средств физико-химической активации процессов рабочего цикла и разработка метода е практической реализации.

Исходя из поставленной цели, определены следующие задачи диссертационного исследования:

провести исследование влияния кинетических характеристик процесса сгорания на экологические показатели дизеля и по его результатам сформулировать концепцию совершенствования этих показателей с использованием средств физикохимической активации;

методически обосновать метод и комплекс функциональных и технических средств для практической реализации данной концепции, адаптированный к условиям работы тракторного дизеля;

провести математическое исследование характеристик системы горения углеводородов в присутствии средств физико-химической активации с целью научнометодического обоснования экологически усовершенствованного способа организации рабочего цикла двигателя;

создать специализированные испытательные стенды и разработать методики экспериментальных исследований для опытной апробации эффективности предложенного комплекса функциональных и технических средств, реализующих концепцию предложенного метода;

';

обобщить и систематизировать результаты проведенных исследований с целью обоснования направлений перспективного развития предложенной концепции в сфере транспортной энергетики.

Методы исследования представляют собой совокупное сочетание расчетнотеоретических и экспериментальных работ.

Достоверность и обоснованность научных положений и полученных результатов обусловлены удовлетворительным согласованием данных расчетнотеоретических исследований и натурного эксперимента.

Научную новизну составляют:

научно обоснованная концепция метода совершенствования экологических показателей дизеля на основе совместного применения биологического и водородосодержащего средств физико-химической активации процессов рабочего цикла;

математический метод исследования кинетических и экологических характеристик системы горения углеводородов в присутствие биологического и водородосодержащего средств физико-химической активации;

методика по обоснованию оптимального соотношения доз физико-химических реагентов, вводимых в рабочее тело дизеля, по условию предельно возможного снижения эмиссии ВВ;

установленное положение о характере и эффективности реакционного воздействия водородосодержащего реагента на кинетику окисления в цилиндре дизеля углеводородной и биологической сред, а также органической и углеродной фракций дисперсных частиц;

новые данные о влиянии предложенных активирующих средств на экологоэкономические показатели тракторного дизеля.

Практическую ценность работы представляют:

предложенный способ организации рабочего процесса энергетической установки в составе дизеля, работающего на дизельном топливе с добавкой биологического компонента, и бортового генератора водородосодержащего химического реагента, практическая реализация которого обеспечивает снижение эмиссии ВВ;

опытный макетный вариант системы, оснащенной комплексом функциональных средств и технических устройств, адаптированных к условиям работы тракторного дизеля 4Ч 10,5/12 и способствующих совершенствованию его экологических качеств;

рекомендации, направленные на дальнейшее развитие концепции предложенного метода, которые могут быть использованы специалистами при разработке новых и модификации существующих способов организации рабочего процесса транспортных дизелей с улучшенными экологическими качествами.

Объектом исследования являлся тракторный дизель, работающий с использованием средств физико-химического воздействия на процессы рабочего цикла, определяющие его экологические качества.

Предмет исследования – закономерности изменения результирующего образования ВВ в системе горения углеводородов в присутствие средств физикохимической активации.

Реализация результатов работы. Теоретические и расчетные результаты проведенного исследования переданы в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» для использования при выполнении программы фундаментальных и поисковых исследований научного центра. Материалы диссертации и е результаты используются в учебных процессах кафедр «Автомобильные и тракторные двигатели» Университета машиностроения и «Эксплуатация автотранспортных средств» РУДН.

Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели» Университета машиностроения. По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады на:

VI-ой международной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве» (Протвино, 2012 г.); VIII-ой международной научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, ТулГУ, 2013 г.); международной научно-технической конференции «6-е Луканинские чтения. Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, МАДИ (ГТУ), 2013 г.); VII-ой международной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве» (Протвино, 2013 г.); международной научно-практической конференции «Новости передовой науки» (Болгария, София, 2013 г); научных конференциях Университета машиностроения в 2011, 2012, 2013 гг.

Публикации. Основные положения диссертации представлены в 7 печатных работах, из них 6 – в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 122 страницах и содержит введение, четыре главы основного содержания, проиллюстрированных таблицами и 29 рисунками, общие выводы и список использованной литературы из 88 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность проблемы и выбранного направления диссертационного исследования, сформулирована его цель и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена анализу отечественного и зарубежного опыта по проблеме совершенствования экологических качеств транспортных дизелей. Большой вклад в развитие методов по экологическому совершенствованию двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в том числе, на основе применения различного рода средств активации (добавок к рабочему телу) внесли такие российские ученые как В.А.Звонов, Н.Н.Патрахальцев, Е.Г.Пономарев, В.Н.Луканин, М.Г.Шатров, Н.А.Хрипач, В.Ф.Каменев, В.М.Фомин, В.А.Марков, В.И.Ерохов, С.Н.Девянин, С.В.Гусаков, Ю.В.Галышев, А.Р.Кульчицкий, Л.В.Грехов, Н.А.Иващенко, Р.З.Кавтарадзе и другие, а также ряд зарубежных исследователей.

Отмечается необходимость дальнейшего развития исследований по улучшению экологических показателей рабочего цикла, как одного из перспективных направлений решения проблемы экологической безопасности на транспорте. Достаточно остро эта проблема проявляется и в сфере эксплуатации ТС, созданных на базе колесных тракторов, которые в различных модификациях широко применяются на сельскохозяйственных, промышленных, коммунальных транспортнотехнологических средствах. Введение в России нового технического регламента в отношении колесных транспортных средств – предъявило повышенные требования к экологическому уровню этих дизелей. Эти требования гармонизированы с требованиями Правил ЕЭК ООН.

Обосновывается целесообразность использования физико-химических средств для совершенствования экологических показателей рабочего цикла дизелей. Анализируется характер влияния добавок к базовому топливу растительных масел и продуктов, производимых на их основе, на эти показатели. Отмечается, что характерное негативное проявление некоторых свойств биологического средства может быть устранено применением другого активирующего средства – водорода. Высокая эффективность водорода как химического активатора (реагента) процесса горения углеводородного топлива подтверждена данными многочисленных экспериментов. Однако, массовое использование водорода в дизелях в качестве химического активатора сдерживается отсутствием инфраструктуры его производства и распределения, высокой стоимостью, низким уровнем эксплуатационной безопасности. Обосновываются преимущества экономически оправданного и безопасного способа аккумулирования водорода, в котором предусматривается его хранение на борту ТС в химически связанном состоянии в виде жидкого соединения.

По результатам анализа формулируются направление диссертационного исследования, его цель и задачи.

Вторая глава посвящена решению одной из ключевых задач диссертации – научно-методическому обоснованию концепции предлагаемого метода совершенствования экологических качеств дизеля. С этой целью проведено аналитическое исследование влияния кинетических характеристик процесса сгорания на эффективность рабочего цикла двигателя и условия образования токсичных продуктов.

Выявлено, что реакционно-кинетическое воздействие на характеристику сгорания можно осуществить более рационально, если это воздействие направить не на весь процесс как таковой, а целенаправленно на отдельные его стадии (кинетическую и основную – диффузионную). С учетом этого проведена классификация целесообразных направлений в использовании реакционно-кинетических воздействий на процессы рабочего цикла дизеля, определяющих его экономические и экологические качества:

обеспечение рационального, по соображениям скорости нарастания давления и экономичности, периода задержки самовоспламенения, согласовав его с моментом подачи топлива в цилиндр;

управление процессом сгорания в направлении целенаправленного перераспределения скоростей тепловыделения в характерных стадиях цикла;

снижение температурной неоднородности по объему камеры сгорания путем расширения пределов воспламенения в зонах бедных и богатых смесей за счет повышения их реакционной способности;

обеспечение активирующего воздействия на акты образования и выгорания дисперсных частиц с целью снижения их результирующей эмиссии и тепловых потерь в рабочем цикле дизеля.

Делается вывод, что практическая реализация подобной индивидуальной направленности в воздействиях на процессы рабочего цикла дизеля возможна лишь на основе применения комплекса соответствующих физико-химических средств (реагентов), которые в своей совокупности и формируют рациональный характер протекания цикла. Проведен анализ свойств ряда реагентов. Подробно рассмотрены свойства водородосодержащего и биологического реагентов, их активирующая роль в системе горения углеводородов топлива. По итогам приведенного анализа сделано заключение, что подобные реагенты в силу их индивидуальной избирательной способности в воздействиях и высокой активности могут быть успешно использованы в качестве физико-химических средств для рационального управления процессами рабочего цикла дизеля.

Показано, что только совместное с биологическим средством использование высокоэффективного водородного реагента обеспечивает успешное решение ряда проблемных вопросов, привносимых этим средством (в частности, повышенный выход NOx). В данном случае водородный реагент выполняет функции активирующего компонента, который дополнительно повышает уровень экологического совершенствования дизеля за счет применения биологического средства, обеспечивая возможность решения характерных проблемных задач, возникающих при этом, сохраняя высокую эффективность рабочего цикла двигателя.

По аналогии с известными положениями термохимии в данной работе введено терминологическое понятие «водородный и биологический физико-химические реагенты», которое требует дополнительного пояснения. В обобщенном виде термин «физико-химический реагент» следует интерпретировать с учетом его функциональных свойств, которые проявляются в характере изменения рабочего цикла двигателя. В каждом конкретном случае этот термин имеет следующую смысловую значимость.

Строго дозированная незначительная по массе присадка к горючей смеси водорода (Н2) может рассматриваться как «водородный химический реагент», если она оптимизирована и согласована по условию предельно возможного снижения результирующей эмиссии вредных веществ. В этом случае влияние водорода, как источника активных центров, проявляется главным образом в механизме химической кинетики образования ВВ без повышения исходных максимальных уровней температуры и давления в рабочем цикле двигателя (в отличие от влияния значительной добавки Н2, энергетически соизмеримой с базовым топливом).

Термин «биологический физико-химический реагент» определяет биологическую добавку к рабочему телу дизеля как средство, обладающее совокупной способностью проявлять свои свойства в физических и химических актах реагирования углеводородов базового топлива на различных стадиях рабочего цикла двигателя. На стадии формирования рабочей смеси биологическая добавка к топливу в силу известных отличий е физических свойств (плотность, динамическая вязкость, поверхностное натяжение) от базового (дизельного) топлива оказывает влияние на изменение параметров впрыскивания и распыливания топлива. Понятно, что в данном случае она может рассматриваться как «физический реагент», определяющий характеристики процесса смесеобразования и его качество, а, следовательно, рабочего цикла в целом.

На стадии формирования пламени биологическое соединение проявляет реакционно-кинетические свойства, обусловленные его химической структурой, в состав которой входит значительное (до 12%) количество кислорода. Согласно положениям химической кинетики, присутствие избыточного кислорода сказывается на повышении скоростей окислительных реакций топлива и продуктов его неполного сгорания, то есть на кинетических характеристиках процесса сгорания в целом. В этом смысле биологический продукт можно рассматривать как средство изменения реакционной способности реагирующей среды, что очевидно является одним из характерных свойств, проявляемых химическими реагентами.

Проведено исследование кинетических особенностей системы горения углеводородного топлива при совместном скоординированном участии в ней биологического и водородосодержащего реагентов. Результаты исследования позволяют прогнозировать качественные изменения в исследуемых процессах дизеля. Выявленные при этом кинетические изменения в процессах, формирующих рабочий цикл дизеля, и послужили научно-методической базой при разработке концепции предлагаемого метода.

Концепция в своей основе направлена на поиск рентабельного (энергетически выгодного) метода решения обозначенных целевых задач данного исследования.

Концепция базируется на двух основных положениях, которые в общем виде могут быть сформулированы следующим образом:

1) Добавление биологического средства к дизельному топливу решает проблему снижения выбросов ВВ по целому ряду нормируемых компонентов ОГ (монооксида углерода (СО), углеводородов (СН) и дисперсных частиц (ДЧ)). При этом предельно возможное снижение этих выбросов достигается при условии оптимального добавления биологического компонента к базовому топливу дизеля с учетом конкретных экологических и топливно-экономических показателей его рабочего процесса.

2) Использование биологических продуктов в качестве физико-химических средств сопряжено с рядом негативных проявлений: повышение эмиссии NOx, а в ряде случаев снижение эффективности рабочего цикла. С целью их устранения в состав рабочего тела дизеля дополнительно вводится строго дозированная порция водородосодержащего реагента.

Функциональная схема, поясняющая концепцию практической реализации предлагаемого метода в реальных условиях дизеля, приведена на рис.1.

Рис.1. Схема, поясняющая концепцию практической реализации предлагаемого метода Как видно, в качестве биологического реагента используется метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), а в качестве водородного реагента – водородосодержащие продукты конверсии метанола (ПКМ), генерируемые в бортовом реакторе.

При формировании системы технических средств, реализующих концепцию предлагаемого метода, были использованы хорошо зарекомендовавшие в исследовательской практике уже известные технологии по бортовому генерированию водородосодержащего реагента, разработанные в совместной лаборатории ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» и Университета машиностроения.

Проведено предварительное исследование по обоснованию приемлемой технологии и выбора сырьевого продукта для бортового получения водородосодержащего реагента. Применение в качестве жидкой среды – носителя водорода – спиртов считается наиболее целесообразным, что обусловлено повышенным содержанием водорода в данном носителе. Тем более, из всех известных носителей водорода спирты имеют наиболее массовое, крупнотоннажное производство. С целью первичной оценки и сравнения составов продуктов термической диссоциации спиртов был проведен расчетный анализ термодинамических равновесных составов исходного рабочего тела с использованием стандартных программ, библиотек и баз данных прикладного пакета Chet, разработанного на базе данных Института высоких технологий РАН. Для апробации полученных расчетных данных изучались параметры процесса каталитической конверсии низших спиртов на созданной для этой цели безмоторной экспериментальной установке. Анализом полученных результатов установлено, что в качестве сырьевого продукта для бортового получения водородосодержащих газов из числа низших спиртов целесообразно применять метанол. Целевыми продуктами реакции конверсии метанола являются водород (65% об. или 12,5% по массе) и оксид углерода.

Одной из ключевых задач в рамках реализации предлагаемого метода является выбор оптимального количественного соотношения доз физико-химических реагентов, вводимых в рабочее тело дизеля. Учитывая сложный характер влияния биологической добавки на процессы рабочего цикла, е содержание в топливе должно быть оптимизировано по условию предельно возможного снижения эмиссии ВВ.

Результатами ранее проведнной оптимизации и опытной апробации выявлено, что для исследуемого дизеля оптимальному варианту отвечает содержание биологической добавки 40%. Таким же путем установлено, что оптимальная присадка водорода как химического реагента к горючей смеси соответствует (по энергетическому эквиваленту) 1,6…1,8% от химической энергии используемого топлива (~0,6% по массовому показателю). По этому показателю устанавливался алгоритм управления расходом водородосодержащих ПКМ в системе питания дизеля, который прослеживал характер изменения его нагрузочных режимов (качественного состава рабочей смеси), а также определялась потенциальная производительность бортового реактора конверсии метанола как генератора данного реагента на соответствие установленному алгоритму.

В третьей главе приведено описание объекта и методик экспериментальных исследований. Разработана структура опытной энергетической установки для проведения апробации концепции предложенного метода, которая включает в себя серийный дизель 4Ч10,5/12 (Д-144), генератор водородосодержащих продуктов, подсистему ввода дозированной порции этих продуктов в штатную систему питания двигателя. Опытная апробация проводилась на испытательном стенде (рис.2), параметры которого функционально адаптировались к условиям работы структурных элементов опытной энергетической установки.

Испытания проводились по методике 8-ми режимного испытательного цикла для тракторных дизелей в рамках технического регламента. Изменение концентрации в ОГ газообразных ВВ (СО, СН, NOx) определялась методом сравнения показателей работы дизеля со штатным и опытным способами организации рабочего процесса, с использованием газоаналитической аппаратуры диагностического комплекса VISA-4000.

Рис.2. Общий вид испытательного стенда с опытной энергетической установкой Концентрация в ОГ ДЧ пересчитывалась по замеренной концентрации несгоревших СН и дымности ОГ, согласно зависимости И.В.Парсаданова:

где Д – дымность ОГ, %, eCH – концентрация несгоревших углеводородов, г/м3.

Средне интегральный за испытательный цикл массовый выброс ДЧ и газообразных токсичных компонентов ОГ еi, а также удельный эффективный расход топлива gе(8) и эффективный КПД е(8) определялись по зависимостям:

где i – текущий режим испытаний; Gi – массовые выбросы i-ого вещества в единицу времени, г/ч; ki – регламентируемый испытательным циклом весовой фактор для i-го режима; Ne – мощность дизеля на i-м режиме цикла, кВт.

Проведена также предварительная оценка погрешностей измерений.

В четвертой главе приводятся результаты исследований и их анализ.

Особый интерес в контексте предложенной концепции представляет установленное анализом положение о характере воздействия водородосодержащих ПКМ как химического реагента на показатели сгорания биологической добавки (МЭРМ) к топливу. Для апробации данного положения проведены испытания двигателя, работающего на МЭРМ в качестве основного топлива, на режимах испытательного цикла. Это позволило избирательно (раздельно) оценить влияние водородосодержащего реагента на экологические параметры сгорания биологического продукта.

Результаты испытаний подтвердили правомерность аналитического прогноза.

Это проявилось в том, что при использовании водородосодержащего реагента эффективность использования химической энергии исследуемого топлива (по показателю эффективного КПД цикла) возросла на 3,3%, а средне интегральные за испытательный цикл удельные массовые выбросы газообразных ВВ (в том числе, и NОx) и ДЧ с ОГ дизеля уменьшились. Таким образом, применение водородосодержащего реагента является необходимым условием для решения поставленных целевых задач в полном объеме и сохранения высокой эффективности рабочего цикла.

Известно, что доминирующая доля во фракционном составе ДЧ приходится на углеродную и органическую фракции (до 94%). По результатам анализа было высказано предположение о том, что реакционное влияние водородосодержащих ПКМ как химического реагента проявляется не только в реакциях окисления углеродных частиц, но и имеющих схожую с ними химическую структуру углеводородов – компонента органической фракции ДЧ. Обоснование достоверности подобного предположения осуществлялось по результатам опытной проверки на дизеле 4Ч10,5/12 в рамках 8-ми режимного испытательного цикла. Содержание в ОГ частиц органической фракции рассчитывалось с использованием зависимости (1) с учетом предварительно замеренной концентрации в ОГ несгоревших углеводородов, а средне интегральный за испытательный цикл их выброс по зависимости (2).

При работе дизеля с добавкой водородосодержащего реагента выброс с ОГ органических частиц снижался на 45%, а углеродных – на 49% по отношению к исходному варианту. Такие показатели снижения выбросов частиц подтверждают тот факт, что реакционные свойства водородосодержащего реагента практически в одинаковой степени проявляются в процессах дожигания, как углеродных, так и органических частиц, что указывает на схожесть механизмов этого проявления.

Анализ и обобщения результатов исследований, проведенных в ходе выполнения диссертации, позволили наметить основные положения, которые были положены в основу разработки математического метода по изучению экологических показателей дизеля с учетом предложенного комплекса физико-химических воздействий на процессы рабочего цикла. В отличие от бензиновых ДВС, при исследовании экологических качеств дизелей основное внимание уделяется двум нормируемым компонентам ОГ – NОx и ДЧ, выбросы которых в наибольшей степени определяют уровень интегрального показателя токсичности дизельного выхлопа, что и нашло отражение в целевой направленности предложенного метода. Отличительной особенностью этого метода является то, что он построен на базе известных методов математического моделирования, но с учетом выявленных характерных свойств физико-химического воздействия на исследуемые процессы биологического и водородосодержащего реагентов. Логика математического исследования строилась в последовательности, указанной на рис.3.

При адекватном математическом описании кинетики процессов образования NОx и ДЧ необходимо максимально корректно учитывать изменение термодинамических условий, при которых протекают эти процессы. Поэтому, в предлагаемом методе расчета задачи по определению текущих значений температуры, компонентного состава реагирующей смеси и давления в цилиндре дизеля решались с использованием хорошо зарекомендовавшей в исследовательской практике модели МГТУ им. Н.Э.Баумана Diesel-RK. При соответствующей адаптации к условиям работы исследуемого дизеля эта модель по выходным данным была логически совмещена с входным блоком моделей расчета процессов образования NОx и ДЧ в условиях горения активированной среды. Определение показателей результирующей эмиссии NОx и ДЧ в присутствие реагентов проводится с использованием предложенных самостоятельных моделей.

Рис.3. Последовательность проведения математического исследования Моделирование процессов образования и выгорания частиц. Структура формирования данной модели строилась на основе следующих положений:

1. Индивидуальные свойства биологического компонента как физического реагента, обусловленные различием его показателей от базового топлива (плотность, динамическая вязкость и поверхностное натяжение), нашли свое отражение на этапе формирования алгоритма при описании процесса смесеобразования. Таким образом, в принятой последовательности математического исследования (рис.3), отмеченные свойства прослеживаются в изменении показателей рабочего цикла двигателя и в определении текущих параметров рабочего тела.

2. Характерные признаки биологической добавки к топливу как химического реагента проявляются в повышении скоростей окислительных реакций углеводородов топлива, продуктов их неполного сгорания и образовавшихся частиц в присутствие избыточного кислорода. Проявление подобной способности реагента было учтено при описании компонентного состава горючей смеси и е реакционной способности с учетом избыточного кислорода, содержание которого в биологической добавке было принято равным 12%. В принятой последовательности математического исследования (рис.3) отмеченные свойства отразились как в традиционном описании термодинамических параметров процессов рабочего цикла, так и процессов образования ВВ.

3. Более сложный характер воздействия на процессы образования и выгорания частиц проявляет водородосодержащий реагент. Опираясь на известные положения теории химической кинетики и катализа, результатами анализа выявлен ряд характерных свойств данного реагента. При применении в качестве реагента ПКМ наибольший реакционный эффект следует ожидать от входящего в их состав водорода. Основной отличительной особенностью водорода, как было установлено анализом, является то, что в реальных условиях процесса сгорания в дизеле присутствующий в зоне реагирования горючей смеси свободный (химически несвязанный) водород обнаруживает способность ингибировать («затормаживать») акты поверхностного роста частиц в низкотемпературной стадии цикла и генерировать активные частицы – центры зарождения реакций в высокотемпературной стадии (предложенные зависимости, описывающие эти акты, приведены в диссертации).

С учетом этих положений и с использованием известных зависимостей, предложенных H.Hiroyasu для традиционного рабочего цикла, строился алгоритм моделирования процессов, лежащих в основе образования и выгорания частиц, с учетом выявленного физико-химического воздействия реагентов на эти процессы.

Акты текущего (по времени ) образования частиц описывались как:

а акты их выгорания:

где КН2 – коэффициент, учитывающий снижение суммарной скорости поверхностного роста частиц вследствие «водородного торможения»; mТ – масса топлива; mс – масса частиц; AТ, Aс – предэкспоненциальные множители, характеризующие скорость образования и выгорания частиц; EТ, Eс – энергия активации для этих же процессов соответственно; ХО2 – безразмерная молярная доля кислорода; p – давление в цилиндре; R - газовая постоянная; Т – температура в цилиндре; Е – снижение энергии активации при гетерогенном катализе актов выгорания частиц (оценивается по зависимости, приведенной в диссертации).

Скорость изменения результирующей массы частиц mс в цилиндре рассчитывается как разность скоростей двух конкурирующих процессов – образования и выгорания:

Проведена тестовая проверка достоверности предложенного метода математического (расчетного) исследования, разработанного с использованием предложенных зависимостей. Результаты расчета текущего содержания частиц в цилиндре дизеля, работающего на базовом (дизельном) топливе (ДТ) и топливе с биологической добавкой с использованием в обоих случаях водородосодержащего реагента, приведены на рис.4 и 5. Видно, что при работе дизеля на дизельном топливе без реагента результирующее содержание частиц в цилиндре к моменту завершения сгорания составляет 0,0015г. Присутствие водородосодержащего реагента в составе реагирующей среды способствует снижению содержания частиц на 38% (рис.4).

При работе дизеля на дизельном топливе с биологической добавкой, без водородосодержащего реагента результирующее содержание частиц в цилиндре соответствует 0,001г (рис.5). Пониженное по сравнению с первым случаем (работа на ДТ) содержание частиц подтверждает высокую эффективность биологического продукта как реагента. Последующее использование водородосодержащего реагента способствует дополнительному снижению содержания частиц до 48% (рис.5).

На приведенных графиках представлены также данные по результирующему выходу частиц, полученные на основе рассчитанной (по замеренной дымности ОГ) концентрации частиц в ОГ и концентрации несгоревших СН на выпуске ДВС. Видно, что расхождение результатов расчета с экспериментом не превышает 11%, подтверждая тем самым удовлетворительную адекватность математического исследования.

Рис. 4. Динамика результирующего содержания частиц в цилиндре дизеля при его работе на дизельном топливе с использованием водородосодержащего реагента (2) Учитывая сложность процессов образования частиц в реальных условиях рабочего цикла дизеля и используемую косвенную оценку по их результирующему выходу по замеренной дымности ОГ, такое расхождение результатов расчета с экспериментом можно считать приемлемым.

Рис. 5. Динамика результирующего содержания частиц в цилиндре дизеля при его работе на топливе с биологической добавкой с использованием водородосодержащего реагента (2) и без него (1) (Ре = 0,5 МПа, n = 1500 мин-1) Проведенное тестирование выявило наиболее значимое целевое воздействие водородосодержащего реагента на процессы, обуславливающие уровень результирующей эмиссии частиц. Как видно из характера протекания графиков, приведенных на рис. 4 и 5, воздействие водородосодержащего реагента проявляется как на стадии образования частиц (левая ветвь кривой 2), так и в период их активного выгорания (правая ветвь этой кривой). Однако, эффективность проявления этого воздействия различна в динамике процессов образования и выгорания частиц, что, очевидно, связано с установленными анализом различиями в механизмах этого воздействия. Реакционное влияние водородосодержащего реагента, как ингибирующего средства (реализуемого на основе принципа «водородного торможения») на кинетику образования частиц проявилось менее ощутимо (левая ветвь кривой 2). В то же время, влияние водородного реагента на скорость гетерогенного выгорания частиц проявляется более динамично (правая ветвь кривой 2), что, безусловно, связано со способностью водорода при высоких температурах генерировать активные центры, благодаря которым реализуется цепочный механизм реакций гетерогенного окисления частиц.

Моделирование процесса образования NОx. Расчет концентрации оксидов азота (мг/л) производится с учетом реакционной активности реагентов с использованием в качестве базовой зависимости, предложенной проф. Камфером Г.М.:

где – отношение плотностей топлива и воды; = 1,216 3 Т ср – фактор, характеризующий свойства топлива (Тср – среднеобъемная температура кипения топлива); – коэффициент избытка воздуха; mvi Gmц – относительное количество топлива, подготовленного к сгоранию за период задержки воспламенения; mvi – количество топлива, испарившегося за время задержки воспламенения; Gmц – цикловая доза топлива; КNОx – коэффициент, учитывающий совокупный эффект от реакционной активности двух реагентов, который идентифицировался опытным путем с учетом реальных условий рабочего процесса дизеля.

Средне интегральный за испытательный цикл выброс оксидов азота еNОx определялся по предварительно рассчитанной концентрации с использованием зависимости (2). Сравнение результатов расчета и опытной апробации указывает на то, что их расхождение не превышает 8%.

Опытная апробация эффективности предложенного метода проводилась на заключительном этапе диссертационного исследования. Программа испытаний строилась в соответствие с регламентом 8-ми режимного испытательного цикла для тракторных дизелей. Установлено, что средне интегральные за испытательный цикл удельные выбросы нормируемых компонентов ОГ (СО, СН, и ДЧ) для дизеля 4Ч 10,5/12 при его переводе на работу на топливе с оптимизированной добавкой биологического компонента были снижены (рис.6). Однако при этом выбросы NОх, как и ожидалось, возрастали по отношению к исходному варианту (работа на ДТ), который для наглядности на диаграмме рис.6 принят в качестве базового. При этом обнаруживается некоторое снижение (в пределах 1,5%) интегрального эффективного КПД дизеля е.

При работе дизеля на том же топливе с биологической добавкой и с присадкой водородосодержащего реагента средне интегральные за цикл удельные массовые выбросы по сравнению с исходным вариантом уменьшились: для СО на 11,2%, для СН на 32,8%, для ДЧ на 48%, (рис.6). При этом выбросы NОх оказались ниже уровня выбросов этого компонента ОГ не только для дизеля, работающего на топливе с биологической добавкой, но и для его исходного варианта (на 11,9%).

Рис.6. Влияние биологического (МЭРМ) и водородосодержащего (ПКМ) реагентов на средне интегральные за цикл удельные массовые выбросы нормируемых компонентов ОГ (СО, СН, NОХ и ДЧ) и интегральный эффективный КПД дизеля 4Ч 10,5/12 при его работе в рамках регламента 8-ми режимного испытательного 1 – дизельное топливо; 2 – дизельное топливо + МЭРМ; 3 - дизельное топливо + МЭРМ + Н2реагент Средне интегральный за испытательный цикл удельный эффективный расход топлива увеличился на 1,3% по причине более низкой теплоты сгорания топлива с биологической добавкой по сравнению с углеводородным (дизельным) топливом.

Однако эффективность использования энергии этого топлива возросла, о чем свидетельствует повышение результирующего за испытательный цикл эффективного КПД е Заключение по результатам работы. По представленным в работе результатам можно заключить, что наряду с другими направлениями развития исследований, предложенную в данной диссертации концепцию можно отнести к одному из направлений в области поисковых исследований по созданию конкурентоспособного транспортного дизеля. Данную концепцию следует рассматривать как один из альтернативных вариантов решения ряда проблемных вопросов в контексте социально важной проблемы экологической безопасности на транспорте. Предложенный на е основе метод может быть направлен на разработку новых типов рабочего процесса дизелей, а также модификацию уже существующих. Его применение может быть успешно совмещено с рядом других известных мероприятий по экологическому совершенствованию ДВС, дополняя и усиливая при этом их совокупную эффективность.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Анализ и обобщение результатов выполненной серии аналитических и экспериментальных исследований позволяют заключить, что предложенную в данной диссертации концепцию, основанную на применении средств физико-химического воздействия на процессы рабочего цикла, можно отнести к одному из перспективных направлений в области поисковых исследований по созданию высокоэффективной энергетической установки для транспортных средств.

Основным итогом выполненной работы является решение ряда актуальных задач, связанных с важной проблемой отечественного двигателестроения – разработка научных и технических основ по созданию транспортных дизелей с усовершенствованными экологическими качествами, а также задач энергообеспечения транспорта альтернативными видами топлива из возобновляемых сырьевых источников.

Проведенные в диссертации исследования позволили получить следующие научные и прикладные результаты:

1. На основе обобщения и систематизации результатов выполненных в работе аналитических исследований осуществлено научно-методическое обоснование концепции совершенствования экологических качеств транспортного двигателя с использованием средств физико-химического воздействия на процессы, лежащие в основе организации его рабочего цикла.

2. Методически обоснована стратегия формирования комплекса функциональных средств и технических решений для эффективного осуществления предложенной концепции и на этой основе сформулирован метод е практической реализации, адаптированный к условиям работы тракторного дизеля. По результатам проведенного анализа в качестве средств физико-химического воздействия предложены биологическое и водородосодержащее соединения, которые при их совместном применении проявляют взаимно усиливающие эффекты реакционного воздействия на экологические и кинетические параметры сгорания углеводородного (базового) топлива.

3. Разработана методика, позволяющая обосновать оптимальное соотношение доз физико-химических реагентов, вводимых в рабочее тело дизеля, по условию предельно возможного улучшения его эколого-экономических качеств.

Этому условию отвечает доза биологического реагента 40%, которая вводится в дизель в виде добавки МЭРМ к базовому (дизельному) топливу. Оптимальная доза водорода, содержащегося в продуктах бортовой конверсии метанола, как химического реагента соответствует (по энергетическому эквиваленту) 1,6…1,8% от химической энергии используемого топлива (~ 0,6% по массовому показателю). С учетом этого показателя разработан алгоритм оптимального управления расходом водородосодержащих продуктов конверсии метанола в системе питания дизеля.

4. По результатам анализа и опытной апробации выявлена индивидуальная способность водородосодержащего реагента в актах реакционного воздействия на кинетику окисления углеводородов базового топлива и биологической добавки к нему, а также органической и углеродной фракций дисперсных частиц. Установлено, что применение этого реагента дополняет (повышает) уровень совершенствования экологических качеств дизеля, привносимый применением биологического реагента. Регистрируемое снижение эмиссии органической фракции дисперсных частиц за испытательный цикл на 45%, а углеродной фракции на 49% подтверждает схожесть и эффективность реакционного влияния водородосодержащего реагента на механизм окисления частиц обеих фракций.

5. Разработан метод математического исследования экологических и кинетических показателей системы горения углеводородов в присутствии средств физико-химической активации. Отличительной особенностью этого метода является то, что он, построенный на базе известных методов математического моделирования, дополнен предложенными в работе моделями, учитывающими характерные свойства воздействия биологического и водородосодержащего реагентов на исследуемые показатели. Результатами опытной апробации подтверждена удовлетворительная достоверность метода: расхождение результатов расчета с экспериментом не превышало 11%.

6. Созданы лабораторный и моторный испытательные стенды и разработаны соответствующие методики, с использованием которых проведена опытная апробация эффективности предложенного комплекса функциональных средств и технических решений, реализующих концепцию предложенного метода в условиях регламента 8-ми режимного испытательного цикла для тракторных дизелей. Установлено, что по сравнению с исходным вариантом (работа на ДТ) в рамках реализации данного метода средне интегральные за цикл удельные массовые выбросы с ОГ исследуемого дизеля Д-144 уменьшились: СО на 11,2%, СН на 32,8%, ДЧ на 48%, NOx на 11,9%. При этом эффективность использования энергии топлива возросла, о чем свидетельствует повышение результирующего за испытательный цикл эффективного КПД на 3,3%.

7. На основе обобщения и систематизации результатов проведенных исследований разработаны рекомендации по перспективному развитию концепции предложенного метода в сфере транспортной энергетики.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Хергеледжи М.В. Совершенствование экологических качеств транспортного дизеля применением средств физико-химического воздействия на процессы рабочего цикла / В.М. Фомин, М.В. Хергеледжи, Р.Атраш // Известия МГТУ «МАМИ».

– 2012г.- № 2 (14) т.1.- С. 397-403. (входит в Перечень ВАК).

2. Хергеледжи М.В. Бортовое генерирование водородосодержащего газа для транспортных двигателей / В.Ф. Каменев, В.М. Фомин, М.В. Хергеледжи// Транспорт на альтернативном топливе. – 2013.- №2 (32).- С. 41-47. (входит в Перечень ВАК).

3. Хергеледжи М.В. Генерирование водородосодержащего газа на борту транспортного средства / В.М. Фомин, В.Ф. Каменев, Д.В. Апелинский, М.В. Хергеледжи//Известия МГТУ «МАМИ».- 2013.–№ 1 (15) т.1.- С. 204-212. (входит в Перечень ВАК).

4. Хергеледжи М.В. Повышение эффективности использования энергии альтернативного топлива в двигателях транспортных средств / В.М. Фомин, В.Ф. Каменев, М.В. Хергеледжи // Труды НАМИ.-2013.- № 252. – С. 107–124. (входит в Перечень ВАК).

5. Хергеледжи М.В. Применение биотопливных композиций как альтернатива повышения экологической и топливно-энергетической безопасности на транспорте / В.М. Фомин, Д.В. Апелинский, М.В. Хергеледжи // Известия МГТУ «МАМИ.- – 2013.-№ 1 (15) т.1.- С. 212-218. (входит в Перечень ВАК).

6. Хергеледжи М.В. Совершенствование экологических показателей транспортного дизеля применением средств физико-химической активации рабочего процесса / В.М. Фомин В.М., М.В. Хергеледжи // Новости передовой науки. – Том 57. – Болгария, 2013. – С.105-108.

7. Хергеледжи М.В. Повышение энергосберегающих качеств транспортных средств на альтернативном топливе / В.М. Фомин, М.В. Хергеледжи // АГЗК + Альтернативное топливо.–2013.- №5 (74). – С. 27-33. (входит в Перечень ВАК).

Михаил Валерьевич Хергеледжи Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Метод совершенствования экологических качеств дизеля применением средств физикохимической активации процессов рабочего цикла»

Бумага типографская Формат 6090/ Университет машиностроения, 107023, Москва, Б. Семеновская ул., д.