WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

САКУЛИН Роман Юрьевич

СНИЖЕНИЕ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА В ДВС

С УНИФИЦИРОВАННЫМ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ ПРИ РАБОТЕ

НА ОБВОДНЕННОМ ЭТАНОЛЕ

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА - 2010 1

Работа выполнена ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре двигателей внутреннего сгорания

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Еникеев Рустем Далилович

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Шароглазов Борис Александрович, заведующий кафедрой двигателей внутреннего сгорания ЮУрГУ кандидат технических наук Скиба Дмитрий Владимирович, старший научный сотрудник лаборатории «Теплофизики горения»

кафедры авиационной теплотехники и теплоэнергетики УГАТУ

Ведущая организация: ООО ГСКБ «Трансдизель», г. Челябинск

Защита диссертации состоится «_»_2010 г. в «» часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул.

К. Маркса, 12, актовый зал 1 корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «»2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, профессор Ф.Г. Бакиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Истощение запасов нефти и газа, а также негативные экологические последствия их переработки и сжигания – глобальные проблемы мировой энергетики. Наиболее приемлемым топливом, способным заменить продукты нефтепереработки и газ, могло бы быть топливо, участвующее в кругообороте веществ в природе. Из топлив растительного происхождения наиболее перспективным является этанол, который может быть получен в процессе естественного брожения из растительного сырья. При использовании этанола не происходит роста содержания углекислого газа в атмосфере, а снижение токсичности отработавших газов, особенно эмиссии оксидов азота, может быть достигнуто добавкой воды. Этанол, в отличие от традиционных топлив, образует с водой устойчивые смеси. Однако этанол обладает высокой скрытой теплотой парообразования, что вызывает большие затраты тепла на испарение и, соответственно, трудности со смесеобразованием и воспламенением. Добавка воды усугубляет эту проблему.

Проблемы применения этанола в качестве моторного топлива вызвали необходимость создания принципиально нового, получившего название унифицированного, рабочего процесса (УРП). Дополнительно этот процесс обеспечивает многотопливность, что важно в период перехода от традиционных топлив к биотопливам. Благодаря особенностям этого процесса появляется возможность создания двигателя, объединяющего лучшие качества двух существующих типов двигателей – топливную экономичность дизеля и удельную мощность бензинового ДВС. В УРП устраняются ограничения по нижнему пределу степени сжатия, верхнему пределу частоты вращения коленчатого вала и цетановому числу топлива, характерные для дизельных двигателей. Поэтому многотопливность может быть реализована при значительно более низких, чем в многотопливных дизелях, степенях сжатия, а параметры двигателя не ограничиваются сравнительно медленными химическими процессами, которые приводят к самовоспламенению и сильно зависят от типа топлива, термодинамических условий в рабочей камере и т.п.

Решающую роль в реализации УРП играет возможность формирования в районе искрового разряда топливовоздушной смеси, состав которой находится в концентрационных пределах воспламенения независимо от вида топлива и нагрузки на двигатель. Таким образом, появляется возможность воспламенения топлив, неспособных воспламеняться в дизельных и бензиновых двигателях, в том числе и сильно обводненного этанола.

К настоящему времени доказана возможность работы поршневого ДВС (ПДВС) с УРП на этаноле. Однако потенциал снижения и закономерности эмиссии оксидов азота при сжигании этанола не изучены. Таким образом, актуальность работы вытекает из необходимости исследования закономерностей воспламенения и сжигания сильно обводнённого этанола в условиях ПДВС с УРП.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является снижение эмиссии оксидов азота в ДВС с унифицированным рабочим процессом при использовании обводненного этанола.

В соответствии с целью формулировались задачи исследования:

1. Провести численное исследование влияния обводнения топливовоздушной смеси на кинетический механизм окисления топлива и эмиссию оксидов азота.

2. Экспериментально исследовать возможность работы поршневого ДВС с унифицированным рабочим процессом на обводнённом этаноле.

3. Экспериментально определить возможность снижения эмиссии оксидов азота за счёт увеличения содержания воды в топливе. Определить влияние степени обводнения топлива на индикаторные показатели двигателя.

4. Экспериментально определить влияние степени обводнения топлива на процесс горения и эмиссию продуктов неполного горения.

Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:

- методы и модели химической кинетики процессов высокотемпературного окисления;

- методы математического моделирования сложных систем, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений;

- методы экспериментальных исследований полноразмерных ДВС.

Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Используемые математические модели процессов химической кинетики проверялись на достоверность. В части, выполненной методом исследования на полноразмерном ДВС, продемонстрировано и количественно показано влияние степени обводнения топливовоздушной смеси на эмиссию оксидов азота, продуктов неполного окисления топлива и индикаторные показатели экспериментального двигателя.

Научная новизна 1. Экспериментально доказана возможность снижения эмиссии оксидов азота в поршневых ДВС с унифицированным рабочим процессом без ухудшения индикаторных показателей двигателя посредством сжигания обводнённых этаноловоздушных смесей.

2. Теоретически обосновано влияние воды на кинетику окисления топлива и подавление эмиссии оксидов азота в условиях поршневого ДВС.

Практическая ценность Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно могут быть использованы:

1. При численных исследованиях влияния обводнения на кинетику окисления топлива.

2. При разработке перспективных малотоксичных ДВС на основе УРП.

Результаты моделирования химической кинетики окисления топлива в присутствии воды и зависимости экологических характеристик и индикаторных показателей ДВС с УРП от содержания воды в обводнённом этаноле внедрены в учебный процесс в УГАТУ.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Влияние добавки воды к этанолу на снижение эмиссии оксидов азота в поршневых ДВС заключается в увеличении времени достижения равновесия за счет снижения концентрации атомарного кислорода.

2. Обводнение топливовоздушной смеси в двигателе с унифицированным рабочим процессом позволяет радикально снизить эмиссию оксидов азота без негативного влияния на индикаторные показатели двигателя.

Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:

- корректном использовании фундаментальных уравнений химической кинетики;

- использовании признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, применении современного математического аппарата;

- сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов на реальном ДВС в стендовых условиях.

Апробация работы. Работа изложена и одобрена на расширенном заседании кафедры ДВС УГАТУ. Результаты работы докладывались на третьей и четвёртой всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых учёных «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2008, 2009), всероссийской молодежной научной конференции “Мавлютовские чтения” (г. Уфа, 2009).

Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2004 по 2009 годы.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах, в том числе в 2 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, приложения и списка литературы. Содержит 137 страниц машинописного текста, включающего 91 рисунок, 7 таблиц и библиографический список из 112 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ работ, связанных с темой научного исследования. Рассмотрены и проанализированы научные труды, посвященные проблемам токсичности энергетических установок таких ученых, как В.А.

Марков, В.А. Звонов, А.Р. Кульчицкий, С.А. Чесноков, Ф.Г. Бакиров, Р.С. Кашапов, В.Г. Тырышкин, J. Warnaz, W. Marinov, C. Pitz, M. Westbrook, и др. Дан анализ использования этанола в качестве моторного топлива и анализ современных и перспективных методов снижения токсичности ДВС.

На основе проведённого анализа установлено, что наиболее перспективным механизмом подавления эмиссии оксидов азота при сжигании топлив в большинстве исследований называется снижение уровня температур в зоне реакции. Именно этот механизм реализуется как при обеднении топливовоздушной смеси, так и при её обводнении. В поршневых ДВС, где рабочий процесс носит циклический характер, наряду с проблемами сгорания как бедных, так и обводнённых смесей возникают проблемы, связанные с их воспламенением, поэтому возможности снижения температуры в зоне реакции ограничены. В то же время, ряд исследований указывает на то, что вода кроме физического влияния на процесс горения способна оказывать также и кинетическое влияние, обусловленное взаимодействием молекул воды с активными радикалами, которые инициируют эмиссию оксидов азота. В результате этого взаимодействия концентрация активных радикалов снижается, что и ведёт к снижению эмиссии оксидов азота.

Вышеизложенное позволяет выдвинуть гипотезу, что обводнение топливовоздушной смеси позволит добиться уровня эмиссии оксидов азота, сопоставимого с результатами, полученными при использовании обеднения, но при более высокой температуре. Организация работы поршневого ДВС с унифицированным рабочим процессом на обводнённом этаноле позволит добиться значительного улучшения экологических характеристик двигателя без негативного влияния на его индикаторные показатели.

Во второй главе посредством программного обеспечения собственной разработки производится моделирование детального кинетического механизма окисления топлива для определения влияния температуры на эмиссию оксидов азота при сгорании околостехиометрических смесей с добавками и при отсутствии добавок воды. Кроме того, производится сравнение этого метода с методом сжигания бедных предварительно перемешанных смесей.

Поставленные задачи в условиях поршневого ДВС определяют выбор изотермической реакции при постоянном объеме как наиболее удобного для анализа варианта моделирования. В такой постановке можно абстрагироваться от вопросов, связанных с тепломассообменными процессами и специфики, определяемой конкретным двигателем. В качестве модельного топлива выбран метан, поскольку, во-первых, кинетика его окисления является наиболее достоверно и полно изученной, во-вторых, проблема окисления многоатомных алифатических углеводородов может быть сведена к проблеме окисления метиловых и этиловых радикалов.

Детальный кинетический механизм окисления метана и азота, лежащий в основе разработанной математической модели, состоит из 639 реакций, определяющих изменение концентраций 126 компонентов.

Из теории химической кинетики известно, что для химического процесса скорость образования (расходования) к-го вещества может быть записана как:

где Скорость i-й реакции qi равна разности прямых и обратных скоростей:

где [Xk] – молярная концентрация k-го вещества, ki, ki – стехиометрические коэффициенты k-го вещества i-й реакции, индексы ’ и ’’ обозначают принадлежность к прямой и обратной реакции соответственно, kfi и kri – прямая и обратная константы скорости для i-й реакции. Константы прямых реакций представлены в Аррениусовой форме:

Константы обратных реакций определяются по соотношению:

где Kc – константа равновесия (концентрационная), которая может быть найдена из термодинамических параметров:

Константа равновесия обозначаемая в отечественной литературе как K0 – стандартная константа равновесия, определяется из зависимости:

где слагаемые вычисляются с помощью полиномиальных зависимостей NASA (семикоэффициентный формат):

Численное решение жесткой системы обыкновенных дифференциальных уравнений осуществлялось методом Гира. Математическая модель была реализована на языке программирования С++.

Для адекватности качественной оценки результатов расчёта исходные параметры задавались в максимальном приближении к условиям двигателя с унифицированным рабочим процессом. В таком двигателе предполагается, что подавляющая часть массообменных процессов происходит после закрытия управляющих органов газообмена. Количество воздуха в цилиндре в этих условиях не должно зависеть от количеств топлива и воды. Поэтому концентрация воздуха во всех расчетах задавалась одинаковой. Поскольку подвод теплоты в двигателе с унифицированным рабочим процессом близок к изохорному, то начальная концентрация воздуха определялась по параметрам конца сжатия (Р МПа, Т 780 К). Моделирование с данной концентрацией воздуха проводилось при различных значениях температуры: 1700; 1800; 1900; 2000; 2500; 2800 К.

Концентрация воды для каждой температуры подбиралась таким образом, чтобы давление, рассчитанное в приближении для идеального газа, оставалось неизменным независимо от температуры и соответствовало давлению в отсутствие воды при Т = 2800 К и = 1,1. Концентрация топлива при расчете температурных зависимостей, как в присутствии воды, так и при ее отсутствии оставалась неизменной и соответствовала составу = 1,1.

На рис. 1 и 2 представлены зависимости эмиссии оксидов азота от времени при различных температурах без добавки и с добавкой воды соответственно.

Время реакции 10 мс приблизительно соответствует продолжительности теплоподвода в поршневом двигателе на низкой (1200 – 1500 об/мин) частоте вращения коленчатого вала. Из графиков видно, что равновесная концентрация оксидов азота за это время успевает установиться только при 2800 и 2500 К.

При более низких температурах равновесие установиться в данных условиях эксперимента не успевает. Начинает сказываться влияние добавок воды на эмиссию оксидов азота. В основе данного механизма лежит увеличение времени достижения равновесия за счет снижения сверхравновесных концентраций активных радикалов в присутствии воды.

Анализ механизма образования оксидов азот позволил сделать вывод о том, что основную роль в окислении азота при температурах ниже 1900 К играет атомарный кислород. Чем ниже температура, тем значительнее доля оксида азота, образованного в период времени существования больших сверхравновесных концентраций. За первоначальным скачком следует более медленное изменение концентрации. В этом температурном диапазоне эмиссия оксидов азота практически целиком определяется концентрацией, образованной в период времени, соответствующий существованию сверхравновесных концентраций. Поскольку присутствие воды снижает сверхравновесные концентрации атомарного кислорода, суммарный выход оксида азота в присутствии воды значительно меньше, чем без воды (рис. 1, 2).

Рисунок 1– Зависимость концентрации NO от времени при различных температурах без добавки воды: 1 – Т = 2800 К (С 0,03, моль/м3); 2 – Т = 2500 К (С 0,03, моль/м3); 3 – Т = 2000 К (С, моль/м3); 4 – Т = 1900 К (С, моль/м3);

Рисунок 2 – Зависимость концентрации NO от времени при различных температурах с добавкой воды: 1 – Т = 2500 К (С 0,03, моль/м3);

На рис. 3 представлены зависимости концентрации оксидов азота от температуры. Видно, что изменение характера кривых концентрации оксида азота с уменьшением температуры в обоих случаях начинается в области близкой к 1900 К. Выход оксида азота с добавкой воды при этой температуре ( = 1,1) ниже, чем при 1700 К, но без добавки воды ( = 2).

Рисунок 3 – Зависимость концентрации оксидов азота от температуры:

Сравнив скорости окисления околостехиометрических смесей метана при 1900 К с добавкой и без добавки воды, можно заметить (рис. 4), что в случае применения воды процесс окисления в начальной стадии идет заметно интенсивнее. На последней стадии процесс замедляется и скорости превращения СО в СО2 практически выравниваются.

Рисунок 4 – Изменение концентрации CH4, CO, CO2 при температуре 1900К и = 1, При 1700 К и без добавки воды проведен расчет для = 2. Данные приведены на рис. 5. Видно, что продолжительность окисления в случае околостехиометрической смеси при 1900 К с добавкой воды почти в 3 раза меньше, чем при = 2 и 1700 К без воды (рис. 5). При этом в условиях обеднения ( = 2, 1700 К без воды) концентрация оксида азота, образованная в период до 10 мс, выше концентрации, соответствующей окислению околостехиометрической смеси при 1900 К с добавкой воды (рис. 3).

Таким образом, результаты кинетического исследования показывают возможность существенного снижения концентрации оксидов азота в отработавших газах за счет обводнения топливовоздушных смесей. Причем их концентрация при температурах пламени, соответствующих условиям сгорания бедных предварительно перемешанных смесей (1700 – 1800 К), почти на порядок ниже.

Поскольку в поршневых ДВС рабочий процесс носит циклический характер, необходимо учитывать тот факт, что диапазон (концентрационный, температурный) устойчивого воспламенения уже, чем диапазон распространения пламени. Поэтому в поршневых ДВС проблемы связаны не столько с возможностью сгорания смесей, сколько с возможностью их воспламенения. Соответственно, возможности снижения температуры пламени здесь более ограничены.

Из рис. 3 следует, что концентрация оксида азота, соответствующая сгоранию необводненной бедной смеси при 1700 К, достигается в случае сгорания обводненной смеси при более высокой температуре (Т 1900 К). Кроме того, как следует из рис. 5, скорость окисления в последнем случае выше почти в раза. Это обстоятельство должно способствовать улучшению условий воспламенения, большей устойчивости и полноте горения.

В третьей главе дается описание основных принципов унифицированного рабочего процесса, приводятся характеристики экспериментального двигателя, описывается измерительная аппаратура.

В работах, проведённых ранее на кафедре ДВС УГАТУ, был представлен унифицированный рабочий процесс (рис. 6):

Рисунок 6 – Схема реализации унифицированного рабочего процесса;

1 – поршень; 2 – факел обогащенной топливовоздушной смеси; 3,4 – устройства дозирования топлива и воздуха для компрессор-форсунки; 5 – поршень компрессорфорсунки; 6 – компрессор-форсунка; 7 – свеча зажигания; 8 – привод компрессорфорсунки от вала двигателя (условно); 9 – катушка системы зажигания.

Топливо с небольшим количеством воздуха поступает в полость компрессор-форсунки, где происходит предварительная стадия смесеобразования – подогрев, дробление, перемешивание и частичное испарение топлива. Поршень компрессор-форсунки приводится в движение от коленчатого вала двигателя.

На такте сжатия за счет движения поршня компрессор-форсунки происходит впрыск топливовоздушного факела в рабочую камеру двигателя, в которой окончательно формируется расслоенный заряд. Зажигание смеси осуществляется искровым разрядом от свечи зажигания на периферии топливовоздушного факела. Компрессор-форсунка оснащена необходимыми устройствами для дозирования топлива и воздуха в зависимости от рабочего объема двигателя и режима его работы. Система зажигания имеет конструкцию и параметры разряда, характерные для современных бензиновых двигателей.

Таким образом, условия реализации унифицированного рабочего процесса сводятся к принудительному воспламенению струи богатой топливовоздушной смеси, на периферии которой организуется необходимое для воспламенения распределение концентрации топлива. При этом горение может приобретать многоочаговый характер.

Унифицированный рабочий процесс был реализован на одной секции четырёхцилиндрового дизельного двигателя Д-65Н посредством замены штатной форсунки на оригинальную двухступенчатую компрессор-форсунку.

В соответствии со спецификой конструкции разработана и установлена оригинальная свеча зажигания. Ввиду особенностей формирования факела распыла, была модернизирована камера сгорания секции, в результате чего степень сжатия была снижена со стандартных 17,3 до 12,5. Дросселирование воздуха на впуске не осуществлялось. Для проведения экспериментов была использована бесконтактная система зажигания с накоплением энергии в индуктивности. Экспериментальный двигатель был оборудован системами изменения угла опережения зажигания и впрыска топлива. Для анализа отработавших газов экспериментального двигателя применялся газоанализатор Infraligth – 11P.

Нагружение экспериментального двигателя производилось с помощью испытательного стенда AVL DINO perform. Индицирование проводилось с помощью электронной системы экспериментального анализа фирмы AVL (рис.7).

Рисунок 7 – Схема электронной системы индицирования В четвертой главе приводятся методики натурных экспериментов и результаты экспериментальных исследований.

В экспериментах использовались водные растворы этанола различной концентрации (95, 70, 45% объемных). При работе на каждом виде топлива снимались индикаторные диаграммы двигателя и определялся состав отработавших газов. Измерения проводились на частоте вращения вала двигателя, близкой к частоте вращения при максимальном моменте (1100 – 1200 об/мин).

Для сравнения аналогичные измерения были проведены при работе двигателя на базовом дизельном топливе со штатной системой топливоподачи и регулировки опережения впрыска на режиме максимального крутящего момента (содержание О2 в отработавших газах порядка 5 – 7%).

Для каждого экспериментального топлива исследование производилось на двух нагрузочных режимах:

Полная нагрузка (содержание О2 в отработавших газах порядка 1,5%) Частичная нагрузка (содержание О2 в отработавших газах порядка 5%) Для точного определения контролируемых параметров на каждом исследуемом режиме снималась регулировочная характеристика по углу опережения впрыска топлива и углу опережения зажигания.

На рис. 9 и 11 приведена экспериментальная зависимость выбросов оксидов азота от содержания воды в спиртоводном растворе. При этом на одном графике совмещены экспериментальные данные, полученные при условии максимального индикаторного давления, и при условии минимальной эмиссии оксидов азота. Это позволяет сделать выводы о диапазоне регулировок двигателя одновременно по двум этим характеристикам. При больших содержаниях воды наблюдается значительное снижение выбросов оксидов азота, соизмеримое с выбросами последних в дизельных двигателях с гомогенным зарядом, где организуется сжигание бедных предварительно перемешанных смесей. Однако в отличие от последних снижение оксидов азота в описываемом способе не вызывает снижения удельной мощности двигателя (рис. 8, 10).

Рисунок 8 – Изменение среднего индикаторного давления от содержания этанола в спиртоводном растворе на режиме максимальной нагрузки Рисунок 9 – Изменение эмиссии оксидов азота от содержания этанола в спиртоводном растворе на режиме максимальной нагрузки (содержание О2 в отработавших газах 1,5%) Рисунок 10 – Изменение среднего индикаторного давления от содержания этанола в спиртоводном растворе на режиме частичной нагрузки Рисунок 11 – Изменение эмиссии оксидов азота от содержания этанола в спиртоводном растворе на режиме частичной нагрузки (содержание О2 в отработавших газах 5%) Для анализа влияния обводнения на полноту сгорания топлива также фиксировались эмиссии оксида и диоксида углерода. На всех исследованных режимах работы двигателя не было отмечено значительного роста выбросов CO и сокращения выбросов CO2, что свидетельствует об отсутствии негативного влияния обводнения на полноту сгорания топлива.

Таким образом, экспериментально подтверждена возможность работы двигателя с унифицированным рабочим процессом на водных растворах этанола с высоким содержанием воды в спиртоводном растворе. Показано, что в унифицированном рабочем процессе возможно достижение радикального снижения выбросов оксидов азота при увеличении количества воды в спиртоводной смеси без ухудшения индикаторных показателей двигателя.

Как следует из рис. 12, описанная в работе методика понижения эмиссии оксидов азота в двигателе с УРП позволила без дополнительных средств нейтрализации добиться уровня выбросов, превосходящего современные требования, и близкого к самым строгим перспективным нормам токсичности (данные приведены для 13-ти ступенчатого нагрузочного цикла, применяемого для дизельных двигателей грузовых автомобилей массой более 3,5 тон, согласно правилам ЕЭК ООН № 49 – 02). Более того, представленный в работе результат был получен при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента, где наблюдается наибольшая эмиссия оксидов азота. В 13-ти ступенчатом нагрузочном цикле доля режима максимального крутящего момента составляет не более 20% времени, но вклад этого режима в суммарный выход NOx достигает 50%. Это позволяет сделать грубую оценку уровня токсичности исследуемого двигателя по 13-ти ступенчатому нагрузочному циклу: суммарные выбросы NOx будут в 5 раз меньше, чем на режиме максимального крутящего момента, и составят 0,14 г/кВт*ч.

Рисунок 12 – Сопоставление результатов исследования с современными и перспективными нормами по выбросам оксидов азота для дизельных двигателей грузовых автомобилей В заключении приведена оценка перспективности дальнейших работ в этом направлении.

ВЫВОДЫ

1. Проведено численное исследование влияния обводнения топливовоздушной смеси на кинетический механизм окисления топлива и эмиссию оксидов азота. Установлено, что в основе механизма влияния воды на эмиссию оксида азота лежит увеличение времени достижения равновесия за счет снижения концентрации атомарного кислорода в присутствии воды. Влияние обводнения зависит от температурного диапазона реакции. При Т 2500 К и выше это влияние несущественно. При T 1900 2500 влияние обводнения зависит от времени пребывания продуктов сгорания при данных температурах. При T 1900 К это влияние наиболее значительно и практически не зависит от времени пребывания продуктов сгорания при высоких температурах, поскольку время достижения равновесия гораздо больше времен, характерных для продолжительности сгорания в поршневых ДВС.

Показано, что сжигание обводненной околостехиометрической топливовоздушой смеси более предпочтительно в сравнении с сжиганием бедных предварительно перемешанных смесей, поскольку при равнозначных концентрациях оксида азота температура, а следовательно и скорость реакции окисления в случае добавок воды оказывается большей. Это обстоятельство способствует большей устойчивости и полноте горения.

2. Экспериментально исследована возможность работы поршневого ДВС с унифицированным рабочим процессом на обводнённом этаноле. Доказана возможность устойчивого воспламенения обводнённого этанола с объёмной долей спирта до 45% по объёму включительно. При этом двигатель стабильно работает на околостехиометрических топливо-воздушных смесях.

3. Экспериментально установлена возможность снижения эмиссии оксидов азота за счёт увеличения содержания воды в топливе. Установлено, что с ростом количества воды в обводнённом этаноле (от 95% до 45% этанола по объёму) происходит снижение уровня эмиссии оксидов азота до 19 раз по сравнению с базовым двигателем.

Определено влияние степени обводнения топлива на индикаторные показатели двигателя. Установлено, что на режиме частичной нагрузки, соответствующем по составу смеси режиму максимальной нагрузки базового двигателя, не происходит снижения среднего индикаторного давления с ростом количества воды в обводнённом этаноле. На режиме максимальной нагрузки наблюдается рост среднего индикаторного давления до 20% по сравнению с базовым двигателем, что объясняется возможностью большего обогащения топливовоздушной смеси в унифицированном рабочем процессе.

4. Экспериментально определено влияние степени обводнения топлива на процесс горения и эмиссию продуктов неполного горения. Установлено, что с ростом количества воды в обводнённом этаноле (от 95% до 45% этанола по объёму) не происходит увеличения времени тепловыделения. На исследованных водных растворах этанола продолжительность тепловыделения составила не более 70° угла поворота коленчатого вала, тогда как в базовом двигателе эта величина составляет 90°.

Показано, что с увеличением количества воды в обводнённом этаноле уменьшается уровень максимального давления (до 1,5 раз) и жёсткость работы двигателя (до 3 раз).

Установлено, что на режиме частичной нагрузки, соответствующем по составу смеси режиму максимальной нагрузки базового двигателя, увеличение количества воды в обводнённом этаноле не увеличивает эмиссию оксида углерода. Средний уровень выбросов CO на этом режиме на 50% ниже, чем в базовом двигателе. При дальнейшем обогащении топливо-воздушной смеси наблюдается рост выбросов CO, что объясняется работой двигателя вблизи предела обогащения. Соответственно, уровень индикаторного КПД на частичной нагрузке соответствует базовому двигателю, на максимальной нагрузке уровень индикаторного КПД в среднем на 10% ниже, чем в базовом двигателе.

Таким образом, доказана возможность и показаны причины значительного снижения эмиссии оксидов азота в поршневых ДВС с унифицированным рабочим процессом при использовании обводненного этанола.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Рособрнадзора:

1. Сакулин Р.Ю. Влияние степени сжатия и способа регулирования нагрузки на эффективные показатели поршневых ДВС/ М.Д. Гарипов, Р.Ю. Сакулин // Ползуновский вестник. 2006, № 4. – с. 54 – 57.

2. Сакулин Р.Ю. Влияние воды на кинетику окисления метановоздушных смесей в условиях поршневого ДВС/ М.Д. Гарипов, А.А. Гиниятов, Р.Ю.

Сакулин // Вестник УГАТУ. 2008. Т.11, № 2 (29), «Машиностроение» – с. 74 – 84.

В других изданиях, включая труды Всероссийских и международных НТК:

3. Сакулин Р.Ю. Сравнительное расчётное исследование методик подавления образования оксидов азота в поршневых ДВС/ Р.Ю. Сакулин //: Актуальные проблемы науки и техники: Сборник трудов четвёртой всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых учёных. УГАТУ. 2009. Том 2, «Машиностроение, приборостроение, экономика, гуманитарные науки» – с. – 324.

4. Сакулин Р.Ю. Расчётное исследование перспективных методов снижения токсичности отработавших газов ДВС/ Р.Ю. Сакулин, Л.Ф. Шарафиева //: Автомобильная техника: Научный вестник Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища. 2009. Выпуск 20.

– с. 163 – 171.

5. Сакулин Р.Ю. Работа двигателя с унифицированным рабочим процессом на обводнённом этаноле/ К.Н. Гарипов, Р.Ю. Сакулин //: Материалы конференции «Мавлютовские чтения». УГАТУ. 2009. Т.1 – с. 127 – 128.



 
Похожие работы:

«Романов Виктор Анатольевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ЭНЕРГИИ 05.04.02 – тепловые двигатели Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Барнаул – 2011 1 Работа выполнена в ОАО 15 центральный автомобильный ремонтный завод Научный консультант : доктор технических наук, профессор Кукис Владимир Самойлович Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор...»

«Савельев Николай Вячеславович ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАБОТЫ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННЫХ ШАРНИРОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ШПИНДЕЛЕЙ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ Специальность 05.02.13 – машины, агрегаты и процессы (металлургического производства) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новокузнецк 2011 г. Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Сибирский...»

«ПОЛЕВЩИКОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ 2Ч 10,5/12,0 ПРИ РАБОТЕ НА ЭТАНОЛЕ С ДВОЙНОЙ СИСТЕМОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2011 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Вятская государственная сельскохозяйственная академия Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Лиханов Виталий Анатольевич Официальные оппоненты :...»

«Асташина Мария Александровна МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПОТОКИ В СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТАХ С УЧЕТОМ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ Специальность 05.04.03 – Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва-2009 2 Работа выполнена на кафедре низких температур Московского энергетического института (технического университета) Научный руководитель – доктор...»

«КОВКОВ ДЖОРДЖ ВЛАДИМИРОВИЧ Разработка методики выбора орбит космических аппаратов астрофизических комплексов Специальность 05.07.09 Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2011 1 Работа выполнена на кафедре Системный анализ и управление Московского авиационного института (государственного технического университета, МАИ). Научный руководитель : доктор технических...»

«Коломиец Павел Валерьевич ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ НА ВЫДЕЛЕНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА ПРИ ДОБАВКЕ ВОДОРОДА В БЕНЗИНОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Специальность: 05.04.02 – Тепловые двигатели АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Тольятти – 2007 Работа выполнена на кафедре Тепловые двигатели Тольяттинского государственного университета доктор технических наук, профессор Научный руководитель : Шайкин...»

«КЛЕЙМЕНОВ Геннадий Борисович...»

«ФРАНЦЕВ Сергей Михайлович УЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГАЗОВЫХ ДВС ЗА СЧЕТ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ИСКРОВОГО РАЗРЯДА СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ 05.04.02 – Тепловые двигатели АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Волгоград – 2009 Работа выполнена в Автомобильно-дорожном институте государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Пензенский государственный университет архитектуры и строительства. Научный...»

«Писарев Павел Викторович ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСАХ Специальность 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Пермь – 2013 2 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Пермский национальный исследовательский политехнический университет. Научный...»

«Рабецкая Ольга Ивановна УЛУЧШЕНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИАЛЬНЫХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ Специальность: 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Красноярск – 2008 2 Работа выполнена в федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет и Институте вычислительного моделирования СО РАН. Научный руководитель :...»

«МАННАПОВ Альберт Раисович РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА ГТД МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ специальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Уфа-2009 Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Уфимский государственный...»

«Степанов Вилен Степанович МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИВОДА НА ОСНОВЕ ВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧИ С ТЕЛАМИ КАЧЕНИЯ Специальность: 05.02.02 Машиноведение, системы приводов и детали машин Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2009 г. Работа выполнена на кафедре Системы приводов авиационнокосмической техники Московского авиационного института (государственного технического университета) Научный руководитель : д.т.н., профессор Самсонович Семен...»

«ОРЕКЕШЕВ СЕРИК САРСЕНУЛЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ ВИНТОВЫМИ НАСОСНЫМИ УСТАНОВКАМИ ПРИ ПРОЯВЛЕНИЯХ ПЕСКА И ГАЗА Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (Нефтегазовая отрасль) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа – 2005 2 Работа выполнена на кафедре нефтегазопромыслового оборудования Уфимского государственного нефтяного технического университета. Научный руководитель доктор технических...»

«Пашнина Надежда Александровна ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ Р АСЧЕТА НАГНЕТА ТЕЛЕЙ С ВИБР АЦИОННЫМ СДАВЛИВАНИЕМ Г АЗА В ТОНКИХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЗАЗОР АХ Специальность 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Челябинск – 2010 Работа выполнена на кафедре информационно-измерительной техники Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ, г. Челябинск). Научный руководитель – доктор технических...»

«Гаар Надежда Петровна ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ 12Х18Н9Т В УСЛОВИЯХ ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск - 2010 2 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск Научный...»

«АНИСИМОВ РОМАН ВИКТОРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ КОЛЕС С ВНУТРЕННИМИ НЕЭВОЛЬВЕНТНЫМИ ЗУБЬЯМИ Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Орел 2013 2 Работа выполнена на кафедре Технология машиностроения и конструкторско-технологическая информатика федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего...»

«Артемьев Александр Алексеевич РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКИ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ С УПРОЧНЯЮЩИМИ ЧАСТИЦАМИ TiB2 Специальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологии АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Волгоград – 2010 2 Работа выполнена на кафедре Оборудование и технология сварочного производства в Волгоградском государственном техническом университете. Научный руководитель – доктор технических наук,...»

«ПЕТРОВ МАКСИМ ПЕТРОВИЧ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ Специальность 05.08.03 – “Проектирование и конструкция судов” АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Астрахань – 2010 1 Работа выполнена в ФГОУ ВПО Астраханский государственный технический университет. Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Лубенко Владимир Николаевич Официальные оппоненты...»

«МИТЯГИНА Мария Олеговна ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СВЕРЛЯЩИЙ ПЕРФОРАТОР ДЛЯ ВТОРИЧНОГО ВСКРЫТИЯ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ (РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ) Специальность: 05.04.13 – Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа – 2013 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет на кафедре прикладной гидромеханики Научный руководитель : доктор...»

«МОСТОВАЯ ЯНА ГРИГОРЬЕВНА ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ С ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Барнаул – PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.