Диссертация (1026340), страница 4
Текст из файла (страница 4)
За счёт большого количестваочагов воспламенения и равномерного распределения коэффициента избытка23воздуха по объёму цилиндра сгорание протекает одновременно во всем объемецилиндра по кинетическому механизму, без диффузионной стадии [25]. Приэтом существенно понижаются локальные температуры по сравнению сдизелем и двигателем с воспламенением от электрической искры и,соответственно, снижается концентрация оксидов азота. За счёт сгораниягомогенной смеси практически отсутствуют сажевые частицы.Применение нетрадиционных топлив:Нетрадиционные топлива делятся на 3 вида:1. Смесевые топлива (нефтяные топлива с добавками спиртов, эфиров идругие);2.
Синтетические топлива (топлива, получаемые переработкой каменногоугля, природного газа, попутного нефтяного газа и другие);3. Ненефтяные топлива (природный и био- газ [36, 38], метанол, этанол,диметиловый эфир, водород [39]).Позволяют снизить токсичность отработавших газов двигателей ивыбросы парниковых газов (CO2) а также использовать местных ресурсов(более дешёвых, либо с целью энергетической независимости).Снижение частоты вращения коленчатого вала и рабочего объёмадизеля.
Снижение частоты вращения (downspeeding) позволяет повыситьмеханический КПД и увеличить время на смесеобразование и сгорание. Поданным компании FEV GmbH снижение частоты вращения на 10%, позволяетснизить удельный эффективный расход топлива на 2..3%, а выбросы твёрдыхчастиц на 23% при тех же мощности и [NOx] и на 5.1% и 37% соответственнопри тех же среднем эффективном давлении и [NOx] [40].Системы постобработки. Для среднеоборотных дизелей применяютсяSCR (Восстановительный каталитический нейтрализатор), DPF (фильтртвёрдыхчастиц),DOC(дизельныйокислительныйкатализатор),скрубберы SOx [36, 41, 42].Практическиневлияютнарабочийпроцессдвигателя(кромепротиводавления на выпуске). Однако требуют больших финансовых затрат как24на установку самих систем, так и на восстановительный агент (для SCR),особенно для среднеоборотных двигателей.Повышениедавлениявпрыскивания.Повышениедавлениявпрыскивания (до 220 МПа в СОД) позволяет добиться более мелкого распылатоплива, что снижает выбросы сажи и улучшает экономичность (доопределённого предела, т.к.
большее давление впрыскивания требует большеймощности ТНВД). Для получения положительного результата от повышениядавления впрыскивания требуется согласование параметров топливоподачи срабочим процессом дизеля.Снижение локальных температур рабочего тела. Так как оксиды азотаобразуются при больших температурах и бедной смеси и практически нераспадаются во время рабочего процесса, практически все мероприятия по ихснижению направлены на снижения локальных или средних температур. Приэтом снижение температуры приводит к уменьшению выгорания сажи иснижению экономичности; кроме того, сохранение мощности требует высокогонаддува (до степени повышения давления равной 12 в двухступенчатой системенаддува [43]). К способам снижения локальных температур рабочего телаотносятся: охлаждение наддувочного воздуха, цикл Миллера (Угол закрытиявпускного клапана до 50 градусов УПКВ [44]), рециркуляция отработавшихгазов (в настоящее время доля EGR может доходить до 20% [45]), воздух,обогащенный азотом [46, 47, 48].1.4.
Образование оксидов азотаОксиды азота (NOx) являются самыми токсичными компонентамиотработавших газов двигателя [36].Выделяют три механизма образования оксидов азота в процессесгорания [6, 10]:- термический, представляющий собой образование оксидов азота взонах сгоревшего топлива при температурах выше 1800 К;25- быстрый, происходящий во фронте пламени, впервые описанФенимором (Feminore) [49];- топливный, представляющий собой образование оксидов азота из азотасодержащегося в топливе. Для поршневых двигателей не играют роли, потомучто азот практически не содержится в топливе для них.
Имеет место, например,в случае сгорания «очищенного» угля, содержащего 1% азота.Для поршневых двигателей практически все оксиды азота (около 95%)образуются в результате термического механизма [10, 6]. При этом образуетсямонооксид NO (95..98%), который в атмосфере доокисляется до диоксида NO2.Для его описания используется расширенный механизм Зельдовича [6,10]:O+ N2↔NO+N;N+O2↔NO+O;(1.1)N+OH↔NO+H.Первые две реакции были предложены Зельдовичем [50], последняяреакция Баулхом (Baulch) и др. [51].На его основе в программном комплексе FIRE доступны следующиемодели образования оксидов азота [10]:- расширенный механизм Зельдовича- Расширенный механизм Зельдовича + уравнения равновесия- Расширенный механизм Зельдовича + быстрые NO + топливные NO- Расширенная модель Зельдовича с константами скорости реакцииХейвуда (Heywood).- Расширенная модель Зельдовича с константами скорости реакцииХейвуда и учётом излучения.
В модели используются данные,полученные фирмой AVL.- Расширенная модель Зельдовича с константами скорости реакцииХейвуда и учётом флуктуаций температуры. В модели используютсяданные, полученные в Институте химической физики им. Семенова26профессоромФроловымС.М.длязначениятемпературныхфлуктуаций 7.5%.Кинетическое уравнение концентрации NO:=−−+−+(1.2).Для решения этих уравнений требуется знать концентрации O, H, OH, N иO2, которые вычисляются с помощью модели сгорания.Константы K в (1.2) определяются с помощью уравнения Аррениуса иданных из литературы [6].1.5.
Утилизация теплоты отработавших газов1.5.1. Методы утилизации теплоты отработавших газовВ среднеоборотном дизеле около 25-30% процентов энергии топливауходят с отработавшими газами (45-48% – полезная работа, 13-17% – нагревводы высокотемпературного контура, 5-7% – нагрев воды низкотемпературногоконтура, 2% – излучение) [52].
При этом увеличение мощности требует всёбольшего увеличения температуры цикла, что приводит к росту токсичностиотработавших газов. Рост температуры ОГ а также всё возрастающиетребования к увеличению КПД (из-за выбросов CO2 и роста цен на топливо)создаёт предпосылки для утилизациии теплоты отработавших газов. Основныеспособыиспользованияэнергиидвигателя приведены на Рис. 1.5.отработавшихгазовсреднеоборотного27Рис. 1.5. Основные способы использования энергии отработавших газовКогенерация. Одним из способов утилизации теплоты ОГ являетсянагрев воды или другого теплоносителя для горячего водоснабжения,теплоснабжения и других целей.
Совместная выработка электроэнергии и тепла(когенерация) используется в стационарных и судовых установках и позволяетполучить коэффициент использования теплоты более 90% [55].Получение холода. Как правило, используется вместе с системойполучения тепла (тригенерация). Это позволяет использовать энергиюотработавшихгазовзимойкондиционирования воздуха.длятеплоснабжения,алетомдляТеплота отработавших газов используется вабсорбционных холодильных установках [56].Другой способ –цикл с паровым эжектором.
В [57] предлагаетсяиспользовать этот способ для охлаждение наддувочного воздуха нижетемпературы окружающей среды с целью повышения КПД бензиновогоавтомобильного двигателяПреобразование тепловой энергии в механическую. Тепловая энергияможет преобразовываться в энергия вращения вала, которая передается наколенчатый вал или преобразуется в электроэнергию.28Один из перспективных способов утилизации теплоты является циклРенкина. В качестве рабочего тела используется вода, этанол или органическиевещества (organic Rankine cycle) [58, 59].
Для средноборотных двигателей какправило используются турбины [58, 60]; для автомобильных: и поршневыемашины [61] и турбины [62]. Энергия обычно преобразуется в электрическую.Другим способом преобразования теплоты ОГ в механическую работуявляется использование двигателя Стирлинга [63].
Двигатель Стирлинга можетбыть связан с коленчатым валом через гидромуфту либо работать наэлектрогенератор.Характеризуетсяплохимимассогабаритнымихарактеристиками и высокой стоимостью, кроме того для получения высокогоКПД требуется использование водорода или гелия в качестве рабочего тела, атакже регенерации теплоты. В настоящее время не используется.Также применяется цикл Брайтона. Силовая турбина давно используетсядля утилизации тепла отработавших газов дизелей. Раньше делался привод наколенчатый вал.
Одна в такой схеме возникают сложности в связи снеобходимостью редуктора с большим передаточным отношением, а также изза крутильных колебаний КВ [64]. Более совершенным является привод нагенератор [64]. Как правило, силовая турбина приводится отработавшимигазами, однако разрабатываются системы, в которых в турбины подаётсявоздух, нагретый через теплообменник от ОГ [65].В последнее время разрабатываются турбокомпрессоры с обратимойэлектрической машиной на оси [66, 67]. Они позволяют утилизировать теплотыотработавших газов на режимах, на которых она избыточна, а такжеподкручивать ротор турбокомпрессора на режимах, на которых недостаточно.Основной недостаток – проблемы с охлаждением электрической машины.Другой способ утилизации теплоты отработавших газов – прямоепреобразование тепловой энергии в электрическую.291.5.2.
Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую спомощью термоэлектрического генератораОдним из перспективных способов утилизации теплоты отработавшихгазов (ОГ) является прямое преобразование тепловой энергии в электрическуюс использованием термоэлектрического генератора.Термоэлектрогенератор основан на эффекте Зеебека: если спаи двухразныхпроводниковилиполупроводниковнаходятсяприразныхтемпературах, между ними возникает разность потенциалов. Как правило,применяются спаи двух полупроводников p- и n- типа.Эффект Зеебека объясняется следующими причинами:1 Различная зависимость средней энергии и концентрации носителейзаряда от температуры в различных веществах. Если в стержне полупроводникасуществует температурный градиент, концентрация и энергия носителей зарядана его горячем конце будет больше чем на холодном, что вызываетдиффузионный ток (ток носителей заряда одного знака больше другого из-забольшей концентрации электронов/ дырок в полупроводнике p-/n-типа, а такжеиз-за их различной подвижности µ p/µ n), который создает электрическое поле.2Различнаязависимостьоттемпературыконтактнойразностипотенциалов.3 Увлечение носителей тока фононами распространяемыми от горячего кхолодному концу (полу-)проводника.
Согласно [68] наблюдается для лития, атакже для некоторых полупроводников при криогенных температурах.Термоэлектрические батареи (ТЭБ), состоящие из термопар как источникэлектроэнергии использовались ещё во время Второй мировой войны [69],однако применение в двигателестроении нашли только недавно. В настоящеевремя подобные системы разрабатываются для легковых автомобилей [70, 71,72, 73], а также для дизелей грузовых автомобилей [74, 75].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
