Advantages of locating the converter before the turbine of the boost unit

Full Text

Введение Авторы считают, что в ближайшие годы произойдет ужесточение законодательных требований по ограничению выбросов вредных веществ двигателей внедорожной техники и генераторных установок. Такая техника использует двигатели со сгоранием бедных смесей - дизели и газовые двигатели. Вслед за развитием нормирования выбросов транспортных машин непременно последует внедрение соответствующих поправок к стандартам для тракторов, строительных и сельскохозяйственных машин, энергоцентров. Данный процесс потянет за собой разработку и освоение производства систем нейтрализации отработавших газов. Специфика конструкций сельскохозяйственных машин и генераторных установок не позволяет провести простую и быструю адаптацию автомобильных систем под новые требования по причине использования совершенно иных компоновочных решений по размещению агрегатов. Также иными являются рабочие наборы режимов двигателей. Часто внедрение нейтрализаторов в конструкцию системы выпуска двигателя сопровождается заметным увеличением расхода топлива и снижением эффективной мощности. Поэтому до сих пор актуален процесс совершенствования систем нейтрализации для достижения минимального влияния на экономические и динамические параметры двигателей. Возможным направлением совершенствования является применение новой схемы расположения каталитической системы в системе выпуска отработавших газов - до турбины агрегата наддува. Эта схема позволяет минимизировать потери и расширить рабочий диапазон активной нейтрализации вредных веществ, используя высокие уровни температуры и давления. В дополнение к указанным преимуществам данная схема позволяет полнее реализовать потенциал неиспользованного в сгорании кислорода для еще большей интенсификации процессов нейтрализации вредных веществ и передачи энергии экзотермических каталитических реакций на рабочее колесо турбины. Последнее обстоятельство является существенным с точки зрения сокращения потерь тепловой энергии. Цель исследований Подтверждение преимущества РТС в части возможности дополнительного управления турбиной посредством регулирования теплового потока каталитической системы. Материалы и методы В последнее десятилетие появился ряд исследовательских работ по моделированию параметров нейтрализаторов отработавших газов с нестандартным расположением в системе выпуска. Авторы работ представляют ведущие компании отрасли: Emitec, FEV, Umicore Catalysis. Также в исследования принимают участие Политехнический университет Валенсии и Технологический институт Карлсруэ [1]. Новый тип систем нейтрализации, обозначаемый в технических изданиях как PTC - Pre-Turbine Catalyst, обеспечивает несколько преимуществ перед существующими схемами. Во-первых, все выгоды расположения нейтрализаторов перед турбиной объясняются более высокими температурами потока - в среднем на 100-150 °С. При этом обеспечивается более быстрый прогрев нейтрализатора до рабочей температуры 200-250 °С и поддержание необходимой температуры при малых нагрузках двигателя - на 25 % меньших, чем в классической системе. Во-вторых, высокие значения температуры и давления способствуют протеканию эффективного процесса каталитического преобразования вредных веществ, благодаря чему появляются возможности уменьшить объем нейтрализатора на 40 % или уменьшить его загрузку металлами платиновой группы. В-третьих, при определенных сочетаниях скорости и плотности потока, а также вследствие сокращения объема нейтрализатора уменьшается гидравлическое сопротивление его проточной части, что дает преимущество в расходе топлива до 1 %. Четвертое преимущество заключается в снижении воздействия дисперсных частиц на рабочее колесо турбины вследствие эффекта выгорания частиц на катализаторе при высоких температурах. Компании Emitec и FEV изготовили несколько прототипов нейтрализаторов с металлическим носителем в виде вставок во входной канал турбинной части агрегата наддува [2]. Опираясь на результаты испытаний прототипов, компании рекомендуют применять схему РТС на дизелях большой размерности с относительно медленными переходными режимами. Наибольший эффект снижения занимаемого объема РТС достигается именно на больших дизелях локомотивов, судов и стационарных генераторных установок [3]. Все упомянутые компании считают перспективными работы по варианту с установкой всего химического комплекса перед турбиной: окислительного, восстановительного катализаторов и сажевого фильтра [4]. Umicore Catalysis уже серийно выпускает РТС для судовых дизелей большой размерности. АО «НПО «Турботехника» провела собственные исследования возможности применения нейтрализатора РТС в зоне повышенных температур и возможности согласования работы РТС с работой турбины агрегата наддува. Накопленный опыт разработки турбокомпрессоров (в частности, турбокомпрессоров с радиальной турбиной (ТКР)) позволил рассмотреть все особенности работы РТС - ТКР как единого комплекса. Недавно в компании были проведены большие работы по исследованию метода улучшения характеристик автомобильного двигателя при помощи агрегата наддува с обратимой электрической машиной [5]. Метод позволил устранить основные недостатки одноступенчатого газотурбинного наддува: - дефицит энергии отработавших газов, необходимой для передачи компрессору в области режимов работы с частотами от nxx (холостого хода) до nMmax (левая граница максимального крутящего момента); - запаздывание реакции ТКР на изменение нагрузки двигателя. Применение РТС совместно с агрегатом наддува также направлено на устранение указанных недостатков, только вместо дополнительной электрической энергии предлагается использовать тепловую энергию каталитических реакций нейтрализатора отработавших газов. Процесс сгорания в дизеле протекает при большом избытке воздуха. Например, на режимах испытательного цикла ESC средние значения коэффициента избытка воздуха современного дизеля находятся в пределах 1,5-2,5. Большинство газовых двигателей также работают на бедных смесях. При использовании РТС, благодаря присутствию свободного кислорода - от 6 до 19 % [6], появляется возможность окисления дополнительного топлива в присутствии катализатора для регулирования температуры на входе в турбину агрегата наддува. Конечно, некоторый тепловой эффект привносит процесс доокисления несгоревших углеводородов топлива. Следует иметь в виду, что на всех режимах через системы двигателя прокачивается избыточное количество воздуха, преодолевающее местные сопротивления - воздушный фильтр, охладитель наддувочного воздуха, распределительные каналы трубопроводов, каналы клапанов и т.д. Для современного высокооборотного дизеля суммарная мощность прокачки избыточного потока может достигать значительной величины. Возможно ли компенсировать эти издержки при использовании свободного кислорода в каталитическом окислении дополнительного топлива за камерой сгорания двигателя? Анализ термодинамического цикла такого двигателя показывает, что преимущества в величине термического КПД нет. Известны две разновидности термодинамического цикла комбинированного двигателя: цикл с импульсной турбиной и цикл с турбиной постоянного давления. Очевидно, что при размещении каталитической системы до турбины агрегата наддува комбинированный двигатель будет работать по циклу с турбиной постоянного давления (рис. 1). Рис. 1. Термодинамический цикл комбинированного двигателя с постоянным давлением перед турбиной в координатах P-V [7] Два контура, определяющих состояния рабочего тела, соответствуют частям цикла в поршневой и лопаточной машинах. Первый контур представляет собой термодинамический цикл Тринклера, второй контур - цикл Брайтона. Теплота , отведенная от поршневой машины, передается турбине в виде теплоты : Термический КПД такого цикла [7]: , где - подведенная теплота; - отводимая теплота; - показатель степени адиабатических процессов ; - общая степень сжатия; - степень сжатия в цилиндре двигателя; - степень сжатия в компрессоре; - степень повышения давления; - степень предварительного расширения. В случае с дозированием вторичного топлива цикл видоизменится (рис. 2). Рис. 2. Термодинамический цикл комбинированного двигателя с катализатором перед турбиной в координатах P-V Вследствие подачи топлива на катализатор появляется дополнительное количество теплоты, которое направляется на турбину (выделенный участок на втором контуре). Теплота, отведенная от поршневой машины, уже не будет равна теплоте, подводимой к турбине: . Примем, что , где - условный коэффициент, . Дополнительно учитываем следующие уравнения: а) подведенная теплота для цикла Тринклера acz′zb: ; б) отводимая теплота для цикла Брайтона: . В результате подстановок получаем термический КПД цикла с подачей вторичного топлива: . Легко видеть, что благодаря множителю результат, вычисленный по этому уравнению, всегда будет меньше цикла без подачи вторичного топлива. Как и следовало ожидать, процесс сжигания топлива вне цилиндра по циклу Брайтона имеет меньший термический КПД. Таким образом, на уровне термодинамического цикла процесс окисления дополнительного топлива в РТС не приносит преимущества, однако совместно с задачей нейтрализации вредных веществ РТС позволяет активно воздействовать на процесс подачи воздуха в двигатель. Осуществляя совместное управление количествами подводимой теплоты, т.е. дозированием топлива в поршневой машине и на входе в катализатор, можно обеспечить удобный дополнительный алгоритм управления крутящим моментом двигателя с использованием различных критериев регулирования (рис. 3), таких как регулирование мощности турбины на постоянных и переходных режимах, регулирование эффективности нейтрализации. Рис. 3. Возможность регулирования частей P-V диаграммы В действительном цикле двигателя с РТС за счет оптимального регулирования подачи воздуха возможно уменьшение удельного эффективного расхода топлива. Необходимо также рассмотреть неявную выгоду применения решения «катализатор до турбины» для повышения общей эффективности работы комбинированного двигателя в целом и системы нейтрализации в частности. Современные сложные системы для дизелей, обеспечивающие выполнение требований Евро-6, состоят из нескольких компонентов последовательной очистки отработавших газов. В начальной зоне размещают катализаторы окислительного типа, которые помимо снижения концентраций углеродсодержащих веществ выполняют важную функцию регулирования температуры системы для регенерации сажевого фильтра. Дополнительное количество топлива, расходуемое на этот процесс, является потерянным с точки зрения энергетического баланса. И такие потери исключаются при использовании катализатора в высокотемпературной зоне до турбины, где реализуется процесс непрерывного выгорания частиц. Предварительная оценка, проведенная на примере двигателя ЯМЗ-6566, показывает, что приращение мощности турбины при дожигании вторичного топлива на РТС достаточно для существенной коррекции характеристики подачи воздуха компрессором. Мощность турбины, вырабатываемая в результате расширения отработавших газов, вычисляется по уравнению: , где GГ - расход газа через турбину; - эффективный КПД турбины; k - показатель адиабаты расширения; RГ - газовая постоянная потока; T - температура на входе; - степень понижения давления в турбине. Кривые мощности турбины стандартного двигателя ЯМЗ-6566 без подачи вторичного топлива приведены на рис. 4. Расчет приращения мощности при подаче вторичного топлива произведен с учетом условия ограничения максимальных температур на входе в турбину в 650 °С (рис. 5). В этом случае ни на одном режиме не достигается стехиометрического соотношения «кислород - топливо». Расчет учитывает теплопроводность кордиеритового носителя условного катализатора с объемом активной зоны 11 л. При этом значении удается удержать объемную скорость потока через активную зону на приемлемом уровне (100 000 ч-1) для обеспечения достаточного реакционного периода. Привлекательный вариант стратегии дозирования - использовать весь свободный кислород, т.е. подавать такое количество топлива, чтобы на входе в нейтрализатор получалось стехиометрическое соотношение с учетом содержания несгоревшего топлива в сыром выбросе двигателя. Рекуперация такого количества энергии возможна только с помощью силовой высокотемпературной турбины, способной передать энергию либо в трансмиссию, либо на привод электрического генератора. В последнем случае может быть реализован проект гибридного транспортного средства. В АО «НПО «Турботехника» проведены предварительные моторные испытания опытного образца трехкомпонентного нейтрализатора с подачей вторичного топлива, установленного перед входом в турбину агрегата наддува. Испытания выполнены в составе дизеля YC6108ZGB (рабочим объемом 7,25 л) компании YC Diesel с турбокомпрессором «Турботехника ТКР 90-3» на моторном стенде компании (рис. 6). Модуль катализатора РТС (рис. 7) включает трехкомпонентный каталитический блок диаметром 100 мм, длиной 100 мм, с плотностью ячеек 600 на кв. дюйм, с покрытием «платина - родий» Pt/Rh, с загрузкой 100 г на фут куб. Для подачи вторичного топлива использовался электромагнитный плунжерный насос с встроенным расходомером топлива. Регулировка подачи обеспечивалась изменением частоты управляющего сигнала. Результаты и обсуждение В процессе проведенных исследований получены записи температур и давлений в характерных точках системы на нескольких рабочих режимах двигателя (рис. 8, 9). Опытные данные подтверждают предполагаемую реакцию катализатора [8]. Результаты испытаний показывают наличие принципиальной возможности управления мощностью турбины с помощью регулирования температуры потока от катализатора РТС. Для дальнейших работ целесообразно подготовить рабочий прототип системы под длительные испытания. Учитывая преобладающие компоновочные решения по размещению агрегатов двигателей, предлагается совмещенная конструкция турбокомпрессора с каталитическим нейтрализатором. Тороидальный катализатор большого сечения на металлическом носителе с наклонными спиральными каналами (рис. 10) встраивается в дополнительную нишу рядом с улиткой турбины. Компактный узел с эффективной теплоизоляцией может устанавливаться на существующий посадочный фланец выпускного коллектора двигателя (рис. 11). Подобную совмещенную конструкцию предложила компания Continental [9], только последовательность агрегатов там традиционная - сначала турбина, потом катализатор (рис. 12). Выводы Новая конфигурация системы выпуска с катализатором РТС и подачей вторичного топлива позволяет: - уменьшить объем активной зоны каталитического реактора на 40 % или уменьшить загрузку активной зоны металлами платиновой группы; - уменьшить противодавление в системе выпуска с соответствующим уменьшением удельного эффективного расхода топлива; - обеспечить быстрый прогрев нейтрализатора до рабочей температуры 200-250 °С и поддержание необходимой температуры при малых нагрузках двигателя на 25 % меньших, чем в классической системе; - интенсифицировать каталитические реакции преобразования вредных веществ во всем диапазоне режимов работы двигателя; - обеспечить оптимальное управление крутящим моментом двигателя за счет регулирования мощности турбины на стационарных и переходных режимах при недостаточной располагаемой энергии отработавших газов; - реализовать процесс непрерывного выгорания дисперсных частиц и тем самым исключить их разрушающее воздействие на рабочее колесо турбины. Рис. 4. Мощность турбины без подачи вторичного топлива Рис. 5. Приращение мощности турбины при подаче вторичного топлива на катализатор РТС при условии ограничения максимальной температуры в 650 °С Рис. 6. Исследовательский моторный стенд Рис. 7. Катализатор РТС с подачей вторичного топлива и турбокомпрессор Рис. 8. Температуры и давления на входе и выходе РТС при работе на установившемся режиме Рис. 9. Температуры и давления на входе и выходе РТС при работе на переходных режимах Рис 10. Тороидальный каталитический блок со спиральными каналами Рис. 11. Конструкция турбины со встроенным катализатором: 1 - рабочее колесо турбины; 2 - колесо компрессора; 3 - тороидальный каталитический блок; 4 - насос-форсунка вторичного топлива; 5 - улитка турбины Рис. 12. Конструкция турбины с встроенным тороидальным катализатором компании Continental (Continental’s ring catalyst turbocharger, © Continental)

About the authors

V. N Kaminskiy

Moscow Polytechnic University; JSC «Scientific and Production Alliance “Turbotehnika”»

Email: turbo@kamturbo.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

R. V Kaminskiy

Moscow Polytechnic University; JSC «Scientific and Production Alliance “Turbotehnika”»

Email: turbo@kamturbo.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

A. S Filippov

Moscow Polytechnic University; JSC «Scientific and Production Alliance “Turbotehnika”»

Email: turbo@kamturbo.ru
Moscow, Russia

A. Yu Titchenko

Moscow Polytechnic University; JSC «Scientific and Production Alliance “Turbotehnika”»

Email: turbo@kamturbo.ru
Moscow, Russia

References

Supplementary files