Enhancement of energy and environmental performance of reciprocating internal combustion engines on transition to gasoline-ethanol fuel

全文:

Рост автомобильного парка требует периодического обновления стандартов и ужесточения нормативных требований к выбросам вредных веществ (ВВ) автотранспортными средствами. Нормативы на предельно допустимые выбросы ВВ в европейском законодательстве с 1993 по 2013 г. ужесточились в 2,7 раза на оксид углерода и в 5,8 раза на суммарный выброс углеводородов и оксидов азота для категорий наиболее массовых автомобилей. В связи с этими факторами, а также с учетом постоянного роста цен на нефть все более актуальной становится задача повышения полноты сгорания углеводородного топлива и перехода на экологически чистые виды топлива, а также повышения экономичности тепловых двигателей и снижение выбросов ВВ. Одним из возможных путей разрешения указанных противоречий является постепенный переход на частичное, но в то же время массовое внедрение альтернативных, экологических топлив, отличающихся доступными эксплуатационными свойствами и опирающихся на существенную сырьевую базу. Наиболее предпочтительными с этих позиций являются спирты и эфиры, получаемые из возобновляемого сырья (биомассы), в частности этанол как наиболее доступный и технологичный продукт. К преимуществам этанола относятся следующие его особенности: · высокое октановое число по сравнению с бензином. В результате этого введение в автомобильные бензины этанола повышает их детонационную стойкость. Это дает возможность увеличить степень сжатия топливовоздушной смеси с этанолом до ε = 12…14 и тем самым повысить КПД двигателя и снизить удельный расход топлива; · в этаноле содержится 35 % кислорода по массе; · высокая скрытая теплота парообразования, позволяющая снизить температуру смеси при испарении этанола; · низкая температура сгорания по сравнению с бензиновым двигателем; · высокая полнота сгорания топлива, позволяющая снизить количество вредных веществ в ОГ на 20-30%. Для сравнения энергетических и экологических параметров на кафедре «Автомобильные и тракторные двигатели» были проведены теоретические моделирования термодинамических процессов работы двигателя на бензине АИ-95 и бензоэтанольной смеси Е85 с 85% содержанием этанола; с рабочим объемом V=2000 см3 и степенью сжатия . В качестве энергоэкологических показателей выбраны мощность двигателя, крутящий момент, удельный эффективный расход топлива, показатели токсичности по трем составляющим (CO, CnHm и NOx) при работе по внешнескоростной характеристике. Полученные внешние скоростные характеристики двигателя приведены на рисунке 1. а) мощность и крутящий момент б) удельный расход топлива Рисунок 1. Внешняя скоростная характеристика Изменение крутящего момента (Мк) и мощности (N) двигателя представлены на рисунке 1,а, из которого следует, что значения максимального крутящего момента при бездетонационной работе на бензине и бензоэтаноле равны 172 Нм и 168 Нм и располагаются на характеристике вблизи частоты вращения n=4000 мин-1. Близки и значения максимальной мощности, значения которой составили 92 кВт для бензиновой смеси и 93 кВт для бензоэтанольной смеси при n=5700 мин-1. Из этого можно сделать вывод, что при переводе ДВС на бензоэтанольную смесь его энергетические характеристики меняются в пределах 5%, и они не будут оказывать существенного влияния на динамические характеристики автомобиля. По графику удельного расхода топлива (рисунок 1,б) можно сделать вывод, что расход бензоэтанольной смеси будет выше по сравнению с бензином в среднем на 25%, что объясняется отличием физико-химических свойств этанола от бензина, приведенных в таблице 1. Из таблицы 1 следует, что у этанола на 43% меньше низшая теплота сгорания по сравнению с бензином, вызванная тем, что в молекулярном составе этанола содержатся атомы кислорода, которые являются окислителями в реакции горения. Сделав пересчет расхода бензоэтанольной смеси без учета массовой доли кислорода, мы получим приведенный расход, изменение которого отображено кривой 3 на рисунке 1,б. Исходя из этого, можно сделать вывод, что для достижения одинаковых динамических характеристик ДВС (рисунок 1,а) расход углеводородов, входящих в состав Е85, будет в среднем на 10 % меньше, чем расход бензина (рисунок 1,б). В связи с этим при горении бензоэтанольной смеси будет выделяться меньшее количество вредных веществ, в частности СО и CnHm, сравнительную оценку содержания в отработавших газах которых можно проследить на рисунке 2. Таблица 1. Физико-химические свойства этанола и бензина Рисунок 2. Внешняя скоростная характеристика (токсичность ОГ) Параллельно поиску альтернативных топлив в настоящее время существует тенденция повышения литровой мощности современных двигателей и, как следствие, снижение габаритных и весовых размеров силовых агрегатов за счет применения различных конструктивных средств: повышения степени сжатия, непосредственное впрыскивание топлива в камеру сгорания бензиновых двигателей, переменные фазы газораспределения, изменяемые геометрии впускных и выпускных трубопроводов и т.д. Все эти мероприятия дают не только повышение технико-динамических качеств ДВС, но и повышение эффективного КПД, который в свою очередь приводит к снижению расходных характеристик и уменьшению выбросов вредных веществ (СО, NOx, СН). Но наиболее эффективным способом для повышения данных показателей является увеличение массового расхода воздушного потока, поступающего в камеру сгорания ДВС, путем искусственного увеличения его плотности при помощи агрегатов наддува. С учетом того, что биоэтанол обладает ранее указанными особенностями, такими как высокое октановое число, большая теплота парообразования и более низкая температура сгорания, то использование агрегатов наддува в ДВС на бензоэтанольных смесях является перспективным с точки зрения дальнейшего улучшения топливной экономичности и уменьшения содержания вредных веществ в ОГ. Основными агрегатами для создания наддува ДВС являются компрессоры, которые могут быть различны по конструкциям и по-разному приводиться в движение. Начиная с действия норм Евро 3 в одноступенчатых системах наддува наибольшее распространение с точки зрения минимального количества выбросов вредных веществ в ОГ и уменьшения удельного расхода топлива все большее распространение получают турбокомпрессоры с регулируемым сопловым аппаратом (РСА). Основной особенностью данных ТКР является равенство Gог = Gт в скоростном диапазоне от nmin=1000 мин-1 до nном. С учетом особенности сгорания бензоэтанольных смесей становится актуальным вопрос расчета проточных частей компрессорной и турбинных ступеней и определения законов регулирования соплового аппарата для конкретного ДВС, переводимого на питание бензоэтанольной смесью. Для обоснования применения агрегатов наддува были проведены сравнительные испытания раннее упомянутого двигателя и двигателя, оснащенного турбокомпрессором с клапаном перепуска отработавших газов из условия сохранения энергетических и экологических параметров исходного двигателя при совместном уменьшении рабочего объема на 25% до Vраб.=1500 см3. Базовую систему уравнений для определения расхода воздуха и степени повышения давления для всех расчетных точек гидравлической характеристики двигателя можно записать в следующем виде: Решив совместно уравнения (1), (2) и (3) для данного случая, мы определили необходимую степень повышения давления равную Базовую систему уравнений для определения расхода ОГ через турбину , степени понижения давления и площади проходного сечения A каналов на входе в колесо турбины можно записать в следующем виде: Кривые изменения крутящего момента, мощности и удельного расхода топлива сравниваемого двигателя были построены при помощи программ численного моделирования термодинамических процессов и представлены на рисунке 3. Из рисунка 3,а мы можем сделать вывод, что крутящий момент Мк и мощность N увеличились на 13% и 7% соответственно в диапазоне частот вращения n=3500-5500мин-1, удельный расход топлива gе уменьшился на 4 % по сравнению со сравниваемым двигателем. В диапазоне частот вращения n=1500-3500мин-1 произошло, наоборот, уменьшение Мк, N и увеличение gе, вызванной в основном неэластичностью работы турбокомпрессора во всем диапазоне работы двигателя. Для устранения этого явления в конструкции турбокомпрессора заменяем перепускной клапан отработавших газов и вводим регулируемый сопловый аппарат турбинной ступени. а) с турбокомпрессором и клапаном перепуска ОГ б) с турбокомпрессором и РСА Рисунок 3. Внешняя скоростная характеристика ДВС Турбинная ступень должна соответствовать условию – расчетный диапазон регулирования An-1 должен располагаться внутри диапазона регулирования, обеспечиваемого конструкцией турбинной ступени с РСА, где n-количество расчетных точек: Из рисунка 3,б мы можем сделать вывод, что крутящий момент Мк и мощность N увеличились во всем диапазоне оборотов n=1500-5500 мин-1, с максимальными значениями Мк=195 Нм и N=105 кВт, что на 12% и 10% больше исходных параметров сравниваемого двигателя. Удельный расход топлива gе также уменьшился во всем диапазоне частот вращения n=1500-5500 мин-1 в среднем на 5 %.По результатам работы можно сделать выводы, что применение в серийных и вновь разрабатываемых бензиновых двигателях в качестве топлива бензоэтанольных смесей совместно с использованием агрегатов наддува позволяют улучшить следующие параметры по сравнению с традиционными ДВС: · повышение КПД, а следовательно, и увеличение ТХД ДВС; · уменьшение удельного расхода топлива; · значительное снижение выбросов CO, CH; · снижение теплонапряженности деталей цилиндро-поршневой группы и деталей центральной части камеры сгорания; · уменьшение габаритных и массовых характеристик двигателя до 25%.

作者简介

A. Abramov

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: atd@mami.ru. abrsan@yandex.ru
+7-495-223-05-23, ext. 1467, +7-495-671-31-64

A. Apelinskiy

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: atd@mami.ru. abrsan@yandex.ru
Ph.D.; +7-495-223-05-23, ext. 1467, +7-495-671-31-64

K. Runovskiy

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: atd@mami.ru. abrsan@yandex.ru
Ph.D.; +7-495-223-05-23, ext. 1467, +7-495-671-31-64

V. Belov

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: atd@mami.ru. abrsan@yandex.ru
Prof., Ph.D.; +7-495-223-05-23, ext. 1467, +7-495-671-31-64

参考

补充文件