Эффективность использования природного газа в качестве топлива для автотракторных дизелей

Конвертация дизельных двигателей на природный газ метана отличается существенным улучшением экологических показателей и снижением затрат на топливо и не требует существенных конструктивных изменений двигателя.

Переоборудовать на газовое топливо (метан, пропан или природный газ) можно не только бензиновый, но и дизельный двигатель, как автомобильный, так и тракторный.

Сам процесс сгорания осуществляется путем зонального впрыска дизельного топлива в пределах 10–20 % от количества дизельного топлива при работе в базовом варианте.

Целью исследования является эффективность использования природного газа в качестве топлива для автотракторных дизелей.

Материалы и методы исследования

В камере сгорания при различных давлениях происходит горение при различных значениях соотношения топлива и воздуха. Изменение давления в КС влияет на процесс воспламенения топливовоздушных смесей, что приводит к изменению состава продуктов сгорания и тем самым – состава отработанных газов.

Основным источником при выработке синтез-газа является метан, который состоит из химических соединений, товарных моторных топлив и другой каталитической паровой конверсией. Каталитический метод редко удорожает процесс получения водорода. Сотрудниками Института химической физики В.М. Шмелевым и В.М. Николаевым предложен способ безка-талитического парциального окисления метана на базе двигателя внутреннего сгорания с конверсией до 97 %. Уравнениями (1) и (2) описываются реакции метана при парциальном окислении [10]:

СН 4 + 0,5 0 2 = CO + 2 H 2 - 35,6     кДж/моль,          (1)

СН 4 + 0 2 = CO + H 2 - 277,5     кДж/моль.           (2)

При данных экзотермических реакциях выделяющаяся тепловая энергия будет способствовать испарению и дополнительному подогреву рабочей смеси.

Для описания химического преобразования метана использовался метод кинетического моделирования, и авторами [10] были решены кинетические дифференциальные уравнения, учитывающие параметры материального баланса. Кинетическое уравнение суммарной скорости окисления метана W _m имеет вид:

= dN m = - AN aa N N cc Td exp( - e / rt ) ,          (3)

m               m ox n           a

dt

где A, a, b, c, d – эмпирические параметры,

E _a – эффективная энергия активации процесса,

N _m – молярные концентрации метана в метано-воздушной смеси,

N _ox – молярные концентрации кислорода в метано-воздушной смеси,

Nn – молярные концентрации азота в метано-воздушной смеси, t – время,

T – текущая температура,

R – универсальная газовая постоянная.

В уравнении (3) эмпирические коэффициенты подбирались на основании результатов проведенных экспериментов при моделировании топливной смеси [4]. При кинетическом расчете полученных элементов реакции ограничимся рассмотрением реакции водяного пара и при высоких температурах достаточно учесть диссоциацию паров молекул воды:

dNCO

-----= K , N co N h o ^- K 2 N co N H , dt         ^{2      22}

где N CO2 , N cO , N HO , N H2 - молярные концентрации углекислого газа, оксида углерода, водяного пара и водорода соответственно,

K 1 , K 2 - константы прямой и обратной реакции [5].

Результаты исследования

Изменение внутренней кинетической энергии, полученной при моделировании метановоздушной смеси в камере сгорания двигателей описывается системой дифференциальных уравнений:

Г dE   dV

т — = Р — + Wc - Wt, dt     dt

d ^n _

dt -“n,

dV = U ( t )’

dt

с. т cama

dTa-   «Sa (Ta - T), dt

d^cmTl = aoSa (Ta - T).

Здесь p о и T о - начальные давление и температура смеси;

• E – внутренняя энергия единицы массы газовой смеси;

• c, p, T, V - теплоемкость, давление, температура и объем газовой смеси;

• V о - объем цилиндра;

X - степень сжатия; W_c - скорость тепловыделения; W t - скорость теплопотерь; ^ n и W_n – относительная концентрация исходных компонентов в газовой смеси массой или продуктов реакции ( CH 4 , CO, CO 2 , H 2 , Н 2 О, R о ), определяемых индексом и безразмерная скорость их превращения в химической реакции соответственно, ^ _т - концентрация компонентов в остаточных газах цилиндра; § _т о - начальная концентрация метана в смеси; V - скорость поршня; с_а - теплоемкость; а _а - коэффициент теплообмена газа; T_a , S_a , т_а - температура, площадь, масса реагентов.

Концентрации полученных элементов реакции были найдены из уравнения материального баланса [7]:

X m CH 4 + o 2 ^ ( 1 - X X X m CH 4 + O 2 ) + x ( xCO + x 2 H 2 + x 3 CO 2 + x 4 H 2 O ).

где x_m - входной параметр задачи, а неизвестные молярные коэффициенты x i , x 2 , x 3 вычислялись из баланса по углероду, водороду и кислороду, а коэффициент x ₄ - из кинетического уравнения (4), доля прореагировавшего метана х - из уравнения (2) [10].

На основе исследований концентрации продуктов реакции разработана теория вовлечения воздуха в процесс сгорания ( а ):

• 1)    первичное окисление углеводородов, образование тяжелых радикалов ( « 1 « 0,1);

• 2)    образование промежуточных радикалов, перекисей и альдегидов типа С ₃ H ₇ CHO , С 3 H 7 CH 2 OO ( a 2 « 0,2);

• 3)    образование соединений типа СH ₃ CHO , СH ₃ CH ₂ OO и ряда менее сложных продуктов ( a ₃ ~ 0,5);

• 4)    образование соединений типа CH 3 OH , CH 3 CO , CO и др. ( a 4 « 0,75);

• 5)    получение конечных продуктов окисления CO 2 , H 2 O и т. д. ( а 5 ~ 1,0).

Суммарное время от впрыска до воспламенения (фазы испарения, 1, 2 и 3) является временем задержки воспламенения, влияющей на характер и скорость видимого сгорания:

dN

--— Nq + vj N — V2 N, dt где N0 - число активных центров при t — 0 ;

• v ₁ – скорость разветвления цепей реакции;

• v ₂ – скорость разрушения цепей реакции.

Акад. Н.Н. Семенов считает, что повышение давления и температуры ускоряют накопление промежуточных продуктов, ускоряющих цепные реакции [7], т. е. скорость горения.

Угол подачи топлива влияет на все фазы сгорания топлива [8]. С уменьшением нагрузки двигателя сокращается продолжительность сгорания и увеличивается относительная скорость сгорания, а при работе по скоростной характеристике продолжительность сгорания меняется обратно пропорционально частоте вращения коленчатого вала.

Таким образом, угол опережения подачи топлива корректируется при использовании альтернативных видов топлива, а также изменяется скорость сгорания по нагрузочной и скоростной характеристикам двигателя [9]:

• -    при работе по нагрузочной характеристике изменяется коэффициент избытка воздуха и подвод воздуха к сгораемому топливу, что изменяет период задержки воспламенения, интенсивности сгорания в первой и второй фазе горения;

• -    при работе по скоростной характеристике изменяется турбулизация заряда от скорости движения поршня.

Продолжительность видимого сгорания топлива пропорциональна количеству топлива, вводимого в цилиндр в течение цикла.

Экспериментальными исследованиями Ю. Варнатца и др. [1, 2, 3] доказано образование свободных атомов кислорода, водорода, углерода, азота в процессе сгорания с последующими образованиями высокоэнергетических радикалов: СО, СН, ОН, которые мгновенно вступают в химическую реакцию сгорания с образованием конечных продуктов СО 2 , Н 2 О и т. д.

Вывод

На основании результатов моделирования и проведенных исследований полученной смеси можно сформулировать заключение о том, что при использовании метана для автотракторных дизелей наблюдается существенное снижение выбросов загрязняющих веществ с отработанными газами примерно в 2,5–5 раз в зависимости от режимов эксплуатации.

Таким образом, при актуальной тенденции перехода на водородное топливо использование метана в дизельных двигателях будет способствовать снижению углеводородных выбросов с отработанными газами.

При использовании альтернативных видов топлива корректируется угол опережения впрыска топлива и изменяется скорость сгорания по нагрузочной и скоростной характеристикам двигателя.