Оценка энергии отработавших газов поршневых ДВС, оборудованных каталитическим нейтрализатором

В работе [1] показано, что эффективность утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС заметно повышается, если утилизационная установка будет использовать энергию этих газов после прохождения их через каталитический нейтрализатор, оборудованный системой подачи в него дополнительного воздуха (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема каталитического нейтрализатора с утилизационным стирлинг-генератором: 1 - полость перед сажевым фильтром; 2, 11 - наружная полость окислительного блока; 3 - внутренняя полость окислительного блока; 4 - наружная полость восстановительного блока; 5 - утилизационная стирлинг-генераторная установка; 6 - электрический провод; 7 - теплоизоляция; 8 - нагнетатель воздуха; 9 - восстановительный блок; 10 - воздухопровод; 12 - окислительный блок; 13 - патрубок входа отработавших газов; 14 - сажевый фильтр

В работе [2] была произведена оценка энергетических показателей потока продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу из КН уходящих газов (УГ) при работе поршневых ДВС по скоростной и нагрузочной характеристикам. Полученные и обсуждаемые в этой работе материалы о количестве и качестве теплоты (определяется количеством работы, которая может быть совершена), теряемой дизелем КамАЗ-740 при работе по внешней скоростной и нагрузочной характеристикам, весьма полезны для осуществления идеи утилизации этой теплоты и получения за этот счет дополнительной мощности. Однако в эксплуатации транспортный двигатель работает на самых различных режимах. В статье продолжен анализ энергетических показателей УГ применительно к реальным условиям эксплуатации.

Оценивалось изменение: энергии потока теплоты, принципиально пригодной для утилизации ( Qyr); термической эксергии (количества работы, которая может быть получена из теплоты

Qy,. (ЕхТуг )); энергии потока теплоты, передаваемой для утилизации (Q^); эксергии, передаваемой рабочему телу утилизационной установки ( Е^ ); потенциальной степени использования термического потенциала УГ (fq); потенциальной степени использования эксергии потока УГ ( fex ); характеристики работоспособности потока теплоты УГ (тСуг); характеристики работоспо собности утилизируемой теплоты (те ).

На рис. 2, 3 и 4 в качестве примера показаны многопараметровые характеристики, позволяющие оценить изменение Q^, ЕхТуг и т6уг в функции нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

Отметим, что два первых показателя при испытаниях оценивались во времени, в результате чего единицами их измерения служили киловатты.

Найденные в отношении Q^, ЕхТуг и теуг закономерности отражают два основных очевидных факта. Тепловой поток, выбрасываемый в атмосферу с УТ, увеличивается как с ростом частоты вращения коленчатого вала двигателя, так и с повышением нагрузки. В первом случае это связано с тем, что рост п приводит к увеличению количества рабочих циклов, а следовательно, и количества ухо-

Рис. 2. Зависимость энергии потока теплоты, принципиально пригодной для утилизации, от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала

дящих из дизеля в единицу времени газов.

Во втором случае (с ростом нагрузки) увеличивается цикловая подача топлива, что приводит к незначительному повышению количества УГ и к весьма заметному повышению их температуры. Кроме того, происходящее при этом уменьшение коэффициента избытка воздуха несколько увеличивает теплоемкость продуктов сгорания.

Многопараметровые характеристики для Qyr, Q™, Q^, Qy™, Q^HB, Ex”^, Ex™r, Ex^,

Ex^H, Ех^нв и соответствующих коэффициентов работоспособности внешне схожи с рассмотренными выше (см. рис. 2-4), поэтому мы сочли возможным их не проводить.

Для определения количества теплоты, отводимой от УГ для последующей утилизации, ее эксергии и величины коэффициента работоспособности в условиях эксплуатации, был проведен специальный эксперимент, в котором было использовано распределение полигонов эксплуатационных режимов дизелей грузовых автомобилей при движении автомобиля в городе и по шоссе [5] (рис. 5).

Рис. 3. Зависимость термической эксергии энергии потока теплоты принципиально пригодной для утилизации, от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала

Рис. 4. Зависимость коэффициента работоспособности потока теплоты, принципиально пригодной для утилизации, от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала

Проведенные измерения и расчеты показали следующее.

При работе дизеля КамАЗ-740 в указанных условиях его средняя эффективная мощность NgKcn составляет 110,6 кВт (рис. 6). Потери теплоты с УГ в случае штатной комплектации двигателя составили 80,5 % от NgKcn (89,0 кВт). Если дизель укомплектован КН, то УГ уносят в атмосферу 102 кВт энергии в форме теплоты (92,2 % от N^KCn). Добавление воздуха в нейтрализатор доводит рассматриваемые потери до 115,4 кВт (до 104,3 % по отношению к N^KCn ). Теряемая с УГ

Рис. 5. Вероятностное распределение полигонов эксплуатационных режимов дизелей грузовых автомобилей при движении по городскому и междугороднему циклам

Рис. 6. Эксплуатационная величина энергетических показателей уходящих газов: 1 - дизель КамАЗ-740;

2 - при работе с КН; 3 - при подаче дополнительного воздуха в нейтрализатор

термическая эксергия соответственно составляет 50,7 кВт (45,8 % от N^KCn ), 66,8 кВт (60,4 % от N^KCn) и 79,4 кВт (71,8 % от NgKcn ). В случае установки в выпускную систему дизеля утилизационного двигателя Стирлинга ему от УГ передается для последующей трансформации в работу 47,4 кВт теплоты (42,9 % от N^KCn) при штатной комплектации двигателя; 54,7 кВт (44,5 % от NgKCn ) при наличии КН и 59,7 кВт (54,0 % от N^KCn) при добавлении в нейтрализатор воздуха.

Термическая эксергия перечисленных потоков теплоты соответственно составляет 31,7 кВт (28,7 % от NgKCn), 37,6 кВт (34,0 % от NgKcn) и 41,2 кВт (37,3 % от N^Kcn). Приведенные цифры свидетельствуют о существенном увеличении энергетических показателей УГ при установке в выпускную систему дизеля КН, особенно при добавлении в нейтрализатор воздуха. Так в случае использования КН Q^cn увеличивается на 14,6 %, а добавление воздуха в нейтрализатор повышает QypCn еще на 15,1 %. Таким образом, общее увеличение Qy*cn составляет 29,7 %. В отношении Ех^п соответствующие цифры выглядят так: 31,8, 24,9 и 56,7 %. К теплоте, передаваемой ДС с целью последующей утилизации, установка КН добавляет 7,3 кВт (15,4 %), подача дополнительного воздуха еще 5 кВт (10,5 %). В общем итоге Q^ увеличивается на 25,9 %. Соответствующие эксергетические показатели повышаются на 5,9 кВт (18,6 %), на 3,6 кВт (11,5 %) и на 9,5 кВт (на 30,1 %).

Результаты экспериментов, касающиеся fq , fex , теуг и теут , приведены в таблице.

Некоторые энергетические характеристики уходящих газов дизеля КамАЗ-740 в условиях эксплуатационных режимов дизелей грузовых автомобилей при движении по городскому и междугороднему циклам

Комплектация выпускной системы	рЭКСП	рЭКСП	эксп е суг	е сут
Штатная	0,377	0,625	0,570	0,669
С каталитическим нейтрализатором	0,369	0,563	0,655	0,688
С добавлением воздуха в каталитический нейтрализатор	0,357	0,519	0,689	0,690

Выводы

• 1.    Отработавшие газы дизеля КамАЗ-740 обладают значительным термическим потенциалом, сравнимым по абсолютной величине с эффективной мощностью двигателя.

• 2.    Установка в выпускную систему дизеля каталитического нейтрализатора и особенно добавление в него воздуха существенно повышают количество и качество теплоты, теряемой с уходящими газами. Так, в последнем случае на режиме номинальной мощности Q_yr составляет 164,5 %, а Ех^ - 118,3 % от N_Chom . На режиме максимального крутящего момента эти показатели достигают 118,3 и 81,6 % от N_eH0M соответственно. При эксплуатации автомобиля КамАЗ5404 с дизелем КамАЗ-740 в городских условиях Q^^cn превышает N|^KCn на 4,3 %, а Ех^^п составляет 71,8 % от N|^KCn .

• 3.    Количества теплоты и ее эксергии, которые могут быть переданы рабочему телу утилизационного двигателя Стирлинга, весьма велики. На режиме номинальной мощности это 135,2 и 97,5 кВт, на режиме максимального крутящего момента - 75,3 и 51,9 кВт соответственно. В условиях городской эксплуатации Q^^3KCn составляет 59,7 кВт, Ех^^эксп -41,2 кВт.

• 4.    Приведенные в пн. 1, 2 и 3 цифры свидетельствуют о существовании значительных резервов повышения мощностных и экономических показателей дизеля КамАЗ-740 за счет утилизации теплоты уходящих из него газов.