В результате сжатия температура горючей смеси: В результате сжатия температура горючей смеси в тепловом двигателе достигает 350 °С. Выразите эту температуру в Кельвинах.

Содержание

Светлые нефтепродукты, особенности их производства и современные стандарты

Светлые нефтепродукты — наиболее маржинальные продукты нефтепереработки. К ним относятся бензин, керосин и дизельное топливо. получение соответствующих фракций происходит уже при начальной перегонке нефти, но увеличить их выход по отношению к объему исходного сырья и произвести высококачественный чистый продукт возможно только в результате вторичных процессов нефтепереработки

Первый после дизеля

Светлые нефтепродукты состоят из легких фракций, кипящих при относительно низких температурах. Такие фракции, как правило, почти бесцветны. В первую очередь при упоминании светлых в голову приходит, конечно же, бензин. Хотя справедливости ради нужно сказать, что в структуре мирового потребления бензин уступает по объемам место дизельному топливу, и эта тенденция, по прогнозам экспертов, сохранится. Такой перевес дизеля связан как с многолетним трендом роста автопарка на дизельном топливе и сокращением выпуска бензиновых авто, так и со структурной характеристикой: в случае с дизелем это не только легковые автомобили, но и вся тяжелая коммерческая автотехника, железнодорожный транспорт.

Бензины — легковоспламеняющиеся бесцветные или слегка желтоватые жидкости, представляют собой смесь нефтепродуктов с интервалом кипения от 40 до 200°С. Интересно, что слово «бензин» происходит от арабского словосочетания, означающего «яванское благовоние». Так называли смолу дерева стиракс, известную также как «росный ладан». Позднее из нее стали производить кислоту, названную бензойной. В 1833 году немецкий химик Эйльхард Мичерлих получил из этой кислоты простейшее ароматическое соединение бензол и назвал его benzin. В некоторых языках это название закрепилось за классом легких нефтепродуктов, в состав которых входят ароматические соединения, в том числе бензол.

Составляющие бензина — продукты многих процессов на НПЗ: первичной перегонки (прямогонные бензиновые фракции) и вторичных процессов переработки — крекинга, риформинга, алкилирования, изомеризации, полимеризации, пиролиза и висбрекинга. Также в состав бензина могут входить неуглеводородные соединения — спирты, эфиры и другие компоненты.

Современный нефтеперерабатывающий завод — это сложнейшее технологическое сооружение, занимающее площадь в несколько гектар

Вторичные процессы относят к физико-химической технологии переработки. Именно химические реакции — конденсации, расщепления, замещения — позволяют регулировать производство и получать углеводородные смеси требуемого состава и качества. Это принципиально отличает вторичную переработку нефти от простой перегонки.

Слово «бензин» происходит от арабского словосочетания, означающего «яванское благовоние». Так называли смолу дерева стиракс. Позднее из нее стали производить кислоту, названную бензойной. в 1833-м немецкий химик Эйльхард Мичерлих получил из этой кислоты простейшее ароматическое соединение бензол и назвал его benzin.

Основные характеристики

Важнейшая характеристика бензина — октановое число, которое определяет его детонационную стойкость, то есть способность противостоять самовоспламенению при сжатии. Детонация — нежелательное явление в бензиновом двигателе. Оно возникает, когда часть топлива в цилиндре загорается еще до того, как его достигнет пламя от свечи зажигания, и сгорает быстрее, чем требуется. В результате мощность двигателя снижается, он перегревается и быстрее изнашивается. О детонации свидетельствует характерный стук в моторе. В современных двигателях степень сжатия поршня в цилиндре высока — это дает и большую мощность, и увеличение КПД, а значит, бензины с высокой детонационной стойкостью всё востребованнее.

12%
Увеличения мощности двигателя автомобиля можно достичь за счет использования современного топлива G-Drive

Октановое число — условный показатель. Его оценивают, сравнивая детонационную стойкость бензина с модельной смесью двух веществ — изооктана и н-гептана. Сам показатель соответствует процентному содержанию в этой смеси изооктана, который с трудом самовоспламеняется даже при высоких степенях сжатия. Его октановое число принято за 100. Н-гептан, напротив, детонирует даже при небольшом сжатии. Его октановое число — 0. Если октановое число бензина равно 95, это означает, что он детонирует, как смесь 95% изооктана и 5% гептана.

Углеводороды, которые содержатся в топливах, значительно различаются по детонационной стойкости: наибольшее октановое число имеют ароматические углеводороды и парафиновые углеводороды разветвленного строения (изоалканы), наименьшее октановое число у парафиновых углеводородов нормального строения. Последние в подавляющем большинстве содержатся в прямогонных бензинах, и их октановое число, как правило, не превышает 70. Ароматические углеводороды образуются в процессе каталитического риформинга, а разветвленные парафины — при каталитическом крекинге. Именно эти два процесса в XX веке стали основными процессами вторичной переработки нефти, позволяющими получать бензины с повышенным октановым числом. Сегодня высокооктановые бензиновые фракции также получают в результате процессов алкилирования, изомеризации и гидрокрекинга, или используя в низкооктановых бензинах разнообразные присадки.

Бензиновый купаж

Вообще, производство бензина, как и любого другого современного высококачественного топлива — это целое искусство. Судите сами: каждый из процессов переработки нефти на НПЗ дает бензины в разном количестве, разного состава (соотношение основных компонентов) и с разным октановым числом. Все эти параметры обусловлены не только характеристиками процессов, но также особенностями технологической схемы каждого конкретного производства и составом исходного сырья. Далее необходимо смешать компоненты так, чтобы на выходе получился продукт с требуемыми параметрами.

Со временем помимо таких характеристик, как октановое число, фракционный состав, химическая стабильность, давление насыщенных паров, все большую роль стали играть экологические показатели. Когда-то, чтобы повысить октановое число бензина, в него добавляли тетраэтилсвинец — такой бензин назывался этилированным. Сегодня использование этой присадки полностью запрещено из-за ее токсичности.

Класс качества

Первый экологический стандарт «Евро-1» для отработанных газов автомобилей был введен в Европе 24 года назад — в 1992-м. Просуществовал он недолго — всего три года. «Второй» евро стал более жестким: почти вдвое было снижено допустимое содержание твердых частиц. Но самое радикальное ужесточение произошло с введением «Евро-3» в 1999 году. Новый стандарт предполагал суммарное уменьшение уровня выбросов почти на 40%. «Четвертый» и «пятый» евро продолжили движение в этом направлении, но теперь большое значение стало придаваться выбросам СО2, поскольку весь «цивилизованный мир» начал активную борьбу с глобальным потеплением. «Евро-6» в этом смысле лишь закрепляет тенденцию. Стоит подчеркнуть, что сам термин «стандарт евро» относится исключительно к содержанию вредных веществ в отработанных автомобильных газах, а не в моторном топливе. В России же названия экологических стандартов автоматически перенеслись на качественные характеристики бензина или дизеля, хотя требования к безопасности топлива сформулированы в специальном техническом регламенте Таможенного союза «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту», в котором принят термин «экологический класс» (от К2 до К5).

«Газпром нефть» одной из первых в России перешла на производство бензинов и дизельного топлива пятого экологического класса — в 2015 году. Окончательно же Россия собирается перейти на топливо стандарта Евро-5 с 1 июля 2016 года.

Большую опасность для людей представляют и некоторые ароматические соединения, в частности ряд полициклических ароматических углеводородов, а также бензол, который признан сильным канцерогеном. Ограничение содержания ароматики — требование, которое позволяет снизить негативный экологический эффект от использования бензина. Для примера, в бензинах класса «Евро-3» содержание ароматики было ограничено 42%, а последний европейский стандарт «Евро-6» подразумевает уже не более 24% ароматических углеводородов. Чтобы добиться соответствия бензина экологическим стандартам, сегодня высокооктановый (с октановым числом 100–104) бензин каталитического риформинга (риформат), содержащий много ароматических углеводородов, смешивают с другими фракциями с меньшим октановым числом, полученными в результате изомеризации, каткрекинга или алкилирования. В результате удается получить и высокое октановое число, и приемлемое содержание ароматики.

10мг/кг
допустимое содержание серы в бензинах экологичесского класса «ЕВРО-5», что в 50 раз меньше, чем для «ЕВРО-2»

Рабочие лошадки

Основная область применения легких газойлей, полученных при атмосферной перегонке нефти, а также с помощью гидрокрекинга, термического или каталитического крекинга и коксования нефтяных остатков, — изготовление дизельного топлива. В его состав входят углеводороды с интервалом кипения 200—350°C. Дизель состоит из более тяжелых углеводородов, чем бензин и керосин, он более вязкий и темный (прозрачен, но имеет желтова-тый или коричневатый оттенок). Традиционно дизель использовался в первую очередь как топливо для железнодорожного и водного транспорта, грузового автотранспорта, сельскохозяйственной техники, а также в качестве котельного топлива. Однако позднее приобрел популярность и как топливо для легковых автомобилей благодаря экономичности и надежности дизельных моторов.

Термический и каталитический крекинг

Термический крекинг — процесс расщепления молекул тяжелых углеводородов на молекулы с меньшей молекулярной массой при высокой температуре (более 500°C) и высоком давлении. Создание в 1930-х годах в США эффективных катализаторов, ускоряющих процессы крекинга, привело к тому, что каталитический крекинг достаточно быстро вытеснил термический с ведущих позиций среди процессов глубокой переработки нефти. Более высокая скорость протекания реакций позволила уменьшить размеры установок. Снизилась и температура реакции. Кроме того, процесс давал иное соотношение продуктов, позволяя получать бензин с более высоким октановым числом.

Сырьем для каталитического крекинга служат атмосферный и вакуумный газойль. Основные продукты крекинга — пентан-гексановая фракция (т. н. газовый бензин) и нафта крекинга, которые используются как компоненты автомобильного бензина. Также образуются разнообразные газообразные компоненты (метан, этан, этилен, сероводород, пропан, пропилен, бутан, бутилен).

Процесс протекает следующим образом. В нижнюю часть реактора вводится поток нагретого катализатора, в который впрыскивается также нагретое сырье и пар. Испаряясь, сырье поднимается вместе с катализатором в верхнюю часть реактора. В это время и протекают реакции крекинга. Затем катализатор при помощи пара отделяется от полученных продуктов, которые отправляются на разделение в ректификационную колонну. Так как во время реакций на поверхности частиц катализатора оседает кокс — побочный продукт крекинга, — катализатор теряет свою активность и нуждается в очистке. Для этого его направляют в регенератор, где загрязнение выжигается. После этого катализатор снова готов к использованию.

В дизельном двигателе горючая смесь воспламеняется не от искрового зажигания, а в результате сжатия. Это значит, что, в отличие от бензинов, для дизельного топлива высокая детонационная стойкость как раз нежелательна. Главный критерий его качества — воспламеняемость, которая выражается цетановым числом. Подобно определению октанового числа бензина его получают, сравнивая исследуемое топливо со смесью цетана (C16h44) и α-метилнафталина (C11h20). Процентное содержание цетана в смеси с аналогичной воспламеняемостью и даст цетановое число. Высокое цетановое число и хорошая воспламеняемость дизельного топлива снижают время запуска двигателя, уровень выбросов и шум. Еще одна важная качественная характеристика дизеля — низкотемпературные свойства, то есть способность не замерзать при низких температурах.

Установка гидрокрекинга на НПЗ компании NIS в Панчево, Сербия

Борьба за экологичность привела к запрету тетраэтилсвинца — присадки, повышающей октановое число товарного бензина

Углеводородный состав дизельной фракции более сложен, чем у более легких дистиллятов: в зависимости от процесса получения здесь можно найти и парафиновые углеводороды (алканы), и ароматику, и олефины, и изопарафины. Каждое из этих веществ обладает своими преимуществами и недостатками с точки зрения применения дизеля. Например, у алканов отличная воспламеняемость, но плохая устойчивость к низким температурам. Зато олефины прекрасно переносят морозы, но значительно снижают цетановое число. Это обстоятельство в том числе способствует тому, чтобы производить разные сорта дизельного топлива из различных смесей углеводородов с учетом дальнейшего применения. За основу принимают средние дистилляты прямой перегонки — в советские времена их использовали без лишних примесей — это всем известная солярка. Ценный компонент дизеля — газойль гидрокрекинга, у него высокое цетановое число и малое содержание посторонних примесей. Вообще гидроочистка — обязательный процесс при получении качественного дизеля — в средних и тяжелых дистиллятах скапливается максимальное количество серы и других примесей, бывших в исходном сырье.

Термические процессы

Термические процессы нефтепереработки позволяют получать различные нефтепродукты под воздействием тепла и высокого давления. Первым из таких процессов стал термический крекинг. В настоящее время различные варианты термических процессов (коксование, пиролиз, флексикокинг, висбрекинг) используются в первую очередь для переработки тяжелых фракций нефти и нефтяных остатков. К примеру, коксование позволяет получать из них твердый нефтяной кокс (состоящий преимущественно из углерода), а также низкокипящие углеводороды, которые можно использовать в качестве сырья для других процессов с последующим получением ценных моторных топлив. Висбрекинг применяют для получения главным образом котельных топлив (топочных мазутов) из гудронов. Флексикокинг предназначен для переработки остатков различных процессов, которые смешиваются с нагретым коксовым порошком и дают на выходе разнообразные компоненты жидких топлив и газ. Пиролиз используется для получения углеводородного газа, содержащего такие вещества, как этилен, пропилен и дивинил, — сырье для нефтехимической промышленности.

Гидропроцессы

В гидропроцессах все реакции происходят под действием водорода. Простейший гидропроцесс — гидроочистка. Она применяется для того, которые другие соединения. При высоком давлении и температуре сырье смешивается с водородом и катализатором. В результате атомы серы освобождаются от предыдущих химических связей и соединяются с атомами водорода, образуя стойкое химическое соединение — сероводород, который легко отделяется в виде газа. Гидроочистке подвергаются бензиновые фракции, керосиновые фракции, дизельное топливо, вакуумный газойль и фракции масел.

Гидрокрекинг — один из видов крекинга, используемый для получения бензина, дизельного и реактивного топлива, смазочных масел, сырья для каталитического крекинга и др. Одновременно с реакциями крекинга происходит гидроочистка продуктов от соединений серы и насыщение водородом непредельных углеводородов, то есть получение устойчивых соединений.

Топливо для фонарей и самолетов

Керосин был первым видом топлива, который стали получать из нефти с помощью перегонки. Первоначально он использовался в основном для уличного освещения. Керосин представляет собой прозрачную, бесцветную или желтоватую, слегка маслянистую на ощупь жидкость — смесь углеводородов, молекулы которых содержат от восьми до 15 атомов углерода. Температура кипения керосинов находится в интервале 150—250°C.

Сегодня керосин применяют в первую очередь как авиационное реактивное топливо, а также в качестве компонента жидкого ракетного топлива, в бытовых нагревательных и осветительных приборах, в аппаратах для резки металлов, как растворитель, а также как сырье для нефтеперерабатывающей промышленности.

Реактивное топливо получают из малосернистого или обессеренного керосина, легкого газойля коксования и гидрокрекированных компонентов. Оно проходит строгую проверку качества по таким параметрам, как плотность, вязкость, низкотемпературные характеристики, электропроводность, коррозионные свойства и др. В реактивных топливах недопустимо присутствие сероводорода, водорастворимых кислот и щелочей, мыла нафтеновых кислот, механических примесей, воды.

Мировое производство реактивного топлива составляет в среднем 5% от перерабатываемой нефти. В мирное время военные потребляют около 10% от общих ресурсов реактивных топлив.

Каталитический риформинг

Каталитический риформинг — процесс переработки прямогонных бензиновых фракций нефти. Его задача улучшать исходное сырье за счет увеличения октанового числа. В процессе риформинга алканы превращаются в так называемые ароматические углеводороды, характерная черта которых — замкнутая структура молекулы или наличие бензольного кольца — группы из шести атомов углерода, соединенных друг с другом по кругу. Самое простое и одно из самых распространенных ароматических соединений — бензол, молекула которого состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода. Свое название эта группа веществ получила благодаря тому, что первые открытые ее представители обладали приятным запахом. В дальнейшем понятие «ароматичность» стали связывать не с запахом, а с определенными химическими свойствами, характерными для этих соединений.

Продукты каталитического риформинга (риформат) используют не только как компонент для производства автобензинов, но и как сырье для извлечения индивидуальных ароматических углеводородов, таких как бензол, толуол и ксилолы. Ароматика, в свою очередь, становится сырьем для производства самых различных пластиков.

Алкилирование

Алкилирование — это процесс, который позволяет получить высокооктановые бензиновые компоненты (алкилат) из непредельных углеводородных газов. В основе процесса лежит реакция соединения алкена и алкана с получением алкана с числом атомов углерода, равным сумме атомов углерода в исходных соединениях. По сути это реакция, обратная крекингу, так как в результате получаются вещества с более длинными цепочками молекул и большей молекулярной массой. Впоследствии алкилат смешивают с низкооктановыми бензиновыми фракциями, получая на выходе облагороженный бензин.

Изомеризация

Изомеризация — процесс получения изоуглеводородов, то есть углеводородов с более разветвленными цепочками атомов углерода, из углеводородов нормального строения. Например, если молекула пентана представляет собой цепочку из пяти расположенных друг за другом атомов углерода, то изопентан — это цепочка из четырех атомов углерода с ответвлением, образованным пятым атомом углерода. Изомеризация позволяет повысить октановое число смеси и используется для облагораживания бензина.

Молекула пентана и молекула изопен-тана (справа)

Температура — горючая смесь — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Температура — горючая смесь

Cтраница 4

Прирост температуры объясняется выделением тепла при реакции окисления, однако в связи с тем, что потери тепла превышают тепловыделения, температура горючей смеси в дальнейшем падает. [47]

Рассмотрим химическую реакцию в горючей смеси, заключенной в сосуд при постепенном повышении температуры окружающей его среды, а вместе с ней и температуры горючей смеси. [49]

В рабочей смеси появление активных молекул в незначительном количестве начинается еще в начале сжатия; по мере повышения в процессе сжатия давления и температуры горючей смеси количество активных молекул, имеющих избыточную кинетическую энергию, увеличивается, что способствует интенсивному окислению топлива, и в результате этого рабочая смесь к моменту появления искры бывает уже значительно подготовленной к пламенному сгоранию. Проскакивание искры сопровождается весьма сильным тепловым воздействием, в результате чего происходит резкое усиление промежуточных реакций и зарождение реакционных цепей. [50]

Для образования взрыва газовоздушных смесей необходимо наличие не только вполне определенных концентраций газа в воздухе, но и появление источника воспламенения, с помощью которого температура горючей смеси, хотя бы в одной точке, может быть доведена до температуры воспламенения. Источниками воспламенения могут быть пламя, искра, накаленное тело и др. Если предупредить возникновение источников воспламенения, то взрыва не произойдет даже тогда, когда помещения или установки, использующие газ, будут заполнены взрывчатой газовоздушной смесью. [51]

Тепловыми источниками зажигания могут быть открытое пламя, электрическая искра или дуга, искры, образующиеся при трении или ударе, несгоревшие частицы топлива, повышение температуры горючей смеси, образовавшееся при химических процессах, соприкосновение с нагретыми поверхностями и др. Источником горения могут также явиться химические и микробиологические процессы, происходящие в веществе при обычных температурах с выделением тепла. [53]

На значение минимальной энергии зажигания влияет состав горючей смеси, гасящий эффект электродов ( 170 ] ( в случае их различной формы), начальное давление и температура горючей смеси. [55]

Ко — предэкспоненциальный множитель; С — концентрация горючего в системе; v — суммарный порядок реакции; Е — энергия активации; R — газовая постоянная; Т — температура горючей смеси. [56]

Источниками зажигания ( импульсами) горючего вещества могут быть открытое пламя, электрическая искра или дуга, искры, образующиеся при трении или ударе, несгоревшие частицы вещества, повышение температуры горючей смеси при химических процессах, соприкосновение с нагретыми поверхностями и др. Источником зажигания могут также быть химические и микробиологические процессы, происходящие в веществе при обычных температурах с выделением тепла. [57]

Из изложенного можно сделать вывод о том, что для предупреждения взрывов необходимо создавать условия, гарантирующие невозможность образования взрывчатых смесей, и не допускать появления источников воспламенения, способных поднять температуру горючих смесей до температуры их воспламенения. Установлено, что почти все взрывы происходят по причинам организационных или технических неполадок, которые всегда могли быть предупреждены и устранены. [58]

Из изложенного можно сделать вывод о том, что для предупреждения взрывов необходимо создавать условия, гарантирующие невозможность образования взрывчатых смесей, и не допускать появления источников воспламенения, могущих поднять температуру горючих смесей до температуры их воспламенения. Установлено, что почти все взрывы происходят по причинам организационных или технических неполадок, которые всегда могли быть предупреждены и устранены. [59]

Рассмотрим использование СНГ в двух видах двигателей внутреннего сгорания: карбюраторных, работающих по циклу ОТТО с зажиганием смеси от искры, и дизельных, зажигание в которых осуществляется за счет повышения температуры горючей смеси при ее сжатии. Основное внимание уделим только основным принципам конструктивного оформления и работы двигателей, работающих на СНГ. [60]

Страницы: 1 2 3 4

Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы

В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рис. 1.3) рабочий цикл происходит следующим образом.

Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя

Такт впуска. Поршень находится в в.м.т. и по мере вращения коленчатого вала (за один его полуоборот) перемещается от в.м.т. к н.м.т. При этом впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре создается разряжение, равное 0,07—0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод в цилиндр.

От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75—125 °С.

Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения, который для высокооборотных карбюраторных двигателей находится в пределах 0,65—0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.

Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. Впускной клапан 4 закрывается, а выпускной 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее повышаются. В зависимости от степени сжатия давление в конце такта сжатия может составлять 0,8—1,5 МПа, а температура газов 300— 450 °С.

Такт расширения, или рабочий ход. В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от в.м.т. к н.м.т. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5—5 МПа, а температура газов 2100—2400 °С.

При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3—0,75 МПа, а температура — до 900—1200 °С.

Такт выпуска. Коленчатый вал через шатун перемещает поршень от н.м.т. к в.м.т. При этом выпускной клапан открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод. В начале процесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0,105—0,120 МПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750— 900 °С, понижаясь к его концу до 500—600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.

По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из-за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

В четырехтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.

Такт впуска. При движении поршня от в.м.т. к н.м.т. вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан 5 поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08—0,95 МПа, а температура 40—60 °С.

Такт сжатия. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Из-за высокой степени сжатия температура воздуха достигает 550—700 °С при давлении воздуха внутри цилиндра 4,0—5,0 МПа.

Такт расширения, или рабочий ход. При подходе поршня к в.м.т. в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6—9 МПа, а температура 1800-2000 °С. Под действием давления газов поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т. Происходит рабочий ход. Около н.м.т. давление снижается до 0,3—0,5 МПа, а температура—до 700—900 °С.

Такт выпуска. Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается до 0,11—0,12 МПа, а температура — до 500—700 °С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Показатели работы двигателя. Работа, совершаемая газами в единицу времени внутри цилиндра двигателя, называется индикаторной мощностью.

Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Таким образом, эффективная мощность меньше, чем индикаторная мощность, из-за механических потерь, расходуемых в механизмах и системах двигателя. На основании этого механическим к.п.д. (коэффициентом полезного действия) двигателя называют отношение эффективной мощности к индикаторной.

Механический к.п.д. карбюраторных двигателей составляет 0,70— 0,85, а дизелей — 0,73—0,87.

Мощностные показатели двигателя в значительной мере определяются количеством теплоты, превращенным в полезную работу. Степень использования теплоты, введенной в двигатель с топливом, оценивают эффективным к.п.д., который представляет собой отношение количества теплоты Qe, превращенной в эффективную работу, к количеству теплоты Qt, выделившейся в результате сгорания

Рис. 3. Схемы компоновки цилиндров двигателей

—

Дизель. Рассмотрим процесс протекания каждого такта в цилиндре дизеля (рис. 7).

Первый такт — впуск. Цилиндр заполняется воздухом, кислород которого обеспечивает сгорание топлива. Чем больше воздуха поступает в цилиндр, тем большее количество топлива можно сжечь в нем и тем выше будет давление газов на поршень при рабочем ходе (увеличивается мощность).

Во время впуска поршень движется вниз, впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Воздух, поступающий в цилиндр, нагревается при смешивании с горячими остаточными газами и от нагретых деталей работающего дизеля.

К концу первого такта температура воздуха достигает 40… 60 °С, и его плотность уменьшается. Кроме того, при движении он встречает сопротивление во впускных каналах дизеля. По этим причинам давление в цилиндре оказывается ниже атмосферного (0,08… 0,09 МПа).

Второй такт — сжатие. Поршень перемещается вверх, оба клапана закрыты. Под действием поршня воздух сжимается в 15…17 раз (степень сжатия е=15… 17) и при этом нагревается. Давление в конце сжатия доходит до 3…4 МПа, а температура — до 550…600 °С, что значительно превышает температуру самовоспламенения топлива.

Рис. 4. Схема рабочего цикла одноцилиндрового четырехтактного дизеля: 1 — форсунка; 2 — топливный насос.

Третий такт — расширение. Перед самым окончанием такта сжатия, когда поршень почти дошел до в. м.т., в цилиндр через форсунку впрыскивается порция топлива. Большая часть его сразу же воспламеняется и сгорает. Температура газов повышается до 2000…2100 °С, а давление — до 5,5…8,0 МПа. Под таким давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и через шатун проворачивает коленчатый вал. В процессе расширения сгорает остальная часть впрыснутого топлива. По мере перемещения поршня давление газов в цилиндре падает, а температура уменьшается. К концу третьего такта давление снижается до 0,2…0,3 МПа, а температура — до 600…650 °С.

Четвертый такт — выпуск. Впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Из цилиндра выталкиваются отработавшие газы. Давление оставшихся газов падает до 0,11…0,12 МПа. Температура отработавших газов в месте выхода из цилиндра составляет 400…500 °С.

Далее рабочий цикл повторяется.

Карбюраторный двигатель. Подобным образом рассмотрим рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.

Такт впуска. Выпускной клапан закрыт, а впускной открыт. При движении поршня от в. м. т. вниз цилиндр заполняется смесью топлива с воздухом. Такая смесь приготовляется в специальном приборе — карбюраторе и называется горючей смесью. Поступая в цилиндр, она перемешивается с остаточными газами, в результате чего образуется рабочая смесь.

Давление рабочей смеси в цилиндре при такте впуска из-за сопротивления в карбюраторе ниже, чем в цилиндре дизеля, и составляет 0,07…0,08 МПа. Температура рабочей смеси повышается 60…120 °С в основном за счет высокой температуры остаточных газов.

Такт сжатия. При этом такте, как и в дизеле, рабочая смесь, сжимаясь, нагревается. С увеличением степени сжатия растет давление и температура смеси, а также скорость ее сгорания. В результате повышается экономичность и мощность двигателя. Но при повышенной температуре возникает опасность преждевременного воспламенения (самовоспламенения) смеси. Чтобы избежать этого, рабочую смесь сжимают незначительно (е=4…8). Давление в цилиндре в конце такта сжатия — 0,9…1,2 МПа, а температура не превышает температуры самовоспламенения, доходя лишь до 330 °С.

Такт расширения. Перед окончанием такта сжатия между электродами искровой свечи зажигания проскакивает электрический заряд. Искра воспламеняет рабочую смесь. Температура горящих газов доходит до 2500 °С, а давление повышается до 3,0…4,5 МПа. Под действием силы давления газов поршень перемещается вниз. К концу . третьего такта давление снижается до 0,3…0,4 МПа, а температура — до 900…1200 °С.

Такт выпуска происходит так же, как в дизеле, но при несколько более высокой температуре газов.

Сравнительная оценка дизеля и карбюраторного двигателя.

По сравнению с карбюраторным (бензиновым) двигателем дизель имеет следующие преимущества:
— дизель экономичнее: на единицу выполненной работы вследствие высокой степени сжатия он расходует на 25% меньше топлива;
— топливо, на котором работает дизель, менее опасно в пожарном отношении и оказывает меньшее коррозионное действие на детали, чем бензин.

Недостатки дизеля:
— из-за высокого давления газов в цилиндрах, корпус и другие детали, работающие со значительными нагрузками, тяжелее и имеют большие размеры;
— для пуска дизеля требуется более мощный стартер или специальный карбюраторный пусковой двигатель;
— дизель работает со значительным избытком воздуха, поэтому размеры цилиндров и других деталей и сборочных единиц увеличены.

Расчетное исследование процесса сгорания и характеристик дизельного двигателя и HCCI-двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Расчетное исследование процесса сгорания и характеристик дизельного двигателя и HCCI-двигателя

В.Г. Камалтдинов, доцент Южно-Уральского государственного университета (Челябинск), к.т.н., В.А. Марков, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,

Г. Д. Драгунов, профессор Южно-Уральского государственного университета (Челябинск), д.т.н.

Показаны преимущества рабочего цикла HCCI-двигателя. Представлена математическая модель процессов, протекающих в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Приведены результаты расчетных исследований процесса сгорания смеси 83 % природного газа и 27 % диметилового эфира.

Ключевые слова: дизельный двигатель, компрессионное воспламенение однородной смеси, дизельное топливо, природный газ, диметиловый эфир (ДМЭ).

В последние годы проводятся многочисленные исследования нового типа организации рабочего процесса, который получил название HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition — компрессорное воспламенение гомогенного заряда) [1, 2]. В двигателях с HCCI-процессом, как в дизелях, воспламенение происходит от сжатия смеси в цилиндре. HCCI-процесс подразумевает последовательное протекание реакций, которые приводят к тому, что сгорание охватывает одновременно весь объем заряда или, по крайней мере, значительную его часть, а не распространяется перемещающимся фронтом пламени. Основные положения физико-химической природы такого сгорания изложены в работе [3].

В результате исследований было установлено, что этот подход к организации воспламенения смеси, названный гомогенным сгоранием, вследствие значительно возросших возможностей по его управлению поз-

воляет улучшить стабильность и равномерность процесса. Кроме того, использование принципа гомогенного сгорания позволяет реализовать самовоспламенение топлив с низким цетановым числом (природный газ, метанол и др.) при существенно меньших степенях сжатия, необходимых для топлив с плохой воспламеняемостью. При реализации рабочего цикла НСС1 могут быть существенно уменьшены выбросы с отработавшими газами (ОГ) наиболее значимых токсичных компонентов ОГ — оксидов азота ЫОх [4-7]. В целом можно отметить, что НСС1-двигатели имеют ряд серьезных преимуществ, а именно:

• радикально низкое образование оксидов азота за счет низкотемпературного и полного сгорания топлива;

• значительную энергоэффективность, обеспечиваемую высоким КПД за счет одновременного выделения теплоты по всему объему камеры сгорания;

• использование экологически более чистых и дешевых

газообразных топлив (метан, природный газ, пропан и др.).

Благодаря названным преимуществам сжигание гомогенных смесей в двигателях с воспламенением от сжатия признано во всем мире перспективным направлением развития ДВС. В США, Европе и Азии интенсивно ведутся НИОКР, изготовлены и испытаны опытные образцы автомобилей с такими двигателями. Число публикаций по этой проблематике стремительно растет.

Специфика организации рабочего процесса в НСС1-двигате-лях определяется в зависимости от процессов воспламенения и сгорания сочетанием различных факторов, например, вида применяемого топлива, конструкции и теплового состояния двигателя, скоростного и нагрузочного режимов его работы и др. Температура самовоспламенения горючей смеси в определенный момент времени при определенном угле поворота коленчатого вала (ПКВ) достигается в результате сжатия. Для

Научные разработки и исследования

^^ОЦИКЛ**

300

250 —

Ш 2 и

о «

200

130 —

100

330

340

370

380

азо збо ф,°ПКВ

Рис. 1. Зависимость изменения скорости тепловыделения % в цилиндре НСС1-двигателя

от угла поворота коленчатого вала ф при постоянной подаче топлива (продолжительность впрыскивания 1,4 мс), параметрах окружающего воздуха 7″о=305 К и ро=0,1 МПа, различных частотах вращения коленчатого вала п, мин- и коэффициентах X: 1 — пп =800, Х=0,71; 2 — п=1000, Х=0,74; 3 — п =1200, Х=0,79; 4 — п =1400, Х=0,85; 5 — п=1600, Х=0,91; 6 — п =1800, Х=0,96;

фазы газораспределения: открытие впускного клапана — 50 °ПКВ после верхней мертвой точки (ВМТ), закрытие выпускного клапана — 70 °ПКВ до ВМТ

различных топлив расчетно-теоретически и экспериментально установлено влияние на момент самовоспламенения состава смеси (коэффициент избытка воздуха а, подача топлива), температуры Та и давления ра топливно-воздушной смеси в начале сжатия, температуры огневой поверхности цилиндра, геометрической степени сжатия, угла закрытия впускных клапанов [4-7].

Результаты исследований позволяют моделировать рабочий процесс НСС1-двигателя при заданных конструктивных параметрах, различных тепловом и нагрузочном режимах. В то же время абсолютное большинство исследований выполнено при постоянных частотах п вращения коленчатого вала двигателя [8-12]. Это объясняется особым характером влияния фактора времени на воспламенение и сгорание, которое в распространенных моделях процесса

сгорания в явном виде не учитывается.

В реальных условиях работы НСС1-двигателя необходима корректировка момента воспламенения и скорости сгорания с учетом частоты вращения коленчатого вала. Это вызвано тем, что при увеличении п воспламенение и сгорание происходят с запаздыванием. Экспериментально установлено существенное смещение максимума скорости тепловыделения при постоянной подаче топлива и увеличении частоты вращения (рис. 1) [13]. Здесь состав топливно-воз-душной смеси оценивался коэффициентом

Л=1/а (а — коэффициент избытка воздуха). Аналогичные результаты приведены в работе [14] (рис. 2). В соответствии с законами химической кинетики для развития процессов воспламенения необходимо определенное время. Однако при повышении частоты вращения продолжительность сжатия сокращается, и начало сгорания по углу поворота коленчатого вала происходит позже (рис. 3) [14]. Такое запаздывание сгорания может привести к существенному изменению индикаторных показателей рабочего цикла.

Целями данного исследования являлись определение влияния частоты вращения коленчатого вала на параметры сгорания и рабочего цикла в целом, а также обоснование возможности корректировки момента воспламенения и скорости сгорания топлива в НСС1-двигателе, конвертированном из дизеля 4Ч13/15 ООО «ЧТЗ-Уралтрак» и работающем на смесевом топливе (природный газ с диметило-вым эфиром), для обеспечения максимальной эффективности

Рис. 2. Индикаторные диаграммы давления в цилиндре НСС1-двигателя при параметрах воздушного заряда в начале сжатия ра=89±0,1 кПа (избыточное), Га=91±0,5 °С, Х=0,56±0,01 и различных частотах вращения коленчатого вала п, мин-1: 1 — 870; 2 — 920; 3 — 970; 4 — 1015; 5 — 1065; 6 — 1115

Рис. 3. Изменение угла начала сгорания топлива фнач сг относительно ВМТ (фнач сг=0) в цилиндре НСС1-двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала п при различных параметрах топливно-воздушной смеси в начале сжатия:

1 — ра=89±0,1 кПа (избыточное), Га=91±0,5°С, Х=0,56±0,01;

2 — ра=110±0,4 кПа (избыточное), Га=101±0,8 °С, Х=0,42;

3 — ра=112±0,4 кПа (избыточное), Га=104±0,4 °С, Х=0,46;

4- о =91±0,1 кПа (избыточное), Га=103±0,6 °С, Х=0,56±0,01

рабочего цикла при изменении частоты вращения коленчатого вала. Для достижения этих целей решались следующие задачи:

• расчетно-теоретическое определение изменения параметров сгорания и индикаторных показателей при изменении частоты вращения коленчатого вала на режимах внешней скоростной характеристики;

• расчетно-теоретический подбор оптимальной температуры начала сжатия, обеспечивающей наилучшие индикаторные показатели для каждого скоростного режима.

Исследование проводилось с использованием однозонной модели горения топлива [15, 16], разработанной на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета. В этой модели процесс сгорания рассматривается как реакция окисления, подчиняющаяся закону Аррени-уса, но с переменной энергией активации. Особенности модели

заключались в введении нового параметра — условной продолжительности реакции окисления молекулы топлива т. Она

определяется как период времени, в течение которого полностью прореагируют молекулы топлива с энергией, превышающей условную энергию активации.

При моделировании сгорания двухкомпонентного топлива в НСС1-двигателе выгорание с различными скоростями каждого компонента определяется параллельно по законам химической кинетики в условно отдельных объемах, но с одинаковыми давлением и температурами [4, 16]. Модель учитывает влияние на сгорание основных физико-химических свойств компонентов топливно-воз-душной смеси (метан, диметиловый эфир, кислород, азот, аргон, оксид и диоксид углерода, вода), тепловыделения, теплообмена со стенками цилиндра, утечек рабочего тела [17] и изменения молекулярного состава. На основе этой

модели разработаны методика и программа расчета рабочего цикла НСС1-двигателя [18].ПКН

Рис. 5. Влияние частоты вращения коленчатого вала п (мин-1) НСС1-двигателя на давление, температуру и скорость тепловыделения в цилиндре при постоянной температуре начала сжатия Г =350 К: 1 — п=1100; 2 — п=1300; 3 — п=1500; 4 — п=1700; 5 — п=1900; 6 — п=2100

ра=0,098 МПа; смесевое топливо на основе природного газа с добавлением диметилового эфира в количестве, соответствующем массовой доле фДМЭ=0,27; цикловая подача смесевого топлива 6,0-10-5 кг. В результате с изменением температуры на впуске автоматически менялся коэффициент избытка воздуха смеси асм в диапазоне 2,0…2,17.

Для заданных конструктивных параметров НСС1-двигателя определена температура в начале сжатия Та=350 К, при которой обеспечиваются наилучшие индикаторные показатели при п =2100 мин-1 [19]: среднее индикаторное давление р,=0,615 МПа; индикаторный КПД п,=0,462; удельный индикаторный расход топлива д.=176,3 г/(кВт-ч). Максимальная скорость сгорания достигается при угле а,„ =367 °ПКВ (рис. 4).

М’сг тах ‘

По мере уменьшения частоты вращения коленчатого вала от

ление р

• гг

2100 до 1000 мин-1 сгорание начинается все раньше. При постоянной температуре Та=350 К угол максимальной скорости сгорания изменился с 367 при п=2100 мин-1 до 357 °ПКВ при п = 1100 мин-1 (рис. 5).

Характер процесса сгорания практически не изменился, но максимальная скорость тепловыделения dQс/dф постепенно увеличивалась в диапазоне 1580…2000 Дж/°ПКВ (рис. 5). В результате максимальные дав-температура Ттах и скорость нарастания давления тах в цилиндре заметно увеличились: на 1,02 МПа (12,7 %), 92 К (4,5 %) и 1,2 МПа/°ПКВ (40 %) соответственно, а индикаторные показатели ухудшились примерно на 3 % (см.сг тах находился на уровне около 367 °ПКВ. Вследствие снижения температуры начала сжатия (от 350 до 324 К) на режимах с меньшими частотами вращения коленчатого вала коэффициент избытка воздуха асм увеличился с 2,0 (п=2100 мин-1) до 2,17 (п=1000 мин-1), то есть примерно на 8,5 %, а максимальная температура Ттах снизилась на 178 К и составила 1979 К. При Та=350 К эта температура была равна 2157 К (рис. 6). При уменьшении частоты вращения коленчатого вала двигателя до 1000 мин-1 в результате своевременного развития сгорания индикаторные показатели улучшились примерно на 2,2 %. Так, среднее индикаторное давление р, возросло с 0,615 до 0,629 МПа, индикаторный КПД п, увеличился от 0,462 до 0,472, удельный индикаторный расход топлива д. снизился от 176,3 до

172,5 г/(кВт-ч). Единственным отрицательным эффектом снижения частоты вращения коленчатого вала осталось повышение максимального давления в цилиндре и скорости его нарастания. Однако по сравнению с расчетами при постоянной температуре Та=350 К это повышение стало значительно меньше. Например, при п=1000 мин-1 максимальное давление pmax снизилось от 9,08 до 8,31 МПа (на 8,5 %), а скорость нарастания давления W уменьшилась на

p max

19 % (от 4,2 до 3,4 МПа/°ПКВ). Это способствует снижению механической нагрузки на кривошип-но-шатунный механизм.

Результаты проведенных исследований подтверждают возможность реализации высокоэкономичного рабочего процесса HCCI-двигателей, превышающего эффективность рабочего процесса дизелей, а также радикального (в сотни раз по сравнению с традиционными ДВС)уменьшения выбросов оксидов азота NOx и сажи за счет низкотемпературного и полного сгорания топлива. Известный недостаток HCCI-двигателей, заключающийся в повышенной эмиссии таких токсичных компонентов, как монооксид углерода СО и несгоревшие углеводороды СН, сравнительно легко устраняется, поскольку в этих двигателях могут быть эффективно использованы традиционные для бензиновых двигателей системы очистки отработавших газов. Следует также отметить совместимость HCCI-тех-нологии со всеми имеющимися в продаже сортами бензина, а также с топливом Е85 на базе этанола.

Литература

1. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова.

— М.: Изд-во ООО «Онико-М», 2012. — 791 с.

2. Ricklin P.U., Kazakov A., Dryer F.L. et al. The Effects of NOx Addition on the Auto Ignition Behavior of Natural Gas under HCCI Conditions // SAE Technical Paper Series.

— 2002. — № 2002-01-1746. — P. 1-11.

3. Blank D.A., Pouring A.A., Lu J. Methanol Combustion in Low Compression Ratio D.I.Engines Enabled by Sonex Piston Design // SAE Technical Paper Series. — 2001. -№ 2001-01-1197. — P. 1-10.

4. Камалтдинов, В.Г. Влияние состава двухкомпонентного топлива на процесс сгорания в двигателе с объемным самовоспламенением от сжатия / В.Г. Камалтдинов, Е.В. Абелиович // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». — 2008. — Вып. 12.

— № 23. — С. 46-53.

5. Камалтдинов, В.Г. Влияние параметров свежего заряда на показатели рабочего цикла HCCI двигателя с наддувом / В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков // Изв. вузов. Серия «Машиностроение». — 2011. — № 6. — С. 31-37.

6. Камалтдинов, В.Г. Расчетное исследование процесса сгорания и показателей рабочего цикла HCCI двигателя, работающего на смеси природного газа и ди-метилового эфира / В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков // АГЗК+АТ. — 2010. — № 6. — С. 8-15.

7. Камалтдинов, В.Г. Влияние геометрической степени сжатия и угла закрытия впускных клапанов на процесс сгорания и показатели рабочего цикла HCCI двигателя с наддувом / В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков // АГЗК+АТ. — 2011. — № 2. — С. 9-16.

8. Гусаков, С.В. Оценка влияния ДМЭ в смеси с природным газом на работу ДВС с гомогенным самовоспламенением / С.В. Гусаков, М.М. Эльгобаши Эльхагар, И.В. Епифанов // Транспорт на альтернативном топливе. — 2010. — № 2. — С. 10-13.

9. Гусаков, С.В. Опыт моделирования рабочего процесса ДВС с воспламенением гомогенного заряда от сжатия / С.В. Гусаков, М. М. Эльгобаши Эльхагар // Вестник РУДН. Серия «Инженерные исследования». — 2004. — № 2. — С. 25-28.

10. Федянов, Е.А. Моделирование основной фазы процесса сгорания в двигателе с самовоспламенением от сжатия гомогенной метановоздушной смеси / Е.А. Федянов, Е.М. Иткис, В.Н. Кузьмин // Известия ВГТУ. — 2008. — Т. 6, № 1. — С. 11-13.

11. Chen, Z. Experimental study of CI natural-gas/DME homogeneous charge engine / Z. Chen, M. Konno, M. Oguma, T. Yanai // SAE Technical Paper Series. — 2000. — № 200001-0329. — 10 рр.

12. Kong, S.C. A study of natural gas/DME combustion in HCCI engines using CFD with detailed chemical kinetics / S.C. Kong // Fuel. — 2007. — 86. — P. 1483-1489.

13. Luszcz, P.M. Combustion Diagnostics in Homogeneous Charge Compression Ignition Optical and Thermal Single Cylinder Engines / P.M. Luszcz // University of Birmingham. — 2009. — 293 pp. — http://etheses.bham.ac.uk/524/VLuszcz09PhD.pdf

14. Mahdi Shahbakhti, М. Modeling and Experimental Study of an HCCI Engine for Combustion Timing Control / М. Shahbakhti // University of Alberta. — 2009. — 282 pp.

— http://www.me.berkeley.edu/~mahdi/PhDThesis_Shahbakhti.pdf

15. Камалтдинов, В.Г. Новая модель процесса горения топлива в ДВС / В.Г. Камалтдинов // Двигателестроение. — 2008. — № 3. — С. 17-20.

16. Kamaltdinov, V. Combustion process modeling in HCCI engine / V. Kamaltdinov // SAE Technical Paper Series. — 2011. — № 2011-01-1789. — 10 pp.

17. Камалтдинов, В.Г. Уточненная методика расчета параметров рабочего тела на пусковых режимах дизеля / В.Г. Камалтдинов // Двигателестроение. — 2008. -№ 2. — С. 31-34.

18. Свидетельство ФГУ ФИПС № 2010617228. Программа расчета рабочего цикла двигателя с воспламенением от сжатия «Рабочий цикл» / Камалтдинов В.Г.; выдано 29.10.2010 г.

19. Камалтдинов, В.Г. Управление рабочим процессом в HCCI двигателе / В.Г. Камалтдинов, С.С. Никифоров // Двигателестроение. — 2010. — № 3. — С. 3-9.

Изящное решение без потери мощности

Аббревиатура VTEC полностью расшифровывается следующим образом — Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. В переводе на русский язык означает «электронная система управления временем открытия и высотой подъема клапанов» или, если говорить языком специалистов, электронная система регулировки фаз газораспределения. Этот механизм предназначен для того, чтобы оптимизировать прохождение воздушно-топливной смеси в камеры сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию, накопленную в топливе, в тепловую. Такое преобразование происходит во время сгорания горючей смеси. При этом возрастает температура и давление в цилиндре. Под давлением поршни двигателя опускаются вниз и, толкая коленчатый вал, приводят его в движение. Так химическая энергия преобразуется в механическое движение. Механическая сила определяется величиной крутящего момента. Способность двигателя поддерживать некоторую величину крутящего момента при некотором числе оборотов в минуту определяется как мощность. Мощность определяет, какую работу может производить двигатель. Весь процесс, осуществляемый двигателем внутреннего сгорания, не эффективен на 100%. На самом деле всего около 30% энергии, содержащейся в топливе, преобразуются в механическую энергию.

Теоретическая физика говорит о том, что при данном КПД для достижения высокой отдачи от мотора необходимо использовать больше топлива: в результате существенно возрастет мощность. Очевидно, что в этом случае нужно использовать двигатель с огромным рабочим объемом и поступиться принципами экономичности. Другой метод диктует необходимость предварительно сжимать топливную смесь посредством турбины и затем сжигать ее в цилиндрах небольшого размера. Однако и в этом случае расход топлива будет пугающим. В свое время концерн Honda пошел по иному пути, начав исследования с целью оптимизации работы двигателя внутреннего сгорания. В результате появилась технология VTEC, наделяющая мотор отменной экономичностью на низких оборотах и высокой мощностью при его «раскручивании».

Два алгоритма

Если сравнить скоростные характеристики различных двигателей, то нетрудно заметить, что у одних максимум крутящего момента достигается на низких оборотах (в диапазоне 1800-3000 об/мин), у других — на более высоких (в диапазоне 3000-4500 об/мин). Оказывается, есть зависимость между тем, каким образом на распределительном валу установлены кулачки, открывающие клапаны, и тем, какую мощность развивает мотор на различных оборотах коленчатого вала. Чтобы понять, чем это вызвано, представьте себе двигатель, работающий крайне медленно. Например, при 10-20 оборотах в минуту рабочий цикл в одном цилиндре занимает 1 секунду. При опускании поршня впускной клапан открывается, позволяя горючей смеси наполнить цилиндр, и закрывается, когда поршень достигает нижней мертвой точки. После завершения цикла сгорания поршень начнет движение вверх. При этом откроется выпускной клапан, позволив отработавшим газам покинуть рабочий объем цилиндра и закроется, когда поршень достигнет верхней мертвой точки. Такой алгоритм был бы идеален, если бы мотор работал на минимуме оборотов. Однако в реальной жизни двигатель куда энергичней.

С ростом ритма работы мотора описанный алгоритм просто не выдерживает критики. Если число оборотов коленвала достигает 4000 в минуту, клапаны открываются и закрываются 2000 раз ежеминутно, или 30-40 раз каждую секунду. На такой скорости поршню чрезвычайно сложно всосать в цилиндр необходимый объем горючей смеси. То есть в результате впускного сопротивления возникают насосные потери, и это главная причина, по которой уменьшается эффективность работы двигателя. Для облегчения участи мотора при работе на больших оборотах приходится, например, шире открывать впускной клапан. Разумеется, это упрощенное описание работы, но оно дает общее представление. Однако на малых оборотах такой алгоритм не годится: настройка распредвала «на скорость» лишь увеличит расход топлива. Следовательно, для лучшей эффективности нужно сочетать оба алгоритма работы, которые воплощены в механизме VTEC.

Появившись в 1989 году, система VTEC дважды модернизировалась, и сегодня мы имеем дело с ее третьей серией. Система VTEC использует возможности электроники и механики и позволяет двигателю эффективно распоряжаться возможностями сразу двух распредвалов, или, в упрощенных версиях, одного. Контролируя число оборотов и диапазоны работы силового агрегата, его компьютер может активизировать дополнительные кулачки с тем, чтобы подобрать наилучший режим работы.

DOHC VTEC

В 1989 году на внутренний японский рынок поступили две модификации Honda Integra — RSi и XSi, использовавшие первый двигатель с системой DOHC VTEC. Ее силовой агрегат модели B16A при объеме 1,6 литра достигал мощности в 160 л.с., но при этом отличался хорошей тягой на низах, топливной экономичностью и экологической чистотой. Поклонники марки Honda до сих пор помнят и ценят этот великолепный мотор, тем более что его многократно усовершенствованный вариант и по сей день используется на моделях Civic.

Двигатель с системой DOHC VTEC имеет два pаспpедвала (один для впускных, другой для выпускных клапанов) и 4 клапана на цилиндр. Для каждой пары клапанов предусмотрена особая конструкция — группа из трех кулачков. Следовательно, если мы имеем дело с 4-цилиндровым 16-клапанным мотором с двумя распредвалами, то таких групп будет 8. Каждая группа занимается отдельной парой клапанов. Два кулачка расположены на внешних сторонах группы и отвечают за действие клапанов на низких оборотах, а средний подключается на высоких оборотах. Внешние кулачки непосредственно контактируют с клапанами: опускают их при помощи коромысел (рокеров). Отдельный средний кулачок до поры до времени вращается и вхолостую нажимает на свое коромысло, которое активируется при достижении определенного высокого числа оборотов коленвала. В дальнейшем эта центральная часть отвечает за открытие и закрытие клапанов, хотя и действует как специальный промежуточный механизм.

Когда двигатель работает на малом ходу, пары впускных и выпускных клапанов открываются соответствующими кулачками. Их форма, как и у большинства аналогичных моторов, выполнена в виде эллипса. Однако эти кулачки способны обеспечивать лишь экономичный режим работы двигателя и только на малых оборотах. При достижении высокой скорости вращения распредвала задействуется специальный механизм. «Незанятый» до этого работой средний кулачок вращался и без какого-либо эффекта нажимал на среднее коромысло, никак не связанное с клапанами. Однако во всех трех коромыслах предусмотрены отверстия, в которые под высоким давлением масла загоняется металлический пруток. Таким образом, группа жестко фиксируется и в дальнейшем работает как одно целое. Тут в работу вступает отдыхавший до этого средний кулачок. Он имеет более продолговатую форму и поэтому при его нажатии все три коромысла, а значит и клапана, опускаются гораздо ниже и на больший промежуток времени остаются открытыми. В этом случае двигатель может «дышать» свободнее, развивать и поддерживать высокий крутящий момент и хорошую мощность.

SOHC VTEC

После успеха системы DOHC VTEC компания Honda с еще большим рвением подошла к развитию и использованию своей новации. Моторы с VTEC проявили себя как надежные и экономичные, стали реальной альтернативой увеличению рабочего объема или использованию турбин. Поэтому несколько позднее была представлена система SOHC VTEC. Подобно своему «коллеге» DOHC новинка также предназначалась для оптимизации работы двигателя в разных режимах. Но из-за простоты своей конструкции и более скромных показателей мощности двигатели с SOHC VTEC выпускались меньшими объемами. Одним из первых двигателей, использующих упрощенную систему, стал обновленный агрегат D15B, выдававший 130 л.с. при объеме в 1,5 л. Этот мотор с 1991 устанавливался года на Honda Civic.

В моторе SOHC предусмотрен один-единственный распредвал на весь блок цилиндров. Поэтому кулачки впускных и выпускных клапанов располагаются на одной оси. Однако здесь также предусмотрены группы-тройки, в каждой из которых есть один специальный центральный кулачок. Простота конструкции заключается в том, что в двух режимах — для низких и для высоких оборотов — могут работать только впускные клапана. Промежуточный механизм с дополнительным кулачком и коромыслом также как и в случае с DOHC VTEC перехватывает на себя открытие и закрытие впускных клапанов, в то время как выпускные всегда работают в постоянном режиме.

Может создаться впечатление, что SOHC VTEC в чем-то хуже, чем DOHC VTEC. Однако это не так: эта система имеет ряд преимуществ, среди которых простота конструкции, компактность двигателя за счет его незначительной ширины, меньший вес. Кроме того SOHC VTEC возможно вполне легко использовать на двигателях пpедыдущего поколения, тем самым модернизируя их. В итоге силовые агрегаты с SOHC VTEC достигают тех же результатов, пусть и не столь ярких и удивительных.

SOHC VTEC-E

Если назначение описанных выше систем VTEC состоит в сочетании максимальной мощности на предельных оборотах и довольно уверенной, но экономичной работе на «низах», то VTEC-E призвана помочь двигателю в достижении предельной экономии.

Но прежде чем рассмотреть очередное изобретение Honda необходимо разобраться с теорией. Известно, что топливо предварительно смешивается с воздухом и затем воспламеняется в цилиндрах (есть еще иной вариант — непосредственный впрыск, при котором воздух и топливо поступают в цилиндры отдельно). На мощность двигателя также влияет и то, насколько однородна такая смесь. Дело в том, что на малых оборотах невысокая скорость потока при всасывании препятствует смешению топлива и воздуха. В результате на холостом ходу двигатель может работать неуверенно. Чтобы предотвратить это, в цилиндры поступает обогащенная топливом смесь, что сказывается на экономичности. Система VTEC-E способна обеспечить уверенную работу двигателя на малых оборотах на обедненной топливом горючей смеси. При этом также достигается существенная экономия. В отличие от других механизмов, в системе VTEC-E нет никаких дополнительных кулачков. Так как эта технология нацелена на снижение потребления топлива на малых оборотах, то и затрагивает она действие впускных клапанов. VTEC-E применяется только в SOHC-двигателях (с одним распредвалом) с четырьмя клапанами на цилиндp из-за его «склонности» к низкому расходу топлива.

В отличие от других VTEC-моторов, где кулачки имеют приблизительно одинаковый профиль, в силовых агрегатах с VTEC-E используются две конфигурации. Таким образом, впускные клапана приводятся в движение кулачками различной формы. Профиль одного из них имеет традиционную форму, а другой практически круглый — слегка овальный. Поэтому один из клапанов опускается в нормальном режиме, а другой едва приоткрывается. Горючая смесь проходит через нормальный клапан легко, а через приоткрытый — весьма скудно. Из-за несимметричности потоков поступающей смеси в цилиндре возникают причудливые завихpения, в которых воздух и топливо смешиваются должным образом. В результате двигатель может pаботать на бедной смеси. С увеличением оборотов концентрация топлива растет, но режим, при котором реально работает лишь один клапан, становится помехой. Поэтому, приблизительно при достижении 2500 об/мин коромысла замыкаются и приводятся в движение нормальным кулачком. Замыкание происходит точно так же как и в других системах VTEC.

Систему VTEC-E часто незаслуженно считают изобретением, нацеленным исключительно на экономию. Тем не менее, по сравнению с простыми моторами, агрегаты с таким механизмом не только экономичнее, но и мощнее. За экономию отвечает первый режим, в котором работает один клапан, а за показатели мощности — «чистокровный» VTEC, подразумевающий широкое открытие впускных клапанов. Если сравнить два аналогичных мотора, один из которых оборудован механизмом VTEC-E, то простой агрегат окажется на 6-9% слабее и прожорливей.

Трехрежимный SOHC VTEC

Этот механизм представляет собой объединение системы SOHC VTEC и SOHC VTEC-E. В отличие от всех описанных выше систем эта имеет не два режима работы, а три. В зоне низких оборотов система обеспечивает экономичный режим работы двигателя на обедненной топливовоздушной смеси (как VTEC-E). В этом случае используется только один из впускных клапанов. На средних оборотах в работу включается второй клапан, но фазы газораспределения и высота подъема клапанов не изменяются. Двигатель в этом случае реализует высокий крутящий момент. На режиме высоких оборотов оба клапана управляются одним центральным кулачком, отвечающим за снятие с двигателя максимальной мощности. Эта система достаточно универсальна. Так, например, двигатель объемом 1,5 литра с таким газораспределительным механизмом проявляет неплохую удельную мощность: 86 л.с. на 1 л. рабочего объема. Одновременно с этим, если двигатель работает в первом, экономичном 12-клапанном режиме, расход при движении с постоянной скоростью 60 км/ч на автомобиле Honda Civic составляет около 3,5 л на 100 км.

i-VTEC

Буква «i» в названии означает intelligent, то есть «умный». Прежние версии VTEC способны регулировать степень открытия клапанов лишь в 2-3 режимах. Конструкция нового газораспределительного механизма i-VTEC предполагает использование помимо основной системы VTEC дополнительную систему VTC (Variable Timing Control), непрерывно регулирующую момент начала открытия впускных клапанов. Открытие впускных клапанов задается в зависимости от нагрузки двигателя и регулируется посредством изменения угла установки впускного распределительного вала относительно выпускного. В двигателях с i-VTEC распредвал крепится к приводному шкиву через специальную гайку-шестерню, которая способная «доворачивать» его на угол до 600.

Применение системы VTC на ряду с VTEC позволяет эффективнее наполнять цилиндры двигателя топливо-воздушной смесью, а также улучшить полноту ее сгорания. Использование механизма i-VTEC позволяет достичь приемистости эквивалентной двигателям с рабочим объемом 2 литра, при этом топливная экономичность даже лучше чем у 1,6 литрового двигателя.

Семейство газораспределительных механизмов VTEC не представляет собой ничего волшебного, но дает просто поразительный эффект. Моторы Honda прямо-таки умеют подстраиваться под нагрузку, предоставляя удивительную мощность при скромном рабочем объеме. И в то же время на холостом и малом ходах японские моторы поражают выдающейся экономичностью. Вполне возможно, что следующим этапом в развитии систем VTEC станет механизм с отдельными соленоидами на каждый клапан, что позволит с хирургической точностью регулировать открытие клапанов.

Автор: Евгений Дударев

%d1%8d%d0%b9%d0%bd%d1%88%d1%82%d0%b5%d0%b9%d0%bd%d0%b0%20%d1%82%d0%b5%d0%bc%d0%bf%d0%b5%d1%80%d0%b0%d1%82%d1%83%d1%80%d0%b0 — с русского на все языки

Все языкиРусскийАнглийскийИспанский────────Айнский языкАканАлбанскийАлтайскийАрабскийАрагонскийАрмянскийАрумынскийАстурийскийАфрикаансБагобоБаскскийБашкирскийБелорусскийБолгарскийБурятскийВаллийскийВарайскийВенгерскийВепсскийВерхнелужицкийВьетнамскийГаитянскийГреческийГрузинскийГуараниГэльскийДатскийДолганскийДревнерусский языкИвритИдишИнгушскийИндонезийскийИнупиакИрландскийИсландскийИтальянскийЙорубаКазахскийКарачаевскийКаталанскийКвеньяКечуаКиргизскийКитайскийКлингонскийКомиКомиКорейскийКриКрымскотатарскийКумыкскийКурдскийКхмерскийЛатинскийЛатышскийЛингалаЛитовскийЛюксембургскийМайяМакедонскийМалайскийМаньчжурскийМаориМарийскийМикенскийМокшанскийМонгольскийНауатльНемецкийНидерландскийНогайскийНорвежскийОрокскийОсетинскийОсманскийПалиПапьяментоПенджабскийПерсидскийПольскийПортугальскийРумынский, МолдавскийСанскритСеверносаамскийСербскийСефардскийСилезскийСловацкийСловенскийСуахилиТагальскийТаджикскийТайскийТатарскийТвиТибетскийТофаларскийТувинскийТурецкийТуркменскийУдмуртскийУзбекскийУйгурскийУкраинскийУрдуУрумскийФарерскийФинскийФранцузскийХиндиХорватскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧеркесскийЧерокиЧеченскийЧешскийЧувашскийШайенскогоШведскийШорскийШумерскийЭвенкийскийЭльзасскийЭрзянскийЭсперантоЭстонскийЮпийскийЯкутскийЯпонский

Все языкиРусскийАнглийскийИспанский────────АлтайскийАрабскийАрмянскийБаскскийБашкирскийБелорусскийВенгерскийВепсскийВодскийГреческийДатскийИвритИдишИжорскийИнгушскийИндонезийскийИсландскийИтальянскийКазахскийКарачаевскийКитайскийКорейскийКрымскотатарскийКумыкскийЛатинскийЛатышскийЛитовскийМарийскийМокшанскийМонгольскийНемецкийНидерландскийНорвежскийОсетинскийПерсидскийПольскийПортугальскийСловацкийСловенскийСуахилиТаджикскийТайскийТатарскийТурецкийТуркменскийУдмуртскийУзбекскийУйгурскийУкраинскийУрумскийФинскийФранцузскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧеченскийЧешскийЧувашскийШведскийШорскийЭвенкийскийЭрзянскийЭсперантоЭстонскийЯкутскийЯпонский

Билет 3

1. Рабочий процесс четырехтактного двигателя: карбюраторного и дизеля. Параметры тактов рабочего процесса. Индикаторная диаграмма.

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.

Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. В настоящее время двухтактные двигатели на автомобилях не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторах. Это связано прежде всего с тем, что они имеют сравнительно высокий расход топлива и недостаточное наполнение горючей смеси из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

Такт впуска (рис. 1.3, а). Поршень 1 находится в в.м.т. и по мере вращения коленчатого вала 9 (за один его полуоборот) перемещается от в.м.т. к н.м.т. При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре 2 создается разряжение, равное 0,07—0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод 3 в цилиндр. От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75—125°С. Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения, который для высокооборотных карбюраторных двигателей находится в пределах 0,65—0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.

Такт сжатия (рис. 1.3,6). После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. Впускной клапан 4 закрывается, а выпускной 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее

повышаются. В зависимости от степени сжатия давление в конце такта сжатия может составлять 0,8—1,5 МПа, а температура газов 300—450 °С.

Такт расширения, или рабочий ход (рис. 1.3,0). В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи 5, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от в.м.т. к н.м.т. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5—5 МПа, а температура газов 2100—2400 °С

При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун 8 совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3—0,75 МПа, а температура — до 900—1200 °С.

Такт выпуска (рис. 1.3, г). Коленчатый вал 9 через шатун перемещает поршень от н.м.т. к в.м.т. При этом выпускной клапан 6 открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод 7. В начале процесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0,105—0,120 МПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750—900 °С, понижаясь к его концу до 500—600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью,

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для современных карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06—0,12. По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными. Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения

рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из-за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

В четырехтактном дизеле (рис. 1.4) рабочие процессы происходят следующим образом.

Такт впуска (рис. 1.4, а). При движении поршня 2 от в.м.т. к н.м.т. вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя 4 в полость цилиндра 7 через открытый впускной клапан 5 поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08—0,95 МПа, а температура 40—60 °С.

Такт сжатия (рис. 1.4, б). Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень 2 сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Из-за высокой степени сжатия температура воздуха достигает 550—700 °С при давлении воздуха внутри цилиндра 4,0—5,0 МПа.

Такт расширения, или рабочий ход (рис. 1.4, в). При подходе поршня к в.м.т. в цилиндр через форсунку 3 впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом /. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6—9 МПа, а температура 1800—2000 °С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от в.м.т. к н.м.т. Происходит рабочий ход. Около н.м.т. давление снижается до 0,3—0,5 МПа, а температура —до 700—900 °С.

Такт выпуска (рис. 1.4, г). Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через открытый выпускной клапан в отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается до 0,11—0,12 МПа, а температура — до 500—700 °С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности, Показатели работы двигателя. Работа, совершаемая газами в единицу времени внутри цилиндра двигателя, называется индикаторной мощностью.

Мощность, получаемая на коленчатом валу двигателя, называется эффективной мощностью. Она меньше индикаторной на значение мощности, затрачиваемой на насосные потери и на трение в кривошипно-шатунном и газораспределительном механизмах двигателя, а также на * приведение в действие вентилятора, жидкостного насоса и других вспомогательных устройств. показывает количество топлива в килограммах, потребляемое двигателем на данном режиме работы за 1 ч. Для оценки экономичности двигателя обычно пользуются эффективным удельным, расходом топлива g_e, представляющим собой отношение часового расхода топлива G_T к эффективной мощности двигателя jV_e: g_e=G_T//V_e.

Для карбюраторных двигателей ge = 300-f-340 г/(кВт-ч), для дизелей £е = 220-т-260 г/(кВт-ч).

Двигатель с воспламенением от сжатия – обзор

6.2.3 Двигатели с воспламенением от сжатия: особенности

Работа двигателя с воспламенением от сжатия (дизель) принципиально отличается от работы двигателей с искровым зажиганием тем, что топливо впрыскивается после сжатия и самовоспламеняется из-за высокая температура газа в камере сгорания. Это устраняет проблему детонации, поскольку во время такта сжатия в цилиндре присутствует только чистый воздух, и, следовательно, позволяет использовать значительно более высокие степени сжатия.Степень сжатия в дизельных двигателях ограничена давлением и температурными нагрузками на конструкцию цилиндра, а также образованием зависимых от температуры выбросов при высоких температурах сгорания.

Двигатели с воспламенением от сжатия могут работать на различных видах топлива, включая стандартное дизельное топливо, мазут, биодизель и растительные масла. Однако работа двигателя сильно зависит от качества топлива. Требования к топливу для дизельных двигателей включают хорошие свойства воспламенения и сгорания, чтобы избежать чрезмерных задержек воспламенения и плохой эффективности сгорания, а также хорошие эксплуатационные характеристики, в частности вязкость, подходящую для эффективной подачи через систему впрыска двигателя.Последнее было проблемой для многих видов топлива, предназначенных для замены стандартного (ископаемого) дизельного топлива, таких как биомасла. Для этих топлив требуется предварительная обработка и использование присадок для обеспечения стабильных свойств при различных температурах и хороших характеристик впрыска. В судостроении это уже давно относится к низкокачественному тяжелому топливу, требующему контроля термической вязкости перед подачей в двигатель.

Поскольку требуется самовоспламенение впрыскиваемого топлива, топливо должно, в отличие от топлива для двигателей с искровым зажиганием, обладать хорошими свойствами самовоспламенения.В отличие от процесса распространения пламени в двигателях с искровым зажиганием, скорость сгорания дизельного топлива определяется диффузионным сгоранием, и наличие кислорода вблизи топливных форсунок имеет решающее значение. Свойства топливной форсунки определяют характеристики распыления и, следовательно, играют ключевую роль в работе двигателя. Кроме того, топливо должно обладать хорошими свойствами распыления и распыления, чтобы обеспечить эффективное сгорание и избежать образования избыточных выбросов. Высокий уровень движения газов в цилиндре увеличивает смешивание топлива с воздухом и повышает производительность, поэтому в дизельных двигателях часто используется конструкция камеры сгорания с камерой сгорания в поршне, которая значительно увеличивает скорость газа за счет быстрого нагнетания заряда воздуха в камеру сгорания в конце рабочего цикла. такт сжатия (это называется хлюпаньем).

Поскольку топливо и воздух смешиваются в цилиндре в течение очень короткого времени, использование всего кислорода во всасываемом воздухе невозможно. Поэтому дизельные двигатели всегда работают на бедной стехиометрической смеси, то есть с избытком воздуха. Однако из-за более высоких степеней сжатия и, как следствие, более высоких уровней температуры образование зависящих от температуры выбросов, в первую очередь оксидов азота, в дизельных двигателях сравнимо с образованием двигателей с искровым зажиганием. (Точные уровни NO _x могут значительно различаться для обоих типов двигателей и сильно зависеть от рабочих параметров, таких как момент впрыска/зажигания.) Выбросы CO и HC в дизельных двигателях незначительны; однако выбросы твердых частиц представляют собой серьезную проблему. Твердые частицы или сажа представляют значительный риск для здоровья и представляют собой особую проблему при использовании топлива с плохими характеристиками воспламенения и горения, такого как биомасла. Выбросы твердых частиц включают сложные углеводороды, которые не были полностью окислены, и их можно уменьшить за счет повышения температуры сгорания, например, за счет опережения начала впрыска. Однако, хотя это увеличивает окисление частиц сажи, более высокие температуры приводят к повышенному образованию NO _x, а также влияют на эффективность использования топлива, следовательно, существует компромисс.(Эта ситуация, похожая на «Уловку-22», когда меры по сокращению выбросов твердых частиц имеют тенденцию к увеличению NO _x и наоборот, известна как «дилемма дизеля».)

И NO _x, и выбросы твердых частиц образуются в разбрызгивание топлива в дизельных двигателях и, следовательно, характеристики впрыска оказывают очень большое влияние на выбросы. Много усилий направлено на усовершенствование систем впрыска топлива, и существует четкая тенденция к более высокому давлению впрыска, чтобы обеспечить более тонкое распыление топлива и лучшее разложение и распыление топлива.Другие стратегии, которые стали возможными благодаря современным высокоскоростным системам впрыска с электронным управлением, включают в себя многократный впрыск и регулирование скорости потока инжектора. Внешние средства для снижения выбросов дизельных двигателей включают восстановительные катализаторы для NO _x, которые обычно не используются в небольших системах из-за высокой стоимости, и сажевые фильтры, которые все чаще используются в автомобильных и других небольших системах. Дизельная версия системы микро-ТЭЦ SenerTec Dachs, более подробно описанная ниже, оснащена сажевым фильтром.

Воспламенение газов | Природа

МНОГИЕ трудности, связанные с воспламенением газов, до сих пор не поняты, хотя этот вопрос так или иначе исследовался со времен известных исследований Дэви, связанных с безопасностью в шахтах. Измерение скорости горения было впервые предпринято Бунзеном, но Бертело, Ле Шателье и Диксону было поручено изложить методы, с помощью которых можно было бы удовлетворительно изучать распространение горения в газах.Дальнейший импульс к таким исследованиям пришел с разработкой двигателя внутреннего сгорания. Недавняя работа Боуна, указывающая, что азот играет значительную роль в процессе горения, особенно интересна и связывает предмет с фиксацией азота. Поэтому вполне уместно было обсудить этот вопрос на собрании Британской ассоциации в Саутгемптоне между Химической и Инженерной секциями. Профессор Х. Б. Диксон открыл дискуссию историческим обзором предмета.Он описал открытие детонационной волны Бертло и эксперименты Ле Шателье на том же предмете в одно и то же время. Ле Шателье открыл три стадии горения; стадия равномерного распространения, переходящая в вибрационный тип горения, который предшествует последней стадии — возникновению детонационной волны. Проф. Диксон проиллюстрировал свои замечания несколькими прекрасными фотографиями распространения взрывов в смесях кислорода с цианогеном, ацетиленом и другими газами.Волна взрыва распространяется равномерно со скоростью, с которой распространялся бы звук в газе, учитывая его высокую температуру и степень сжатия вследствие горения. Описаны эксперименты по измерению температур воспламенения, проведенные им недавно двумя разными методами. Тизард и Пай показали, что задержка перед воспламенением при внезапном адиабатическом сжатии горючей смеси зависит от температурного коэффициента газовой реакции.Воспламенение происходит, когда теплота, выделяемая при воспламенении газа, чуть превышает теплоту, отводимую в окружающую среду. В целях своих экспериментов Тизард и Пай использовали машину переменного сжатия с поршнем, который можно было остановить с помощью шарнирного соединения, как только газ был сжат до желаемой величины. Профессор Диксон описал аналогичное устройство, с помощью которого было обнаружено, что точка воспламенения электролитического газа постоянно снижается по мере добавления кислорода, что согласуется с более ранними экспериментами Ле Шателье.В метановоздушных смесях происходит сначала понижение, а затем повышение температуры воспламенения. Можно упомянуть, что Тизард и Пай, с другой стороны, обнаружили, что для смесей гептан-воздух температура воспламенения изменяется только примерно на 8°С, когда соотношение гептан-воздух увеличивается от 1 до 10. Проф. Диксон показал несколько интересных фотографий взрывов газов, сжатых его методом падающего веса; горение не происходит из точки, а распространяется из неопределенной области свечения.

(PDF) Воспламенение одиночной капли смазочного масла в горючей газообразной смеси окружающей среды в условиях высокой температуры и высокого давления

Этот общедоступный PDF-файл может быть размещен на любой платформе или в любой сети и полностью соответствует авторским правам издателя.

Воспламенение одиночной капли смазочного масла в горючей газовой смеси окружающей среды в условиях

Высокие температуры и высокое давление

Shubo Fei, Zhi Wang, Yunliang Qi, Yingdi Wang, Huiqiang Zhang , Тейлор и Фрэнсис

DOI: 10.

Воспламенение капель масла в горючей

окружающей газовой смеси.

О чем это?

Эта статья посвящена влиянию одной капли масла на окружающую газовую смесь

. Анализируются задержка воспламенения, колебания давления, скорость расширения огненного шара, температура поверхности капли, скорость ее испарения и распределение температуры в газовой фазе вокруг капли.Капля

взорвется после воспламенения газовой фазы и будет влиять на

колебания давления в камере сгорания. Однако в этих условиях капля

не окажет большого влияния на задержку воспламенения окружающей газовой смеси

Почему это важно?

Явление воспламенения капель исследуется в условиях очень высоких температур и

давлений, которые с трудом выполнялись предыдущими исследованиями

экспериментально, особенно для капель масла.Это исследование необходимо для выявления

механизма преждевременного зажигания (одно из аномальных явлений сгорания, вредных для двигателей

) индукции в двигателях. Это также важно для фундаментальных исследований

капельного испарения и воспламенения.

Перспективы

Шубо Фей (Автор)

Университет Цинхуа

Эта статья может быть справочной для исследователей, которые проводят исследования воспламенения капель и взаимодействия между каплями и газовой фазой в области

теплоэнергетика, автомобилестроение и аэрокосмическая техника, а также

другие смежные области.Я надеюсь, что явления и процесс анализа, показанные в этой статье

, будут интересны соответствующим исследователям.

Следующие участники внесли свой вклад в создание этой страницы: Shubo Fei

В партнерстве с:

Узнайте о применении теплового двигателя

В действительности двигатель должен быть быстродействующим, т. е. цикл должен выполняться как можно быстрее. Таким образом, эти факторы необходимо учитывать при проектировании машины. Двигатель Карно практически исключен, так как процесс очень медленный.

Поглощение тепла в двигателе Отто почти мгновенное.

Первоначально был предложен цикл Отто с двигателем, состоящим из цилиндра и поршня. Цилиндр снабжен впускными клапанами для воздуха и газа. На рисунке представлена четырехтактная схема двигателя Отто.

В полном цикле четыре такта.

Такт зарядки/впуска: впускные клапаны открываются, и подходящая смесь газа и воздуха всасывается в цилиндр за счет движения поршня вперед.
Такт сжатия: Все клапаны закрыты; горючая смесь адиабатически сжимается за счет обратного движения поршня.
Рабочий ход/ход расширения: Поршень выбрасывается вперед с огромной силой, вследствие сгорания выделяется большое количество тепла, повышающее температуру и соответствующее высокое давление.

Такт выпуска: После третьего такта цилиндр заполняется смесью газов, бесполезной для дальнейшей работы.Выпускные клапаны открыты, и поршень движется назад, чтобы вытолкнуть смесь.

КПД двигателя Отто низкий. Низкий КПД двигателя Отто побудил некоторых ученых начать исследования с идеи о том, что эффективность цикла Карно может быть достигнута некоторыми процессами.

В дизельном цикле топливо воспламеняется за счет тепла, выделяющегося при сжатии воздуха в камере сгорания. Во время сжатия в дизельный двигатель не подается газ или бензин.Индикаторная диаграмма приведена для идеализированного дизельного цикла. Дизельный цикл может выполняться в цилиндре, снабженном воздухозаборниками, подводами масла и выпускными клапанами.

Дизельные двигатели применяются в автомобилях, самолетах, тепловозах, кораблях, подводных лодках и т. д.

Четырехтактный идеализированный дизельный двигатель показан выше.

Впускной клапан открыт: начинается такт всасывания.
Все клапаны закрыты: такт сжатия.
Окончание впрыска топлива, все клапаны закрыты: рабочий ход в процессе.
Начало такта выпуска: выпускной клапан открыт.

Некоторые недостатки дизельных двигателей:

Большая степень сжатия, развитие огромного давления и т. д. Степень сжатия относится к степени, при которой топливная смесь (например, газ + воздух, масло + воздух и т. д.) любого теплового двигателя сжимается до начала зажигания.

Большая степень сжатия увеличивает вес двигателя.Таким образом, стоимость становится высокой также.

Создание огромного давления оказывает большую нагрузку на компоненты двигателя, что также приводит к интенсивному сгоранию топлива.

Чтобы избежать этих проблем, был изобретен другой тип двигателя, известный как полудизельный двигатель.

%PDF-1.5 % 10 0 объект >>>/BBox[0 0 453,6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 14 0 объект >>>/BBox[0 0 453,6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f АУ`ВкН19-РФ.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 5 0 объект >>>/BBox[0 0 453,5 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 8 0 объект >>>/BBox[0 0 453,6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 1 0 объект >>>/BBox[0 0 453,6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 4 0 объект >>>/BBox[0 0 453.6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 9 0 объект >>>/BBox[0 0 453,6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 15 0 объект >>>/BBox[0 0 453,6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 3 0 объект >>>/BBox[0 0 453,5 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f АУ`ВкН19-РФ.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 12 0 объект >>>/BBox[0 0 453,6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 11 0 объект >>>/BBox[0 0 453,6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 13 0 объект >>>/BBox[0 0 453,6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 7 0 объект >>>/BBox[0 0 453.5 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 6 0 объект >>>/BBox[0 0 453,6 680,35]/длина 124>>поток xK [OK=>op{e3lfFȎ@f AU`Vq€19-RF.’~/.m%L Iq@+q4QSeu$ конечный поток эндообъект 17 0 объект >поток Королевское общество ©2017ABBYY Recognition Server; изменено с использованием iText 4.2.0 автором 1T3XT

Trueroyalsociety.org конечный поток эндообъект 18 0 объект >поток x+

Раздел 5: Сжатый газ | Охрана окружающей среды и безопасность

Сжатые газы могут быть токсичными, легковоспламеняющимися, окисляющими, коррозионными, инертными или иметь некоторую комбинацию этих опасностей.В дополнение к химической опасности количество энергии, возникающее в результате сжатия газа, делает баллон со сжатым газом потенциальной ракетой. Надлежащая осторожность при обращении и хранении баллонов со сжатым газом имеет важное значение. Ниже приведены общие рекомендации.

Знать и понимать свойства газа: Знать и понимать свойства, использование и меры предосторожности перед использованием любого газа или газовой смеси. Обратитесь к паспортам безопасности материалов (MSDS) для получения информации о безопасности газов, которые вы будете использовать.

Check Equipment: Проверьте линии и оборудование на наличие утечек перед их использованием. Линии и оборудование должны быть спроектированы и обслуживаться таким образом, чтобы выдерживать полное давление в баллоне. Материалы конструкции должны быть совместимы с используемыми газами.

Если вы сомневаетесь, обратитесь в отдел охраны окружающей среды и техники безопасности: Если вы не знакомы с опасностями, связанными с конкретным газом, или не уверены в правильности процедур обращения и хранения, позвоните в отдел охраны окружающей среды и безопасности по телефону 710-2900.

Основные опасности

Ниже приводится обзор основных опасностей, которых следует избегать при работе со сжатыми газами и их хранении.

Пожар и взрыв: Пожар и взрыв являются основными опасностями, связанными с горючими газами, кислородом и другими окисляющими газами. Горючие газы могут воспламениться от статического электричества или от источника тепла, такого как пламя или горячий предмет. Кислород и другие окисляющие газы не горят, но поддерживают горение горючих материалов.Увеличение концентрации окислителя увеличивает скорость горения. Материалы, негорючие при нормальных условиях, могут гореть в обогащенной кислородом атмосфере.

Высокое давление: Все сжатые газы потенциально опасны из-за высокого давления внутри баллона. Внезапный сброс давления может привести к травмам из-за движения цилиндра или перекручивания трубопровода.

Неправильное обращение с баллонами: Баллоны со сжатым газом тяжелые и неудобные в обращении.Неправильное обращение с баллонами может привести к растяжениям, перенапряжениям, падениям, ушибам и переломам костей. Другие опасности, такие как пожар, взрыв, химические ожоги, отравление и холодные ожоги, могут возникнуть, если газы случайно выйдут из баллона из-за неправильного обращения.

Обращение, хранение и использование газов

Только лица, знакомые с опасностями, должны обращаться с баллонами со сжатым газом. Все перемещения цилиндров должны выполняться с помощью погрузочно-разгрузочного оборудования. Всегда закрепляйте баллоны при хранении или использовании.Необходимо носить защитные очки, рабочие перчатки и соответствующую рабочую обувь.

Баллоны со сжатым газом не должны подвергаться механическим ударам, которые могут повредить их клапаны или устройства сброса давления. Цилиндры нельзя ронять, волочить, скользить или использовать в качестве роликов для перемещения материала или другого оборудования.

Крышки цилиндров выполняют две функции. Во-первых, они защищают клапан в верхней части цилиндра от повреждения в случае его опрокидывания. Во-вторых, если газ случайно выйдет через клапан, крышка выпустит газ с обеих сторон, сводя к минимуму вероятность того, что баллон опрокинется.Крышки цилиндров не следует снимать до тех пор, пока цилиндр не будет закреплен на месте и готов к использованию.

Хранение газовых баллонов

При хранении баллонов со сжатым газом следует соблюдать некоторые меры предосторожности. Полные и пустые баллоны следует хранить отдельно. Баллоны следует хранить в вертикальном положении и всегда закреплять. Окислители и легковоспламеняющиеся газы следует хранить в местах, разделенных не менее чем 20 футами или негорючей стеной.

Баллоны не следует хранить рядом с радиаторами или другими источниками тепла.Если хранение осуществляется на открытом воздухе, защитите баллоны от экстремальных погодных условий и влажной земли, чтобы предотвратить ржавление.

Вещи, которые следует держать подальше от баллонов

Следует принять ряд мер предосторожности для предотвращения выброса газов под высоким давлением, возгорания и взрыва. Баллоны со сжатым газом не должны подвергаться воздействию искр, пламени или температуре выше 125F. Цилиндры не должны находиться в местах, где они могут соприкасаться с какими-либо электрическими приборами или цепями.

Курение и использование открытого огня в помещениях, используемых для хранения баллонов с кислородом или легковоспламеняющимися газами, запрещается. Никогда не допускайте контакта масла, смазки или других горючих веществ с кислородом или другими окисляющими газовыми баллонами, клапанами и системами.

Возвратные цилиндры

При возврате пустого баллона закройте клапан перед отправкой, оставив в баллоне остаточное давление 25 psi. Замените колпачок клапана и все колпачки выпускного клапана или заглушки, изначально поставляемые с цилиндром.Если требуется ремонт баллона или его клапана, обязательно пометьте его и верните поставщику.

Протекающие цилиндры

Большинство утечек происходит в клапане в верхней части цилиндра и может быть связано с резьбой клапана, штоком клапана, выпускным отверстием клапана или устройствами сброса давления. Персонал не должен пытаться ремонтировать протекающие баллоны.

В тех случаях, когда действия могут быть предприняты без серьезного воздействия на рабочих, переместите баллон в изолированное, хорошо проветриваемое помещение (вдали от горючих материалов, если баллон содержит легковоспламеняющийся или окисляющий газ) и свяжитесь с BUPD.В противном случае покиньте зону и немедленно свяжитесь с BUPD.

Верх страницы

Предыдущий раздел

Следующий раздел

Оглавление

Взгляд на использование аммиака в качестве чистого топлива: проблемы и решения — Erdemir — 2021 — International Journal of Energy Research

1 ВВЕДЕНИЕ

Всем было кристально ясно, что энергия является самым важным требованием для людей и их существования.Потребление энергии в мире всегда росло из-за растущего спроса на энергию. Каждый день новые энергоемкие технологии, транспортные средства, системы и приложения входят в нашу повседневную жизнь, что резко увеличивает потребность в топливе и энергии для экономической деятельности и социального развития. Такие потребности повлияли на уравнение энергии с различными ограничениями, связанными с окружающей средой, здоровьем и устойчивым развитием. В настоящее время крайне необходимо составить уравнение энергии без углеводородного топлива, и поэтому оно полностью признается многими исследователями, учеными, организациями, компаниями и т. д.что пришло время перейти к возобновляемым источникам энергии и экологически чистым видам топлива (в частности, к водороду и аммиаку), за которые Dincer ¹ выступает в течение многих лет. В недавней перспективной статье ¹ он заявил, что коронавирус COVID-19: закрытие углеродного века, но открытие водородного века, и считает 2020 год поворотным моментом. Этот возраст еще более необходим для человеческого здоровья и человеческого благополучия. В связи с этим существует острая необходимость в развитии технологий и экономики, чтобы как можно быстрее осуществить плавный переход.Вот почему в этой перспективной статье аммиак принимается во внимание для справедливой оценки и предложений по улучшению методов сжигания.

Общеизвестно, что почти треть всей потребляемой энергии в мире используется в транспортном секторе, где ископаемые виды топлива в основном используются для производства обычного транспортного топлива, включая дизельное топливо, бензин, реактивное топливо и т. д. Их широкое использование привело к очень высокому уровню парниковых газов, от 20% до 30% в зависимости от развития страны.Хотя производители и правительства предпринимают большие попытки перейти на электрические и гибридные транспортные средства, кажется, что завершить этот переход за короткое время невозможно из-за проблем с инфраструктурой, экономикой и сырьем. Однако текущие экологические показатели указывают на необходимость быстрых и эффективных действий. Кроме того, дизельные и бензиновые генераторы, используемые в жилых, коммерческих, коммунальных и автономных приложениях, способствуют потреблению ископаемого топлива и увеличению выбросов CO ₂.Использование аммиака в процессах сгорания, таких как двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, может стать ключевым решением для более быстрого перехода к водородной экономике.

В последнее время предпринимались многочисленные попытки использования аммиака в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах. Калифорнийская комиссия по коммунальным предприятиям встретилась с заинтересованными сторонами отрасли по альтернативам дизельным генераторам в рамках текущего разбирательства по микросетям и рассматривает возможность замены дизельных генераторов на аммиачные к 2021 году.На 63 подстанциях планируется заменить дизель-генераторы мощностью 350 МВт на аммиачные. ² Япония запустила серьезный план действий по использованию аммиака в производстве, особенно в производстве электроэнергии. Ожидается, что 1% потребления электроэнергии будет обеспечиваться системами, работающими на аммиаке в Японии. ³ С этой целью в Японии начата программа газотурбинных установок, работающих на аммиаке, для производства электроэнергии. ⁴ Японская морская компания объявила о начале проекта по созданию судов на аммиаке и систем топливообеспечения для них.⁵ Более подробное описание применения аммиака представлено в следующих разделах. Несмотря на уникальные преимущества аммиака, существуют некоторые проблемы, связанные с его токсичностью, воспламеняемостью и сгоранием в традиционных двигателях, турбинах и электрогенераторах.

В этой перспективной статье чистый аммиак рассматривается как потенциальное безуглеродное решение для процессов и систем в различных секторах и обсуждается с разных точек зрения, таких как потенциальные источники, ключевые методы производства, способы хранения и варианты распределения, области применения, преимущества. , недостатки, проблемы сжигания и решения, а также перспективы на будущее.Он также оценивается как чистое топливо и предлагается для сжигания. Кроме того, обсуждаются и рассматриваются некоторые ключевые решения потенциальных проблем, связанных с использованием аммиака, для практического применения.

2 ФАКТА О ПРОИЗВОДСТВЕ И УТИЛИЗАЦИИ АММИАКА

Аммиак (NH ₃) известен как бесцветный газ с резким запахом при комнатной температуре, содержащий соединение азота и водорода. Чистый аммиак гигроскопичен и легко растворяется в воде и влаге.Однако аммиак вызывает коррозию из-за своих щелочных свойств. Сказав, что это один из наиболее часто производимых промышленных химикатов во всем мире. Более 75% производимого аммиака используется в сельском хозяйстве в качестве удобрения. Аммиак также можно использовать в качестве рабочей жидкости в холодильном цикле. Другое распространенное применение аммиака — в бытовых чистящих средствах. На рис. 1 показано количество аммиака, производимого по всему миру. Данные на рисунке 1 между 1945 и 2017 годами (обозначены синей линией) были получены из ссылки 6.В 2019 году во всем мире было произведено около 146 миллионов метрических тонн аммиака. Лишь небольшая часть аммиака (примерно 4%) используется для прямого применения; оставшаяся часть используется в качестве химиката в промышленности или удобрения в сельском хозяйстве. Ожидается увеличение потребления аммиака при использовании аммиака в энергетическом секторе из-за экологических проблем и попыток сократить выбросы CO ₂. В мире предпринимается множество попыток использовать аммиак в качестве безуглеродного топлива.Многие страны объявили о многих проектах, связанных с аммиаком, для производства электроэнергии, автономных приложений, двигателей внутреннего сгорания и т. д. Кроме того, ожидается, что он будет увеличиваться с увеличением количества систем, работающих на водороде, поскольку аммиак является хорошим переносчиком водорода. Мы прогнозируем, что производство и потребление аммиака будут расти в геометрической прогрессии. Наша проекция показана на рисунке 1 красной пунктирной линией. В 2050 году во всем мире будет произведено около 1,2 миллиарда метрических тонн аммиака, и этот показатель будет увеличиваться в геометрической прогрессии.Это почти в 8,2 раза больше объема производства аммиака в 2019 году.

Количество аммиака, производимого по всему миру (записанные данные из ссылки 6) [Цветной рисунок можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

Здесь мы представляем экономический цикл аммиака, начиная от его производства с использованием чистых источников и заканчивая конечными полезными товарами для экономической деятельности в рамках услуг, как показано на рисунке 2. Аммиак может стать ключом к завершению растущих поисков альтернативного топлива, поскольку он может производиться с использованием возобновляемых источников энергии.Аммиак — это химическое вещество, которое можно использовать во многих секторах и для самых разных целей. Он может служить топливом в производстве энергии, ключевым химическим веществом в производстве сырья и химикатов, основным ингредиентом чистящих материалов, топливом для двигателей и хладагентом для систем охлаждения. Его универсальность и широкий спектр возможностей применения делают аммиак важной безуглеродной альтернативой. Некоторые ключевые преимущества использования аммиака в качестве чистой альтернативы перечислены ниже:

Аммиак состоит из трех атомов водорода и одного атома азота и может гибко производиться из обычных или возобновляемых ресурсов.
Это потенциальное хранилище и носитель водорода.
Транспортировка аммиака намного безопаснее по сравнению с водородом.
В сжиженном состоянии содержит примерно на 48 % больше водорода по объему, чем водород.
При его использовании не происходит выбросов углекислого газа, так как он не содержит углерода.
Его можно использовать для широкого спектра применений в качестве топлива, рабочей жидкости, хладагента, носителя водорода, удобрения, сырья, химиката, чистящего средства и многих других.
Его можно легко обнаружить при любой утечке благодаря характерному запаху.
Сильный кандидат на топливо для двигателей, газовых турбин, электрогенераторов и горелок. Модификации, необходимые для таких двигателей, относительно невелики.

Экономический цикл аммиака от производства до утилизации [Цветной рисунок можно посмотреть в wileyonlinelibrary.ком]

3 АММИАК КАК ЧИСТОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ СГОРАНИЯ

Хотя аммиак уже много лет широко используется в холодильных установках в качестве хладагента и при производстве удобрений, бытовой химии и дезинфицирующих средств, он снова стал привлекать внимание исследователей, ученых, инженеров и технологов благодаря своему безуглеродному составу. природа, которую можно использовать в качестве потенциального топлива для сокращения выбросов CO ₂. Он может сыграть решающую роль в решении различных задач, связанных с вариантами водородной энергетики и водородной экономики как уникальной среды хранения водорода (с тремя атомами водорода), а также транспортировки и распределения без изменения инфраструктуры, с существующими вариантами транспортировки и распределения, где отрасли в настоящее время развертываются.В последнее десятилетие значительно участились попытки использовать аммиак в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах. В таблице 1 приведены характеристики горения обычных видов топлива, используемых в двигателях внутреннего сгорания. Многочисленные важные преимущества аммиака как потенциального топлива можно перечислить следующим образом:

Не содержит углерода и не наносит вреда окружающей среде.
Он имеет три атома водорода и потенциально может использоваться в качестве носителя водорода.
Его производство, хранение, транспортировка и распространение намного проще и менее сложны, чем многие другие виды топлива.
Это экономично и экономически целесообразно для приложений.
Может рассматриваться как потенциальная замена бензину, дизельному топливу и керосину.
Подходит для всех систем сгорания, от двигателей до газовых турбин.
Это может быть потенциальным топливным решением для производства экологически чистой энергии в отдаленных районах.

ТАБЛИЦА 1. Сравнение распространенных видов топлива, используемых в двигателях внутреннего сгорания.

Свойства	Единиц	Бензин	Дизель	СНГ	СПГ	Водород газообразный	Жидкий водород	Аммиак
Формула		С ₈ Н ₁₈	С ₁₂ Н ₂₃	С ₃ Н ₈	Ч ₄	Н ₂	Н ₂	НХ ₃
Нижняя теплотворная способность	МДж/кг	44.5	43,5	45,7	38,1	120,1	120,1	18,8
Пределы воспламеняемости, газ в воздухе	Том.%	1,4-7,6	0,6-5,5	1,81-8,86	5,0-15,0	4-75	4-75	16,25
Скорость пламени	м/с	0.58	0,87	0,83	8,45	3,51	3,51	0,15
Температура самовоспламенения	°С	300	230	470	450	571	571	651
Минимальная энергия воспламенения	МДж	0.14	Н/Д	Н/Д	Н/Д	0,018	Н/Д	8
Температура вспышки	°С	−42.7	73,8	−87,7	−184,4	Н/Д	Н/Д	−33,4
Октан		90-98	Н/Д	112	107	>130	>130	110
Плотность топлива	кг/м ³	698.3	838,8	1898	187,2	17,5	71,1	602,8
Плотность энергии	МДж/м ³	31 074	36 403	86 487	7132	2101	8539	11 333
Скрытая теплота парообразования	кДж/кг	71.78	47,86	44,4	104,8	0	Н/Д	1369
Способ хранения		Жидкость	Жидкость	Комп.жидкость	Комп. газ	Комп. газ	Комп. жидкость	Комп. жидкость
Температура хранения	°С	25	25	25	25	25	−253	25
Давление хранения	кПа	101.3	101,3	850	24 821	24 821	102	1030
Стоимость ^и	$/литр	0.58	0,65	0,72	0,57	0,14	0,18	0,24

Источник : Данные из ссылок ^7-12 .

Сравнение различных видов топлива с аммиаком приведено в таблице 1. Хотя удельная энергоемкость аммиака в гермобаке в 2,5 раза ниже, чем у бензина, по удельным энергозатратам он имеет большое преимущество перед традиционными видами топлива. Кроме того, когда аммиак производится с использованием возобновляемых источников энергии, стоимость жизненного цикла систем, работающих на смеси аммиака и топлива, может быть существенно снижена.

Можно посмотреть на реакции горения аммиака.Давайте сначала рассмотрим стехиометрическое сжигание со 100% теоретического воздуха для сжигания аммиака, которое происходит как полное сгорание, а именно: (1) При идеальном сгорании чистого аммиака образуются H ₂ O и N ₂. Однако такой вид горения практически невозможен. Любое топливо, в том числе и аммиак, нужно сжигать с избытком воздуха (что сделает теоретический воздух более 100%). Давайте на этот раз рассмотрим реакцию горения аммиака с избытком воздуха (где X будет процентом теоретического воздуха, например, 50% избытка воздуха даст 150% теоретического воздуха, что принесет 1.5, чтобы умножить воздух, и 100% избыточного воздуха сделают его 200% теоретическим воздухом, что принесет 2,0, чтобы умножить воздух) следующим образом: (2) С другой стороны, в реальных условиях кинетика реакции горения аммиака тяготеет к образованию оксида азота. Следовательно, аммиак частично окисляется, а частичное окисление аммиака происходит как (3) где X — теоретический процент воздуха, Y — количество введенных молей NH ₃ , C — процент конверсии NH ₃ , а Z — процент NO _x формирование.

Частичное окисление аммиака снижает выход энергии реакции примерно на 30% в соответствии с идеальной стехиометрической реакцией горения. Также из-за высокой температуры воспламенения аммиака часть аммиака не сгорает, а испаряется в виде газа. Поэтому крайне важно обеспечить полное сгорание аммиака. Как видно из таблицы 1, температура самовоспламенения аммиака примерно на 200°C выше, чем у бензина и дизельного топлива. Таким образом, трудности с зажиганием наблюдаются как в двигателях с искровым зажиганием, так и в двигателях с компрессией.Высокая температура воспламенения вызывает низкую температуру сгорания и снижение мощности двигателя.

4 ЗАДАЧИ СО СЖИГАНИЕМ АММИАКА

Важно отметить, что аммиак при сжигании имеет некоторые побочные эффекты, точно так же, как и все лекарства имеют некоторые побочные эффекты. Такие побочные эффекты (так называемые проблемы) могут быть перечислены следующим образом:

Высокая температура воспламенения
Низкая скорость пламени
Медленная химическая кинетика

В связи с активизацией исследований, направленных на минимизацию воздействия и улучшение характеристик сгорания, необходимо предоставить некоторые ключевые средства для решения проблем.Они будут обсуждаться в следующих подразделах.

4.1 Решение проблем

Обсуждаются три вышеперечисленных побочных эффекта сжигания аммиака и предлагаются следующие возможные технические решения.

4.1.1 Высокая температура воспламенения

Чтобы решить сложную проблему воспламенения аммиака, аммиак обычно смешивают с традиционными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, такими как бензин, дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ, сжатый природный газ, этанол, метанол, водород и т. д.Рисунок 3 иллюстрирует использование топливных смесей аммиака в двигателях внутреннего сгорания. Аммиак может поступать в двигатель либо с воздухом в газообразной форме из впускного коллектора, либо впрыскиваясь в цилиндр в жидкой форме отдельно от попутного топлива. Поскольку традиционное топливо воспламеняется при более низкой температуре, это повысит температуру цилиндра и поможет воспламенению аммиака.

Иллюстрация двигателя внутреннего сгорания, работающего на смеси аммиака и топлива: (A) впуск аммиака с воздухом в виде газа и (B) впуск аммиака отдельно с топливом [Цветной рисунок можно посмотреть в wileyonlinelibrary.ком] Топливные смеси

аммиака могут снизить потребность в дополнительных устройствах или модификациях двигателей. Таким образом, переход на водородную экономику может быть осуществлен экономически эффективно в двигателях внутреннего сгорания. Обычный способ подачи аммиака в двигатель — это подача воздуха в виде газа из впускного коллектора (рис. 3А). Для достижения максимально возможной мощности и минимально возможного уровня выбросов смесь аммиака, топлива и воздуха следует тщательно регулировать.Для этого требуется комплексная конструкция блендера и система автоматического управления. Следовательно, для каждого обычного топлива, смешиваемого с аммиаком, должен быть разработан оптимальный смеситель, чтобы установить оптимальное соотношение смешивания аммиака, топлива и воздуха. Аммиак также можно вводить путем раздельного впрыска аммиака и топлива во впускной коллектор в жидкой фазе, как показано на рисунке 3B. В этом методе необходимо хорошо отрегулировать расход аммиака и топлива. Кроме того, следует разработать эффективные инжекторы аммиака для предотвращения проскальзывания аммиака.

С другой стороны, аммиачно-топливные смеси вызывают снижение мощности из-за сгорания аммиака. Yapicioglu и Dincer ¹³ провели всестороннее исследование эффективности смесей аммиака и топлива в двигателе электрогенератора. На рис. 4 показано влияние изменения соотношения аммиачных топливных смесей на выходную мощность. Как и ожидалось, выходная мощность генератора уменьшилась с увеличением доли аммиака в топливной смеси. Кроме того, наибольшая выходная мощность была получена при использовании смеси аммиака и водорода.Кроме того, температура выхлопных газов имеет тенденцию к снижению с увеличением доли аммиака в топливной смеси. В то время как соотношение аммиака в топливной смеси изменяется с 0,20 до 0,80, температура выхлопных газов снизилась примерно на 60°C в дизельном топливе, на 150°C в водороде и на 100°C в смесях пропана и природного газа. ¹³

Влияние изменения соотношения аммиачных топливных смесей на выходную мощность электрогенератора (данные из ссылки 13) [Цветной рисунок можно посмотреть в wileyonlinelibrary.ком]

Для улучшения процессов сгорания и повышения мощности в двигатель может быть встроен нагнетатель. Двигатель может иметь более избыточный наддув, чем традиционные двигатели, из-за высокого октанового числа аммиака. Более высокие степени сжатия также могут помочь решить сложную проблему с зажиганием. Повышение давления повысит температуру топливной смеси в цилиндре. Таким образом, сгорание может происходить легче. Предварительный нагрев для аммиака также может помочь самовоспламенению.Потребление аммиака при более высокой температуре может способствовать инициированию и развитию горения.

С другой стороны, сопутствующие виды топлива вызывают выбросы CO ₂ и NO _x. При сравнении выбросов двигателей, работающих на традиционных видах топлива и смесях аммиака и топлива, аммиак обеспечивает значительный прогресс в снижении выбросов. Здесь использование водорода в аммиачной топливной смеси снижает выбросы углерода, поскольку топливная смесь не содержит соединений углерода.Смесь аммиака и водорода также важна для сокращения выбросов углерода, поскольку в смеси нет углерода. Влияние смесей аммиака и топлива на выбросы CO ₂ и NO _x показано на рисунке 5, как показано в следующем подразделе.

(A) CO ₂ и (B) выбросы NO _x для различных аммиачных топливных смесей (данные из ссылки 13) [Цветной рисунок можно посмотреть в wileyonlinelibrary.ком]

4.1.2 Низкая скорость пламени

Второй проблемой использования аммиака в двигателе внутреннего сгорания является более низкая скорость пламени аммиака по сравнению с другими традиционными видами топлива. Меньшая скорость пламени сдерживает диффузию температуры в цилиндре во время такта сгорания и вызывает снижение мощности. Эта проблема наблюдается как в двигателях с искровым зажиганием, так и в двигателях с компрессией. Следовательно, использование аммиака в обычном двигателе невозможно без потери мощности.Однако, если принять во внимание, что аммиак является безуглеродным топливом и его потенциалом по сокращению выбросов углерода, он по-прежнему является достойным и важным альтернативным топливом для двигателей внутреннего сгорания. Все решения, описанные выше, также могут помочь в решении проблемы низкой скорости пламени. А именно, смесь аммиака и топлива, предварительно нагретый аммиак и более высокие степени сжатия могут улучшить скорость пламени.

Аммиак можно использовать в двигателях с искровым зажиганием путем раздельного впрыска аммиака и бензина во впускной коллектор в жидкой фазе.Поскольку аммиак сгорает в 1/5 раза медленнее, чем бензин, момент зажигания требует особой настройки угла поворота коленчатого вала и положения поршня. При замене 70% бензина на аммиак уменьшается количество углекислого газа. Аммиак не следует впрыскивать в цилиндр, если только давление не превышает давление сжатия в цилиндре. В двигателях с воспламенением от сжатия аммиак предварительно смешивается с воздухом и вводится через впускной коллектор, а внутрь цилиндра впрыскивается небольшое количество дизельного топлива или другого промотора для воспламенения аммиачно-воздушной смеси.Как упоминалось ранее, здесь важно регулировать и авторегулировать соотношение смеси аммиака, топлива и воздуха, что является серьезной проблемой.

4.1.3 Медленная химическая кинетика

Скорость химической реакции — это скорость, с которой происходит химическая реакция. Он также определяется как скорость, с которой реагент превращается в продукты. Когда аммиак используется в двигателях внутреннего сгорания в качестве топлива, скорость химической реакции ниже, чем у традиционных видов топлива, из-за его высокой температуры воспламенения и низкой скорости пламени.Эта медленная скорость химической реакции приводит к тому, что аммиак выбрасывается из выхлопных газов без сгорания. Распространенным способом повышения скорости химической реакции горения аммиака является использование промотора в аммиачно-воздушной смеси. Традиционные виды топлива и водород обычно используются в качестве промотора в двигателях, работающих на аммиаке, как указано в предыдущем разделе. Смеси аммиака и топлива могут увеличить скорость химической реакции при сгорании аммиака. Кроме того, NaCl, BaCL ₂ и NaF используются в качестве катализатора для улучшения химической кинетики горения аммиака.

5 CO

₂ И НЕТ _x ВЫБРОСЫ

На рис. 5 показаны выбросы CO ₂ и NO _x для различных топливно-аммиачных смесей в зависимости от соотношения компонентов смеси. Понятно, что увеличение количества аммиака в смеси существенно снижает выбросы CO ₂ и NO _x. В чистом аммиаке и аммиачно-топливных смесях, особенно в двигателях внутреннего сгорания, работающих на смеси аммиака и водорода, выбросы NO _x являются критической проблемой.Чтобы предотвратить эту проблему, можно использовать катализатор окисления аммиака и каталитическое восстановление. Таким образом, можно уменьшить как NO _x, так и NH ₃. Использование смеси аммиака и водорода может устранить выбросы углерода. Кроме того, улучшение сжигания аммиака может уменьшить выбросы NO _x.

6 ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, использующие аммиак в качестве носителя, представляют собой немедленный и жизнеспособный способ перехода на безэмиссионный выброс углерода.Аммиак может обеспечить экономичный и экологически эффективный переход к водородной экономике. Было предпринято много попыток использовать аммиак в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания, поскольку он не содержит углерода, что связано с экологическими проблемами. Помимо экологических преимуществ, при использовании аммиака в двигателях внутреннего сгорания возникает несколько существенных проблем, таких как затрудненное зажигание, низкая скорость пламени, требуемая более высокая степень сжатия и т. д. Следование основным направлениям может помочь решить эти проблемы, возникающие при использовании аммиака, и распространить его использовать:

Смешивание аммиака с традиционными видами топлива может помочь решить сложную проблему воспламенения.
аммиака также повышают мощность двигателя по сравнению с двигателями, работающими на чистом аммиаке.
Необходимо разработать эффективный и автоматически управляемый смеситель аммиака и топлива.
Предварительный подогрев для аммиака можно осуществить за счет легкого воспламенения и достижения высокой температуры горения.
Более высокая степень сжатия в цилиндре может способствовать самовоспламенению.
и каталитическое восстановление могут применяться для снижения выбросов NO _x.

ССЫЛКИ

4 Аммиачная газотурбинная энергетика, 2017; нд https://www.ammoniaenergy.org/articles/ammonia-fueled-gas-turbine-power-generation/#:~:text=Хидэаки Кобаяши%2C, профессор аммиака в газовой турбине.&text=Но поскольку аммиак горит без него, в низкоуглеродном обществе . По состоянию на 19 сентября 2020 г.
6 Геологическая служба США, 2014 г., Статистика аммиака. В: Келли Т.Д., Матос Г.Р., сост. Историческая статистика минеральных и сырьевых товаров в Соединенных Штатах. Рестон, Вирджиния: (версия 2016 г.). Серия данных Геологической службы США. https://www.usgs.gov/centers/nmic/historical-statistics-mineral-and-material-commodities-united-states#. По состоянию на 12 октября 2020 г.
9Chong CT, Hochgreb S.Измерения ламинарных скоростей пламени жидких топлив: реактивный A1, дизельное топливо, пальмовые метиловые эфиры и смеси с использованием велосиметрии с визуализацией частиц (PIV). Процесс сжигания . 2011 г.; 33: 979-986. https://doi.org/10.1016/j.proci.2010.05.106.
10Рамасами Д., Кадиргама К., Рахман М.М., Зайнал З.А. Анализ скорости горения сжатого природного газа и распространения пламени в двигателе малолитражного автомобиля. Int J Automot Mech Eng .2015 г.; 11: 2405-2416. https://doi.org/10.15282/ijame.11.2015.21.0202.