Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород




Скачать 459.6 Kb.
НазваниеКонвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород
страница1/5
Дата конвертации27.02.2013
Размер459.6 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4   5


На правах рукописи


Галышев Юрий Виталиевич


конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород


05.04.02 – тепловые двигатели


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Санкт-Петербург - 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»



Официальные оппоненты:


Ведущая организация


доктор технических наук, профессор

Кавтарадзе Реваз Зурабович


доктор технических наук, профессор

Шаров Геннадий Иванович


доктор технических наук, профессор

Салова Тамара Юрьевна


ФГУП ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова



Защита состоится _____________2010 года в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.09 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», по адресу 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, главное здание, ауд. ____.


С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».


Автореферат разослан ____, _________2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.09

д.т.н., профессор Хрусталев Б.С.



Общая характеристика работы


Актуальность темы. Транспорт является одним из ключевых элементов современной цивилизации. Его состояние и перспективы развития в огромной степени зависят от возможностей снабжения транспортных энергоустановок топливом. Истощение запасов жидких углеводородных топлив и проблемы загрязнения окружающей среды могут поставить человечество перед альтернативой – либо сократить транспортные перевозки, либо найти новые пути энергоснабжения транспорта.

Перспективы решения топливной проблемы транспорта, основной энергетической установкой которого является двигатель внутреннего сгорания, связаны с применением газовых топлив, в первую очередь – природного газа, в дальнейшей перспективе – водорода.

Из этого вытекает необходимость более интенсивных разработок в области конструирования и исследования газовых двигателей. Распространенные на данный момент подходы, связанные с конвертированием обычных двигателей жидкого топлива для работы на газах, не всегда позволяют в полной мере использовать потенциал газовых топлив. Наиболее эффективным подходом к решению этих проблем является комплексная оптимизация, охватывающая конструкцию и настройку систем воздухоснабжения и топливоподачи, выбор состава рабочих смесей на различных режимах работы, при которых обеспечиваются наилучшие показатели по экономичности двигателя и токсичности отработавших газов.

Разработка, совершенствование и исследование двигателей, работающих на альтернативных топливах, связано с большими трудностями, определяемыми отсутствием эмпирического материала, обычно используемого при аналогичных работах в случае применения традиционных топлив. Эти трудности могут быть наиболее эффективно преодолены с помощью методов математического моделирования. С учетом того, что замена топлива может кардинальным образом повлиять на все процессы, происходящие в двигателе, объективное прогнозирование перспектив применения новых видов топлива и необходимых для этого изменений конструктивных и регулировочных параметров требует, чтобы моделирование было комплексным и включало в связанную систему расчет всех основных явлений в двигателе. Особое внимание должно быть уделено процессам топливоподачи, смесеобразования, сгорания и формирования токсичных составляющих отработавших газов. В связи с этим сформулируем следующее.

Целью работы является разработка теоретических основ, комплекса методов и средств для улучшения энергоэкономических и экологических показателей двигателей конвертированием рабочего процесса на природный газ и водород.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

  • анализ физико-химических и моторных свойств различных альтернативных топлив для ДВС, способов их получения, хранения, систем топливоподачи;

  • разработка математической модели нестационарного течения газа в цилиндре ДВС и анализ с ее помощью возможности осуществления эффективного расслоения топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя с непосредственным впрыском газа;

  • разработка математических моделей рабочего процесса газодизеля и бензоводородного двигателя, и на основе расчетно-теоретического исследования выбор способов рационального регулирования составов топливовоздушных смесей двигателей, работающих на природном газе и водородсодержащих топливных смесях;

  • разработка топливной системы, обеспечивающей улучшение параметров подачи запального топлива для газодизеля;

  • создание испытательных стендов и экспериментальное исследование топливной аппаратуры и рабочего процесса газодизеля 6Ч15/18 и бензоводородного двигателя 4Ч 7,6/8,0;

  • разработка и исследование опытных образцов силовых установок с двигателями, работающими на природном газе и водороде.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:

- математическая модель нестационарного течения рабочего тела в цилиндре ДВС на тактах выпуска, наполнения, сжатия и смесеобразования; новые данные о газодинамических процессах происходящих в четырехтактном газовом двигателе с послойным смесеобразованием;

- модель сгорания и тепловыделения в газодизеле и зависимости для определения ее параметров;

- конструкция топливной системы газодизеля со специальной форсункой, имеющей в одном корпусе два распылителя с различными сечениями сопловой части, которая обеспечивает улучшение процесса подачи запального топлива;

- зависимости для определения характеристик тепловыделения и математическая модель рабочего процесса бензоводородного двигателя;

- границы возможного варьирования составов водородосодержащих топливных смесей с учетом обеспечения воспламеняемости и недопущения аномального сгорания;

- принципы выбора рациональных составов многокомпонентной водородосодержащей топливной смеси в широком диапазоне режимов на основе математического моделирования рабочих процессов и токсичности отработавших газов;

- новые схемы водородного питания двигателя, защищенные авторскими свидетельствами.

Достоверность результатов исследований достигается разработкой математических моделей на основе фундаментальных законов и уравнений механики, термодинамики, газодинамики, физической обоснованностью принятых допущений и подтверждается согласованием результатов расчета с экспериментальными данными. Достоверность результатов эксперимента обуславливается соблюдением действующих стандартов РФ, использованием поверенных и аттестованных измерительных приборов и оборудования.

Практическая значимость. Предложены практические рекомендации, обеспечивающие повышение эффективности теплоиспользования и снижения токсичности отработавших газов:

- форма камеры сгорания, расположение свечи зажигания и газовой форсунки, угол опережения, продолжительность и давление впрыска газа, обеспечивающие эффективный рабочий процесс газового двигателя с послойным смесеобразованием при непосредственном впрыске газа;

- конструктивные параметры опытной топливной системы судового газодизеля с двухсопловой форсункой, обеспечивающей улучшение процесса подачи запального топлива.

- рациональные зависимости состава смеси и угла опережения впрыска дизельного топлива при работе судового газодизеля по винтовой характеристике, обеспечивающие минимизацию эмиссии оксидов азота с учетом требований по экономичности;

- характеристики регулирования состава смеси двигателя, работающего на бензине с добавками водорода и водяного пара, и система топливоподачи, реализующая данные характеристики.

Реализация результатов работы. Результатами реализации работы являются разработанные системы питания и конвертированные на природный газ и водород, следующие транспортные двигатели, прошедшие всесторонние испытания:

- газодизель 6Ч 15/18, используемый в качестве главного судового двигателя на первом в России пассажирском судне - газоходе проекта Р51 "Нева – 1" Санкт-Петербургского Пассажирского порта. На газодизеле реализован полученный расчетно-экспериментальным путем закон регулирования состава смеси;

- бензиновые двигатели ВАЗ - 2106 и ЗМЗ – 24, переведенные на работу с добавками водорода и водяного пара. Макетный образец автомобиля УАЗ-452В с малотоксичной моторной установкой и автономным генератором водорода демонстрировался на ВДНХ СССР.

Эксплуатационные испытания пассажирского судна-газохода и водородного автомобиля показали надежность работы элементов систем питания, значительное снижение токсичности ОГ и расхода жидкого топлива.

Разработанные математические модели и программы внедрены в конструкторских отделах ОАО "Звезда" и ООО ЦНИДИ. Научные и технические материалы работы используются в учебном процессе СПбГПУ на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания".

Реализация работы подтверждена соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на следующих семинарах и конференциях:

  • всесоюзный научно-технический семинар «Снижение токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания», Москва, ФНИКТИД, 1982.

  • семинар «Применение водорода для уменьшения выбросов в атмосферу токсичных веществ транспортными двигателями», Москва, ВДНХ СССР, 1984.

  • всесоюзная научно-техническая конференция «Альтернативные топлива в ДВС», Киров, КирСХИ, 1988.

  • 7-ая международная конференция «Водородная энергетика», Москва, 1988.

  • заседание комиссии Правительства РФ по использованию природного и сжиженного нефтяного газа в качестве моторного топлива, 1996.

  • 26-ая международная научная конференция «KONES 2000», Nateczow, Польша, 2000.

  • ХIII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», Санкт-Петербург, 2001.

  • Всероссийский конгресс двигателестроителей, Санкт-Петербург, ЦНИДИ, 2003.

  • международная научно-практическая конференция «Безопасность водного транспорта», Санкт-Петербург, СПГУВК, 2003

  • научная конференция «Топливо - двигатель – экологически чистая система, проблемы Северо-западного региона», Санкт-Петербург, Северо-Западное отделение Научного Совета по горению и взрыву при Президиуме РАН, ФГУП РНЦ «Прикладная химия», 2003.

  • международная научно-техническая конференция «Транспорт, экология – устойчивое развитие», Технический ун-т г. Варна, Болгария, 2004.

  • научно-техническая конференция «Водородная энергетика и технологии», Санкт-Петербург, Северо-Западное отделение Научного Совета по горению и взрыву при Президиуме РАН, ФГУП РНЦ «Прикладная химия», 2004.

  • международный симпозиум «Образование через науку», 175 лет МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005.

  • межотраслевая научно-техническая конференция "Современные проблемы развития поршневых ДВС", посвященная 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 2005.

  • международная конференция "Двигатель - 2007", МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, 2007.

  • научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС», посвященная 100-летию П.А. Истомина, СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 2008.

  • III международная конференция "Альтернативные источники энергии для больших городов", Департамент природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы, 2008.

  • ежегодные научно-технические конференции ЛПИ им. М.И.Калинина – СПбГПУ, Санкт-Петербург, 1982 – 2009.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 57 печатных работах, в том числе монография, справочник, 6 учебных пособий, 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 362 страницы основного текста, 183 рисунка, 31 таблицу, список использованной литературы из 314 наименований.


Содержание работы


Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость. Представлены данные о реализации результатов исследования.

В первой главе проведен анализ физико-химических и моторных свойств различных альтернативных топлив для ДВС, способов их получения, хранения, систем топливоподачи.

Большой вклад в развитие тематики по использованию различных видов топлив в ДВС внесли российские ученые: Ю.Н. Васильев, В.А. Вагнер, А.И. Гайваронский, С.В. Гусаков, Л.Н. Голубков, К.Е. Долганов, В.И. Ерохов, Г.Н. Злотин, Н.А. Иващенко, Р.З. Кавторадзе, В.Ф. Каменев, Г.М. Камфер, А.А. Капустин, В.А. Лиханов, В.М. Луканин, В.А. Марков, Н.Н. Патрахальцев, В.М. Фомин, А.С. Хачиян, Н.А. Хрипач, А.П. Шайкин, зарубежные ученые Buchner H., Dell R., Furuhama S., Lucas G., Pischinger F., Swain M.и другие.

Проведенный анализ научных исследований показал следующее:

1. Наиболее перспективным топливом не нефтяного происхождения на ближайшее будущее является природный газ, запасы которого значительно превышают нефтяные и при сгорании которого образуется меньше вредных веществ. В более отдаленной перспективе, предполагая, что ископаемые энергоносители будут близки к полному исчерпанию и основой энергетики станут ядерные или термоядерные установки, для транспорта будут использовать либо электромобили, либо тепловые двигатели, питаемые водородом. В этом случае возможно радикальным образом решить проблему загрязнения окружающей среды вредными выбросами. В ограниченном количестве такие энергоустановки уже применяются и в настоящее время в условиях предельно жестких ограничений на вредные выбросы с отработавшими газами.

2. Природный газ используется в качестве топлива в газовых двигателях с искровым зажиганием, а также в газодизелях, где воспламенение газовоздушной смеси происходит с помощью запальной порции дизельного топлива. Для газодизельных двигателей актуальными являются вопросы минимизации запальной дозы и увеличение стабильности и давления впрыска при малых подачах дизельного топлива, а также определение рационального закона регулирования состава газовоздушной смеси в зависимости от режима работы двигателя.

3. Значительные преимущества для двигателей с искровым зажиганием дает рабочий цикл с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и расслоением заряда, что успешно используется в бензиновых двигателях. Актуальным вопросом является проверка возможности и эффективности использования расслоенного заряда в газовом двигателе с искровым зажиганием.

4. Работы по конвертированию двигателей на водородное топливо ведутся в двух направлениях – создание двигателей, работающих на "чистом" водороде и на бензине с добавкой водорода. В ближайшей перспективе целесообразно использование бензоводородных двигателей по причине отсутствия водородной инфраструктуры, сравнительно высокой стоимости водорода и больших массо-габаритных показателей систем хранения запасов водорода на борту транспортного средства.

5. Применение водорода в качестве дополнительного топлива позволяет осуществить работу двигателя при частичных нагрузках на бедных топливовоздушных смесях, в результате чего значительно повышается экономичность и снижается токсичность отработавших газов двигателя. При этом наиболее эффективным является смешанное регулирование мощности двигателя.

6. Предложенные способы регулирования бензоводородных двигателей получены исходя из принципа улучшения экономических и токсических показателей двигателя при ограниченных расходах водорода. Не исследованы возможности улучшения характеристик двигателя при увеличении расхода водорода вплоть до работы двигателя на различных режимах с максимально возможной добавкой водорода, которая ограничивается появлением обратных вспышек. Крайне ограничены сведения о способах регулирования и топливной аппаратуре бензоводородных автомобилей, использующих бортовой генератор получения водорода на основе взаимодействия энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) с водой. Специфика указанного способа (образование в генераторе вместе с водородом водяного пара) такова, что рассмотренные способы и характеристики регулирования и топливная аппаратура в данном случае не могут быть использованы без существенной доработки.

7. Большое значение при конвертировании двигателей на альтернативные топлива имеет разработка и применение математических моделей различных процессов в двигателе, позволяющих выбрать оптимальные конструктивные и регулировочные параметры, а также значительно сократить сроки и объем экспериментальных исследований.

  1   2   3   4   5

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород iconВодород как энергоноситель и топливо
Водород является перспективным топливом, обладающим высокой теплотой и температурой сгорания, который образует «чистые» продукты...

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород iconГаз природный топливный
Разработан техническим комитетом по стандартизации тк 52 «Природный газ» (вниигаз)

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород iconПояснительная записка на тему: «Расчет и анализ идеального цикла двс со смешанным подводом теплоты»
Рассчитать идеальный цикл двс со смешанным подводом теплоты, который в соответствии с рисунком 1 включает следующие термодинамические...

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород iconКодекс Российской Федерации
Не относятся к особо опасным и технически сложным объектам газораспределительные системы, на которых используется, хранится, транспортируется...

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород icon«Разработка проектной и рабочей документации по переводу угольной котельной по адресу ул. Аграрная, 67а на природный газ»
...

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород iconА. А. Брютов студент группы двс-01, П. К. Сеначин научный руководитель фгбоу впо «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»
Целью данной работы является создание многозонных (с числом зон не менее двух) математических моделей процесса горения топливно-воздушного...

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород iconПоложение о курсовом проектировании двс по кафедре "Теплотехники и автотракторных двигателей" для специальностей ат, ас и двс
Закрепить на практике приобретенные знания, получить знания по взаимодействию отдельных компонентов в составе сложной технической...

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород iconПо существу проблема перехода на сжигание бедных смесей в двс осталась нерешенной, так как в целом проводилась в рамках традиционной концепции бензинового двс с гомогенным зарядом
Применение современных методов экспериментальной диагностики и численного моделирования позволило достигнуть значительного прогресса...

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород iconН двс эм и вб рн аб
Двс- двигатель внутреннего сгорания, служит для преобразования топлива в механическое движение

Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород iconЦиклический характер работы двс один из его недостатков, но вместе с тем именно благодаря ему в двс реализуются высокие максимальные температуры и давления
Именно эти показатели качества силовых установок с двс дают основания рассматривать их и на ближайшую перспективу как основным видом...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница