Технические
науки/4. Транспорт
Д.т.н. Кукис В.С., к.т.н. Романов В.А.
Южно-Уральский государственный университет,
Россия
О возможности комплексного решения задачи повышения
экономических и экологических показателей
поршневых двигателей внутреннего сгорания
«Согласно
прогнозам Базового сценария, мировой спрос на первичные энергоресурсы в период
с 2002 по 2030 гг. вырастет на 60 %...» [1]. Широкое использование человечеством
поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС), которые являются самыми
многочисленными среди тепловых двигателей и источников энергии, потребляемой
человечеством [2], вносит весьма ощутимый вклад в использование первичных
энергоресурсов. При этом:
1. Термодинамические показатели
современных ПДВС близки к теоретически возможному предельному уровню [2, 3 и
др.] и этот предельный уровень обеспечивает превращение в полезную работу не
более 45–46 % термохимической энергии
топлива. Остальная теплота, выделившаяся при сгорании топлива, рассеивается в
окружающей среде либо с поверхности двигателя и его систем, либо с уходящими из
него отработавшими газами (ОГ). Значительная часть «потерь» приходится именно
на ОГ. В дизелях они составляют 85–110
% по отношению к эффективной мощности, в двигателях с принудительным воспламенением
топлива превосходят ее на 25-45 %
2.
Выбрасываемые в атмосферу ОГ содержат большое количество токсичных веществ и
сажи [4]. Их более 280 и они наносят непоправимый вред здоровью человека, возведенным
им зданиям и сооружениям, окружающей природе. В современном двигателестроении
снижение экологического вреда, наносимого ПДВС, является важнейшей самостоятельной
задачей, решение корой во многих случаях ухудшает их мощностные и экономические
показатели [4, 5 и др.].
На рис. 1 показана принципиальная
схема системы, предложенной авторами [6], которая позволяет комплексно решать
задачи повышения экономических и экологических показателей поршневых двигателей
внутреннего сгорания без ухудшения каких-либо из них.
Рис. 1. Принципиальная схема каталитического
нейтрализатора,
оборудованного стабилизатором температуры отработавших
газов,
утилизационной
стирлинг-электрической установкой и дополнительной
подачей воздуха в нейтрализатор:
1 –
входной патрубок; 2 – воздухопровод; 3 – нагнетатель воздуха; 4 – электрический
провод; 5 – утилизационная стирлинг-электрическая установка; 6 – нагреватель
двигателя Стирлинга; 7 – кольцевые элементы с теплоаккумулирующим веществом; 8
– кольцевые элементы восстановительного типа;
9 –
восстановительная зона каталитического нейтрализатора; 10 – кольцевые элементы
окислительного типа; 11 – окислительная зона каталитического нейтрализатора; 12
– теплоизоляция; 13 – сажевые пористые кольцевые элементы; 14 – фильтрационная
зона каталитического нейтрализатора;
15 –
корпус каталитического нейтрализатора
Эта система включает
каталитический нейтрализатор (КН) с утилизационной стирлинг-электрической
установкой (СЭУ) и дополнительной подачей воздуха в нейтрализатор. Важной
спецификой этой системы является то, что часть вырабатываемой СЭУ электрической
энергии идет на привод нагнетателя, который подает воздух в КН для повышения эффективности
протекания окислительных процессов. Кроме того, поступающий во впускной
патрубок КН воздух обеспечивает эжекцию ОГ, чем уменьшает противодавление в выпускной
системе, создаваемое нейтрализатором.
Другая особенность связана с тем,
что КН имеет встроенные элементы, которые содержат теплоаккумулирующее вещество
(ТАВ), обеспечивающее демпфирование колебаний температуры ОГ, понижая ее, если
в нейтрализатор попадают горячие газы, и, повышая, если газы на входе имеют
низкую температуру. Это позволяет, с одной стороны, исключить возможный прогар
корпуса нейтрализатора, а с другой – эффективно осуществлять процесс нейтрализации
токсичных веществ.
Отметим, что важным фактором эффективного
использования термического потенциала ОГ при утилизации является их
температура. Применение КН для обезвреживания ОГ приводит к заметному повышению
их температуры, а, следовательно, и энергетической ценности выбрасываемых в
атмосферу продуктов сгорания. Используя утилизационную систему, помещенную на выходе
из КН, можно вырабатывать большее количество механической (электрической)
энергии, чем при утилизации теплоты ОГ, выходящих непосредственно из цилиндра
двигателя. Эта энергия может быть суммирована с мощностью, вырабатываемой ПДВС,
либо использована для привода вспомогательных агрегатов, в том числе для подачи
дополнительного атмосферного воздуха в КН. Сказанное позволяет комплексно
повышать мощностные, экономические и экологические показатели силовой установки
(СУ).
Для проверки
эффекта от использования КН, оборудованного стабилизатором температуры ОГ, утилизационной СЭУ и дополнительной подачей воздуха в
нейтрализатор были проведены экспериментальные
исследования, включавшие три этапа.
На первом этапе была исследована работа силовой
СУ, включающей двигатель КамАЗ–740 и СЭУ, утилизирующую теплоту ОГ дизеля. Это
позволило оценить возможность повышения мощностных и экономических показателей
СУ только за счет утилизации теплоты ОГ.
На втором этапе выпускная система двигателя
была оборудована КН в штатном исполнении и утилизатором теплоты ОГ
(утилизационной ДЭУ).
Третий
этап включал в себя испытания СУ
выпускная система которой была оборудована КН, утилизатором теплоты ОГ и
системой подачи дополнительного воздуха в нейтрализатор.
Очевидно,
что использование теплоты ОГ в утилизаторе для повышения мощности СУ само по
себе не приводит к снижению ею расхода топлива. Однако если СУ включает дизель
и утилизатор, то при работе в тех же условиях эксплуатации, что и с одним ПДВС,
для обеспечения этих режимов потребуется меньшее количество топлива. Определить экономию топлива в ситуациях, исследованных
в работе, можно следующим образом. Удельный эффективный расход топлива при
работе без утилизатора теплоты ОГ дизеля составляет 
(GT – часовой расход топлива, Ne – эффективная мощность двигателя). Если теплота ОГ
будет утилизироваться, то 
. При утилизации теплоты газов, уходящих из штатного КН, 
, а при утилизации теплоты газов, уходящих из КН при подаче в
него воздуха, 
.
Если при
эксплуатации транспортного средства будет использоваться во всех случаях
мощность Ne,
то
; 
и 
.
Следует отметить, что в силу ограниченности технических возможностей утилизация теплоты во всех случаях осуществлялась ДЭУ, способной развивать эффективную мощность, равную 225 Вт. Именно эта мощность производилась дополнительно во время натурных экспериментов практически на всех режимах и при всех комплектациях выпускной системы дизеля. Значительно больший интерес, на наш взгляд, представляют результаты математического эксперимента, в котором были найдены величины эффективной мощности СЭУ при работе двигателя КамАЗ–740 в ситуации, когда ДЭУ вырабатывает энергию, используя всю передаваемую его рабочему телу теплоту.
Исследования проводились при работе дизеля по внешней скоростной и нагрузочной характеристикам, а также при работе на различных нагрузках, соответствующих работе дизеля КамАЗ–740 в условиях движения автомобиля по городскому и междугородному циклам [7]. Наибольший практический интерес представляют результаты последних исследований.
Как видно из материалов, приведенных на рис. 2, утилизация теплоты ОГ дизеля обеспечивает увеличение средней эксплуатационной мощности СУ на 11 кВт (на 9,9 %); установка КН – еще на 2,6 кВт (на 2,3 %), а подача дополнительного воздуха в нейтрализатор – еще на 1,5 кВт (на 1,5 %).
Рис. 2. Эффективная мощность, часовой и
удельный эффективный расходы
топлива при эксплуатации дизеля КамАЗ–740 на режимах, соответствующих работе в
условиях движения автомобиля по городскому и междугородному циклам:
1 –
в штатной комплектации; 2 – с утилизационной установкой; 3 – с каталитическим
нейтрализатором; 4 – с добавлением воздуха в нейтрализатор
Общее повышение 
достигает, таким
образом, 25,1 кВт (13,7 %). При этом в итоге на 6,5 г/(кВт×ч)
снижается удельный эффективный расход топлива, а часовая его экономия достигает
3,0 кг.
Представленные на рис. 3 гистограммы
свидетельствуют о том, что лучшие показатели по эксплуатационной степени
превращения токсичных веществ (ЭСПi) при установке в выпускную систему дизеля
КамАЗ–740 КН достигаются по NОх – 53 %, ниже всех показатель у СО –
41 %.
Рис.
3. Эксплуатационная степень превращения токсичных веществ:
1 – при установке каталитического нейтрализатора; 2 – при установке каталитического
нейтрализатора с подачей в него дополнительно воздуха; 3 – при установке каталитического
нейтрализатора по отношению к содержанию токсичных веществ перед нейтрализатором;
4 – при установке каталитического нейтрализатора с подачей в него дополнительно
воздуха по отношению к содержанию токсичных веществ перед нейтрализатором
По СН и твердым
частицам эксплуатационные степени превращения равны соответственно 0,45 и 0,46.
Добавление воздуха в нейтрализатор повышает эксплуатационные степени
превращения по СО на 4 %; по СхНу – на 2 %; по NОх
и твердых частиц – на 1 %.
Оценка эффективности работы КН при сравнении результатов на выходе из
него по отношению к содержанию токсичных веществ в ОГ перед ним показала, что
эксплуатационная степень превращения СО, NОх и твердых частиц увеличилась вследствие возрастания концентрации этих веществ в ОГ из-за
повышения противодавления перед нейтрализатором в пределах до
0,0174 МПа на режимах максимальных нагрузок и частот вращения коленчатого вала
дизеля КамАЗ–740. Эксплуатационная степень превращения СН уменьшилась до 0,26
из-за снижения концентрации СН в ОГ перед КН. При дополнительной подаче воздуха
в нейтрализатор изменение ЭСПi по соответствующим токсичным
веществам сохранилось. Так, улучшение ЭСПi по СО составило 4 %, по
СН – 2 %, а по NОх и твердым частицам – 1 %.
Приведенные результаты свидетельствуют о целесообразности использования
предложенной системы для повышения экономических и экологических показателей
поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Литература
1.
Прогноз мировой энергетики 2004. Краткий обзор и выводы. Русский перевод //
Международное энергетическое агентство. 2004. www/ iea. org.
˂http://www.worldenergyoutlook.org/docs/weo2004/Russian_sum_04.pdf>.
2. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. / под ред. В.Н. Луканина. – М.:
Высш. шк.,1995. –1 кн. – 268 с.
3. Автомобильные двигатели с
турбонаддувом / Н.С. Ханин [и др.]. –
М.: Машиностроение, 1991. – 336 с.
4. Кульчицкий,
А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей / А.Р. Кульчицкий. –
Владимир: Изд-во Владимирского государственного ун-та, 2000. – 256 с.
5. Марченко,
А.В. Проблемы экологизации двигателей внутреннего сгорания / А.В. Марченко,
И.В. Парсаданов // Двигатели внутреннего сгорания. – 2009. – № 2. – С. 3–8.
6. Кукис, В.С. Каталитический
нейтрализатор с утилизацией теплоты уходящих газов / В.С. Кукис, В.А. Романов:
Патент на полезную модель. RU56480
F01 N 3/28. Опубл. 10.09.2006. Бюл. № 26.
7. Парсаданов,
И.В. Повышение качества и конкурентоспособности дизелей на основе комплексного
топливно-экологического критерия / И.В. Парсаданов. – Харьков, 2003. – 244 с.