Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Особенности систем управления ДВС подвижных объектов на альтернативных видах топлива. Монография
.pdf
21
что обуславливает увеличение риска взрывоопасности. Несмотря на
значительно меньшую мощность двигателя на сжатом газе по сравнению с
традиционными топливами [61], он является одним из самых перспективных
альтернативных топлив в России.
Сжиженный газ. Под сжиженным газом понимается смесь, состоящая
из легкоконденсирующихся при сжатии газообразных углеводородов.
Основными компонентами сжиженного газа являются пропан и бутан,
являющиеся продуктами переработки нефтяного (попутного) газа либо
получаемые из природных газов газоконденсатных месторождений,
содержащих тяжелые углеводороды.
Уникальные физико-химические свойства сжиженного газа,
значительные естественные запасы, развитая сеть его доставки от
месторождений во многие регионы страны и экологические преимущества в
сравнении с традиционными видами топлива позволяют рассматривать
сжиженный газ как одно из наиболее перспективных моторных топлив для
России. Сжиженный газ сравнительно легко хранить на борту автомобиля, а
эксплуатация двигателей на сжиженном газе приводит к увеличению
межремонтных пробегов, срока службы масла и сокращению выбросов
вредных веществ [62-64].
По количеству запасов для России оправданным является
использование сжиженного и природного газов, а также продуктов их
переработки, например, метанола. Весьма перспективным в свете своих
уникальных свойств является и водород. Сравнительный анализ этих видов
топлива по моторным и эксплуатационным свойствам представлен в табл.
1.1; по экологическим характеристикам – в табл. 1.2, и по совокупности
основных свойств – на рис. 1.4.
22
Таблица 1.1
Моторные свойства перспективных видов альтернативного топлива
Наименование Бензин
Низшая теплота
сгорания,
44 34-35,6 37-54,6 20,5 120
МДж/кг
Низшая теплота
сгорания
3439-
стехиометрич.
3910
смеси (Hu),
кДж/м3
ОЧ*, иссл.
92-98 110-120 95-111,5 110 –
метод (Kn)
Природный
Сжиженный
газ
3230 3460-3500
Метанол Водород
газ
3175-
3100
3860
Стехиометрич.
14,95 17,2 15,6-15,8 6,42 34,5
коэфф., кг/кг
Плотность,
740-780
кг/м3
Температура
415 650 504-431 450 590
самовоспл-я, °С
λ, соотв.
пределам
0,3-1,2 0,6-2,0 0,4-1,7 0,2-1,4 0,15-10,0
воспламенения
Цена (Pr) средняя
Развитость
инфраструктуры
высокая
716 510-580 739 0,09
низкая низкая высокая высокая
средняя средняя низкая низкая
(Av)
Необходимая
– низкая низкая высокая высокая
доработка ДВС
*ОЧ – октановое число.
23
Последние параметры в таблице определены нечеткими экспертными
оценками. Под инфраструктурой (Av) понимается наличие развитой сети
заправочных станций и станций техобслуживания, а необходимая доработка
ДВС определяет сложность операций по переводу автомобиля на
использование указанного топлива.
Таблица 1.2
Количество выбросов вредных веществ (г/исп) в атмосферу для различных
видов топлива согласно данным НАМИ [65]
Вредное
Усредненное количество выбросов при эксплуатации, г/км
вещество
Бензин АИ-
92
Сжиженный
газ
Природный
Метанол Водород
газ
СO 41,0 19,0 8,5 28,0 0,0
CH 8,8 4,8 4,5 4,6 0,0
NOX 9,0 8,6 6,1 4,4 2,5
Сумма 58,8 32,4 19,1 37,0 2,5
Как видно из приведенных в табл. 1.2 параметров, суммарная
экологичность (Ес) бензина намного ниже, метанола, сжиженного и
природного газа.
Нu Kn Pr Аv Еc
Прир. газ Сж. Газ Метанол Водород
Рис. 1.4. Сравнительная диаграмма основных свойств топлив. Hu – низшая
теплота сгорания стехиометрической смеси, Kn – октановое число, Pr – цена
топлива, Av – инфраструктура, Ec – экология
24
По совокупности признаков Hu, Kn, Pr, Av и Ec, которые были
признаны равнозначными, наилучшим альтернативным топливом при
сравнении по основным эксплуатационным, техническим и экологически
критериям, является сжиженный газ. Обладая высоким октановым числом и
низкой ценой, он доступен на распространенной сети заправочных станций в
России и множестве других стран, а доработки автомобиля для его
использования не представляют каких-либо сложностей.
Использование альтернативных видов топлива в целом и сжиженного
газа в частности позволяет значительно улучшить экологические показатели
не только новых, но и уже выпущенных автомобилей, и, следовательно,
снизить нагрузку на окружающую среду не только в будущем, но уже в
настоящем времени, не дожидаясь обновления текущего автопарка.
Широкому распространению альтернативных топлив препятствуют
сопутствующие проблемы при работе ДВС на отличных от традиционных
топливах, одним из способов решения которых, является использование
бинарных топлив.
1.1.3. Использование бинарных топлив
В общем случае бинарным топливом называется топливная смесь,
состоящая из двух компонентов. Как правило, это какое-либо традиционное
топливо с добавкой альтернативного в разных соотношениях. Такие смеси
используются для улучшения характеристик и изменения свойств моторных
топлив с целью устранения их недостатков.
Например, добавка 10-15 % метанола к бензину приводит к снижению
теплоты сгорания при незначительных колебаниях теплоты сгорания смеси и
плотности топлива. Предел обеднения топливовоздушной смеси (ТВС) с
увеличением содержания метанола в ней расширяется и становится
максимальным для чистого метанола. При этом возрастает октановое число,
а выбросы оксида углерода уменьшаются в среднем в 3 раза [66]. Эмиссия
углеводородов также снижается, в основном за счет полициклических
25
ароматических углеводородов. Однако, наряду с улучшением экологических
характеристик, увеличивается также склонность к расслоению бензина,
наблюдается затрудненный пуск двигателя, а при холодном пуске и во время
прогрева – ухудшение ездовых качеств.
Добавка метил-третично-бутилового эфира (МТБЭ) к бензину
повышает октановое число топлива. По исследовательскому методу добавка
10 % МТБЭ повышает октановое число на 2,1-5,9 ед, а 20 % - на 4,6 – 12,6 ед.
Такая добавка позволяет улучшить мощностные и экономические показатели
двигателя во всем диапазоне нагрузок и частоты вращения коленчатого вала.
Одновременно на 15-30 % снижаются выбросы оксида углерода и на 7-8 % –
суммарных углеводородов [67]. Из отрицательных моментов стоит отметить
высокую цену полученного топлива.
Добавка водорода к бензину позволяет работать на переобедненных
смесях. Наиболее целесообразно использование топливных смесей с
добавкой водорода до 20 %, соответствующих пределу обеднения порядка
α=2,5. Индикаторный КПД при работе на переобедненных смесях возрастает
от 33 % для α=1 до 37% при α=1,8, но индикаторная мощность в то же
диапазоне уменьшается на 30 % [68]. Добавки водорода до 5% позволяют
сохранить максимальную мощность двигателя при некотором улучшении
экономических и токсических характеристик. По результатам экспериментов,
при работе ДВС на бензине с постоянной 5 % добавкой водорода удельный
расход топлива при полностью открытой дроссельной заслонке снижается до
11 %, выбросы углеводородов в диапазоне вращения коленчатого вала
больше 2000 об/мин снижаются в 2-3 раза, а содержание оксида углерода в
отработавших газах не превышает 1 % [60]. При использовании водорода в
качестве добавки, а не основного топлива, несколько менее остро стоят
вопросы его хранения на борту автомобиля, однако удобство повседневной
эксплуатации значительно проигрывает традиционным и некоторым
альтернативным топливам
26
Кроме вышеупомянутых бинарных топлив для ДВС, возможно
применение водотопливных эмульсий (ВТЭ). С добавлением воды
изменяются некоторые физические свойства базовых топлив: вязкость,
поверхностное натяжение, плотность и температура застывания.
Уменьшается теплота сгорания и убывает стехиометрический коэффициент.
Добавка 30-40 %-ной воды положительно сказывается на детонационной
стойкости бензинов и повышает октановое число базового топлива до 10 ед.
Совместно с использованием высоких степеней сжатия это позволяет
увеличить мощность и экономичность ДВС либо при сохранении степени
сжатия – использовать низкооктановые бензины. Вместе с тем, при
испытаниях ВТЭ в двигателях с принудительным воспламенением было
отмечено ухудшение некоторых показателей, особенно в условиях
эксплуатации на автомобиле. Например, для 40 %-ной водобензиновой
эмульсии, содержащей 3 % полиокислительного эмульгатора, наблюдается
снижение топливной экономичности и возрастает число нарушений в
готовности автомобиля к движению вследствие отказа ДВС при полном
открытии дроссельной заслонки, а также наблюдаются перебои в работе при
движении с низкой скоростью [69].
Использование бинарных топлив является перспективным в плане
улучшения характеристик как новых, так и уже выпущенных автомобилей,
что особенно важно в плане снижения текущей экологической нагрузки на
нашу планету. Разработки по бинарным видам топлива являются взаимно
дополняемыми с исследованиями по совершенствованию конструкции ДВС,
что позволяет суммировать получаемые результаты и увеличивать КПД
двигателя, как за счет новых технических решений, так и за счет моторных
свойств бинарных топлив. Таким образом, исследования в области бинарных
топлив – одни из наиболее перспективных для улучшения
эксплуатационных, экономических и экологических показателей двигателей
внутреннего сгорания, которые актуальны в настоящее время и
среднесрочной перспективе.
27
1.2. Особенности применения бинарного топлива из
бензина и сжиженного газа на автотранспорте
Хотя в общем случае бинарным топливом можно называть любое
топливо, состоящее из двух компонентов, здесь и далее бинарным топливом
будем назвать топливную смесь из бензина и сжиженного углеводородного
газа.
Как было показано выше, сжиженный газ является одним из лучших
альтернативных топлив для использования в России. Чтобы оценить
перспективы бинарного топлива на его основе, рассмотрим влияние добавки
сжиженного газа на горение бензовоздушной смеси и рабочий процесс
двигателя в целом.
Характерным механизмом распространения пламени является цепочно-
тепловой, представляющий собой сложный вид цепных реакций,
сопровождающихся выделением тепла и повышением температуры [70, 71].
При повышении температуры количество активных центров увеличивается.
В начальный момент времени они интенсивно образуются в зоне действия
электрического разряда. В дальнейшем должно происходить быстрое
развитие реакционной цепи, но непрерывного увеличения скорости реакции
может и не наблюдаться. Это объясняется тем, что одновременно с развитием
и разветвлением реакционных цепей происходят и обратные явления, т.е. их
обрывы.
Добавление газов, пропана и бутана, к бензину способствует
образованию более гомогенной смеси, по сравнению с чистым бензином,
особенно учитывая, что бензин в начальный период содержится в виде
мелких капель [72]. Таким образом, в топливовоздушной смеси присутствует
3 типа активных центров и общая гомогенность выше, чем у бензиновой
ТВС. Вследствие этого происходит увеличение интенсивности образования
активных центров по сравнению с газовоздушной смесью и удлинения цепей
реакции по сравнению с бензовоздушной смесью, что приводит к
возрастанию общей скорости процесса окисления.
28
Можно предположить, что первыми вступать в химическую реакцию и
образовывать цепи будут молекулы бензина, находящиеся между
электродами свечи, поскольку он обладают более низкой температурой
воспламенения в воздухе. Полученный рост температуры позволит принять
участие в образовании центров цепных реакций молекулам пропана и бутана,
а, кроме того, уменьшить вероятность обрыва цепи в дальнейшем.
По всей видимости, при использовании бинарного топлива имеет место
ситуация, когда количество возникающих активных центров превышает
количество распадающихся. При этом скорость реакции по сравнению с
бензином несколько возрастает из-за роста вероятности появления активных
молекул и удлинения цепочек реакций, но, в связи с высоким октановым
числом пропан-бутановой смеси, горение не переходит в детонационное.
При рассмотрении процесса горения бинарного топлива следует
обратить внимание на пределы воспламенения компонентов топлива.
Известно, что для пропана и бутана они значительно шире, чем для бензина,
что улучшает процесс горения в области бедных смесей и позволяет
применять элементы качественного регулирования.
Помимо всего вышеперечисленного, к преимуществам бинарного
топлива следует отнести: более равномерное распределение углеводородов
по объему цилиндра в связи с отсутствием необходимости предварительного
испарения капель бензина; достаточное количество легких фракций бензина,
обладающих более низкой температурой возгорания, чем газ, для
образования первичных активных центров реакции, предварительный
подогрев бензина от газа и дополнительное дробление бензиновой струи
потоком из газовой форсунки.
Состав бинарного топлива может быть различен. В зависимости от
условий движения автомобиля, экологических и экономических требований
варьируются доли бензина и сжиженного газа (см. рис. 1.5).
29
б
бензин
сжиженный газ
Бензин, Х%
Бинарное топливо, состав L, 100%
Мощность Экология
Сжиженный газ, Y%
пропан, W% бутан, Z%
Экономия
Рис. 1.5. Состав бинарного топлива
Чем больше доля бензина (X), тем больше максимальная мощность
ДВС, а чем больше доля сжиженного газа (Y), тем меньше содержание
вредных веществ в отработавших газах и затраты на топливо [73, 35]. Если
рассмотреть график крутящего момента, то в диапазоне низких оборотов
сжиженный газ обеспечивает больший крутящий момент по сравнению с
бензином, в диапазоне средних оборотов крутящий момент двигателя
практически одинаков при использовании любого из этих двух видов
топлива, а при переходе к высоким оборотам, бензин обеспечивает больший
крутящий момент по сравнению со сжиженным газом (см. рис. 1.6).
P, кВт M, нм
rpm, об/мин
а
rpm, об/мин
Рис. 1.6. Сравнение мощности: а – и крутящего момента: б – ДВС при
использовании бензина и сжиженного газа
В известных работах соотношение бензин/сжиженный газ (L) в
бинарном топливе выбирается исходя из следующих принципов:
30
− на низких оборотах коленчатого вала подается преимущественно
сжиженный газ, что обеспечивает лучший крутящий момент, экологию и
экономию средств на топливо;
− на высоких оборотах подается преимущественно бензин, что
обеспечивает высокую мощность двигателя (с ухудшением экологических
показателей).
Кроме изменения L, в зависимости от температуры окружающей среды
в бинарном топливе изменяется соотношение пропана и бутана в сжиженном
газе. Поскольку бутан чувствителен к низким температурам, то его
содержание в Российской Федерации меняется в зависимости от сезона.
Состав сжиженного углеводородного газа регламентируется ГОСТ 27578-87
«Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта», на
основании которого производители поставляют на заправочные станции газ,
где в летнем варианте доля пропана составляет около 50-55 %, а в зимнем –
90-95 %.
Проведенный анализ показывает, что добавка сжиженного газа к
бензину значительно меняет моторные свойства результирующего топлива и
позволяет устранить недостатки, возникающие при эксплуатации бензиновых
ДВС на газообразном топливе. Одним из определяющих факторов для
достижения хороших показателей работы ДВС при использовании бинарного
топлива является метод управления двигателем, который определяет
необходимые воздействия в виде угла опережения зажигания и времени
открытия бензиновых и газовых форсунок, задающее соотношение
бензин/сжиженный газ (L) топлива в зависимости от различных внешних
условий, например параметров окружающей среды или потребности
водителя в крутящем моменте. Далее рассмотрим известные методы
управления ДВС при работе на топливной смеси из бензина и сжиженного
газа.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]