Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА НА УДЕЛЬНУЮ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗО-ВОДЯНОЙ СМЕСИ ПРИ СГОРАНИИ В ДВС

Рыжиков В.В. 1 Туркеничева О.А. 2 Батыщев Д.Ю. 1
1 Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донской государственный технический университет
2 Ростовский государственный университет путей сообщения
Разработана система подачи газо-водяной топливной смеси во впускной трубопровод двигателя автомобиля. Удельная теплоемкость продуктов горения оказывает существенное влияние на распространение температуры в цилиндре. Элементарный состав газовых составляющих неизбежно влияет на изменение теплоемкости при нагреве газовой смеси и горении ее в цилиндре. Разработана математическая модель, описывающая процесс горения теплоемкости газо-водяной смеси в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания. В результате компьютерного моделирования определены оптимальные параметры процесса горения с учетом изменения теплоемкости рабочей смеси. При горении газового топлива без добавления водяного пара, происходит увеличение температуры, начиная от очага искрообразования. При добавлении водяного пара в газовую смесь в количестве 22?% имеет место максимум температуры и дальнейшее её снижение. В этом случае снижается тепловая нагруженность и повышается экономичность ДВС.
двигатели внутреннего сгорания
удельная теплоемкость
теплота парообразования
газо-водяная смесь
температура сгорания
рабочий цикл
математическое моделирование
1. Батыщев Д.Ю. Системы распределенного впрыска газа с подачей воды в цилиндры / Д.Ю. Батыщев, В.А. Рыжиков // Грузовик. – М., 2014. – № 7. – С. 2–4.
2. Лапидус А.Л. Природный газ как моторное топливо Текст / А.Л. Лапидус, И.Ф. Крылов, Б.П. Тонконогов // Химия и технология топлив и масел. – 2005. – № 3. – С. 3–8.
3. Лебедев О.Н. Методы улучшения смесеобразования в судовых четырехтактных дизелях. – Новосибирск: Наука, 1973. – 100 с.
4. Ленин И.М. Автомобильные и тракторные двигатели / И.М. Ленин, К.Г. Попык, О.М. Малашкин и др.; под ред. И.М. Ленина. – М.: высш. школа, 1969. – 656 с.
5. Автомобиль ЗИЛ-138А. Дополнение к руководству по эксплуатации газобаллонных автомобиля ЗИЛ-130А. – Л.: Машиностроение, 1985. – 63 с.
6. Бирюков А.Л. Улучшение эксплуатационных и экологических показателей бензиновых двигателей путем применения топливно-водяных смесей: дис. … канд. тех. наук:05.04.02. – М., 2011. – 177 с.
7. Экспериментальное исследование детонации в двигателях с искровым зажиганием: сборник научных статей. – Институт машиностроения. Институт химической физики. АН СССР, 1951. – 239 с.
8. Borowski A. Hydraulikeinheit zur Zylinderkopfverstellung des SVC-Ottomotors / A. Borowski, A. Kleist, U. Langer // MTZ. – 2002. – № 1. – Р. 38–3.
9. Kudlicza P. Benziner hoit gegenuber dem Diesel auf, ohne ihn zuerreichen // VDI-Nachr. – 2001. – № 40. – Р. 20.
10. Lewis J.M., Tierney W.T. United Parcel Service Applies Texaco Stratified Charge Engine Technology to Power Parcel Delivery Vans Progress Report Text / J.M. Lewis, W.T. Tierney // SAE paper 801429. – 1980. – 10 p.
11. Chicos R. Hydrocarbon Processing // Am J. – 1984. – P. 121–125.

При осуществлении рабочего цикла ДВС, работающего на газо-водяной смеси, температура в конце такта сжатия Tz будет значительно ниже, чем при работе на обычном газовом топливе.

Исходя из предположения, что теплоемкость газа и воды в момент нагрева и испарения не зависят от показателя температуры в цилиндре [1, 2, 11, 12], можно сделать вывод, что эта зависимость проявляется только при достижении максимальной температуры и давления соответственно. Таким образом, можно заключить, что наряду с температурной составляющей при нагреве компонентов топливной смеси немаловажную роль в изменении теплоемкости играет нарастание давления в конце такта сжатия.

С целью обеспечения надежного воспламенения от искры и достижения оптимальной теплоты сгорания коэффициент избытка воздуха α для данного конкретного случая необходимо принять равным 1,05. В этом случае показателем молекулярной массы паров μT можно пренебречь [1, 3, 12], так как количество свежего заряда M1 определяется в массовых единицах, то его значение будет определяться по формуле, справедливой для любого вида топлива:

M1 = α•L0 + 1. (1)

Однако, учитывая то, что в каждом свежем заряде в равных объемах горючего газа приходится неравное количество водяной присадки, формула для определения величины этого заряда принимает следующий вид:

rygikov01.wmf (2)

где μT – величина, характеризующая молярную массу паров топлива, кг/кмоль; L0 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кмоль.

Количество продуктов сгорания M2 в частном случае, при α ≥ 1 определяется из уравнения [3, 8]:

rygikov02.wmf (3)

Количественное содержание каждого из компонентов определяется исходя из следующих формул:

rygikov03.wmf (4)

rygikov04.wmf (5)

rygikov05.wmf (6)

rygikov06.wmf (7)

Учитывая неравномерность распределения объема воды в свежем заряде, расчетная формула для определения количества продуктов сгорания примет следующий вид [4]:

rygikov07.wmf (8)

Удельная теплоемкость продуктов горения Cv оказывает существенное влияние на распространение температуры в цилиндре. В отличие от теплопроводности, которая характеризует скорость выравнивания (изменения) температуры вещества в неравновесных тепловых процессах, удельная теплоемкость определяет количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на одну единицу температуры.

Из работ [4, 7] известно, что при испарении в цилиндре вода расширяется примерно в 1700 раз, тем самым обеспечивается заполнение объема камеры сгорания. Известно, что переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается интенсивным и скачкообразным изменением теплоемкости [2, 4, 10]. Поскольку в данном случае рассматривается возможность применения воды как присадки к горючему газу, эта точка изменения теплоемкости будет называться «точкой кипения», т.е. фазовым переходом жидкости в газообразное состояние.

Так же было определено, что элементарный состав газовых составляющих неизбежно влияет на изменение теплоемкости при нагреве газовой смеси и горении ее в цилиндре [1]. Процесс горения газо-водяной смеси описывается уравнениями [8].

rygikov08.wmf

rygikov09.wmf (9)

где k – эффективный коэффициент температуропроводности; α – коэффициент теплообмена; ρ – плотность топливной смеси; cV – удельная теплоемкость топливной смеси при постоянном объеме; Q0 – тепловой эффект реакции; Ea – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная; V – скорость топливной смеси; D – коэффициент диффузии.

Для определения теплоемкости газового топлива с учетом изменяющегося состава, выраженного в процентном соотношении, проведено компьютерное моделирование процесса горения топливной смеси с использованием пакета прикладных программ Mathcad-14 с помощью функции Odesolve [1, 12]. На рис. 1 показаны зависимости изменения температуры от пространственной координаты r для стационарного режима горения газовой смеси.

При горении газового топлива без добавления водяного пара (график 1, рис. 1) прпоисходит увеличение температуры, начиная от очага искрообразования. При добавлении водяного пара в газовую смесь в количестве 22 % имеет место максимум температуры для r = 0,16 м и дальнейшее её снижение (график 2, рис. 1). В этом случае снижается тепловая нагруженность и повышается экономичность ДВС. При увеличении концентрации водяного пара и повышении теплоёмкости рабочей смеси, происходит снижение температуры, при которой прекращается процесс горения топлива (график 3, рис. 1). На основе анализа данных, полученных по результатам моделирования процесса горения газо-водяной смеси на рис. 2 показан график зависимости изменения теплоемкости газо-водяной смеси для различных значений концентраций водяного пара при постоянном объеме для различных начальных условий.

Для реализации способа питания ДВС газо-водяной смесью было разработано устройство, показанное на рис. 3.

pic_33.tif

Рис. 1. Графики зависимости изменения температуры T от пространственной координаты r для стационарного режима горения газовой смеси; 1 – смесь горючего газа без добавления воды; 2 – смесь горючего газа с 22 % концентрации водяного пара; 3 – смесь горючего газа с большой концентрацией водяного пара

Штатная комплектация системы питания бензинового двигателя, оснащенная газовой системой второго поколения, работающая на газовом топливе, дополнена системой подачи воды и четырьмя водяными форсунками. Дополнительный ряд форсунок смонтирован в воздушном коллекторе таким образом, чтобы при впрыске вода беспрепятственно попадала в отверстие впускного клапана. Подачу воды для смешивания осуществляет водяной насос. Вода к форсунке подается из водяного бака через фильтр и регулятор давления. Срабатывание электромагнитных клапанов топливных и водяных форсунок не является синхронным. Из-за разницы расстояний, на которых находятся оба ряда форсунок от отверстий впускных клапанов, ряд водяных форсунок срабатывает с задержкой, равной 0,2 с. Таким образом, достигается одновременная подача горючего газа и распыленной воды в цилиндры двигателя. Благодаря давлению, развиваемому водяным насосом, вода на выходе из сопла форсунки приобретает дисперсию близкую по свойствам к воздушно-капельному туману.

С изменением времени включения водяных форсунок осуществляется изменение концентрации воды в газо-водяной смеси. После предварительного смешивания газа и воды во впускном тракте двигателя образуется однородная топливная смесь, которая обладает более высокой теплоемкостью, чем жидкое топливо. В результате потери тепла, затрачиваемого на подогрев и испарение свежего заряда топлива, будут минимальными. Это позволит оптимизировать динамику рабочего процесса ДВС. Наряду с изменением эксплуатационных и рабочих параметров двигателя, происходит снижение эмиссии отработавших газов. Благодаря образованию более активных радикалов (окислителей) достигается лучшая полнота сгорания ароматических углеводородов, что напрямую влияет на уменьшение концентрации таких составляющих ОГ, как СО2, CH и NOx.

pic_34.tif

Рис. 2. Изменение теплоемкости в зависимости от количества воды в газо-водяной смеси при постоянном объеме; Т – температура внутри цилиндра; CV – удельная теплоемкость; Тmax 1–5 – максимальная температура в цилиндре при различной концентрации водяного пара в газо-водяной смеси

Графические зависимости, представленные на рис. 2, показывают значительную разницу в росте динамики удельной теплоемкости при подаче газо-водяной смеси в цилиндр. Также следует отметить, что с увеличением концентрации водяного пара коэффициент удельной теплоемкости Cv повышается. Однако температура горения T снижается из-за охлаждения водяным паром и теплозатрат на испарение воды.

pic_35.tif

Рис. 3. Система подачи газо-воздушной смеси во впускной трубопровод двигателя автомобиля ВАЗ-2112: 1 – топливная форсунка; 2 – водяная форсунка; 3 – топливная рампа; 4 – водяная рампа; 5 – газовый трубопровод; 6 – водяной возвратный трубопровод; 7 – газовый редуктор; 8 – регулятор давления воды; 9 – газовый баллон; 10 – водяной насос; 11 – водяной фильтр; 12 – бак с водой

Следует отметить, что снижение пиковой температуры горения может привести к замедлению детонационного эффекта, что позволит повысить степень сжатия. Также, за счет микрокапель воды, площадь поверхности топлива в значительной мере увеличится [5, 6, 11]. Это позволяет достигнуть лучшей полноты сгорания, что в целом положительно повлияет на рабочий цикл ДВС.

Выводы

  • Изменение параметров рабочего тела в цилиндрах напрямую влияет на удельную теплоемкость и динамику работы ДВС в целом.
  • Применение газо-водяной смеси в качестве горючего существенно повышает теплоемкость рабочей смеси в цилиндре и снижает тепловую загруженность деталей цилиндропоршневой группы.
  • Оптимальная концентрация водяного пара в газо-водяной смеси составляет 22 %. Это отношение воды к горючему газу применимо как к зимнему, так и к летнему виду газового топлива. Однако полное сгорание достигается при использовании равновесного состава продуктов реакции, обеспечивающих наибольшую удельную теплоемкость.
  • Из этого можно заключить, что наиболее явный эффект от применения газо-водяной смеси будет в лучшей степени реализован при использовании обедненного газового топлива.

Библиографическая ссылка

Рыжиков В.В., Туркеничева О.А., Батыщев Д.Ю. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА НА УДЕЛЬНУЮ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗО-ВОДЯНОЙ СМЕСИ ПРИ СГОРАНИИ В ДВС // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 7-2. – С. 262-266;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40495 (дата обращения: 17.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252