http://www.eprussia.ru/epr/126/9789.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 10 (126) май 2009 года
Снизить загрязнение атмосферы поможет… воздух
Наука и новые технологии
К. т. н. Игорь ДУБРОВИН, к. т. н. Евгений ДУБРОВИН
Истощение запасов и увеличение потребления углеводородного топлива, интенсивное загрязнение окружающей среды заставляют ужесточать требования к топливным системам двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время в ДВС применяются раздельные схемы подготовки топлива и воздуха. Регулирование мощности (нагрузки) двигателя происходит за счет изменения количества топлива, подаваемого в камеру сгорания. То есть первичной средой для приготовления горючей смеси является топливо, увеличение расхода которого приводит к повышению числа оборотов двигателя, а значит, к увеличению количества воздуха, забираемого на приготовление смеси.
Поскольку за все сто лет своего существования принцип регулирования мощности расходом топлива оставался неизменным, то традиционные топливные системы и их элементы не претерпели принципиальных преобразований.
Тупиковое направление
Разумеется, в идеале целью развития сжигающих установок должно являться не только увеличение их мощности, но и повышение эффективности использования топлива, а также экологическая чистота процесса его сгорания.
Все это зависит, помимо прочего, от качества используемой топливовоздушной смеси. Известно, что высококачественная топливовоздушная смесь получается при наличии мелкодисперсных топливных, гомогенных капель, которые сгорают более интенсивно и полно.
В дизелях топливные капли диаметром 20 – 30 микрометров получаются посредством топливных форсунок, а в бензиновых двигателях – при помощи жиклера карбюратора или сопла инжектора. С ростом давления в топливоподающей системе размер топливных капель после форсунок, карбюратора или инжектора уменьшается, а расход топлива увеличивается, что приводит к повышению мощности двигателя.
Наибольшее давление топлива достигнуто сегодня перед форсунками дизелей (более 200 кг/cм2). Это потребовало оборудовать топливные системы дизелей как минимум двумя последовательно работающими топливными насосами: одним бустерным (топливоподкачивающим) и одним подающим.
Однако высокое давление среды в топливных системах – причина многих нежелательных последствий: усложнения конструкции, повышения стоимости двигателей, снижения надежности, неравномерности подачи топлива в системе, возникновения кавитационных явлений, разрушения конструкционных материалов и т. д. При этом оно не приводит к качественным изменениям горючего – и, следовательно, не повышает его химическую активность.
Тем не менее давление топлива перед форсунками дизельных двигателей продолжают повышать. В ближайшее время его планируют увеличить до 1800 – 2000 кг/см2.
Очевидно, что бесконечное увеличение давления топлива просто невозможно и, по мнению авторов, является тупиковым направлением дальнейшего развития, как топливных систем, так и двигателей в целом.
Для повышения экономичности двигателя необходим другой подход.
Как оценить экономичность
Экономичность двигателей, если говорить научным языком, – это эксплуатационное свойство, отражающее количество топлива, затраченного за единицу времени на получение единицы полезной работы. Для всех ДВС это свойство оценивается показателем «удельный расход топлива» и выражается в граммах на киловатт в час или в граммах на лошадиную силу в час. Удельный расход топлива современных ДВС до настоящего времени является практически единственным критерием оценки экономичности работы двигателей.
Для различных видов дизельных и бензиновых двигателей он не превышает сейчас 150‑280 г/кВт-ч. Из всех топливосжигающих установок у ДВС он самый минимальный. В связи с этим существует устойчивое мнение, что по сравнению с другими типами установок (котлами, газовыми турбинами и т. п.) двигатели внутреннего сгорания являются наиболее экономичными. Однако это не совсем так: одного только удельного расхода топлива недостаточно для объективной оценки рационального использования горючего в том или ином двигателе.
Для более полной, объективной оценки экономичности работы топливосжигающих установок авторами разработан новый критерий: коэффициент полезного использования топлива (КПИТ).
Коэффициент полезного использования
Численно этот коэффициент равен отношению количества горючего, использованного непосредственно для сжигания, к количеству топлива, постоянно находящегося в топливной системе двигателя для обеспечения ее функционирования. Говоря проще, КПИТ показывает только ту долю топлива, которая используется по прямому назначению, то есть на получение работы. Он представляет собой безразмерную величину, выражается в долях или процентах и определяется по данным, представленным в эксплуатационной документации на двигатель и его топливную систему.
Для вычисления КПИТ необходимо знать мощность двигателя, вид и характеристики применяемого горючего, численные значения его удельного или часового расхода топлива и производительность топливоподкачивающего насоса.
Для функционирования любого двигателя внутренние объемы всех элементов его топливной системы, помимо топливного расходного бака, должны быть заполнены топливом (в противном случае двигатель не работоспособен). В связи с этим при определении КПИТ необходимо учитывать количество топлива, постоянно находящегося во внутренних полостях всех элементов топливной системы (так называемый «неснижаемый» запас) за единицу времени работы двигателя – например, в течение часа.
Сначала определяется максимальный часовой расход топлива на сжигание, то есть количество топлива, которое используется по прямому назначению. Для ДВС максимальный часовой расход топлива равен отношению наибольшего удельного расхода топлива к максимальной мощности двигателя. Разделив максимальный часовой расход топлива на разность производительности топливоподкачивающего насоса и максимального часового расхода топлива на сжигание, – то есть на количество топлива, которое постоянно циркулирует внутри системы, – получается численное значение искомого коэффициента.
Подобным образом можно определить КПИТ в любой энергетической установке, использующей жидкое углеводородное топливо.
Расчеты для дизеля
Для примера определим коэффициент полезного использования топлива дизельного двигателя Д-240, который широко применяется в транспортных средствах.
Согласно паспортным данным, удельный расход топлива этого двигателя на номинальном режиме – 220 г/кВт-ч. Следовательно, с учетом номинальной мощности 56,6 кВт часовой расход топлива составляет около 12,5 кг/ч (220 г/кВт-ч х 56,6 кВт).
Для Д-240 количество топлива, постоянно находящегося в топливной системе, составляет 62,5 килограмма (75 килограммов минус 12,5 килограмма, поскольку 12,5 килограмма сжигается в камере сгорания двигателя). Очевидно, что 62,5 килограмма топлива, постоянно циркулируя по замкнутому контуру во внутренних полостях (ТНВД – ТПН – фильтр тонкой очистки – ТНВД), обеспечивают функционирование элементов топливной системы и, следовательно, не участвуют в получении механической энергии. Это количество топлива является «неснижаемым» запасом для двигателя Д-240.
Для обеспечения работы двигателя Д-240 запас дизтоплива (вязкостью 830 м3/кг) в его расходном баке составляет около 90 литров или около 75 килограммов ((90 л/1000) х 830 м3/кг), что обеспечивает непрерывную работу двигателя без дозаправки в течение 6 часов (75 кг/12,5 кг/час). По назначению используется только запас топлива в расходном баке двигателя.
Таким образом, за час работы из 75 килограммов горючего, находящегося в топливной системе двигателя помимо топливного бака, только 12,5 килограмма расходуются на получение механической работы и компенсируется из расходного топливного бака, а 62,5 килограмма непрерывно циркулируют без использования по своему прямому назначению.
С учетом изложенного определяется наибольший коэффициент полезного использования топлива, который для работающего двигателя Д-240 достигает всего лишь около 20 процентов ((12,5 кг/62,5 кг) х 100).
Кроме того, при оценке экономичности ДВС в реальных условиях эксплуатации необходимо знать, что в топливной системе двигателя имеется запас топлива, позволяющий работать без дозаправки 12 часов (75 килограммов в расходном топливном баке и 75 килограммов в других элементах топливной системы). Фактически же на одной заправке топливом двигатель может работать всего лишь 6 часов, то есть вдвое меньше возможного времени функционирования.
Порядок определения КПИТ для бензиновых моторов аналогичен. По проведенным расчетам он не превышает 20 – 30 процентов.
По мнению авторов, коэффициент полезного использования топлива представляет собой более объективный критерий оценки экономичности любого теплового двигателя, нежели удельный расход топлива.
При этом расчеты показывают, что одной из причин малоэффективного использования углеводородного топлива в двигателях является применение традиционных топливных систем.
Об экологической чистоте
Известно, что неиспользованное для сжигания топливо теряет свои эксплуатационные свойства и превращается в непригодные для горения углеводородные отходы, которые представляют опасность как потенциальные загрязнители окружающей среды.
Экологическая чистота двигателя по сбросу в окружающую среду опасных углеводородных отходов также может быть оценена с помощью коэффициента полезного использования топлива. Анализ численных значений КПИТ в ДВС показывает, что до 70 – 80 процентов количества топлива в них может попасть в окружающую среду.
Кроме углеводородных отходов, реальной угрозой для окружающей среды являются и продукты неполного сгорания, образующиеся, например, при избытке горючего или при недостатке окислителя (атмосферного воздуха).
Наличие их в уходящих газах является следствием неправильной организации процесса горения и не зависит только от качества сжигаемого топлива.
Поскольку в традиционных топливных системах расход воздуха – это производная от расхода топлива, то на отдельных режимах работы двигателя (запуск, режим холостого хода и режим набора мощности) воздуха для организации качественного процесса горения не хватает, а приготавливаемая топливно-воздушная смесь является обогащенной. Сжигание обогащенной смеси, в свою очередь, приводит к неполному сгоранию топлива и к интенсивному загрязнению окружающей среды недогоревшими углеводородами, сажей, смолами.
При работе ДВС именно газовое загрязнение проявляется особенно ярко. Вдоль автомобильных трасс продуктами неполного сгорания загрязнены все территории, водоемы, стены домов и т. д.
В настоящее время повышение экологичности двигателей достигается с помощью использования более чистых видов топлива, совершенствованием элементов топливных систем, установкой катализаторов и газоочистных фильтров на выхлопные трубы и т. д. – но это не приводит к желаемому результату.
Добиться значительного повышения экологической чистоты двигателей можно только за счет внедрения качественно новых принципов регулирования мощности – например, принципа регулирования мощности двигателя расходом воздуха. Это означает, что воздух будет первичной средой для приготовления топливовоздушной смеси, а углеводородное топливо – вторичной.
При этом реализация нового принципа требует изменения только конструкции топливной системы ДВС, то есть разработки новой топливной системы, без изменения конструкции самого двигателя.
Воздух регулирует мощность
Для организации оптимального процесса горения на один килограмм топлива требуется около 10 – 12 килограммов воздуха. В связи с этим в качестве основной или первичной среды для приготовления горючей смеси целесообразно использовать не топливо, а атмосферный воздух. Заданное его количество всасывается из атмосферы и под давлением выше атмосферного подается в воздушно-топливный насос. При высокоскоростном проходе воздуха через проточную часть насоса в его приемной камере создается разрежение, достаточное для самовсасывания вторичной среды, то есть жидкого или газообразного топлива.
В процессе подсоса и смешения топлива с воздухом углеводородные молекулы расщепляются на молекулы меньшей молекулярной массы, отдельные атомы и радикалы. В результате чего на выходе из насоса получается высококачественная гомогенная воздушно-топливная смесь, которая затем поступает непосредственно в камеру сгорания. Количество топлива в смеси регулируется расходом воздуха на насос, а качество распыла (дисперсность) – давлением рабочего воздуха.
Оптимальные характеристики подаваемой на горение смеси поддерживаются расходом и давлением воздуха перед насосом.
Таким образом, мощность двигателя можно регулировать на основе нового принципа – путем изменения расхода воздуха, подаваемого в воздушно-топливный насос.
Несколько преимуществ
Топливная система, в основу работы которой положен новый принцип, имеет существенные преимущества перед традиционными. Во-первых, в ней отсутствуют конструктивно сложные элементы – такие, как насосы и форсунки для дизельных двигателей, карбюратор или инжектор для бензиновых двигателей, – что делает ее значительно проще, дешевле и ремонтопригоднее. Во-вторых, высококачественная гомогенная воздушно-топливная смесь с оптимальным соотношением компонентов приготавливается на всех режимах работы двигателя, включая режим холостого хода и переходные режимы. В-третьих, приготовление смеси не требует высоких давлений топлива и воздуха, а также исключает дополнительные потери энергии в камере сгорания (например, на активацию топлива). В-четвертых, прямоточная схема и сухое всасывание насоса позволяют практически полностью использовать все топливо из бака и элементов системы по прямому назначению, что исключает наличие «мертвого» запаса и минимизирует количество «неснижаемого» запаса. И наконец, система значительно повышает экономичность и экологичность работы двигателя.
Особенности конструкции
Новая топливная система включает вентилятор или компрессор, трубопровод подачи воздуха, самовсасывающий воздушно-топливный насос, топливный расходный бак, всасывающий трубопровод с приемным фильтром и фильтром тонкой очистки.
Из традиционной топливной системы ДВС в новой системе остаются только всасывающий трубопровод с фильтрами и расходный бак, остальные элементы новые. Функции топливных насосов, карбюратора (или инжектора) выполняет воздушно-топливный насос, приготавливающий горючую смесь и работающий на перепаде давлений воздуха, подаваемого от вентилятора или компрессора. Воздушно-топливный насос не имеет ни механического привода от двигателя, ни вращающихся и движущихся частей, он не требует смазки и охлаждения, связан с компрессором (вентилятором) по воздуху, а с двигателем – по приготавливаемой воздушно-топливной смеси.
Компрессор или вентилятор приводится во вращение от коленчатого вала двигателя (или от автономного привода) и всасывает из атмосферы оптимальное количество воздуха, который по трубопроводу нагнетается во внутреннюю полость насоса. Воздух с рабочим давлением проходит через насос, в приемной полости которого создается разрежение, достаточное для всасывания из расходного бака необходимого количества топлива и приготовления горючей смеси. Далее при совершении поршнем ДВС такта всасывания приготовленная воздушно-топливная смесь поступает в камеру сгорания двигателя.
Двигатель, в котором используется новая топливная система, запускается традиционным способом при помощи стартера или сжатого воздуха. В процессе раскрутки двигателя растут обороты коленчатого вала. Увеличиваются и обороты компрессора (вентилятора), что приводит к повышению расхода и давления воздуха, поступающего в воздушно-топливный насос. По достижении рабочего давления и необходимого расхода воздуха перед насосом стартер отключается, а подача пускового воздуха прекращается. Перед запуском двигателя происходит вентиляция его камер сгорания.
Во время работы двигателя количество всасываемого из расходного бака топлива регулируется изменением расхода и давления воздуха на насос. Переход работы двигателя с одного режима работы на другой производится изменением параметров рабочего воздуха перед насосом.
Остановка двигателя осуществляется путем снижения количества и давления воздуха, подаваемого в насос. В этом случае количество всасываемого из топливного бака топлива сначала снижается, а затем, при давлении воздуха в насосе ниже рабочего, вообще прекращается, и топливная система перестает функционировать. В процессе снижения давления воздуха перед насосом до нуля происходит вентиляция камер сгорания двигателя.
Авторами разработана схема, выбран состав конструкции и рассчитаны технические показатели новой топливной системы с воздушно-топливным насосом для двигателя внутреннего сгорания, определены оптимальные соотношения воздуха и топлива на различных режимах работы двигателя, выявлено необходимое давление воздуха для приготовления воздушно-топливной смеси.
К настоящему времени проведены натурные испытания предлагаемой технологии, в которых в качестве рабочей среды использовался сжатый воздух, а подсасываемой средой служила вода. Результаты этих испытаний подтвердили практическую реализуемость, работоспособность предлагаемой технологии и правильность расчетов новой топливной системы.
Следует отметить, что практическая эффективность от реализации предлагаемой технологии для углеводородных топлив будет выше, чем для воды, поскольку межмолекулярные связи в топливных молекулах значительно слабее связей между химическими элементами в молекуле воды.
Топливную систему с принципом регулирования мощности расходом воздуха можно использовать на всех существующих сегодня топливосжигающих установках.
Отправить на Email
Также читайте в номере № 10 (126) май 2009 года:
-
Проект Среднеуральской ГРЭС прошел экспертизу Государственная экспертиза дала положительное заключение по технико-экономическому обоснованию строительства блока ПГУ-410 Среднеуральской ГРЭС. ...
-
Энергосберегающий трансформатор УП «Минский электротехнический завод им. В.И. Козлова» (МЭТЗ) разработало новую серию силовых энергосберегающих трансформаторов «ТМГ-12». ...
-
Врачи сотрудничают с народом и энергетиками 
В Туре Красноярского края ОАО «РусГидро» организовало выездной прием врачей-специалистов. ...
-
Атомщики соберутся в Москве ЧТО: Международная выставка и форум «Атомэкспо-2009». ГДЕ: Россия, Москва, «Экспоцентр». КОГДА: 26–28 мая 2009 года. ...
-
Закон о нефти стал яблоком раздора 
Министерство природных ресурсов отклонило идею разработки и принятия Закона о нефти, предложенную Минэнерго. ...
