Меры предосторожности при регулировании горения топлива: Меры предосторожности при регулировании горения топлива — Генераторы

ОСОБЕННОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ПРИ СЖИГАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ТОПЛИВ.

В топках большинства парогенераторов сжигаются различные каменные угли, природный газ и мазут. Реже сжигаются торф, сланец, доменный и коксовый газы, каменные угли в парогенераторах большой мощности сжигаются в пылевидном состоянии. В парогенераторах малой мощности уголь часто сжигается в слое.

Угольная пыль чаще всего приготовляется в тихоходных шаровых барабанных мельницах. Готовая пыль уносится из мельниц воздухом в циклон — устройство, в котором пыль отделяется от воздуха. Выделившаяся в циклоне пыль поступает в промежуточный бункер в котором накапливается ее запас. Пыль из промежуточного бункера пылепитателями сбрасывается в пылепроводы, где смешивается с первичным воздухом. Обра­зовавшаяся аэросмесь через горелки подается в топоч­ную камеру.

Режимы работы системы пылеприготовления и парогенератора не зависят друг от друга.

Системы пылеприготовления с прямым вдуванием пыли в топочную камеру применяются реже. При использовании такой системы производительность мельниц все время должна соответствовать нагрузке парогенератора. Поэтому производительность мельниц должна регулироваться в зависимости от нагрузки парогенератора. Например, с увеличением нагрузки парогенератора должна увеличиваться и производительность мельниц.

Особенность слоевого сжигания состоит в том, что интенсивность процесса горения определяется подачей воздуха в зону горения, а не количеством топлива, находящегося на цепной решетке. Экономичность процесса горения обеспечивается регулированием средней толщины слоя топлива на решетке путем регулирования скорости ее движения.

Трудность автоматизации регулирования процесса горения при сжигании твердых топлив состоит в том, что получить сигнал, непосредственно характеризующий количество тепла, выделившегося в топке при сгорании топлива, не представляется возможным. Количество тепла пропорционально расходу топлива при постоянной его калорийности. Однако в настоящее время нет приборов для непрерывного и надежного измерения количества угольной пыли, подаваемой в топку парогенератора.

Иногда оценивают количество топлива, поступающего в топку, по частоте вращения питателей пыли. Такой способ недостаточно точен, так как при одной и той же частоте вращения пылепитатели могут иметь разную производительность в зависимости от влажности пыли, запаса ее в бункере и других не учитываемых факторов.

В установившемся режиме работы парогенератора расход пара примерно пропорционален количеству тепла выделившегося в топке. Однако при нарушении установившегося режима расход пара не характеризует количество тепла. В переходных режимах, например при увеличении нагрузки, часть тепла тратится на нагрев пароводяной смеси и металла поверхностей нагрева парогенератора. При снижении нагрузки часть тепла, аккумулированного в пароводяной смеси и металле, затрачивается на парообразование.

Суммарный сигнал по расходу пара из парогенератора и скорости изменения давления в барабане получил название сигнала по тепловой нагрузке, или сокращенно по «теплу». Сигнал по тепловой нагрузке часто применяют в схемах автоматического регулирования процесса горения парогенераторов, сжигающих пылевидное топливо.

Известны и другие способы косвенной оценки тепловыделения в топке, например по перепаду давлений на циркуляционном контуре барабанного парогенератора, «тепловосприятию» топочных экранов, по излучению факела. Автоматическое регулирование процесса горения при сжигании природного газа или мазута облегчается тем, что расход топлива, поступающего в топку, можно измерить.

Калорийность природного газа, поступающего из определенного месторождения, практически постоянна, и расход его можно измерить обычными способами. Следовательно, нагрузку парогенератора можно регулировать изменяя подачу газа в топку. Расход газа регулируется клапаном, установленным на общем участке газопрово­да перед горелками. Поэтому схема автоматического регулирования подачи топлива и воздуха в топку парогенератора, сжигающего природный газ, значительно проще, чем для парогенератора, сжигающего пылевидное топливо.

Измерение расхода мазута труднее осуществить. Однако сигнал по расходу мазута широко применяется в схемах автоматического регулирования процесса горения в парогенераторах, сжигающих мазут. При сжигании мазута, особенно с высоким содержанием серы должна быть предотвращена коррозия низкотемпературных поверхностей нагрева, главным образом воздухоподогревателя.

Низкотемпературная коррозия обусловливается образованием S0₃ путем окисления S0₂ свободным кислородом. Температура продуктов сгорания сернистого мазута по мере отдачи тепла поверхностям нагрева снижается. При температуре, соответствующей точке росы, водяные пары, содержащиеся в продуктах сгорания, конденсируются. Влага, отлагающаяся на поверхностях нагрева, насыщается S0₃. >Образующаяся серная кислота разъедает поверхности нагрева. Отсюда вытекает необходимость сжигания сернистого мазута с малыми избытками воздуха.

Полностью избежать коррозии хвостовых поверхностей нагрева можно лишь при работе парогенератора с предельно малыми избытками воздуха. Такой режим работы может быть достигнут в парогенераторе с газоплотными ограждающими стенками, исключающими присосы воздуха в топку. Таким образом, особенность регулирования парогенераторов, сжигающих мазут с малыми и предельно малыми избытками воздуха в топке, состоит в необходимости точного поддержания оптимальных избытков воздуха. По мере снижения их все более увеличивается опасность неполного сгорания и связанное с ним отложение сажи на поверхностях нагрева. Одним из основных условий обеспечения оптимального режима горения является равномерное распределение топлива и воздуха по горелкам. Для этого могут быть использованы как конструктивные мероприятия (моделирование и точное изготовление воздуховодов и форсунок), так и регулирование расходов воздуха по горелкам.

Регулирование расхода воздуха применяется общее на парогенератор, погорелочное (на каждую горелку) или групповое (на группу горелок). Выбор схемы регу­лирования воздуха определяется конструктивными особенностями парогенератора и режимом его работы. Подача воздуха в топку чаще всего регулируется по соот­ношению «расход топлива — расход воздуха». При работе парогенератора качество топочного процесса может быть нарушено вследствие колебаний калорийности и влажности мазута, температуры и давления воздуха, работы форсунок и других причин. В таких случаях целесообразно корректировать соотношение «топливо — воздух» по показателям избытка воздуха, полноте сгорания топлива, а также коррозионной активности продуктов сгорания. Наиболее часто для коррекции используются сигналы по содержанию кислорода   в дымовых газах и по оптической плотности продуктов сгорания. Газоанализаторы на кислород характеризуют избыток воздуха только при нормальной работе парогенератора в установившемся режиме. При изменениях нагрузки и режима работы (включение и отключение горелок, обдувка поверхностей нагрева и т. п.) парогенератора представительность сигналов газоанализаторов недостаточна. Кроме того, газоанализаторы на кислород харак­теризуются инерционностью и необходимостью тщательного обслуживания. Преобразователи, измеряющие оптическую плотность продуктов сгорания, малоинерционны и высокочувствительны. Они просты, надежны и не требуют тщательного обслуживания. Недостаток их — трудность обеспечения стабильности показаний.

назад к разделу «Статьи»

Системы сжигания топлива

КПД сжигания топлива — один из самых важных факторов в работе котлов, печей и ряда других нагревательных установок, в которых используется жидкое, твердое или газообразное топливо.

Мероприятия по совершенствованию действующих систем могут сводиться к замене горелки старого типа новой или к установке системы автоматического регулирования соотношения воздуха и топлива в зависимости от изменения нагрузки и внешних условий. Для анализа состава продуктов сгорания используются специальные приборы. Используя результаты этого анализа, можно улучшить процесс горения и, следовательно, получить экономию энергии. В котлах, печах и других установках большое значение имеет предотвращение повреждений воздухоподогревателей, экономайзеров и других теплообменных аппаратов.

Если причиной низкой эффективности процесса горения является плохое смешение, то желательно перейти с инжекционной горелки на горелку с принудительной подачей воздуха.

Как видно, существенное влияние на КПД процесса горения оказывает изменение вязкости топлива, связанное с отклонение его температуры от номинальной. Так, например, изменение температуры нефти на 5 °G снижает КПД горелки на 1—2%.  

Имеется много типов горелок, предназначенных для различных целей и отличающихся формой и относительной длиной пламени. Одна из горелок сконструирована таким образом, чтобы газы омывали стенки печи. 

Горелки такого типа применяются там, где необходимо хорошее распределение теплоты; в этом случае они располагаются вблизи от нагреваемого материала без опасности прямого воздействия пламени.

Эта горелка для высокотемпературного нагрева дает значительную экономию энергии. Она обеспечивает эффективную рециркуляцию газов в камере печи и интенсивную теплопередачу с помощью принудительной конвекции на всех стадиях цикла. Именно такая конструкция горелки разрывает слой неподвижного воздуха вокруг нагреваемого материала, что интенсифицирует нагрев. Приводится сравнение эффективности высокоскоростной горелки с эффективностью горелки стандартного типа.

 Погруженные горелки еще малоизвестны, но их применение для нагрева технологических жидкостей может оказаться весьма эффективным. Агрегат для погруженного горения, разработанный фирмой НудгоШегт. Горелка подобна радиантной трубе, которая погружена в нагреваемую жидкость. Газообразные продукты горения выводятся в жидкость через основание трубы. Горячие газы разбиваются на небольшие пузырьки, которые поднимаются между трубой горения и отсасывающей трубой. Это создает в пространстве между двумя трубами турбулентное движение и обеспечивает тем самым нормальную температуру стенки трубы горелки.

Влияние вязкости жидкого топлива  на показатели работы горелки

Образование пузырьков увели­чивает эффективность теплообме­на между газом и жидкостью. Эта система имеет и другие преимуще­ства. Горение происходит только там, где оно необходимо, при этом не нужен теплообменник, в резуль­тате чего снижаются капитальные и эксплуатационные расходы.

Эти горелки широко используются на установках кислотного травления и позволяют повысить производительность и снизить расход, топлива. Снижение расхода топлива связано с турбулентным движе­нием, которое дает возможность вести травление при температуре на 10—15° С ниже, чем при обычном способе нагрева в травильных ваннах.

Особый интерес представляет рекуперативная горелка.

Системы автоматического регулирования процесса горения пред­ставляют собой стандартное оборудование на большинстве новых пе­чей. Как указывалось ранее, основной целью этих систем является обеспечение правильного соотношения воздуха и топлива в горелке. Правильное соотношение обеспечивает высокий КПД, поскольку предотвращаются потери теплоты с уходящими газами из-за высокого коэффициента избытка воздуха или потери с химическим недожогом из-за низкого коэффициента избытка воздуха. Системы регулирования необходимы также с точки зрения безопасности, так как избыточно обогащенная смесь может привести к взрыву. Процесс горения может также повлиять на качество продукта и ход всего технологического процесса.

Сравнение эффективности высокоскоростной горелки и горелки стандартного типа:

1 — температура в печи; 2 — температура нагреваемого материала при использова­нии высокоскоростной горелки: 3 — температура нагреваемого материала при ис­пользования горелки стандартного типа

Точное регулирование необходимо и для техпроцессов, когда тре­буется восстановительная газовая среда или обедненная среда для целей окисления. Для достижения хороших результатов иногда необ­ходимо по мере хода процесса изменять газовую среду, что также тре­бует применения системы автоматического регулирования, Непосред­ственным же результатом исключения обогащенных и обедненных сме­сей в ходе нормальной работы является снижение выбросов в атмосферу.

Многие методы регулирования процесса горения основаны на ис­пользовании электронно-вычислительных систем. Потоки топлива и воздуха балансируются с помощью контроллера и позволяют легко и точно осуществить корректировку по давлению, температуре и запрограмми­рованной потребности в избытке воздуха. Такая система может ис­пользоваться для горелок, работающих на нефти или газе, в нее вклю­чены также расходомеры воздуха и топлива.

Система автоматического регулирования имеет следующие основ­ные особенности:

при повышении нагрузки количество топлива начнет увеличивать­ся только тогда, когда под действием системы регулирования увели­чится объем подаваемого в топку воздуха. Снижение нагрузки приве­дет к уменьшению объема подаваемого воздуха именно в тот момент, когда снижение количества топлива уже произошло; 

при регулировании сдвига можно установить требуемый коэффи­циент избытка воздуха (в процентах) несмотря на изменение нагрузки.

1 — насос системы рециркуляции топлива; 2 — вентилятор; 3 — насос с рециркуляцией нагре­ваемой жидкости.

Возможная экономия топлива при использовании систем регулирова­ния избытка воздуха:

Регулирование наклона позволяет проводить автоматическое откло­нение увеличения соотношения избытка воздуха, причем регулиро­вания сдвига и наклона осуществляются без влияния друг на друга;

сигналы, выходящие из системы, могут использоваться для приве­дения в действие пневматических и электрических систем регулиро­вания;

система регулирования определяет отклонения в смеси, когда ус­ловия не соответствуют прогнозируемым, а с помощью расходомера непрерывно проверяется правильность протекания процесса.

Эффективность поддержания оптимальных соотношений воздуха и топлива с использованием системы регулирования показана на рис:

назад к разделу «Статьи»

Схемы регулирования экономичности процесса горения — Студопедия

Задачи автоматического управления энергетических барабанных котлов

Глава 3. Схемы автоматического управления тепловых процессов

При работе котла на любой нагрузке, определяемой требованиями потребителей пара и электроэнергии, необходимо обеспечить наиболее экономичный режим получения пара определенного качества, выражаемый поддержанием требуемого значения давления, температуры, солесодержания котловой воды и их допустимыми отклонениями в переменных режимах.

При этом экономичность работы котла в основном определяется количеством топлива, израсходованного на единицу паропроизводительности, и зависит от соотношения расходов топлива и воздуха, подаваемых в топку, т. е. от экономичного ведения процесса горения как при стационарном, так и в переменном режимах. Качество же вырабатываемого продукта (перегретого пара) определяется выбранной схемой регулирования и динамической настройкой регуляторов. Исходя из требований, накладываемых на процессы, протекающие в котлах, автоматизации подвергаются следующие участки, взаимосвязанные между собой не только с точки зрения единой технологической линии, но и с точки зрения построения единой многосвязанной системы автоматического управления.

1. Участок управления процесса горения, включающий в себя:

1) регулятор давления пара за котлом, изменяющий подачу топлива в топку при отклонении давления пара от заданного значения;

2) регулятор экономичности процесса горения, поддерживающий требуемое соотношение топливо – воздух;

3) регулятор разрежения в топке котла, воздействующий на отвод газов из топки.

2. Участок управления питания котла, воздействующий на подачу питательной воды.

3. Участок управления температурой перегрева пара, воздействующий на впрыск конденсата в пароохладители.

4. Участок управления солесодержания котловой воды, воздействующий на сброс конденсата с большим солесодержанием из барабана в дренаж.

Для экономичного сжигания топлива необходимо, чтобы количество воздуха, подаваемого в топку котла, строго соответствовало количеству тепла, поступающего с топливом, причем коэффициент избытка воздуха — a, определяемый содержанием О₂ в продуктах сгорания, должен поддерживаться в соответствии с режимной картой котла. К сожалению, достаточно точное поддержание коэффициента избытка воздуха — a затруднительно, т.к. газоанализаторы, используемые в настоящее время для анализа уходящих газов, являются инерционными и, следовательно, не позволяют получить желаемое качество регулирования. Поэтому подача воздуха в топку должна регулирования по косвенным показателям, более или менее точно учитывающим количество тепла, вносимое в топку котла. Этим и объясняется тот факт, что к настоящему времени используются несколько схем регулирования экономичности процесса горения, выбор которых осуществляется в основном в зависимости от вида топлива, сжигаемого в топке котла и от типа котла.

1. Схема топливо-воздух. Исторически является первой схемой регулирования соотношения топливо-воздух (рис. 3 – 1). Регулятор экономичности (FC) получает сигналы по расходу воздуха F_BE и топлива F_TE, воздействуя на направляющие аппараты вентиляторов (НАВ) изменяющих расход воздуха к горелкам котла. В этой схеме точность поддержания заданного соотношения зависит от точности и малоинерционности измерения расходов воздуха F_BE и топлива F_TE. Однако если расход воздуха можно измерить достаточно точно по перепаду давления (или давлению на участке воздушного тракта), то измерение расхода топливо в ряде случаев связанно с большими трудностями. Особенно большие трудности вызываются измерением расхода твердого и пылеобразного топлива, определяемого по числу оборотов пылепитателей или положению плоского контроллера (реостата), регулирующего число оборотов питателей. Этот способ измерения очень груб, так как при постоянном числе оборотов питателей пыли расход топлива зависит от влажности пыли, запаса ее в бункере, износа питателей и ряда других факторов, что и обуславливает некачественное регулирование экономичности горения по рассмотренной схеме при работе котлов на твердом и пылеобразном топливе.

Однако рассмотренная схема регулирования экономичности процесса горения рекомендуется к использованию при сжигании жидкого и газообразного топлива (расход которого можно достаточно легко и точно измерить) с постоянной теплотворной способностью, так как в противном случае количество тепла, вносимого в топку, будет определяться не только расходом топлива, но и его калорийностью.

2. Схема тепло – воздух (рис. 3 – 2). Получила широкое применение при работе котлов на твердом и пылеугольном топливе. Сигнал по теплу в данной схеме характеризуется суммой импульсов по скорости измерения давления пара в барабане котла и расходу пара:

,

Q – количество тепла, вносимого в топку;

F_n – расход пара;

к – коэффициент пропорциональности;

P_δ – давление в барабане котла.

В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию этой схемы, которые сводятся к получению более представительного и с меньшим запаздыванием импульса по теплу. В частности, предлагается использовать импульс по тепловосприятию экранных поверхностей нагрева импульс по температуре факела в топке и ряд других.

3. Схема с введением импульса по содержанию О₂ в продуктах сгорания.

Рассмотренные выше схемы обладают тем недостатком, что они поддерживают постоянное отношение a независимо от нагрузки котла. Однако с изменением нагрузки существенно меняется отношение a и, чтобы учесть это, необходимо в рассмотренные схемы ввести импульс, корректирующий отношение a в соответствии с содержанием кислорода в продуктах сгорания.

Поэтому на энергетических котлах, работающих на переменных режимах, необходимо использовать корректирующий импульса по содержанию О₂ в продуктах сгорания, воздействующего на изменение задания регулятору экономичности процесса горения.

Для этой цепи сигнал по содержанию О₂ подается на корректирующий регулятор (О₂С) (рис. 3 – 3), который, при отклонении содержания О₂ от нормы, воздействует на изменение задания регулятору экономичности FC.

Таким образом, типовой схемой экономичности процесса горения энергетических котлов является: тепло – воздух (рис. 3 – 3б) при работе на пылеобразном топливе и топливо – воздух при работе на газообразном топливе (рис. 3 – 3а).

При номинальных режимах работы эти схемы поддерживают заданное соотношение топливо – воздух (тепло – воздух), а при отклонении О₂ от нормы (обычно наблюдаемое при переходе на другие нагрузки) начинает действовать сигнал от корректирующего регулятора, изменяющий задание регуляторам экономичности.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ И ОБЪЕКТЕ

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ФИРМА ПО НАЛАДКЕ,
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И СЕТЕЙ ОРГРЭС»

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ГАЗОМАЗУТНЫХ КОТЛОВ, РАБОТАЮЩИХ С ПЕРЕМЕННЫМ
СОСТАВОМ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ

СО 34. 35.672

Разработано
Открытым акционерным обществом «Фирма по наладке, совершенствованию
технологии и эксплуатации электростанций и сетей ОРГРЭС»

Исполнитель Ю.Г.
МЕТЕЛЬНИКОВ

Утверждено ОАО
«Фирма ОРГРЭС»

Главный инженер В.А. КУПЧЕНКО

Системы управления процессом горения газомазутных
котлов освоены достаточно хорошо. Однако обилие схемных решений в этой области
не дает однозначных выводов о преимуществах того или иного варианта с позиций
регулирования нагрузки котла. По этой причине обобщенную структуру системы
регулирования горения можно принципиально представить в виде трёх регуляторов:
топлива (РТ), воздуха (РВ) и разрежения (РР). При изменении задания от
регулятора нагрузки автоматически изменяется расход топлива в котел. Регулятор
воздуха, воздействуя на направляющий аппарат дутьевого вентилятора,
соответствующим образом изменит подачу воздуха, поддерживая соотношение «топливо-воздух».
Возникшее несоответствие между образовавшимися в результате горения дымовыми
газами в котле и их удалением будет устранено регулятором разрежения.

При регулировании подачи топлива и воздуха в котел
можно поддерживать как расход этих параметров, так и их давление. Так как
расход топлива прямо пропорционален нагрузке котла, то регулятор топлива чаще
всего выполняют как регулятор расхода.

В практике автоматизации процесса горения котлов для
измерения расхода воздуха применяются как прямые способы измерения с помощью
установки в воздушном коробе прямоугольных диафрагм, расходомерных труб Вентури
и мультипликаторов, так и косвенные. Наиболее простым по конструкции из прямых
способов измерения является применение прямоугольных диафрагм. Однако установка
диафрагм приводит к большой потере давления воздуха. В связи с этим чаще
применяются расходомерные трубы Вентури, которые имеют небольшую потерю
давления. Это обстоятельство весьма важно при измерении больших расходов,
каковыми являются расходы воздуха, подаваемые к горелкам котла. Использовании
мультипликаторов, представляющих собой небольшую трубу Вентури, не нашло
широкого применения на электростанциях из-за низкой надежности (забивание
импульсных линий) и невысокой точности измерений (отсутствие усреднения по
сечению потока).

Несмотря на то, что применение труб Вентури дает
реальное представление о расходе воздуха, их использование сопряжено с большими
трудностями. Для установки расходомерных труб необходимо иметь прямые участки
воздухопроводов значительной длины, как до расходомерного устройства, так и
после него (примерно 6-8 диаметров воздуховодов). Это условие часто бывает
невыполнимо. Более того, на некоторых котлах (например, БКЗ-420-140) в
компоновке воздуховодов вообще практически отсутствуют прямолинейные участки, а
при установке измерительных устройств в воздушном коробе, имеющим недостаточный
прямой участок, не только резко ухудшается точность измерения, но и возможно
появление неоднозначности в зависимости «расход воздуха — перепад давлений».

На многих котлах, оборудованных регенеративными
воздухоподогревателями, наблюдаются существенные пульсации в воздушном тракте.
Значение этих пульсаций сопоставимо с полезным сигналом от расходомерного
устройства. После подавления пульсаций на входе регулятора точность поддержания
параметра становится недопустимо низкой. На таких котлах, особенно если они
работают с малыми избытками воздуха, использование труб Вентури для
регулирования подачи воздуха становится невозможным, поэтому в большинстве
случаев для определения расхода воз

Автоматическое регулирование — процесс — горение

Автоматическое регулирование — процесс — горение

Cтраница 1

Автоматическое регулирование процесса горения значительно повышает экономичность газоиспользующих установок. Применение автоматики обеспечивает безопасность использования газа, улучшает условия труда обслуживающего персонала и способствует повышению его технического уровня. Комплексная автоматика состоит из следующих основных систем: автоматики регулирования, автоматики безопасности, аварийной сигнализации и теплотехнического контроля.
 [1]

Автоматическое регулирование процесса горения служит в основном целям повышения экономичности отельного агрегата. Только при резко пиковых режимах котла на первый план выступает роль автоматического регулирования процесса горения, как фактора, обеспечивающего повышение надежности и безопасности работы котельного агрегата.
 [2]

Автоматическое регулирование процесса горения заключается в изменении расхода газа и воздуха ( в определенном соотношении) в зависимости от изменения па-ропроизводительности котла. При этом автоматически поддерживаются неизменными давление пара в котле, соотношение газ — воздух и разрежение в топке. Примененная система автоматики безопасности позволяет своевременно прекращать подачу газа к горелкам в аварийных случаях.
 [3]

Автоматическое регулирование процессов горения следует предусматривать для котлов с камерными топками для сжигания твердого, газообразного и жидкого топлива, а также для котлов со слоевыми механизированными топками, позволяющими автоматизировать их работу.
 [4]

Автоматическое регулирование процесса горения и тепловая защита котлоагрегата облегчают условия труда, уменьшают количество обслуживающего персонала, обеспечивают правильную эксплуатацию и увеличивают надежность и экономичность работы котлоагрегата.
 [5]

Автоматическое регулирование процессов горения следует предусматривать для всех котлов, работающих на жидком или газообразном топливе, а на твердом топливе — в случае применения механизированных топочных устройств, позволяющих автоматизировать их работу.
 [6]

Автоматика — регулирование — процесс — горение

Автоматика — регулирование — процесс — горение

Cтраница 1

Автоматика регулирования процесса горения обеспечивает автоматическое и дистанционное упраЕ ление подачей газа и воздуха в требуемом соотношении для поддержания давления пара в котле на заданном уровне, а также регулирование тяга в зависимости от нагрузки горелок. Все три регулятора-электрогидравлические регуляторы непрямого действия и расположены в одном блоке. Принципиальная схема электрогидравлического регулятора разрежения показана на рис. XXIII. Регуляторы давления пара и соотношения топливо-воздух имеют близкие принудительные схемы.
 [2]

Работа автоматики регулирования процесса горения ( см. рис. 16) состоит в поддержании требуемого давления пара в котле, что осуществляется изменением расхода газа на горелки.
 [3]

Работа автоматики регулирования процесса горения сводится к поддержанию требуемого давления пара в котле, что осуществляется изменением расхода, газа, поступающего в горелки. Паропроиз-водительность котла и давление пара связаны между собой однозначно, вследствие чего управление подачей топлива возлагается на регулятор давления пара.
 [5]

Так как автоматика регулирования процесса горения может эффективно работать при нагрузке котла в пределах от 40 до 100 %, то включение котла в работу производится вручную и только после достижения котлом нагрузки, равной 40 % от номинальной, может быть включена автоматика регулирования и безопасности.
 [6]

В состав автоматики регулирования процесса горения входят следующие приборы: блок регуляторов с электрогидрореле ( см. рис. 35) и три сервомотора.
 [7]

Принцип работы автоматики регулирования процесса горения заключается в следующем. Регулятор давления пара получает импульс в барабане котла и через электрогидрореле управляет сервомотором газа 38, шток которого через систему рычагов связан с регулирующей заслонкой 3, управляющей подачей газа к горелкам.
 [8]

Проверяется работа автоматики регулирования процессов горения и приборов теплотехнического контроля.
 [9]

Остановку газифицированных котлов с автоматикой регулирования процесса горения и автоматикой безопасности и с комплексной автоматикой производят в соответствии с производственной инструкцией.
 [10]

Схема предусматривает наличие на каждом котле: автоматики регулир

Сжигание газообразных альтернативных видов топлива в двигателях с воспламенением от сжатия

1. Введение

В настоящее время более 20% мирового спроса на энергию покрывается транспортом [3], в котором в значительной степени преобладают двигатели внутреннего сгорания. Тяжелый автомобильный транспорт, морской транспорт и почти половина легковых автомобилей оснащены двигателями с воспламенением от сжатия (CI). Двигатели внутреннего сгорания все чаще используются для производства энергии.

Более высокий КПД по сравнению с двигателями с искровым зажиганием и способность работать на широком диапазоне видов топлива предрасполагают к тому, что современный двигатель CI будет считаться одним из силовых агрегатов будущего.Следует отметить, что современные технологии сгорания, доступные с распространением электронного управления процессом впрыска топлива и рядом новых концепций управления нейтрализацией выхлопных газов, сделали двигатели с ХИ все более и более безвредными для окружающей среды. В то же время широкий спектр нормативных требований приводит к четкому и эффективному преобразованию химической энергии, содержащейся в топливе, для различных носителей этой энергии. Такая гибкость позволяет современному двигателю CI работать на жидком топливе с чрезвычайно разными физико-химическими параметрами без необходимости структурных изменений.Оптимизация работы двигателя может производиться на уровне алгоритмов управления [2].

В последние годы наблюдается значительный рост интереса к газообразному топливу. Их доля в мировом энергетическом балансе скоро превысит 21% от общего объема произведенной энергии [4]. Это связано с тем, что независимо от типа газа и применяемой технологии сжигания эти виды топлива позволяют значительно снизить токсичные выбросы. С другой стороны, очень высокая доступность (месторождения природного газа, сланцевого газа, способность получать биометан из органических веществ, синтез-газ и угольный газ в промышленных процессах) и низкая цена приводят к тому, что в ближайшие годы газовое топливо будет значительно увеличиваться. диверсифицировать все энергетические отрасли.

В настоящее время многие исследовательские центры разрабатывают концепцию питания двигателей ХИ газообразным топливом в двухтопливном режиме. Относительно небольшая доза жидкого топлива, впрыскиваемая в цилиндр, действует как ингибитор воспламенения и стабилизирует сгорание газообразного топлива, которое обеспечивает большую часть энергии. Как и в случае моно режима, газообразное топливо, подаваемое в двигатель, может изменяться. Адаптация к изменениям в составе топлива достигается путем регулирования параметров впрыска топлива начальной дозировки и многих других параметров регулирования, таких как количество и температура воздуха, рециркуляция выхлопных газов и т. Д.

Правильно спроектированный двигатель CI со сложными алгоритмами регулирования (часто основанный на искусственных нейронных сетях и продвинутых математических моделях) можно по существу назвать многотопливным двигателем, который может работать в любое время с любым жидким или газообразным топливом в зависимости от наличия.

Более 7 лет наша команда реализует проекты в области использования газового топлива в двигателях с воспламенением от сжатия. В следующей главе были подведены итоги дозовых работ, знакомящих читателя с темой многотопливных, газожидкостных двигателей.

1.1. Газообразное топливо для двигателей CI

Ограниченные поставки ископаемого топлива и борьба с глобальным потеплением и выбросами парниковых газов — все это способствует поиску новых типов топлива, которые могли бы эффективно использоваться в современных двигателях с воспламенением от сжатия [7, 38, 40, 43, 50].

Некоторые свойства легковоспламеняющихся газов, которые являются основными составляющими газообразного топлива, приведены в таблице 1 [7, 38, 40].

9 0068 1,34

Таблица 1.

Основные свойства отдельных компонентов газообразного топлива [7, 38, 40].

Из всех вышеупомянутых горючих газов только метан является ископаемым газом. Остальные газы получают в результате обработки минералов или в результате естественных процессов.

Метан — основной компонент природного газа. Его содержание варьируется в зависимости от источника газа и обычно составляет от 90 до 99%. Еще одним источником метана являются каменноугольные шахты, где значительные количества этого газа получают в результате так называемого процесса деметанизации шахт.Основным преимуществом использования метана в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания является низкое содержание угля, а это означает, что его сгорание приводит к гораздо более низким уровням выбросов диоксида углерода. Кроме того, он характеризуется очень высоким октановым числом (125–130), что позволяет использовать его в двигателях с более высокой степенью сжатия и обеспечивает повышенный общий КПД двигателя [40, 50]. Природный газ обычно хранится в сжатом виде как CNG (сжатый природный газ). Также возможно хранить этот газ в сжиженном виде как СПГ (сжиженный природный газ), но для этого требуются очень низкие температуры хранения порядка -163 град.С [43].

Из оставшихся имеющихся газовых топлив в настоящее время большое значение имеют сжиженные углеводородные газы LPG (сжиженный нефтяной газ), которые представляют собой смесь пропана и бутана.

В настоящее время, однако, особое внимание уделяется газу, полученному из возобновляемых источников энергии. Газовое топливо, полученное из различных видов биомассы, экскрементов животных, коммунальных отходов, сточных вод и отходов сельскохозяйственной / пищевой промышленности, определяется как биогаз [7, 43, 50].

Состав биогаза непостоянен и зависит не только от сырья, из которого он сделан, но и от технологии, используемой для его производства.Расчетный химический состав биогаза, полученного с использованием различных методов и материалов, приведен в таблице 2 [7].

45-75%

Таблица 2.

Состав биогаза в зависимости от его происхождения [7].

При анализе свойств вышеупомянутых горючих газов с точки зрения их использования в двигателях с самовоспламенением, прежде всего следует обращать внимание на их относительно высокие температуры самовоспламенения. Еще одним недостатком использования этих видов топлива в двигателях с самовоспламенением является относительно узкий предел их воспламеняемости, что в сочетании с относительно высоким глобальным коэффициентом избытка воздуха для этих двигателей ограничивает сгорание газа в камере сгорания [40, 43].

Необработанный, непосредственно забираемый биогаз сильно загрязнен и содержит значительное количество негорючих компонентов. Более того, сероводород, который естественным образом содержится в биогазе, обладает очень агрессивными свойствами. Методы очистки биогаза хорошо известны [3, 21], и необходимость его очистки не представляет собой значительных ограничений для его использования в массовом масштабе. В результате процесса обработки получается надлежащее моторное топливо — биометан. После очистки биогаз имеет такой же состав, что и природный газ, и поэтому имеет очень похожие физико-химические свойства.

Водород имеет очень малую молекулярную массу и высокую теплотворную способность. Он имеет самое высокое отношение энергии к массе среди известных углеводородных топлив, сохраняя в то же время полезные физико-химические параметры с точки зрения сгорания топлива в газовых двигателях. К основным достоинствам этого топлива можно отнести отсутствие выброса углекислого газа при сгорании. Использование водорода в качестве альтернативного газового топлива в настоящее время ограничивается низкой эффективностью процесса его извлечения.В настоящее время производство водорода электролизом в 3,5 раза дороже, чем его извлечение с помощью каталитического парового риформинга ископаемого топлива [44]. В молекулярной форме водород можно также производить с использованием процесса риформинга природного газа. Прямое сжигание природного газа по-прежнему более эффективно, чем его преобразование в водородное топливо. Обширный анализ способов получения водорода приведен в [13, 30, 44]. Использование водорода в качестве топлива для двигателей также ограничивается высокой реакционной способностью газа, которая ограничивает его возможности хранения и транспортировки и требует использования специальных нереактивных сплавов.Дополнительные ограничения связаны с низкой плотностью газа, которая предъявляет особые требования к уплотнению компонентов двигателя. В связи с вышеизложенным чистый молекулярный водород не является реальной альтернативой топливам на основе нефти в качестве моторного топлива для общего использования. Следует подчеркнуть, что существуют новые концепции производства молекулярного водорода, и самые большие ожидания в настоящее время вкладываются в использование биологических процессов — анаэробной ферментации [5, 46] и фотолиза воды [31, 37], которые все еще остаются в силе. на сегодняшний день не полностью разработан.Однако, без учета развития технологии производства водорода в будущем, по оценкам [4], основное использование этого топлива будет ограничиваться хранением энергии в виде топливных элементов и в качестве добавок к другим газовое топливо.

В настоящее время разрабатывается новая технология газового топлива — HCNG. Аббревиатура обозначает природный газ (или биометан), обогащенный водородом до 4-9% от общего объема. Исследования подобных композиций ведутся в основном в США.Основное преимущество HCNG — это возможность значительно снизить токсичность выбросов по отношению к чистому CNG. Испытания Карнера и Фрнакфорта [17] для использования этого топлива в двигателях с искровым зажиганием, адаптированных к использованию СПГ, показали, что соединения ниже 20% не требуют дополнительной адаптации или изменения программы управления. Также было доказано, что уровень содержания водорода 50% не увеличивает вероятность взрыва по сравнению с чистым СПГ и может использоваться с надлежащим образом регулируемыми параметрами двигателя.Добавление водорода в топливо увеличивает его теплотворную способность. В ходе вышеупомянутых испытаний двигатель показал на 5% больше мощности, чем при работе на чистом СПГ.

1.2. Усовершенствованные технологии сгорания и контроля для двигателей CI на альтернативном топливе

Наряду с поиском новых, более чистых видов топлива для двигателей внутреннего сгорания существует необходимость в повышении эффективности преобразования химической энергии, содержащейся в топливе, с особым упором на реальные выбросы двигателя .

Важной вехой в улучшении сжигания жидкого топлива в двигателях CI стало внедрение электронного управления процессом впрыска.Common Rail Direct Injection (CRDI) постепенно заменяет традиционные системы впрыска с механическим управлением во всех разработках двигателей CI, от легких до тяжелых стационарных и судовых двигателей. В широко используемых в настоящее время электронных системах впрыска Common Rail (CR) можно точно регулировать время впрыска, давление и продолжительность. Кроме того, системы CR также имеют возможность разделения топлива на несколько доз, впрыскиваемых последовательно, в зависимости от условий работы двигателя.В таких системах обычно очень небольшая часть дизельного топлива (пилотная доза) впрыскивается на ранней стадии фазы сжатия, чтобы улучшить условия для сгорания основной дозы, которая впрыскивается через некоторое время после зажигания пилотной дозы. Разделенный впрыск позволяет дополнительно контролировать процесс сгорания, снижает токсичные выбросы и уровень шума [29].

Новые возможности управления, обеспечиваемые внедрением систем впрыска CR, не охватывают весь потенциал двигателей с CI, связанный с использованием альтернативных видов топлива.В настоящее время ведется поиск новых режимов сжигания, чтобы снизить уровень выбросов и потребление ископаемого топлива. Потенциальным кандидатом является концепция двигателя с воспламенением от сжатия с однородным зарядом (HCCI). В двигателе HCCI предварительно смешанная топливно-воздушная смесь подается в цилиндр. Горение происходит самопроизвольно, когда гомогенная топливная смесь достигает своей энергии химической активации, и поэтому регулируется только кинетикой химической реакции [18].

Технология HCCI еще недостаточно развита, чтобы быть коммерчески доступной, но интенсивно развивается [54].Само по себе дизельное топливо не подходит для работы с HCCI из-за его низкой летучести и высокой склонности. Концепции бензиновых двигателей HCCI изучались многими исследователями [10, 33, 49, 57], показывая возможность снижения расхода топлива максимум на 15% при практически полном исключении выбросов NOx. Тем не менее, стабильная работа при высоких нагрузках — это основная проблема, которую необходимо решить для бензиновых двигателей HCCI. Одним из возможных решений является смешивание бензина с топливом с высокой детонационной стойкостью (дизельное топливо или жидкое биотопливо) [6].

Сообщается, что комбинация различных газовых топлив (природный газ, водород, пропан) с дизельным топливом в режиме HCCI дает низкие выбросы и, в некоторой степени, увеличивает эффективность двигателя [36, 47]. В то же время можно еще больше увеличить долю альтернативной топливной энергии, заменив дизельное топливо жидким биотопливом. Комбинация жидкого топлива с высоким цетановым числом и высокооктанового газообразного топлива может обеспечить мягкую работу двигателя при работе с высокими степенями сжатия [11].Было обнаружено, что двигатель с высокой степенью сжатия (до 18: 1) имеет преимущество в виде сверхнизких выбросов NOx и высокого теплового КПД при работе в установившемся режиме [15].

Проблемы с надлежащим контролем процесса сгорания привели к тому, что газодизельный режим HCCI превратился в другую двухтопливную концепцию, названную PCCI (зажигание от сжатия с предварительным смешанным зарядом) или RCCI (зажигание от сжатия с контролируемой реактивностью) [8, 12, 22]. Эта концепция сочетает в себе преимущества сжигания HCCI и прямого впрыска жидкого топлива CR.Предполагается, что небольшое количество дизельного топлива впрыскивается на ранней стадии фазы сжатия и, следовательно, может быть полностью предварительно смешано до начала самовоспламенения. Это сохраняет преимущества работы HCCI, в то время как при смешивании цилиндров показывает хороший потенциал с точки зрения управляемости и работы с высокими нагрузками. Исследования RCCI в основном сосредоточены на сочетании бензиноподобного и дизельного топлива. Для комбинации природного газа и дизельного топлива имеются ограниченные исследования. Тем более отсутствуют результаты полномасштабных испытаний двигателя при такой эксплуатации.

Стоит отметить, что эта технология имеет хороший потенциал для использования широкого спектра топлив с существенно различающимися по составу и тепло / энергетическим свойствам. Это приводит к концепции многотопливного газового двигателя. В многотопливных двигателях признанные в настоящее время методы заправки должны быть изменены. Доля отдельных видов топлива в общем энергосодержании должна быть определена таким образом, чтобы обеспечить максимальное снижение токсичности выбросов и достижение максимального КПД двигателя.Чтобы обеспечить оптимальное использование возможностей двигателя, эти параметры следует регулировать в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя. При такой определенной стратегии заправки выбор правильного алгоритма управления — непростая задача. Современные двигатели с самовоспламенением и электронной системой управления обеспечивают более простое регулирование. Поэтому считается, что дальнейшее развитие многотопливных двигателей должно базироваться на системах типа Common-Rail [48, 55, 56].

Должно быть обеспечено регулирование количества подаваемого топлива, а также угол начала зажигания пилотной дозы.Публикации Стельмасяка [39, 40, 41, 42], Ковалевича [19, 20], Микульского, Вежбицкого и других [27, 28, 32, 52] внесли значительный вклад в исследования параметров регулирования в многотопливных двигателях. Кроме того, существуют также концепции введения новых параметров управления работой двигателя. Многие исследователи сообщают о возможности повышения эффективности многотопливных двигателей за счет регулирования (дросселирования) количества [41] и температуры [34, 35] подаваемого воздуха. Ввиду снижения пилотной дозы до минимума, обеспечение многотопливной способности должно приводить к необходимости учитывать состав газообразного топлива в алгоритмах управления [9, 16].Недавно Лю и Фэй [23] использовали технологию нейронных сетей для реализации сложных алгоритмов управления в двухтопливном двигателе.

1.3. Мотивация и объем настоящего исследования

Приведенный выше анализ показывает, что в ближайшие годы альтернативные газовые виды топлива значительно диверсифицируют все сектора энергетики. Вот почему исследовательские усилия должны быть направлены на оптимизацию процессов химического преобразования энергии для этих видов топлива. Особое внимание следует уделять двухтопливным двигателям PCCI, поскольку они демонстрируют хороший потенциал с точки зрения топливной гибкости и чистого и эффективного сгорания.Как уже говорилось, концепция двухтопливных двигателей все еще является новой темой, и разработка оптимальных алгоритмов управления требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований. Основные проблемы, которые необходимо решить с точки зрения управления процессом горения, заключаются в следующем: обеспечение эффективного режима частичной нагрузки с минимизацией дозы жидкости при сохранении полезных уровней выбросов NOX и HC и обеспечении стабильной работы в переходных режимах. Еще более сложной научной проблемой остается решение всех упомянутых вопросов по изменению состава газового топлива.

Целью представленного исследования было обсуждение возможности использования альтернативного газового топлива в двигателях с воспламенением от сжатия с использованием двухтопливной, газожидкостной стратегии работы и содействие исследованию проблем в этой теме с упором на топливо — гибкую работу . Были представлены последние результаты исследований влияния состава газа на процесс горения, в то же время иллюстрирующие экологические преимущества использования газообразного топлива. Систематически проиллюстрировано использование газообразного топлива различного состава, начиная с природного газа.Возможность использования низкокалорийных газов показала влияние обеднения природного газа углекислым газом. Промышленные газы, такие как синтез-газ, содержат большое количество водорода, окиси углерода или высших углеводородов (этан, пропан). Возможность заправки двигателей ХИ этими газами была представлена ​​влиянием обогащения природного газа указанными компонентами.

Представленные исследования охватывают динамометрические испытания двигателя в различных условиях эксплуатации с анализом процесса сгорания и подробным обсуждением измерений выбросов.Результаты экспериментальных исследований дополнены результатами моделирования с использованием разработанных авторами математических моделей многотопливных двигателей.

2. Установка и методика испытательного стенда двигателя

В качестве объекта испытаний использовался четырехцилиндровый двигатель CI с турбонаддувом и промежуточным охлаждением производства Andoria-Mot с кодовым знаком ADCR. Основные технические параметры двигателя представлены в таблице 3. Двигатель оснащен системой впрыска Common-Rail с пьезоэлектрическими форсунками и управлялся электронным контроллером EDC16C39 с заводскими (оптимизированными для работы на дизельном топливе) схемами двигателя.Основными входными сигналами, подаваемыми на контроллер, были частота вращения двигателя и положение педали акселератора. Контроллер выполняет две разные стратегии впрыска топлива в зависимости от рабочих параметров. При низких оборотах и ​​малых нагрузках в среднем диапазоне скоростей был выполнен разделенный впрыск. В остальном диапазоне был впрыснут однократный топливный заряд.

Таблица 3.

Технические данные двигателя ACDR.

Двигатель был установлен на испытательном стенде на кафедре мехатроники и ИТ-образования Варминско-Мазурского университета в Ольштыне. Испытательный стенд в конфигурации, использованной в исследовании, показан на рисунке 1.

Рисунок 1.

Схема испытательного стенда двигателя, использованного для исследования.

Во время испытаний частота вращения двигателя и крутящий момент на динометре были установлены как требуемые значения для каждой контрольной точки. Автоматика испытательного стенда использовала работу динамического динометра и педаль ускорения для поддержания заданных значений с точностью + -10 об / мин и + -5 Нм для скорости и крутящего момента соответственно.Температуры охлаждающей воды и смазочного масла поддерживались на постоянном уровне 85/95 градусов. C ± 1. После стабилизации были выполнены измерения в установившемся режиме, включая основные рабочие параметры двигателя, давление в цилиндре, ток катушки форсунки, дымность и выбросы. Для сбора данных в каждом тестовом прогоне был установлен период времени 120 с.

Пьезоэлектрический датчик давления (тип 6056A от Kistler), установленный в первом цилиндре через переходник свечи накаливания, использовался для регистрации сигнала давления.Датчик, совмещенный с усилителем заряда типа 5018A, был подключен через DAQ-карту к ПК. Связь сигнала давления с соответствующими значениями угла поворота обеспечивалась оптическим датчиком положения, установленным на коленчатом валу двигателя. Запись производилась через каждые 1 градус ЦА во всем диапазоне рабочего цикла двигателя.

Для каждой точки измерения после стабилизации рабочих параметров двигателя регистрировали давление в зависимости от угла поворота коленчатого вала (α) для 100 циклов. Затем результаты измерения давления были усреднены за цикл, что дало pavg (α).Стандартное отклонение использовалось для расчета средней ошибки измерения давления для каждого угла поворота кривошипа Δpavg (α). Затем была рассчитана средняя относительная погрешность:

Δpavg_r (α) = Δpavg_rpavg_r⋅100E1

как оценка повторяемости работы двигателя. Дополнительно для определения момента впрыска на форсунку указанного цилиндра устанавливали токовые клещи, что позволяло регистрировать изменения тока на катушке форсунки. Сигнал тока катушки инжектора анализировался так же, как описано для сигнала давления, и использовался для определения угла начала впрыска (SOI).

Масса воздуха, всасываемого двигателем (G _{, воздух} ), расход топлива (G _{, топливо} ) и температура воздуха во впускном коллекторе (T _{, воздух} ), регистрировались во время испытаний, а время каждого испытания усреднялось. запустить. Стандартное отклонение использовалось для расчета точности результатов измерений. Аналогичная методика использовалась для определения неопределенности измерения уровней концентрации компонентов выхлопных газов.

С использованием измеренных значений был рассчитан ряд параметров.Метод анализа второй производной давления [32] был использован для обозначения начала горения (SOC) и расчета угла задержки зажигания (α _id ). Удельный расход топлива на тормозах (BSFC) и эффективность преобразования топлива в тормозную систему (BFCE) также рассчитывались по следующим формулам:

Двухтопливное сгорание | IntechOpen

1. Введение

Потребность в энергии в транспортном секторе растет из-за роста населения, и одновременно экономическая политика направлена ​​на повышение эффективности и сокращение выбросов опасных загрязнителей, включая оксиды азота (NOx), несгоревшие углеводороды (UHC) и твердые частицы (ВЕЧЕРА).Это вызвало большой интерес к электрификации автомобилей, а также к более чистым и эффективным двигателям. В то время как электрификация и гибридизация транспортных средств растут, ограничения по стоимости и плотности энергии батарей по-прежнему создают проблемы. Таким образом, прогнозируется, что двигатели внутреннего сгорания по-прежнему будут использоваться в 60% легковых автомобилей в 2050 году [1], а рынок тяжелых грузовиков, вероятно, в обозримом будущем будет в основном работать на двигателях.

Чтобы соответствовать строгим нормам по выбросам и обеспечивать эффективную мощность, необходимы экологически чистые высокоэффективные двигатели.Были исследованы различные стратегии для повышения эффективности современных двигателей. К ним относятся такие технологии, как изменение фаз газораспределения, которые направлены на снижение насосных потерь, связанных с процессом газообмена, и турбонагнетатели с изменяемой геометрией, которые стремятся использовать энергию выхлопных газов для повышения удельной мощности двигателей. Кроме того, были реализованы более совершенные системы впрыска топлива, чтобы впрыскивать топливо при более высоких давлениях и тем самым способствовать смешиванию топлива и воздуха.Улучшенное перемешивание увеличит эффективность сгорания, а также снизит выбросы твердых частиц. Более сложные системы впрыска топлива также могут быть использованы для разработки стратегий двухтопливного сгорания.

Было продемонстрировано, что стратегии двухтопливного сгорания эффективны как для двигателей с искровым зажиганием (SI), так и с двигателями с воспламенением от сжатия (CI). В двигателях SI для борьбы с детонацией можно использовать двухтопливные технологии. Детонация обычно возникает в условиях высокой температуры и высокого давления в цилиндре, при которых топливно-воздушная смесь самовоспламеняется, создавая ударные волны давления в цилиндре.Детонация может значительно повредить двигатель и чаще всего встречается при высоких нагрузках, когда эффективность достигает своего пика. Таким образом, высокая эффективность двигателя на бензиновом топливе часто ограничивается детонацией. В условиях высокой нагрузки фазировка сгорания двигателя часто откладывается до неоптимального момента, чтобы избежать детонации. Хотя это позволяет избежать вредного преждевременного возгорания, это также приводит к снижению эффективности.

В качестве альтернативы, детонацию можно предотвратить, используя топливо с более высоким октановым числом (обычно описываемым исследовательским октановым числом (RON), моторным октановым числом (MON) или антидетонационным индексом (AKI)).Топливо с высоким октановым числом сможет работать при оптимальной фазе сгорания даже при высоких нагрузках, но стоит дороже. Если в двухтопливных двигателях используется высокооктановое топливо, можно использовать метод, известный как «октановое число по требованию». Стратегии с октановым числом по требованию часто реализуются в двигателях с возможностью работы на двух видах топлива с одновременным использованием топлива с низким и высоким RON [2, 3, 4, 5]. Благодаря возможности использования двух видов топлива, детонационная стойкость топливной смеси может быть изменена в реальном времени, чтобы избежать детонации при сохранении оптимальной фазировки сгорания.Такие методы также позволяют минимизировать затраты на топливо, поскольку менее дорогое топливо с низким RON можно использовать в более низких рабочих условиях, а топливо с высоким RON можно использовать только в условиях, подверженных детонации.

В двигателях с CI методы двухтопливного впрыска исторически использовались для модернизации старых дизельных двигателей на более дешевое топливо. Помимо использования альтернативного источника энергии, реализация также позволила сократить выбросы твердых частиц. Совсем недавно методы двухтопливного впрыска стали использоваться для содействия использованию менее реакционноспособных видов топлива и содействия более совершенным стратегиям сгорания.Некоторые режимы двухтопливного сгорания показали большие перспективы и работают с высоким КПД и низким выходом загрязняющих веществ. Это часто достигается в широком рабочем диапазоне за счет одновременного использования двух видов топлива с различной реакционной способностью, чтобы способствовать предварительному смешиванию топлива или создать расслоение реактивности смеси в цилиндрах [6, 7].

Хотя эти двухтопливные режимы сгорания выглядят многообещающе, они в настоящее время не используются во многих серийных автомобилях из-за множества проблем, включая трудности с контролем фазирования сгорания и стабильностью сгорания с помощью более сложной стратегии сгорания, а также приемлемости для потребителей и инфраструктуры. ограничения.В настоящее время большинство из этих стратегий двухтопливного сгорания изучаются в строго контролируемых лабораторных условиях на одноцилиндровых двигателях. После удаления из лаборатории и реализации на многоцилиндровых двигателях изменения сгорания и проблемы фазировки начинают преобладать [8, 9, 10]. Одной из таких проблем является возникновение более значительных колебаний от цилиндра к цилиндру, которые могут привести к непостоянной выработке мощности и потенциально опасным условиям работы двигателя. Кроме того, в двигателях с ХИ многие стратегии двухтопливного сгорания используют более предварительно перемешанное сгорание, и поэтому время сгорания регулируется химической кинетикой.Это затрудняет правильное определение времени возгорания. Для уменьшения этих вариаций горения и обеспечения оптимальной фазировки горения требуются более совершенные методы управления.

Двухтопливные двигатели потенциально могут быть высокоэффективными и чистыми, но их использование также может быть ограничено приемлемостью для потребителей и проблемами инфраструктуры. Пользователи должны будут заправить два топливных бака, и им потребуется доступ к необходимым видам топлива в достаточно широком регионе. В этой главе будут обсуждаться технологические разработки, которые привели к созданию современных двухтопливных двигателей, а также усовершенствования, которые были сделаны в двухтопливных двигателях CI и SI.

2. Обзор технологий

Концепция двухтопливного двигателя существует почти так же давно, как бензиновый (Otto) и дизельный двигатель. После разработки двигателя Николауса Отто с искровым зажиганием стремление улучшить тепловой КПД за счет увеличения степени сжатия двигателя привело к разработке двигателя Рудольфа Дизеля с воспламенением от сжатия. Впоследствии заинтересованность в улучшении управления воспламенением и регулированием горения привела к тому, что сам Рудольф Дизель предложил стратегию двухтопливного горения и запатентовал свое изобретение в 1901 году [11].Сегодня эта идея используется для продвижения использования газообразного топлива, такого как природный газ, в дизельных двигателях, а также для разработки передовых стратегий сгорания, которые используют преимущества способности динамически оптимизировать свойства топливной смеси (путем регулирования соотношения между впрыскиваемого топлива) в зависимости от условий эксплуатации. Такая реализация стратегии двухтопливного сжигания обещает значительный выигрыш в топливной экономичности, а также сокращение токсичных выбросов. Тем не менее, большинство преимуществ, связанных с двухтопливным сжиганием, в первую очередь изучаются в академических и исследовательских учреждениях в строго регулируемых условиях; технология в настоящее время все еще сталкивается с серьезными проблемами и ограниченным признанием, что ограничивает ее проникновение на рынок.

В этом разделе представлен обзор развития двухтопливных двигателей с особым обзором истории развития технологии и рассмотрением примеров текущих и прошлых производимых двухтопливных двигателей. В следующих разделах будут обсуждаться текущие исследования двухтопливных двигателей и их ожидаемая роль в ближайшем и далеком будущем.

2.1. Краткая история

В заявке на патент, поданной 6 апреля 1898 г., Рудольф Дизель предлагает, что «если данная смесь сжимается до степени ниже ее точки воспламенения, но выше точки воспламенения второго или вспомогательного горючего материала, то тогда впрыск этой последней в первую сжатую смесь вызовет немедленное воспламенение вторичного топлива и постепенное сгорание первой смеси, причем сгорание после воспламенения зависит от впрыска воспламеняющегося или вторичного горючего »[11].Этот патент под названием «Способ зажигания и регулирования сгорания для двигателей внутреннего сгорания» был принят в 1901 году и знаменует собой одну из первых попыток внедрения и успешного воспламенения менее реактивного газообразного топлива в 4-тактном двигателе внутреннего сгорания с использованием второго топлива. Аналогичным образом, сегодня способность воспламенять предварительно смешанный заряд (например, воздух и топливо с низкой реактивностью, такое как природный газ) с вторичным топливом с высокой реактивностью (например, дизельное топливо) или взаимозаменяемо работать исключительно на топливе с высокой реактивностью является одним из важных характеристика стратегии двухтопливного сжигания.

В течение нескольких лет двухтопливный двигатель не использовался в коммерческих целях из-за его механической сложности и неустойчивой работы, вызванной самовоспламенением и детонацией. Первый коммерческий двухтопливный двигатель был произведен только в 1939 году компанией National Gas and Oil Engine Co. в Великобритании. Двигатель, работающий на городском газе или других типах газообразного топлива, был относительно прост в эксплуатации и в основном использовался в некоторых областях, где требовалось дешевое стационарное производство энергии [12]. Во время Второй мировой войны нехватка жидкого топлива вызвала дополнительный интерес к двухтопливным двигателям со стороны ученых из Великобритании, Германии и Италии.Некоторые автомобили с дизельными двигателями были успешно преобразованы в двухтопливные, а также изучалось возможное применение двухтопливных двигателей в гражданских и военных областях. В то время в обычных дизельных двигателях использовались различные виды газообразного топлива, такие как угольный газ, канализационный газ или метан [13]. После Второй мировой войны по экономическим и экологическим причинам двухтопливные двигатели получили дальнейшее развитие и стали использоваться в очень широком диапазоне применений от стационарного производства электроэнергии до автомобильного и морского транспорта, включая грузовики дальнего и ближнего действия и автобусы [12 ].

В 1949 году Крукс, инженер в Cooper-Bessemer Corporation — одном из основных производителей двигателей во время Второй мировой войны, представил экспериментальную работу с двухтопливным двигателем, который, как утверждалось, привел к созданию наиболее эффективного двигателя с тепловым эффектом. КПД 40% при полной нагрузке. Далее он подчеркивает, что двухтопливный двигатель стал «чрезвычайно экономичным источником энергии с чрезвычайно низкими затратами на техническое обслуживание» [14]. Возможность использования относительно дешевых ресурсов газового топлива и одновременного получения выгоды от высокого теплового КПД способствовала преобразованию обычного двигателя с воспламенением от сжатия на двухтопливный режим.Тем не менее, важные ограничения все еще сохраняются: (1) при высоких нагрузках выходная мощность и эффективность были ограничены началом самовоспламенения и детонации с наиболее распространенными газообразными топливами; (2) процесс сгорания в двухтопливном двигателе очень чувствителен к тип, состав и концентрация используемого газообразного топлива, и (3) при работе с малой нагрузкой двухтопливный двигатель демонстрирует большую степень циклических изменений рабочих параметров, таких как пиковое давление в цилиндре, крутящий момент и задержка зажигания [13 ].

По-прежнему проводится множество исследований для понимания и преодоления проблем, связанных с работой двухтопливных двигателей. Многообещающая задача состоит в том, чтобы успешно использовать преимущества двухтопливного двигателя в автомобильной промышленности.

2.2. Двойное топливо в современной автомобильной промышленности

В главе книги, озаглавленной «Двухтопливный двигатель», опубликованной в 1987 году, Гази А. Карим, который ранее провел несколько исследований [15, 16, 17, 18, 19, 20] на тема двухтопливных двигателей предполагает, что, хотя двухтопливный двигатель использовался в широком диапазоне стационарных приложений для выработки энергии, когенерации, сжатия газов и перекачки; реализация в мобильных приложениях «остается областью срочных долгосрочных исследований, которые могут иметь потенциал для широкого открытия рынка двухтопливных двигателей и увеличения использования ресурсов газового топлива, особенно в транспортном секторе» [21].

Действительно, применение двухтопливной технологии было более благоприятным для стационарных и тяжелых приложений, чем для мобильных и легких приложений. Тем не менее, подходящее долгосрочное исследование, предложенное Каримом для транспортного сектора, все еще продолжается. Совсем недавно усилия по диверсификации энергетических ресурсов транспортной отрасли побудили исследователей и производителей двигателей в равной степени изучить возможности использования стратегии двухтопливного сгорания.Кроме того, введенные правительством нормативные акты в отношении выбросов при неработающем двигателе и целевых показателей топливной экономичности стимулировали поиск инновационных технологий для двигателей, включая новые реализации концепции двухтопливного топлива.

В последние годы исследовательская группа из Университета Висконсин-Мэдисон предложила реализовать стратегию двухтопливного сжигания для снижения выбросов оксида азота (NOx) и твердых частиц (PM) [6, 7, 10, 22] . Стратегия сжигания, называемая воспламенением от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI), обещает значительное сокращение выбросов загрязняющих веществ, а также впечатляющее повышение эффективности использования топлива.RCCI использует смешивание топлива в цилиндрах, по крайней мере, с двумя видами топлива с разной реакционной способностью, и множественные впрыски для управления реактивностью топлива в цилиндрах для оптимизации фазы, продолжительности и величины сгорания. Процесс включает введение топлива с низкой реактивностью в цилиндр для создания хорошо перемешанного заряда топлива с низкой реактивностью, воздуха и рециркулирующих выхлопных газов. Топливо с высокой реакционной способностью впрыскивается до того, как произойдет воспламенение предварительно смешанного топлива, с помощью однократного или множественного впрыска непосредственно в камеру сгорания [22].

Kokjohn et al. [6] сравнили характеристики обычного дизельного сгорания и двухтопливного сгорания RCCI. Их исследование показало, что реализация стратегии двойного сжигания топлива привела к сокращению выбросов NOx на три порядка, уменьшению количества сажи в шесть раз и увеличению общего КПД на 16,4%. Splitter et al. [7] продемонстрировал на двухтопливном двигателе RCCI, что оптимизация расслоения топлива в цилиндрах с использованием двух видов топлива с большой разницей в реактивности позволила получить общий указанный тепловой КПД около 60%.Кроме того, с помощью моделирования они показали, что стратегия двухтопливного сжигания отбрасывает меньше тепла и что можно достичь ~ 94% максимального КПД цикла при одновременном получении сверхнизких выбросов NOx и PM.

Подобные мотивы для повышения теплового КПД двигателей привели к реализации двухтопливной стратегии в легких двигателях с искровым зажиганием. Первоначально предложенный в качестве концепции двигателя в 2005 году Cohn et al. [3], двухтопливный двигатель с искровым зажиганием имел две системы впрыска топлива — одну для обычного бензина, а другую для этанола.Двигатель будет способствовать использованию альтернативных видов топлива, таких как этанол, уменьшая зависимость от ископаемых видов топлива, и это была альтернативная стратегия подавления детонации, которая позволяет работать с более высокой нагрузкой и более высокой эффективностью. Топливо с высоким октановым числом, такое как этанол, используется вместе с обычным топливом, бензином, для динамической регулировки сопротивления топливной смеси самовоспламенению в зависимости от условий эксплуатации.

Исследования Cohn et al. [3] предположили, что двухтопливное сгорание может потенциально увеличить КПД приводного цикла двигателя SI примерно на 30%.Аналогичные исследования Daniel et al. [4] продемонстрировали, что двойной впрыск показал преимущества в отношении указанной эффективности и выбросов почти при всех нагрузках по сравнению со стратегией прямого впрыска бензина (GDI) на одном топливе. Кроме того, Chang et al. [77] показали, что максимальное сокращение выбросов CO от скважины до колеса (W-t-W) на 30% может быть достигнуто за счет использования двухтопливной системы впрыска. В многочисленных исследованиях, таких как [23, 24, 25], продолжаются исследования преимуществ, которые могут быть достигнуты за счет внедрения двухтопливного сгорания в современные автомобильные двигатели.

В следующих разделах применение и преимущества двухтопливного сгорания отдельно обсуждаются для двигателей с воспламенением от сжатия и с искровым зажиганием, после чего следуют заключительные замечания.

3. Двухтопливные двигатели с воспламенением от сжатия

Дизельные двигатели или двигатели с воспламенением от сжатия доминируют на рынках средних и тяжелых условий эксплуатации из-за их более высокой эффективности и способности обеспечивать высокий крутящий момент. Такие двигатели требуют более реактивного топлива, которое будет самовоспламеняться при высоких давлениях и температурах.Это ограничивает количество топлива, которое можно использовать в двигателях CI. Двухтопливные двигатели позволяют использовать менее реактивное топливо, поскольку они могут использовать второе, более реактивное топливо, чтобы вызвать воспламенение. Кроме того, двухтопливные концепции также были исследованы как способ снижения выбросов двигателя. Обычное сгорание дизельного топлива регулируется диффузией и обычно сопровождается выбросами большого количества оксидов азота (NO _x ) и твердых частиц (ТЧ) [26]. Выбросы оксида азота возникают из-за высоких температур в цилиндрах, которые способствуют сочетанию азота (переносимого со свежим воздухом) с избытком кислорода [27].Между тем, в регионах, богатых топливом, образуются твердые частицы или сажа при агломерации углеводородных частиц [27, 28]. Таким образом, высокие локальные коэффициенты эквивалентности могут привести к образованию сажи, а высокие локальные температуры могут привести к образованию NOx, как показано на Рисунке 1. Чтобы избежать этих проблемных областей, многие двухтопливные мощные двигатели CI пытаются работать в условиях которые способствуют предварительному смешиванию топлива и воздуха и / или достигают расслоения в цилиндрах для достижения высокой эффективности и низкого уровня выбросов.За счет включения более предварительно смешанного горения можно почти полностью исключить богатые области, в которых будут образовываться ТЧ, и достичь более короткой продолжительности горения, что снижает локальные температуры и, следовательно, выбросы NO _x [6, 7, 29, 30, 31, 32, 33 ].

Рис. 1.

Выбросы в зависимости от местной температуры в сравнении с местным коэффициентом эквивалентности.

Таким образом, двухтопливные двигатели используются на рынке тяжелых грузов по двум основным причинам:

1. Как способ использования более доступных, но менее реактивных видов топлива в качестве основного источника энергии и использования топлива с высокой реактивностью. чтобы начать горение.

2. Как способ введения топлива с различной реакционной способностью и создания более сложного режима горения, который может быть более эффективным и производить меньше NO _x и твердых частиц.

3.1. Обычные двухтопливные двигатели с воспламенением от сжатия

По мере того, как мир стремится стать менее зависимым от обычного дизельного топлива и бензина, растет интерес к использованию в двигателях топлива, такого как природный газ. Некоторые из этих видов топлива обладают меньшей реакционной способностью, чем обычное дизельное топливо, и поэтому их сложнее использовать в двигателях с воспламенением от сжатия, где необходимо самовоспламенение топлива.Двухтопливные системы являются одним из способов использования менее реактивного топлива в двигателях большой мощности [34, 35, 36, 37, 38]. Одним из таких видов топлива является природный газ, и здесь он будет рассматриваться как пример преимуществ и проблем, связанных с работой двигателя этого типа.

Природный газ труднее воспламенить, чем обычное моторное топливо, поэтому его легче интегрировать в двигатели с искровым зажиганием. В двигателях большой мощности для природного газа необходим источник воспламенения, поэтому он обычно впрыскивается в порт, а дизельное топливо — напрямую и служит пилотом.Топливо, которое впрыскивается через порт, предварительно смешивается с воздухом и обычно демонстрирует процесс быстрого сгорания, в котором доминирует химическая кинетика реакции сгорания, но топлива, которые впрыскиваются напрямую и должны смешиваться с воздухом, имеют тенденцию к более длительному сгоранию во многом зависит от времени, необходимого для адекватного смешивания воздуха и топлива. Поскольку двухтопливные двигатели имеют топливо с прямым впрыском и одно с прямым впрыском, в них часто наблюдается двухступенчатый процесс сгорания. Доля горения, которая происходит в предварительно смешанном vs.диффузионный режим будет сильно зависеть от количества каждого используемого топлива [39]. Хотя это усложняет процесс сгорания, двухтопливный впрыск может обеспечить стабильное сгорание менее реактивного топлива, такого как природный газ, в двигателях CI. Однако при работе в этом типе режима наблюдается снижение экономии топлива примерно на 10% [34].

При двухтопливном сгорании изменяются не только экономия топлива или эффективность, но и выбросы. В двухтопливных двигателях, работающих на природном газе и дизельном топливе, наблюдается снижение выбросов NOx и PM до 60% [34].Однако эти выбросы зависят от используемого топлива, а также от количества каждого используемого топлива. Например, было показано, что выбросы твердых частиц и гранулометрический состав твердых частиц сильно зависят от свойств топлива с прямым впрыском и уровня замещения природного газа. Топливо с прямым впрыском с более низкой плотностью и вязкостью и более высокой летучестью производит меньшее количество твердых частиц [40]. Однако более высокие скорости замещения природного газа могут увеличить уровень сажи, поскольку они уменьшают локальную доступность кислорода [41].

Как и в случае со многими двигателями, работающими на природном газе, обычно встречаются более высокие выбросы CO и UHC. Различные степени замещения природного газа были исследованы в [42] и показали, что только меньшие количества природного газа могут использоваться в условиях низкой нагрузки из-за ограничений выбросов, но более высокие фракции природного газа могут использоваться при высоких нагрузках. Прямой впрыск обоих видов топлива [43], более высокое давление впрыска и адаптированные блоки управления двигателем [44, 45] были реализованы, чтобы избежать этих ограничений по выбросам.Системы последующей обработки, включая катализаторы окисления дизельного топлива [35], а также дизельные фильтры твердых частиц и системы селективного каталитического восстановления мочевины [46], также были внедрены в двухтопливные двигатели для снижения выбросов. Однако для обеспечения эффективного использования большого количества природного газа, вероятно, потребуются более совершенные методы сжигания и методы оптимизации [47, 48].

Большинство исследований традиционных двухтопливных двигателей сосредоточено на природном газе, но этот подход использования дизельного топлива в качестве пилотного топлива также может быть усилен с различными видами топлива, которые недостаточно реактивны, чтобы использоваться в качестве единственного топлива на двигатель с воспламенением от сжатия.Двухтопливные концепции также были исследованы с комбинациями топлива, включая метанол и дизельное топливо [49], биогаз и биодизель, биогаз и дизельное топливо [50].

3.2. Усовершенствованные двухтопливные двигатели с воспламенением от сжатия

Чтобы повысить эффективность двигателей, было проведено множество исследований более сложных режимов сгорания. Многие из этих передовых стратегий сгорания пытались предварительно смешать топливо и воздух, чтобы достичь более эффективного и чистого сгорания, но смогли использовать только в более низких диапазонах крутящего момента [51, 52].Одна из стратегий расширения рабочей области этих более совершенных технологий состоит в одновременном использовании двух видов топлива с различной реакционной способностью, чтобы еще больше увеличить период задержки сгорания и способствовать предварительному смешиванию в более высоких рабочих областях [53]. Эта стратегия известна как воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI). В RCCI топливо с низкой реакционной способностью, такое как бензин, впрыскивается отдельно от дизельного топлива с высокой реакционной способностью. Количество каждого соответствующего топлива может быть изменено так, чтобы событие сгорания можно было отложить, чтобы обеспечить адекватное время смешивания, и можно было достичь желаемой формы сгорания.Недавняя работа в RCCI показала, что свойства топлива, которые отличаются от свойств обычного топлива, могут быть использованы для формирования процесса сгорания и повышения эффективности двигателя с 45% до почти 60% [6, 7] в этом режиме. Несмотря на то, что повышение эффективности может быть значительным, высокие выбросы CO и UHC, а также высокая скорость повышения давления все же могут ограничивать использование RCCI.

3.2.1. Воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью

Горение типа RCCI первоначально изучалось в Университете Висконсин-Мэдисон с использованием бензина в качестве топлива с низкой реактивностью с впрыском через порт и дизельного топлива в качестве топлива с прямым впрыском и высокой реактивностью [7].За счет использования двух видов топлива с различными свойствами может быть достигнуто расслоение реакционной способности смеси в цилиндре, что приведет к более длительным задержкам воспламенения и увеличению времени предварительного смешивания. Было показано, что дизельное топливо с более низкой реактивностью является выгодным в этих условиях эксплуатации, поскольку оно увеличивает локальный градиент реактивности [54, 55]. В таких режимах более реактивные компоненты топлива потребляются с большей скоростью, а более медленные компоненты топлива составляют большую часть выбросов UHC [56].

Использование альтернативных видов топлива, таких как этанол и природный газ, в таких условиях эксплуатации типа RCCI также показало многообещающие результаты и, похоже, позволяет лучше использовать преимущества этих альтернатив. Исследования Navistar, Аргоннской национальной лаборатории и Wisconsin Engine Research Consultants показали, что использование E85 в качестве топлива с низкой реактивностью может позволить достичь более высоких нагрузок и эффективности с помощью RCCI. В то время как более традиционные бензиновые и дизельные двухтопливные двигатели достигли BMEP 11,6 бар и теплового КПД тормозов (BTE) 43.6%, использование E85 с дизельным двигателем позволило увеличить работу до 19 бар BMEP с BTE 45,1% [57]. Более поздние исследования, проведенные RWTH Aachen University и FEV GmbH, показали, что при использовании дизельного топлива и этанола более высокие количества этанола могут быть использованы в условиях более низкой нагрузки и обеспечат более стабильное сгорание и более низкие выбросы UHC. Однако по мере увеличения нагрузки требовалось большее количество дизельного топлива, чтобы поддерживать скорость повышения давления в цилиндре на приемлемом уровне [58].

Некоторым из этих пагубных воздействий на выбросы CO и UHC можно противодействовать с помощью более сложных стратегий впрыска топлива [59].Например, в недавней работе исследовалось использование впрыска этанола в порт с многоимпульсным прямым впрыском дизельного топлива. Двойной пилотный впрыск позволил снизить выбросы UHC и CO в условиях типа RCCI [60]. Также было показано, что другие методы, такие как использование более высоких давлений впрыска, могут повысить эффективность и обеспечить дальнейшее снижение выбросов NOx, CO, UHC и PM [61].

3.2.2. Проблемы с воспламенением от сжатия с контролируемой реактивностью

Хотя методы RCCI являются многообещающими, эти режимы страдают несколькими техническими проблемами.Во-первых, изменения от цикла к циклу и от цилиндра к цилиндру могут быть более значительными, чем при обычном сгорании дизельного топлива [62, 63]. Поскольку смешивание топлива и воздуха имеет решающее значение, и в этих режимах обычно используются большие количества рециркулирующего выхлопного газа, небольшие изменения количества топлива в цилиндрах и газовой смеси могут привести к значительным изменениям в процессе сгорания. Для борьбы с такими вариациями, вероятно, потребуются более сложные стратегии управления и дополнительные датчики двигателя [62].

Во-вторых, управление фазированием горения в этих режимах является сложной задачей, поскольку процесс горения управляется химической кинетикой, а не запускается непосредственно в результате впрыска.Методы управления должны стараться поддерживать оптимальную фазировку сгорания, гарантируя, что скорость роста давления и изменения сгорания не превышают допустимых пределов, путем мониторинга соотношения топливной смеси [64] и момента прямого впрыска [65]. Для успешного использования RCCI может также потребоваться переключение между традиционным дизельным сгоранием при более низкой нагрузке и двухтопливным режимом работы при более высокой нагрузке [65]. Промежуточные режимы, такие как «двухтопливное сгорание с предварительным смешиванием» и «воспламенение от сжатия с частичным предварительным смешиванием», могут обеспечить чистые и эффективные стратегии промежуточного сгорания, которые могут использоваться сами по себе или при переходе от обычного дизельного сгорания к RCCI [66].

Как обсуждалось ранее, выбросы UHC и CO часто выше в режимах RCCI. Считается, что это связано с тем, что местные коэффициенты эквивалентности могут упасть ниже предела воспламеняемости природного газа и привести к выбросам несгоревших углеводородов [67], но может потребовать разработки новых систем доочистки для этих двигателей. Потребительское признание также вызывает озабоченность в отношении двухтопливных двигателей. Поскольку пользователи могут не захотеть заправлять два топливных бака, Splitter et al. исследовали метод включения RCCI с помощью бензина и улучшителя цетанового числа ди-трет-дутилпероида (DTBP) [22].В этом исследовании в качестве топлива с низкой реактивностью использовался бензин, закачиваемый через порт, но в качестве топлива с высокой реактивностью использовался бензин, смешанный с различными количествами DTBP. Пиковая величина ITE составила 57%, а выбросы были аналогичны уровням стандартного двухтопливного RCCI.

4. Двухтопливные двигатели с искровым зажиганием

Реализация стратегии двухтопливного сгорания в двигателях средней и большой мощности в основном обсуждалась в предыдущем разделе. Такое использование стратегий двухтопливного сгорания обычно ограничивается двигателями с воспламенением от сжатия, где дизельное топливо является обычным топливом.Тем не менее, в последние годы маломощные двигатели с искровым зажиганием также были оснащены двухтопливной системой сгорания. В этом разделе будет обсуждаться реализация и использование двухтопливного сгорания в легких двигателях SI.

В двигателях SI также используется стратегия двухтопливного сгорания для содействия использованию альтернативных видов топлива, таких как этанол и метанол. Становится все больше и больше навязанных правительством законодательных актов, поощряющих использование биотоплива на транспорте [68].Действующее законодательство требует, чтобы страны-члены ЕС к 2020 году соблюдали минимальную цель в 10% по использованию альтернативных видов топлива (биотоплива или других возобновляемых видов топлива) на транспорте [69]. В США налоговые льготы использовались для продвижения использования этанола в бензине [70], чтобы повторить успех, замеченный в Бразилии [71]. Стремление получить выгоду от стимулов или соблюдения законодательства побудило производителей двигателей изучить возможность применения двухтопливного сжигания в двигателях с искровым зажиганием с использованием биотоплива и других возобновляемых видов топлива.

Кроме того, одной из основных причин внедрения двухтопливного сгорания в двигателях SI также была разработка более совершенных методов контроля детонации в двигателях. Детонация в двигателе, непреднамеренное самовоспламенение топлива в локальных областях высокого давления и температуры внутри цилиндра [72, 73], может привести к значительному повреждению двигателя и является одним из основных препятствий в двигателях SI. Традиционный подход к предотвращению детонации в двигателях с искровым зажиганием (SI) состоит в задержке фазового сгорания путем замедления времени зажигания [74].Событие сгорания, происходящее позже в такте сгорания (дальше от верхней мертвой точки), имеет меньшую тенденцию к детонации, поскольку давление и температура сгорания ниже. Однако отсрочка фазирования сгорания также снижает эффективность использования топлива, поскольку при позднем сгорании может быть извлечено меньше работы [75].

Стратегия двухтопливного сгорания предоставляет двигателям SI альтернативный способ избежать детонации без ущерба для эффективности использования топлива. Склонность топлива к самовоспламенению зависит не только от условий в цилиндре, но и от детонационной стойкости (октанового числа) топлива.Таким образом, повышение октанового числа топлива помогает избежать детонации без снижения эффективности использования топлива. В двигателях с возможностью работы на двух видах топлива можно одновременно использовать топливо с низким RON и с высоким RON для оптимизации детонационной стойкости топливной смеси, контролируя пропорцию каждого впрыскиваемого топлива. Во многих исследованиях изучалась реализация двухтопливной стратегии для подавления детонации [2, 3, 4, 5, 72, 73,

Реакция горения: Типы горения и виды топлива

Реакция горения или горения — это экзотермическая окислительно-восстановительная химическая реакция при высокой температуре между восстановителем или топливом и окислителем, в результате которой образуются окисленные, обычно газообразные продукты в виде тепла и света.

Типы горения:

Полное и неполное сгорание:

1. Полное сгорание:

При полном сгорании реагент сгорает в кислороде и производит ограниченные продукты. Когда углеводород сжигается в кислороде, реакция дает в первую очередь диоксид углерода и воду. При сгорании различных элементов образуются в основном обычные химические оксиды. Углерод производит диоксид углерода, сера дает диоксид серы, а железо возвращает оксид железа (III).

2. Неполное сгорание:

Это горение происходит, когда кислорода не хватает, что позволяет топливу полностью реагировать с образованием диоксида углерода и воды. Это сгорание аналогично полному сгоранию, при этом также образуется вода, но вместо углекислого газа продукт представляет собой углерод и окись углерода. При этом типе сгорания продукты пиролиза остаются несгоревшими и загрязняют образовавшийся дым ядовитыми газами.

3.Тление:

Эта форма горения является медленным, беспламенным и низкотемпературным сгоранием, которому подвергается тепло, выделяемое при прямом воздействии кислорода на поверхность топлива. Обычно это неполная форма реакции горения. Твердые материалы, которые подвергаются тлеющему горению, включают такие материалы, как уголь, целлюлоза, хлопок, табак, дерево, пена и т. Д.

4.Быстрое сгорание:

Быстрое горение, также известное как огонь, представляет собой тип реакции, при котором выделяется большое количество тепла и света, что часто приводит к возникновению пламени.Эта реакция используется в таких механизмах, как двигатели внутреннего сгорания и термобарическое оружие. Это горение периодически называют взрывным горением.

5. Самовозгорание:

Это тип возгорания, который происходит путем самовосстановления, за которым следует тепловой разгон, а затем, наконец, возгорание. Например, фосфор самовоспламеняется при комнатной температуре без применения тепла.

6. Турбулентное горение:

Горение, приводящее к возникновению турбулентного пламени, в основном используется в промышленности, поскольку турбулентность помогает в процессе смешивания топлива и окислителя.

7. Микросжигание:

Микрогорение — это горение, при котором процессы горения происходят в очень малых объемах. Высокое отношение площади поверхности к объему увеличивает потери тепла.

Топливо в процессе сгорания

Вещества или материалы, которые подвергаются сгоранию, известны как горючие материалы. Наиболее распространенными примерами этого топлива являются природный газ, керосин, дизельное топливо, древесный уголь и т. Д.

Жидкое топливо:

Жидкое топливо — это горючие молекулы, которые можно использовать для создания механической энергии, и они также принимают форму своего контейнера.Сжигание жидкого топлива происходит в газовой фазе. Воспламеняется именно дым, а не жидкость жидкого топлива, поэтому жидкость загорается только выше определенной температуры.

Газообразное топливо:

Сжигание газообразного топлива происходит посредством любого из этих четырех типов горения: диффузионное пламя, предварительно смешанное пламя, самовоспламеняющаяся реакция или детонация. Типы горения фактически зависят от степени смешивания топлива и окислителя, а также от давления, оказываемого предварительным нагревом.

Твердое топливо:

Твердое топливо — это твердые материалы, используемые в качестве топлива для производства энергии и тепла. К твердому топливу относятся древесина, древесный уголь, пшеница и кукуруза, пеллеты из древесины и других зерен. Люди уже много лет используют твердое топливо для разведения огня.

Как шины влияют на расход топлива »Oponeo.co.uk

Вы меняли шины и заметили разницу в расходе топлива? Это очень возможно, потому что правильные шины для вашего автомобиля являются одним из факторов, которые могут повлиять на вашу экономию топлива или более высокие расходы.

Узнайте, что вы можете сделать, чтобы ваш автомобиль стал более экономичным и экологически чистым.

Во времена, когда цены на топливо высоки и мы слышим об опасности загрязненного воздуха со всего мира, стоит поискать более оптимальные решения, которые будут более щедрыми для нашего кошелька и окружающей среды.

От чего зависит усиленное сгорание и как это связано с шинами?

Топливная эффективность и сопротивление качению шин

Если вы хотите выбрать шины, которые не способствуют увеличению сгорания и, следовательно, имеют самую высокую энергоэффективность, сначала проверьте этикетку на шине.

По закону шины, продаваемые в странах Европейского Союза, должны иметь видимую этикетку. Это информация для водителей о производительности модели по трем ключевым категориям:

Сопротивление горению и качению топлива

Если вы хотите выбрать шины с самым низким средним сопротивлением качению и, следовательно, с самой высокой энергоэффективностью, вам следует обратить внимание на те, которые имеют на этикетке класс «А» — лучший из семи классов сопротивления качению по сравнению сжжение.

Представленные значения позволяют сравнивать разные модели, что определенно помогает в выборе нового набора. Однако помните, что при изменении размера шины ее свойства могут измениться.

Что такое сопротивление качению шины?

Это оптимальное соотношение энергии, затрачиваемой на движение, и внешних факторов, замедляющих его. На сопротивление качению влияют аэродинамическое сопротивление, вес, структура и форма протектора, микропробуксовка и уровень давления.

Что еще влияет на уменьшение горения?

Конструкция шины

Вес шины — это элемент, который, несомненно, влияет на уровень сгорания — взаимосвязь очень проста: чем легче модель, тем меньше сопротивление качению, и автомобиль использует меньше энергии для перемещения колес.

Также тип конструкции шин влияет на уровень выделяемых выхлопных газов, диагональные модели — когда-то единственные на рынке, имели на 20% большее сопротивление качению по сравнению с радиальными.

Компоненты шины влияют на сопротивление качению.

Сгорание топлива связано с формой протектора (до 60% сопротивления качению шины). Расположение блоков и других элементов поверхности шины влияет на ее деформацию или изгиб во время движения, что напрямую влияет на более низкое (более жесткое) или более высокое сопротивление качению.

Почему стоит проверить, из каких материалов была построена конкретная модель? Для производства резиновой смеси, которая позже будет использоваться в процессе изготовления шин, используются различные типы каучуков (бутадиен, натуральный и бутадиенстирол), наполнители (сажа и диоксид кремния) и вулканизующий агент, т.е.е. сера.

Более низкое сопротивление качению характерно для шин, которые состоят из большего количества бутадиеновых частей и наполнителя (предпочтительно диоксида кремния с силановым связующим в форме силанов).

Как снизить расход топлива?

Не стоит забывать и о шинах сегмента Eco, большинство производителей имеют в своем предложении экологические модели, но также и экономичные. Этот тип шин отличается пониженным сопротивлением качению, что может сказаться на расходах на топливо в долгосрочной перспективе.

Однако прежде чем выбирать такие шины, следует проверить, подойдут ли они вашему автомобилю, стилю вождения и потребностям.

Павел Скробиш

Начальник технического отдела

Размер резины

Размер модели также важен, поэтому очень часто проводятся сезонные испытания шин определенного размера, чтобы убедиться, что они измеримы и надежны, поскольку изменение одного из параметров влияет на результаты испытаний.

Ширина шины и степень сгорания — это одна из проблем, которая беспокоит водителей, и, как оказалось, размер имеет значение с точки зрения сопротивления качению.

Если водитель решит изменить размер шины при смене комплекта сезонных шин, это может повлиять на разницу в стоимости топлива.

Изменение размера шины может повлиять на горение.

Какие зависимости?

У низкопрофильных шин есть свои преимущества и недостатки, но они, безусловно, делают шину более жесткой и, следовательно, имеют меньшее сопротивление качению.

Учитывая широкие шины, стоит знать, что уменьшение их размеров всего на 1 см снизит аэродинамическое сопротивление примерно на 1,5%.

Водители часто меняют ширину обода из эстетических соображений, и изменение размера (конечно, в пределах разрешенных для данной модели автомобиля) может повлиять на жесткость шин.

Износ шин и его влияние на экономию топлива

Шина изнашивается из-за истирания последующих слоев протектора, что напрямую влияет на поддержание оптимальных параметров шины во время движения.Чем меньше протектор и чем он мельче, тем ниже сопротивление качению, но также хуже сцепление с мокрой дорогой. Такое изношенное изделие уже не защищает от проскальзывания и не обеспечивает короткий тормозной путь, поэтому важно своевременно менять шины. Значительный износ протектора также может привести к снижению веса и увеличению жесткости шины.

Давление в шинах

Более низкое давление в шинах означает, что шины будут больше гнуться и деформироваться, что приведет к увеличению сопротивления качению.

• снижение давления на 0,3 бар — увеличение сопротивления качению на 6%,

• снижение давления на 1 бар — увеличение сопротивления качению на 30% — увеличение расхода топлива на несколько процентов.

Не забывайте регулярно проверять давление в шинах.

Одним из важнейших элементов, определяющих уровень расхода топлива, является давление в шинах.

Когда давление падает, сопротивление качению и, следовательно, сгорание значительно возрастают. Поэтому не забывайте регулярно проверять свой автомобиль (не реже одного раза в месяц) и поддерживать уровень давления в соответствии с рекомендациями производителя транспортного средства. Кроме того, уровень инфляции также должен соответствовать текущей нагрузке. Поэтому, если вы собираетесь путешествовать с семьей или перевезти больший груз, не забудьте позаботиться об этом важном вопросе.

Павел Скробиш

Начальник технического отдела

Как водить, чтобы уменьшить возгорание?

Регулярного расчета расхода топлива недостаточно для действительно экономичного вождения. Когда мы говорим о способах снижения расхода топлива, стоит также упомянуть популярную в настоящее время концепцию экологичного вождения, то есть принципы экономичного вождения.

Несколько простых приемов позволяют водителям значительно влиять на процесс сгорания, вам нужно только выработать новые полезные привычки во время вождения.

Среди немногих основных методов можно упомянуть:

• торможение двигателем,

• предотвращение динамического торможения и ускорения,

• езда на максимально возможной передаче,

• контроль дороги и окружающей обстановки перед нами, так что наши маневры планируются заранее.

сгорания | Определение, реакция, анализ и факты

Горение , химическая реакция между веществами, обычно включающими кислород, обычно сопровождающаяся выделением тепла и света в виде пламени.Скорость или скорость соединения реагентов высока, отчасти из-за природы самой химической реакции, а отчасти потому, что генерируется больше энергии, чем может уйти в окружающую среду, в результате чего температура реагентов повышается. чтобы еще больше ускорить реакцию.

Знакомый пример реакции горения — зажженная спичка. Когда зажигается спичка, трение нагревает голову до температуры, при которой химические вещества вступают в реакцию и выделяют больше тепла, чем может уйти в воздух, и они горят пламенем.Если ветер уносит тепло или химикаты влажные и трение не повышает температуру в достаточной степени, спичка гаснет. При правильном зажигании тепло от пламени повышает температуру соседнего слоя спички и кислорода в прилегающем к ней воздухе, и древесина и кислород вступают в реакцию сгорания. Когда достигается равновесие между общей тепловой энергией реагентов и общей тепловой энергией продуктов (включая фактическое количество тепла и излучаемого света), горение прекращается.Пламя имеет определенный состав и сложную структуру; говорят, что они разнообразны и способны существовать как при довольно низких, так и при чрезвычайно высоких температурах. Излучение света в пламени происходит из-за присутствия возбужденных частиц и, как правило, заряженных атомов и молекул, а также электронов.

Горение охватывает большое количество разнообразных явлений, широко применяемых в промышленности, науке, профессии и в быту, и его применение основано на знаниях физики, химии и механики; их взаимосвязь становится особенно очевидной при рассмотрении распространения пламени.

В общем, горение является одной из наиболее важных химических реакций и может считаться завершающей стадией окисления некоторых видов веществ. Хотя когда-то считалось, что окисление — это просто сочетание кислорода с любым соединением или элементом, значение этого слова было расширено и теперь включает любую реакцию, в которой атомы теряют электроны, тем самым становясь окисленными. Как было указано, в любом процессе окисления окислитель забирает электроны у окисляемого вещества, тем самым становясь восстановленным (приобретая электроны).Окислителем может быть любое вещество. Но эти определения, достаточно ясные в применении к атомной структуре для объяснения химических реакций, не так четко применимы к горению, которое, вообще говоря, остается типом химической реакции с участием кислорода в качестве окислителя, но осложняется тем фактом, что процесс включает а также другие виды реакций, а также тем фактом, что это происходит в необычно быстром темпе. Более того, большинство пламен имеет в своей структуре участок, в котором вместо окисления протекают реакции восстановления.Тем не менее, главным событием при горении часто является соединение горючего материала с кислородом.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего 1768 First Edition с подпиской.
Подпишитесь сегодня

Бензиновый двигатель | Британника

Бензиновый двигатель , любой из класса двигателей внутреннего сгорания, которые вырабатывают энергию за счет сжигания летучего жидкого топлива (бензина или бензиновой смеси, такой как этанол) с воспламенением, инициируемым электрической искрой. Бензиновые двигатели могут быть построены для удовлетворения требований практически любого возможного применения в силовых установках, наиболее важными из которых являются легковые автомобили, небольшие грузовики и автобусы, самолеты авиации общего назначения, подвесные и малые внутренние морские агрегаты, стационарные насосные агрегаты среднего размера, осветительные установки и т. Д. станки и электроинструменты.Четырехтактные бензиновые двигатели используются в подавляющем большинстве автомобилей, легких грузовиков, средних и больших мотоциклов и газонокосилок. Двухтактные бензиновые двигатели встречаются реже, но они используются для небольших подвесных судовых двигателей и во многих ручных инструментах для озеленения, таких как цепные пилы, кусторезы и воздуходувки.

V-образный двигатель

Поперечный разрез V-образного двигателя.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Типы двигателей

Бензиновые двигатели можно сгруппировать в несколько типов в зависимости от нескольких критериев, включая их применение, метод управления подачей топлива, зажигание, расположение поршня и цилиндра или ротора, количество ходов за цикл, систему охлаждения, а также тип и расположение клапана.В этом разделе они описаны в контексте двух основных типов двигателей: поршневых двигателей и роторных двигателей. В поршневом двигателе давление, создаваемое при сгорании бензина, создает силу на головке поршня, которая перемещает цилиндр по длине возвратно-поступательным или возвратно-поступательным движением. Эта сила отталкивает поршень от головки цилиндра и выполняет работу. Роторный двигатель, также называемый двигателем Ванкеля, не имеет обычных цилиндров, оснащенных возвратно-поступательными поршнями.Вместо этого давление газа действует на поверхности ротора, заставляя ротор вращаться и таким образом выполнять работу.

бензиновые двигатели

Типы бензиновых двигателей включают (A) двигатели с оппозитными поршнями, (B) роторные двигатели Ванкеля, (C) рядные двигатели и (D) двигатели V-8.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Большинство бензиновых двигателей относятся к поршнево-поршневому типу. Основные компоненты поршневого двигателя показаны на рисунке. Почти все двигатели этого типа используют четырехтактный или двухтактный цикл.

Типовая схема поршневой цилиндр бензинового двигателя.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Четырехтактный цикл

Из различных методов восстановления мощности процесса сгорания наиболее важным до сих пор был четырехтактный цикл, концепция, впервые разработанная в конце 19 века. Четырехтактный цикл показан на рисунке. При открытом впускном клапане поршень сначала опускается на такте впуска. Воспламеняющаяся смесь паров бензина и воздуха втягивается в цилиндр за счет создаваемого таким образом частичного вакуума.Смесь сжимается, когда поршень поднимается на такте сжатия при закрытых обоих клапанах. По мере приближения к концу хода заряд воспламеняется электрической искрой. Далее следует рабочий ход, когда оба клапана все еще закрыты, а давление газа обусловлено расширением сгоревшего газа, давящим на головку или головку поршня. Во время такта выпуска восходящий поршень выталкивает отработавшие продукты сгорания через открытый выпускной клапан.