Двигатели стирлинга

Рециркуляция газов

Эта проблема возникает только в установках с использова­нием жидких углеводородов в качестве источника энергии. Устройство для рециркуляции газов относится к энергосиловой установке в целом и к области ее использования, а не собствен­но к двигателю. Тем не менее без такого устройства низкий уровень окислов азота в продуктах сгорания (одно из преиму­ществ, приписываемых двигателю Стирлинга) не может быть- обеспечен. Причины этого уже рассматривались нами ранее. В настоящем разделе будут рассмотрены методы снижения кон­центрации окислов азота в выбросах в атмосферу.

Известны два основных метода снижения концентрации окислов азота — рециркуляция отработавших газов (РОГ) (рис. 1.99) и рециркуляция продуктов сгорания (РГ1С) (рис. 1.100). Эти методы не единственные, и в работе [63] да­ется обзор существующих методов. Знание механизма образо­вания окислов азота могло бы оказать неоценимую помощь при выборе наиболее эффективного метода снижения их концентра­ции в продуктах сгорания. Однако в настоящее время еще нет полного понимания кинетики горения, хотя в работах [90, 91] предлагаются методы расчета массовой скорости образования продуктов окисления в процессе горения. Тем не менее очевид­но, что образование продуктов окисления и массовая скорость такого образования экспоненциально зависят от температуры, преобладающей в зоне горения. Таким образом, попытки пони­зить уровень содержания окислов на практике сводятся к пони­жению уровня температуры. Учет расходов воздуха и топлива* времени присутствия отработавших газов в камере сгорания, ■формы топливной форсунки и т. п. при конструировании каме­ры сгорания может улучшить характеристики процесса сгора­ния и тем самым снизить концентрацию окислов азота. Однако в существующих конструкциях без применения рециркуляции газов в какой-либо форме невозможно добиться соответствия концентрации окислов азота предельным нормам, установлен­ным в официальных нормативных документах для автомобиль­ного транспорта, если температура будет превышать 1675°С [63]. Следовательно, температура в зоне горения должна под­держиваться ниже этого уровня. Одним из методов достижения этой цели может быть подача дополнительного количества воз­духа в заряд, поступающий в камеру сгорания, что определенно снизит конечную температуру, однако при этом появится до­полнительная возможность химического соединения атомов во­дорода и кислорода. Все же в системах сгорания применяется подача избытка воздуха — обычно в количестве 25—45 % • Этот метод обеспечивает требуемую полноту сгорания и снижение концентрации углеводородов и окиси углерода в продуктах сго­рания. Отвод тепла от трубок нагревателя дает дальнейшее по­нижение температуры продуктов сгорания, а рециркулирующие ■отработавшие газы еще более снижают их температуру.

Отработавшие газы подаются обратно в систему сгорания на входе в нагнетатель воздуха. Сравнительно высокая темпе­ратура отработавших газов снижает потенциальную долговеч­ность нагнетателя, однако одновременно снижает и тепловую нагрузку предварительного подогревателя воздуха. В процессе работы соотношение воздуха и топлива в рабочей смеси и тем­пература в трубках нагревателя регулируются в зависимости ■от изменений нагрузки, чтобы сохранить постоянство темпера­туры и пониженное содержание топлива в рабочей смеси (бед­ную смесь). Если рециркулируст постоянная доля отработавших газов, то при некоторых значениях нагрузки это будет ухуд­шать рабочие характеристики двигателя. В одном случае ко­нечная температура смеси будет слишком низкой и процесс го­рения будет нестабильным, в то время как, например, при пол­ной нагрузке отработавшие газы не будут охлаждаться в нужной степени. Следовательно, поток рециркулирующего газа необходимо регулировать в соответствии с условиями нагрузки и температурой рабочей смеси. Процентное содержание отрабо­тавших газов в системе рециркуляции обычно колеблется от 74 до 140% и в среднем составляет 90 %. При этом процентное содержание рециркулирующего газа определяется по формуле 192]:

PQP___ Масса рециркулирующего газа . , , j

Масса поступающего воздуха " ' '

Даже при столь высоком процентном содержании отрабо­тавших газов влияние рециркуляции на концентрацию окислов азота меньше, чем это можно было бы предположить, хотя аб­солютный уровень этой концентрации и удовлетворяет норма­тивным документам, упомянутым выше. Таким образом, рецир­куляция отработавших газов выполняет свое назначение, одна­ко нельзя считать этот метод идеальным с точки зрения его эффективности. Из других методов в настоящее время разрабо­тана и подкреплена проведенными испытаниями только рецир­куляция продуктов сгорания. В системе РПС горячие продукты сгорания не проходят через нагнетатель и подогреватель возду­ха, а направляются по кратчайшему пути обратно в камеру сгорания. Число дополнительных трубопроводов в этой системе меньше, чем в предыдущей системе, комплектуемой трубопрово­дом, соединяющим выпускную трубу с патрубком для подвода наружного воздуха. Регулирование процентного содержания рециркулирующего газа при РПС осуществляется так же, как и при РОГ, с помощью встроенного в систему перепускного клапана. Поскольку нагнетатель исключен из контура рецирку­ляции, продукты сгорания подаются в выходной патрубок на­гнетателя посредством эжектора и горячие газы эффективно впрыскиваются в рабочую смесь топлива с воздухом.

Были проведены сравнительные испытания обеих систем ре­циркуляции в лабораторных условиях, когда работала только система сгорания, а не полностью весь двигатель. Результаты испытаний показали, что обе системы примерно в равной сте­пени снижают концентрацию окислов азота при одинаковом процентном содержании рециркулирующих газов, однако при использовании системы РПС из-за того, что ее контур не вклю­чает в себя предварительный подогреватель воздуха и нагнета­тель, расход топлива уменьшается по сравнению с системой РОГ. Система сгорания, включающая РПС, получается более сложной [92].

В настоящее время обе системы находятся еще в стадии доработки, причем особое внимание уделяется совершенствова­нию регулирующего клапана системы РОГ и перепускного кла­пана системы РПС. Кроме того, как отмечалось выше, исследу­ются и другие методы снижения концентрации окислов азота, однако в настоящее время только РОГ и РПС дают реальный эффект.