Двухкомпонентные двигатели, работающие на природном газе / дизельном топливе

Значительные запасы газа в США, заставляют компании больше уделять внимание двухкомпонентным двигателям, в качестве долгосрочного решения. Двухкомпонентные двигатели, работающие на природном газе / дизельном топливе, позволят удовлетворять, действующие в настоящее время и будущие стандарты, касающиеся выбросов в атмосферу, и при этом обеспечивая низкую стоимость топлива. Однако, остается ряд проблем, требующих решения, и которые в свою очередь связаны с профессиональным пониманием физики внутреннего сгорания. «Например, в связи с высоким коэффициентом сжатия в дизельных двигателях, замена дизельного топлива на природный газ, при высокой нагрузке обычно ограничивается стуком двигателя и преждевременном воспламенением. Также, повышение доли природного газа в двухкомпонентном двигателе обычно приводит к снижению максимальной нагрузки», говорит Энтони Ж. Марчес, профессор в области машиностроения и директор лаборатории Двигателей и преобразования энергии Университета штата Колорадо, Форт Коллинс.

Устранение стука

При работе в условиях неполной нагрузки, двухкомпонентные двигатели страдают от неполного сгорания природного газа, что приводит к повышенному выбросу метана и прочих загрязнителей из выхлопной трубы. Еще одна проблема с природным газом заключается в том, что реакционная способность топлива (соответствующее требованиям транспортирования по трубопроводу), может изменяться в значительной степени изо дня в день, или от региона к региону, в зависимости от процентного содержания этана и пропана в природном газе.

Профессор Энтони Ж Марчес.  Лаборатория двигателей и энергии.

Двухкомпонентные двигатели
Двухкомпонентные двигатели

«В случае с природным газом, нельзя точно определить степень реактивности топлива, в связи с тем, что его состав может варьироваться примерно от 100 процентов метана (высокая стойкость к стуку), до менее, чем 90 процентов метана более высокая предрасположенность к стуку», говорит Марчес. «Следовательно, понимание феномена, который приводил к стуку в двухкомпонентном двигателе, является очень важным для проектирования двигателей и систем управления».

Посредством комбинированного моделирования и экспериментов, Марчес и его научно-исследовательская группа выявили новый режим стука двигателя, наблюдаемого в двухкомпонентных двигателях, который отличается от стука, наблюдаемого в двигателях с электрозажиганием. «Например, мы наблюдали детонацию смесей с природным газом / воздухом в областях, между отдельным дизельными форсунками», сказал он. «Это было для на сюрпризом и указывает на то, что возможно добиться снижения стука в двухкомпонентных двигателях посредством проектирования иных дизельных инжекторов».

Управление реактивностью воспламенения от сжатия

Марчес объединился с корпорацией Woodward для того, чтобы разработать стратегию сгорания при низкой температуре, известной как управление реактивностью воспламенения от сжатия (RCCI), которая использует раннюю подачу дизельного топлива для создания реактивного поэтапного перехода к ступенчатому самовоспламенению, от области с наибольшей реактивностью к области с наименьшей. «RCCI природным газом / дизельным топливом продемонстрировало высокую эффективность и низкие выбросы, при умеренной нагрузке», что не было реализовано при высокой возможной нагрузке на обычных «дизельных двигателях», говорит Марчес. «Для получения более лучшей сходимости с экспериментами, мы сконструировали понижающий механизм для двухкомпонентного топлива, используя двухкомпонентный заменитель дизеля. Исследование чувствительности производилось при различных модельных параметрах, в результате чего было достигнуто лучшее соответствие с экспериментальным давление и тепловым напряжением топочного объёма».

Корпорация Woodward также разработала блок управления двигателем (ECU) на высокой скорости, процессор двигателя и алгоритм управления для контролирования давления в цилиндре, для каждого цикла, и преобразования данной информации быстрой скорости в «показатели сгорания», например центр сгорания, повышение давления и пиковое давление. «При учете доступной информации, ECU способен управлять фазой горения при RCCI — что является ключевым посредником для внедрения данной технологии при практическом применении», отметил Грег Хампсон, старший ведущий инженер Корпорации технологической группы Woodward, Лавленд, Колумбия. «Также, данные полученные  по сгоранию могу использоваться не только для поддержания хорошей фазы горения во время изменений в нормах замещения, но также когда изменяется качество топлива, и раннего обнаружения обстоятельств, которые приводят к стуку, таким образом, ограничивая норму замещения газа / дизельного топлива до безопасного уровня, вместо того, чтобы полагаться на обусловленный датчик стука».

Энергетический двигатель NH3.

Двухкомпонентные двигатели
Двухкомпонентные двигатели

Не забудьте про аммиак

Норм Олсон, руководитель проекта, связанного с использованием биомассы и альтернативного топлива в Университете Айова «Энергетический центр Айова» в Эймс, проводил исследования на двухкомпонентных двигателях с использованием аммиака (NH3) / дизельного топлива, NH3 / диметиловый эфир (DME) и NH3 / гидроген (искровое зажигание). Использование NH3 в качестве топлива представляет собой относительно новую концепцию, особенно, если применяются двухкомпонентные двигатели. Двуокись углерода, оксиды азота и выброс твёрдых частиц в значительной степени понижаются когда NH3 сгорает в качестве топлива.

«NH3 является очень высокооктановым топливом, с повышенной стойкостью к преждевременному воспламенению», говорит Олсон. «Мощность двигателей, работающих на NH3, повышается по сравнению с мощностью, получаемой при использовании горючего или дизельного топлива на том же самом двигателе. В сочетании, данные свойства позволяют достичь высокой эффективности работы двигателей, что позволяет воспользоваться преимуществами свойств топлива NH3.

Также, имеется целый ряд значительных экономических, климатических и эффективных преимуществ использования топлива NH3. NH3 можно производить при помощи воздуха (в случае азота), воды (или иного источника водорода), и первоисточников энергии (ветер, солнечная энергия, ядерная, уголь, природный газ и т.д.). Единственным значимым выбросом связанным с NH3 являются оксиды азота, которыми очень легко управлять посредством системы снижения токсичности выхлопа. Затраты на инфраструктуру для NH3 представляют собой заказы объемом ниже чем в случае затрат на инфраструктуру в случае водорода и жидкого NH3 содержащие на 30 процентов больше водорода на единицу, чем в случае жидкого водорода. На самом деле, NH3 второй по количеству из самых перевозимых химических веществ в мире.

«Гибкость в производстве и конечной эксплуатации, совмещая высокую эффективность и неподражаемую экологическую результативность, превращают топливо NH3 в оптимальный выбор для замены природного топлива».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *