ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЯ ПРИ СЖИГАНИИ В КАЧЕСТВЕ ОСНОВНОГО ТОПЛИВА ПАРОГАЗОВЫХ ПРОДУКТОВ ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ

Abstract

Ссылка для цитирования: Цибульский С.А., Ларионов К.И. Численные исследования двигателя внутреннего сгорания дизеля при сжигании в качестве основного топлива парогазовых продуктов пиролиза древесины // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 2. – С. 46-59. Актуальность: замена в существующих двигателях внутреннего сгорания с различными конструкциями впрыска и системами зажигания дизельного топлива парогазовыми продуктами пиролиза, что позволяет замеcтить для производства электроэнергии дорогое топливо пиролизным газом, полученным из биомассы, вторичных продуктов древесно-перерабатывающих предприятий и муниципальных твердых отходов. Целью данного исследования является оценка эффективности сжигания парогазовых продуктов пиролиза в двигателе внутреннего сгорания, конструктивно предназначенного для использования дизельного топлива, для возможности применения данной системы. Объекты: четырехтактные дизельные двигатели внутреннего сгорания V-образной компоновки цилиндров с турбонагнетателем и без него, работающие на парогазовых продуктах пиролиза древесных отходов. Методы: численные исследования на основе математических алгоритмов систем дизельных двигателей внутреннего сгорания без наддува и с турбонаддувом с использованием методов теплового баланса. Результаты. Разработана математическая модель и программа теплового расчета четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с V-образным расположением цилиндров с непосредственным впрыском парогазовых продуктов пиролиза древесины в камеру сгорания с системой турбонаддува и без нее. Проведен анализ влияния частоты вращения коленчатого вала, количества цилиндров на мощность, крутящий момент, удельный расход топлива. Показано, что увеличение количества цилиндров при одном и том же рабочем объеме двигателя внутреннего сгорания приводит к росту мощности, крутящего момента, при этом снижается удельный расход парогазовых продуктов пиролиза. Отмечено, что сжигание парогазовых продуктов пиролиза в двигателе внутреннего сгорания приводит к увеличению температуры выхлопных газов относительно сжигания дизельного топлива. Для двигателя с турбонаддувом увеличение температуры выхлопных газов составляет около 50 °С, без турбонаддува – около 100 °С. Установлено, что в четырехтактном дизельном двигателе внутреннего сгорания при сжигании пиролизного газа, получаемого из древесных отходов, для выработки одинакового количества электрической энергии необходим массовый расход в 7,5÷8,6 раз больше, чем дизельного топлива. Выявлено, что дизельный двигатель с турбонагнетателем более экономичен и эффективен, чем силовой агрегат без нагнетателя. При частоте вращения 3000 мин–1 для 12-ти цилиндрового двигатель с турбонагнетателем экономия расхода пирогаза составляет 11,9 %, эффективная мощность и крутящий момент на 10,0 % выше, чем у двигателя без турбонагнетателя. Одним из наиболее доступных на данный момент для сжигания пиролизного газа является четырехтактный дизельный двигатель V12 с турбонаддувом отечественного производства ЯМЗ 845.10 с рабочим объемом 25,86 л, максимальной мощностью 537 кВт (730 л.с.), максимальным крутящим моментом 2788 Н⸱м при частоте вращения 1500÷3000 мин–1.