Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород

УДК 621.436.01 
ББК 31.365 
        К12 
Рецензенты: 
зав. кафедрой «Двигатели внутреннего сгорания» 
СПбГПУ д-р техн. наук, проф. Ю.В. Галышев; 
д-р техн. наук, проф. СПбГПУ М.Р. Петриченко 

Кавтарадзе Р. З. 
Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных 
на природный газ и водород / Р. З. Кавтарадзе. – М. : 
Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 238, [2] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3482-4 
Проанализированы проблемы, подлежащие решению при конвертировании 
дизеля на природный газ, водород, различные синтез-
газы: внутрицилиндровые процессы, периоды задержки воспламенения; 
влияние конструкции камеры сгорания на эффективные и экологические 
показатели двигателя; локальный теплообмен. Изложены 
методы и результаты исследований теплофизических процессов в 
цилиндре базовых дизелей и их конвертированных модификаций. 
Приведены математические модели, с помощью которых исследовано 
влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на образование 
вредных компонентов в продуктах сгорания двигателя; определены 
их оптимальные значения. 
Рассмотрена концепция водородного дизеля. Обоснованы преимущества 
и перспективы применения природного газа и водорода в 
качестве моторных топлив в транспортной энергетике. 
Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся 
созданием новых перспективных двигателей и доводкой уже 
существующих. Может быть полезна аспирантам, магистрам и студентам, 
обучающимся на старших курсах технических университетов. 
   
УДК 621.436.01 
   ББК 31.365 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3482-4 
 Кавтарадзе Р.З., 2011  
 
 Оформление. Издательство  
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011  

К12 

От автора 

 
 
3 

ОТ АВТОРА 

Энергетическая и экологическая проблемы современной цивилизации 
тесно связаны с применением поршневых двигателей, являющихся 
одним из основных потребителей природных энергетических 
ресурсов и источником загрязнения окружающей среды.  
Несмотря на то что законодательно вводятся все бóльшие ограничения 
на допустимые концентрации в продуктах сгорания 
поршневых двигателей таких вредных компонентов, как оксиды 
азота NOx, оксид углерода СО, углеводороды CH, твердые частицы 
сажи, экологическое состояние планеты постепенно ухудшается. 
Это обусловлено неуклонным ростом мощности и количества транспортных 
двигателей.  
Сегодня количество автомобилей, ежедневно загрязняющих ок-
ружающую среду, достигает в мире приблизительно 900 млн, а к 
2050 г. их будет в 3 раза больше, прежде всего за счет Китая, Индии и 
других развивающихся стран. Если учесть, что 97 % топлива для 
транспорта получают из нефти, то становится очевидной необходи-
мость сокращения объемов его потребления в целях снижения вы-
бросов таких соединений углерода, как СН, сажа, диоксид углерода 
СО2. Человечество способно выпустить в атмосферу такое количест-
во СО2, что климатические условия могут подвергнуться непредска-
зуемым изменениям. По сравнению с XVIII в. уровень выброса СО2 
сегодня увеличился почти вдвое, 25 % совокупного мирового выбро-
са СО2 попадает в атмосферу в результате сжигания транспортного 
топлива нефтяного происхождения. Очевидно, что для современного 
двигателестроения актуальной является проблема перевода (конвер-
тирования) поршневых двигателей на альтернативные топлива,  
не содержащие или содержащие в относительно малом количестве 
углерод.  
В настоящее время существует достаточно много публикаций, 
посвященных вопросам применения наиболее перспективных ви-
дов альтернативных топлив — природного газа и водорода в каче-
стве моторного топлива. Для большинства этих исследований ха-
рактерны такие общие черты, как: 
 схематическое описание дополнительных устройств (смеси-
телей, инжекторов, баллонов, топливных элементов и т. п.), необ-
ходимых для перевода двигателей на альтернативное топливо; 

 

От автора 

 4 

 основное внимание уделяется вопросам производства, хра-
нения и транспортирования различных газообразных топлив, безо-
пасности их применения в поршневых двигателях; 
 при проведении расчетно-теоретических исследований часто 
без должного обоснования используются подходы, методы, соот-
ношения, формулы и т. п., полученные для двигателей, которые 
работают на традиционном топливе;  
 при проведении экспериментальных исследований ограни-
чиваются констатацией и анализом внешних эффективных и эко-
логических параметров (характеристик, показателей) исследуемых 
двигателей, не изучая при этом основную причину их изменения — 
внутрицилиндровые теплофизические процессы.  
Не умаляя значимость этих вопросов, следует подчеркнуть, что 
при переходе на любое из альтернативных топлив первостепенное 
значение имеют теплофизические процессы, протекающие в ци-
линдре конвертированного двигателя и содержащие значительные 
резервы для улучшения качества рабочего цикла. В современной 
научно-технической литературе довольно подробно изложены такие 
вопросы, как применение водорода в качестве добавки к традицион-
ным моторным топливам, использование жидкого водорода, про-
блемы производства и безопасности водорода в эксплуатации, по-
этому в данной книге они не затрагиваются. 
Предлагаемая вниманию читателей монография принципиально 
отличается от существующих изданий данного направления тем, что 
в ней: 
 исследованы проблемы конвертирования исключительно дизе-
лей, так как конвертированию бензиновых двигателей посвящено 
достаточно большое количество публикаций в России и за рубежом;  
 рассмотрены только внутрицилиндровые процессы в дизе-
лях, работающих на природном газе, водороде или различных син-
тез-газах, содержащих и не содержащих водород; 
 приведены результаты исследований для трех вариантов дизе-
лей, конвертированных в газовый двигатель с внешним смесеобра-
зованием и принудительным зажиганием, в двухтопливный двига-
тель с комбинированным смесеобразованием с высокой степенью 
сжатия и воспламенением от запальной дозы жидкого (дизельного) 
топлива, в чисто водородный дизель с самовоспламенением непо-
средственно впрыскиваемого в цилиндр газообразного водорода; 
 изложены результаты экспериментальных и расчетно-теорети-
ческих исследований, проведен сравнительный анализ локального 
теплообмена в камерах сгорания базовых дизелей и их конвертиро-

От автора 

 
 
5 

ванных модификаций (газовый и двухтопливный двигатели). Иссле-
дованы теплонапряженные состояния поршней этих двигателей; 
  при исследовании теплофизических процессов, протекающих 
в рабочем цикле названых двигателей, особое внимание уделено во-
просам обеспечения эффективности и экологичности цикла, проана-
лизированы возможности снижения в продуктах сгорания концен-
трации оксидов азота, а также других вредных компонентов; 
 рассмотрена концепция водородного дизеля, подразумеваю-
щая применение водорода в газообразном состоянии вместо тра-
диционного дизельного топлива. Проанализированы возможности 
совершенствования процесса сгорания в целях улучшения его эко-
логических показателей. 
Книга состоит из семи глав, первая из которых посвящена пер-
спективам применения наиболее известных на сегодня альтерна-
тивных топлив в поршневых двигателях. Также в гл. 1 кратко рас-
смотрены перспективы развития поршневых двигателей в целом. 
Проведенные исследования конвертированных дизелей в ряде 
случаев потребовали введения некоторых новых терминов и опре-
делений, а также новой уточненной классификации двигателей, 
использующих в качестве моторного топлива газ. Они приведены 
в гл. 2, содержание которой следует рассматривать как уточнение 
и расширение существующих классификаций, терминологии и оп-
ределений. Здесь же дается сравнительный анализ различных кон-
цепций перевода поршневых двигателей на газообразное топливо. 
Сформулированы задачи, подлежащие решению при конвертиро-
вании дизеля на газообразное топливо.  
Математические модели трехмерных процессов переноса коли-
чества движения, энергии и массы, сопровождающихся процессами 
турбулентного сгорания, диффузии и образования вредных веществ 
при сгорании газообразных и традиционных топлив, описаны в гл. 3. 
Моделирование рабочего процесса позволяет существенно сократить 
сроки и материальные затраты на конвертирование дизеля.  
В гл. 4 приведены результаты моделирования рабочего процесса 
в дизелях, конвертированных на природный газ или на водород, ко-
торые получены с применением программного комплекса FIRE 
(AVL, Австрия), выгодно отличающегося от других коммерческих 
CFD-кодов тем, что в нем максимально учитывается специфика  
внутрицилиндровых процессов поршневых двигателей. Рассмотрена 
зависимость экологических показателей конвертированного на при-
родный газ двигателя от конструкции и формы камеры сгорания, от 
интенсивности вихревого движения заряда при впуске, а также от 
других факторов. Несмотря на актуальность, в современной научно-

От автора 

 6 

технической литературе, посвященной конвертированию дизелей на 
альтернативные топлива, эти вопросы практически не освещены.  
В гл. 5 рассмотрены экспериментальные исследования внутри-
цилиндровых процессов, прежде всего процессов сгорания природ-
ного газа и различных синтез-газов, содержащих водород; дано опи-
сание экспериментальной установки с одноцилиндровым дизелем 
MAN 24/30. Предложенный автором метод определения задержки 
воспламенения для различных газообразных топлив основан на экс-
периментальных данных. В результате впервые получены формулы 
для расчета задержки воспламенения в дизеле, работающем на раз-
личных газообразных топливах с воспламенением от запальной дозы 
дизельного топлива.  
Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических ис-
следований локального теплообмена в камерах сгорания дизелей, 
конвертированных в газовый и двухтопливный двигатель, изложе-
ны в гл. 6. Работы были проведены совместно кафедрой «Поршне-
вые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана и НИИГАЗ в целях опре-
деления изменения условий теплообмена в камере сгорания и 
оценки тепловых нагрузок на основные детали при различных 
концепциях конвертирования дизеля на природный газ.  
Заключительная, 7-я глава монографии, посвящена исследова-
нию эффективных и экологических показателей водородного ди-
зеля. Если не считать работы, имеющие сегодня лишь историческое 
значение, краткий обзор которых приведен в книге, эта  
проблема до настоящего времени исследовалась только в отдельных 
публикациях сотрудников Мюнхенского технического университета 
профессора Г. Вошни (G. Woschni), докторов К. Цай-
лингера, У. Вибике, Х. Роттенгрубера и Г. Цитцлера (K. Zeilinger,  
U. Wiebicke, H. Rottengruber и G. Zitzler). Результаты их работ 
также нашли отражение и в данной монографии, где впервые систематически 
излагаются актуальные задачи рабочего цикла водородного 
дизеля и исследуется возможность улучшения его экологических 
характеристик.  
В монографии в ряде случаев приведены ссылки на основные 
первоисточники, в которых рассматриваются внутрицилиндровые 
процессы и локальный теплообмен в поршневых двигателях, без подробного 
изложения результатов или методов исследования. Более 
подробное описание некоторых из них можно найти и в ранее вышедших 
книгах автора. В частности, в гл. 3, 5 и 7 данной монографии 
из материалов книг [30, 32] отражена небольшая часть вопросов, органически 
вписавшихся, на мой взгляд, в тематику исследуемых 
здесь проблем.  

От автора 

 
 
7 

Рассмотренная в монографии группа задач конвертирования се-
рийного дизеля в газовый двигатель с искровым зажиганием, в двух-
топливный двигатель с непосредственным впрыскиванием запаль-
ной дозы дизельного топлива и в водородный дизель представляет 
интерес прежде всего для исследователей, инженеров и конструкто-
ров, занимающихся улучшением эффективных и экологических ха-
рактеристик существующих и созданием новых перспективных дви-
гателей. Книга может быть полезна аспирантам, а также магистрам и 
студентам, которые обучаются на завершающих курсах технических 
университетов и владеют теорией поршневых двигателей в объеме, 
предусмотренном университетской программой. При подготовке 
монографии большую помощь оказали мои ученики и сотрудники, 
которые принимали непосредственное участие в расчетно-теоре- 
тических и экспериментальных исследованиях, проведенных в  
МГТУ им. Н.Э. Баумана: кандидаты технических наук Д.О. Они-
щенко, А.А. Голосов, А.А. Скрипник, В.А. Федоров, З.Р. Кавтарадзе,  
А.В. Шибанов, А.А. Зеленцов, С.С. Сергеев. 
В книге использованы результаты исследований, проведенных 
при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 05-08-01311а,  
№ 08-08-00348а, № 09-08-00279а). 
 Автор благодарен академику РАН А.И. Леонтьеву за постоян-
ное внимание и живой интерес к фундаментальным вопросам теп-
лофизики, затронутым в монографии, за критическое обсуждение 
ряда вопросов и полезные советы. Доктору К. Цайлингеру (Мюн-
хенский технический университет) и кандидату технических наук, 
доценту А.И. Гайворонскому (ВНИИГАЗ) автор признателен за 
поддержку и плодотворное сотрудничество, руководству фирмы 
AVL (г. Грац, Австрия) — за сотрудничество и предоставленную 
возможность пользоваться программным комплексом FIRE.  
Особую благодарность автор выражает директору издательства 
МГТУ им. Н.Э. Баумана Т.И. Попенченко за многолетнее сотруд-
ничество и редактору книги Е.О. Егоровой за четкое, профессио-
нальное отношение к ее изданию.  
Все замечания просьба присылать по адресу: 105005, Москва,  
2-я Бауманская улица, д. 5. МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра 
«Поршневые двигатели» (Э2), или по электронной почте: 
kavtar@power.bmstu.ru.  

Р.З. Кавтарадзе,  
доктор технических наук, профессор 
кафедры «Поршневые двигатели»  
МГТУ им. Н.Э. Баумана 

От автора 

 8 

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

ВМТ   — верхняя мертвая точка 
ДВС  — двигатель внутреннего сгорания 
КО  
 — контрольный объем 
КПД   — коэффициент полезного действия 
КС  
 — камера сгорания 
НМТ   — нижняя мертвая точка 
ПКВ   — поворот коленчатого вала 
УОЗ   — угол опережения зажигания 
УПКВ  — угол поворота коленчатого вала 
C  
— концентрация 
cp  
— удельная теплоемкость газа при постоянном давлении 
D  
— диаметр цилиндра; коэффициент диффузии 
Dn  
— вихревое число 
H  
— энтальпия 
i  
— число цилиндров 

k  
— средняя кинетическая энергия турбулентности 
l  
— линейный размер 
m  
— масса 
Mk  
— крутящий момент двигателя 
n  
— частота вращения коленчатого вала 
Ne  
— эффективная мощность двигателя 
p  
— давление 
pz  
— максимальное давление цикла 
pвпр  
— давление впрыскивания топлива 
q  
— плотность теплового потока 
Q  
— количество теплоты 
R  
— газовая постоянная 

R  
— универсальная газовая постоянная 
S  
— ход поршня 
t, Т  
— температура 
u, v, w  — проекции вектора скорости на оси x, y, z соответственно 
Vc  
— объем КС  
W 
— скорость  
  
— коэффициент теплоотдачи 
в   — коэффициент избытка воздуха 
  
 — степень сжатия двигателя 

 

Основные сокращения и условные обозначения 

 
 
9 

  
— скорость диссипации кинетической энергии турбулентности  
  
— угол поворота коленчатого вала 
  
— динамическая вязкость 
t 
– турбулентная динамическая вязкость 
  
— коэффициент теплопроводности 
  
— плотность 
0  — постоянная Стефана — Больцмана  
 
– кинематическая вязкость 
t  
— турбулентная кинематическая вязкость  
  
— время 
Индексы 
i,  j,  k  —  текущие индексы 
w    
— значение параметра на поверхности стенки 
    
—  значение параметра за пограничным слоем 
 

 

Глава 1. Поршневые двигатели на альтернативных топливах 

 10

Г л а в а  1  

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ   
ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ   
НА АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВАХ 

1.1. ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ПЕРСПЕКТИВАМИ 
ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 

Исследования поршневых двигателей, использующих в качестве 
топлива различные газы, проводятся приблизительно столько же лет, 
сколько существуют и сами поршневые двигатели: первый работоспособный 
поршневой двигатель внутреннего сгорания, созданный 
Э. Ленуаром в 1860 г., работал на каменноугольном (светильном)  
газе.  
На протяжении прошедших 150 лет практически все известные 
ученые, инженеры и конструкторы, оставившие след в истории дви-
гателестроения, в большей или меньшей степени пробовали свои 
силы в решении проблем, связанных с использованием газообраз-
ных топлив. В результате был достигнут значительный прогресс по 
различным направлениям в области создания перспективных двига-
телей на альтернативных топливах. Широкое внедрение природного 
газа и водорода в качестве моторного топлива в настоящее время 
становится особенно актуальным, что обусловлено обостряющими-
ся энергетической и экологической проблемами.  
Интерес к рассмотренным в монографии задачам, которые 
обычно приходится решать разработчикам в процессе конверти-
рования дизелей, объясняется также и тем, что большинство этих 
задач до настоящего времени мало исследованы или не решены.  
Опыт развития двигателестроения, как и любой области техни-
ческих наук, показывает, что непременно будут преодолены те 
проблемы, которые сегодня являются труднодоступными, а через 
некоторое время они покажутся простыми и легко решаемыми. 
Однако прежде, чем наука в целом и теория поршневых двигате-
лей, в частности, достигнут таких высот, задачи конвертирования 
двигателей на альтернативные топлива не перестанут будоражить 
умы исследователей, осознающих, что от их успехов в значитель-