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 синтезгазы: 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 окружающую 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 необходимость сокращения объемов его потребления в целях снижения выбросов таких соединений углерода, как СН, сажа, диоксид углерода 
СО2. Человечество способно выпустить в атмосферу такое количество СО2, что климатические условия могут подвергнуться непредсказуемым изменениям. По сравнению с XVIII в. уровень выброса СО2 
сегодня увеличился почти вдвое, 25 % совокупного мирового выброса СО2 попадает в атмосферу в результате сжигания транспортного 
топлива нефтяного происхождения. Очевидно, что для современного 
двигателестроения актуальной является проблема перевода (конвертирования) 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 видов альтернативных топлив — природного газа и водорода в качестве моторного топлива. Для большинства этих исследований характерны такие общие черты, как: 
 схематическое описание дополнительных устройств (смесителей, инжекторов, баллонов, топливных элементов и т. п.), необходимых для перевода двигателей на альтернативное топливо; 

 

От автора 

 4 

 основное внимание уделяется вопросам производства, хранения и транспортирования различных газообразных топлив, безопасности их применения в поршневых двигателях; 
 при проведении расчетно-теоретических исследований часто 
без должного обоснования используются подходы, методы, соотношения, формулы и т. п., полученные для двигателей, которые 
работают на традиционном топливе;  
 при проведении экспериментальных исследований ограничиваются констатацией и анализом внешних эффективных и экологических 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 цилиндре 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 традиционным моторным топливам, использование жидкого водорода, проблемы производства и безопасности водорода в эксплуатации, поэтому 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 дизелей, так как конвертированию бензиновых двигателей посвящено 
достаточно большое количество публикаций в России и за рубежом;  
 рассмотрены только внутрицилиндровые процессы в дизелях, работающих на природном газе, водороде или различных синтез-газах, содержащих и не содержащих водород; 
 приведены результаты исследований для трех вариантов дизелей, конвертированных в газовый двигатель с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием, в двухтопливный двигатель с комбинированным смесеобразованием с высокой степенью 
сжатия и воспламенением от запальной дозы жидкого (дизельного) 
топлива, в чисто водородный дизель с самовоспламенением непосредственно впрыскиваемого в цилиндр газообразного водорода; 
 изложены результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований, проведен сравнительный анализ локального 
теплообмена в камерах сгорания базовых дизелей и их конвертиро

От автора 

 
 
5 

ванных модификаций (газовый и двухтопливный двигатели). Исследованы теплонапряженные состояния поршней этих двигателей; 
  при исследовании теплофизических процессов, протекающих 
в рабочем цикле названых двигателей, особое внимание уделено вопросам обеспечения эффективности и экологичности цикла, проанализированы возможности снижения в продуктах сгорания концентрации оксидов азота, а также других вредных компонентов; 
 рассмотрена концепция водородного дизеля, подразумевающая применение водорода в газообразном состоянии вместо тра-
диционного дизельного топлива. Проанализированы возможности 
совершенствования процесса сгорания в целях улучшения его экологических показателей. 
Книга состоит из семи глав, первая из которых посвящена перспективам применения наиболее известных на сегодня альтернативных топлив в поршневых двигателях. Также в гл. 1 кратко рассмотрены перспективы развития поршневых двигателей в целом. 
Проведенные исследования конвертированных дизелей в ряде 
случаев потребовали введения некоторых новых терминов и определений, 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 определений. Здесь же дается сравнительный анализ различных концепций перевода поршневых двигателей на газообразное топливо. 
Сформулированы задачи, подлежащие решению при конвертировании дизеля на газообразное топливо.  
Математические модели трехмерных процессов переноса количества 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, которые 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 природный 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 внутрицилиндровых процессов, прежде всего процессов сгорания природного газа и различных синтез-газов, содержащих водород; дано описание экспериментальной установки с одноцилиндровым дизелем 
MAN 24/30. Предложенный автором метод определения задержки 
воспламенения для различных газообразных топлив основан на экспериментальных данных. В результате впервые получены формулы 
для расчета задержки воспламенения в дизеле, работающем на различных газообразных топливах с воспламенением от запальной дозы 
дизельного топлива.  
Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований локального теплообмена в камерах сгорания дизелей, 
конвертированных в газовый и двухтопливный двигатель, изложены в гл. 6. Работы были проведены совместно кафедрой «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана и НИИГАЗ в целях определения 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 исследованию эффективных и экологических показателей водородного дизеля. 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. Цайлингера, 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 серийного дизеля в газовый двигатель с искровым зажиганием, в двухтопливный двигатель с непосредственным впрыскиванием запальной дозы дизельного топлива и в водородный дизель представляет 
интерес прежде всего для исследователей, инженеров и конструкторов, занимающихся улучшением эффективных и экологических характеристик существующих и созданием новых перспективных двигателей. 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. Онищенко, 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 постоянное внимание и живой интерес к фундаментальным вопросам теплофизики, затронутым в монографии, за критическое обсуждение 
ряда вопросов и полезные советы. Доктору К. Цайлингеру (Мюнхенский 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 сотрудничество и редактору книги Е.О. Егоровой за четкое, профессиональное 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 двигателестроения, в большей или меньшей степени пробовали свои 
силы в решении проблем, связанных с использованием газообразных топлив. В результате был достигнут значительный прогресс по 
различным направлениям в области создания перспективных двигателей на альтернативных топливах. Широкое внедрение природного 
газа и водорода в качестве моторного топлива в настоящее время 
становится особенно актуальным, что обусловлено обостряющимися энергетической и экологической проблемами.  
Интерес к рассмотренным в монографии задачам, которые 
обычно приходится решать разработчикам в процессе конвертирования дизелей, объясняется также и тем, что большинство этих 
задач до настоящего времени мало исследованы или не решены.  
Опыт развития двигателестроения, как и любой области технических 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 двигателей, в частности, достигнут таких высот, задачи конвертирования 
двигателей на альтернативные топлива не перестанут будоражить 
умы исследователей, осознающих, что от их успехов в значитель