Experimental investigation of gas diesel engine of К-700А tractor

Full Text

УДК 621.436 ТСМ № 10-2014 Экспериментальные исследования газодизельного двигателя трактора К-700А Д-ра техн. наук В.В. Володин, Б.П. Загородских (Саратовский ГАУ), В.А. Марков (МГТУ им. Н.Э. Баумана, markov@power.bmstu.ru), канд. техн. наук В.В. Фурман (ООО «ППП Дизельавтоматика», г. Саратов) Аннотация. Обоснована необходимость использования природного газа в качестве альтернативного моторного топлива. Представлена система распределенной подачи газообразного топлива в камеру сгорания газодизельного двигателя. Проведены экспериментальные исследования трактора К-700А с разработанной системой топливоподачи. Показана возможность улучшения показателей токсичности и дымности отработавших газов (ОГ) при ее использовании. Ключевые слова: дизельный двигатель, газодизельный двигатель, дизельное топливо, природный газ, двухтопливная система, распределенный впрыск топлива, выброс токсичных компонентов. Массовое производство моторных топлив из нефтяных ресурсов в последние десятилетия привело к тому, что значительная часть мировых запасов нефти уже исчерпана. К началу текущего столетия, по приблизительным оценкам, добыто и потреблено около 800 млрд баррелей нефти (рис. 1) [1]. Разведанные нефтяные месторождения оцениваются в 1000 млрд баррелей. Предполагается, что неразведанные запасы содержат еще около 500 млрд баррелей нефти. Это свидетельствует о том, что данный сырьевой ресурс может быть использован для широкомасштабного выпуска моторных топлив лишь в краткосрочной перспективе. В более отдаленной перспективе неизбежно возникнет необходимость поиска альтернативных сырьевых ресурсов и способов их промышленного использования. Одно из самых перспективных альтернативных моторных топлив - природный газ [1-3]. Его уникальные физико-химические свойства, значительные естественные запасы, развитая сеть транспортировки по газопроводам и экологические преимущества в сравнении с нефтяными топливами позволяют рассматривать природный газ как моторное топливо, широкое применение которого на транспорте начнется в ближайшее время. Проблема замещения нефтяных моторных топлив альтернативными актуальна и для автотракторной техники. Это обусловлено высокими ценами на нефтяные энергоносители, что неизбежно приводит к удорожанию с.-х. продукции и снижению ее конкурентоспособности. Так, в производстве с.-х. продукции затраты на горюче-смазочные материалы достигают 50% от общих расходов. В связи с этим в настоящее время активно разрабатываются и внедряются технологии по использованию природного газа в качестве газообразного топлива. Причем его использование уже сейчас экономически выгодно [3]. В результате все более широкого внедрения двигателей, работающих на природном газе, активно развивается рынок этого альтернативного моторного топлива, что способствует снижению себестоимости с.-х. продукции. Разработаны различные технологии использования природного газа в качестве моторного топлива. Одна из наиболее распространенных - реализация газодизельного цикла, в котором в качестве основного топлива применяется природный газ, а его воспламенение осуществляется путем подачи запальной дозы дизельного топлива. Обычно запальная порция дизельного топлива на всех режимах остается неизменной и составляет 20-30% от общего расхода топлива. В этом случае на режиме холостого хода двигатели работают только на дизельном топливе [1; пат. РФ № 2291316, пат. РФ на полезную модель № 49128]. Газодизельный цикл нашел широкое применение в связи с возможностью его использования на двигателях параллельно с дизельным. Переход от дизельного цикла к газодизельному и наоборот может быть осуществлен путем автоматического переключения, например при нехватке газообразного топлива. При реализации газодизельного цикла возможно использование различных систем подачи газового топлива в цилиндры двигателя. Оно может подаваться во впускную систему через один дозатор, установленный на входе во впускной трубопровод (центральная подача). Перспективна распределенная подача газового топлива во впускную систему, когда дозаторы или форсунки установлены во впускном трубопроводе на входе в каждый цилиндр. Возможна также подача газового топлива непосредственно в камеру сгорания (в сам цилиндр). Наилучшее сочетание простоты реализации и эффективности обеспечивает распределенная подача. Определенный интерес представляет вопрос о влиянии применения систем с распределенной подачей газообразного топлива на показатели дымности и токсичности ОГ. Поэтому целью проведенных исследований стало определение показателей дымности и токсичности ОГ при использовании системы с распределенной подачей газообразного топлива в дизель трактора К-700А с двигателем типа ЯМЗ-238 НД5 при работе по газодизельному циклу. В Саратовском ГАУ совместно с ООО «ППП Дизельавтоматика» создана система распределенной подачи газообразного топлива по эжекционному принципу, новизна которой подтверждена патентами на полезную модель №105372, 108491, 123847 [4]. Система (рис. 2) включает баллоны с компримированным природным газом, вентильную группу, редуктор газа, а также устройства эжекционной подачи газообразного топлива, способные подавать его в двигатель из газового коллектора, выполненного в виде пневмоаккумулятора. Рейка топливного насоса высокого давления (ТНВД) снабжена устройством управления циклами работы двигателя. Электрическая часть этой системы содержит датчики давления, температуры подаваемого газа, частоты вращения коленчатого вала, положения рейки ТНВД, электронный блок управления (ЭБУ). Устройство управления топливным насосом крепится непосредственно на рейку ТНВД. С помощью этой рейки можно ограничить подачу дизельного топлива по сигналу от ЭБУ для перевода на газодизельный цикл. Для эффективного использования газообразного топлива на впускной коллектор двигателя устанавливаются устройства эжекционной подачи, которые по сигналу из ЭБУ определяют количество подаваемого в цилиндры двигателя газообразного топлива. Для улучшения качества газовоздушной смеси используется эффект эжекции, который позволяет передавать энергию от одного газообразного потока другому в результате их турбулентного смешения и повышать энергию потока, что положительно сказывается на наполнении цилиндра рабочей смесью, а следовательно на мощности и экономичности двигателя. С целью обеспечения стабильности работы системы и сглаживания скачков давления газовый коллектор выполнен в виде пневмоаккумулятора. Все оборудование, использованное в системе топливоподачи, - отечественного производства. Полученный технический результат - полная автоматизация работы системы и максимальная эффективность использования газообразного топлива. Для увеличения степени автоматизации в систему ввели устройство управления топливным насосом для работы по газодизельному и дизельному циклам. Описанная система прошла испытания на нагрузочном стенде КИ-1751 Балашовского ремонтного завода, в ходе которых к ЭБУ подключался переносной компьютер. Параметры и команды ЭБУ записывались при помощи программы, разработанной в ООО «ППП Дизельавтоматика», требуемые характеристики работы двигателя и системы выводились на экран монитора. Испытания признаны успешными: во время работы по газодизельному циклу система обеспечивала работу двигателя без значительных отклонений по заданным параметрам, к которым относились частота вращения коленчатого вала и время реакции системы на изменение стендовых нагрузок [5]. На базе одного из фермерских хозяйств Саратовской обл. проведены эксплуатационные исследования трактора К-700А, оснащенного системой центральной подачи газообразного топлива типа СЭРГ-500, и того же трактора с системой распределенной подачи по эжекционному принципу для работы по газодизельному циклу. Концентрация основных токсичных элементов ОГ определялась с помощью газоанализатора «Автотест-01.02». Исследования производились при выполнении основных с.-х. операций: вспашки, культивации, посева, дискования. Для получения объективных данных проводились измерения при работе трактора К-700А по дизельному и газодизельному циклам. Результаты представлены на рис. 3 (при определении концентрации в ОГ токсичных компонентов необходимо использовать следующие масштабы по оси ординат: дымность ОГ по шкале Хартриджа - 1:1; концентрация СО2 - 1:5; NOх - 1:100; СО - 1:200; СНх - 1:500). В ходе исследований отмечено улучшение основных показателей токсичности ОГ при переводе дизеля на газодизельный цикл. В первую очередь это относится к дымности ОГ, уменьшающейся во всем диапазоне нагрузочных режимов работы дизеля. Так, на режиме Ne =152 кВт, n = 2100 мин-1 при использовании разработанной системы топливоподачи дымность ОГ снижается с 70 до 20% по шкале Хартриджа. На номинальном режиме отмечается жесткое сгорание топлива и, как следствие, увеличение выброса NOх. На других нагрузочных режимах работы газодизеля содержание NOx в ОГ меньше, чем у двигателя, работающего только на дизельном топливе. В то же время при использовании газообразного топлива отмечено увеличение эмиссии легких несгоревших углеводородов CHх. Большие выбросы СНх характерны для режимов работы газодизеля с малыми нагрузками и высоким коэффициентом избытка воздуха. Это объясняется неполнотой сгорания газового топлива в газодизеле при работе на бедных смесях. На этих режимах отмечено и ухудшение топливной экономичности. Таким образом, результаты испытаний подтвердили целесообразность перевода двигателя на дизельный цикл на режимах малых нагрузок и холостого хода с целью уменьшения выбросов углеводородов и расхода топлива. Исследования также показали, что для улучшения показателей работы двигателя при работе по газодизельному циклу необходимы оптимизация состава горючей смеси на всех режимах, управление углом опережения впрыскивания запальной дозы дизельного топлива, подбор и регулирование фаз газораспределения [4]. По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о том, что экологическая эффективность разработанной системы распределенной подачи газа по эжекционному принципу выше, чем у системы центральной подачи газа типа СЭРГ-500: по выбросам NOx - на 50%, СНх - на 30%, СО - на 10%, по дымности ОГ - на 15%. Такое снижение выбросов токсичных компонентов ОГ при использовании разработанной системы топливоподачи достигнуто за счет оптимизации процессов горения газообразного топлива. Переход дизеля на работу по газодизельному циклу и использование разработанной системы топливоподачи позволяют приблизиться к показателям токсичности ОГ, регламентируемым стандартом Евро-4 (рис. 4).

About the authors

V. V Volodin

Saratov State Agrarian University

B. P Zagorodskikh

Saratov State Agrarian University

V. A Markov

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: markov@power.bmstu.ru

V. V Furman

PPP Dizelavtomatika, LLC

Saratov

References

Supplementary files