Selection of design parameters and settings of biogas spark-ignition engine on the basis of diesel engine

Full Text

Биогаз - это альтернативный источник энергии, который в настоящее время можно использовать в качестве моторного топлива для ДВС с искровым зажиганием. В данной статье речь идет о биогазе, полученном путем переработки навоза крупного рогатого скота, обогащенном и компримированном до уровня природного газа. Перевод дизелей на биогаз в России позволил бы снизить зависимость с.-х. регионов от поставок топлив нефтяного происхождения. Кроме того, использование биогаза, более экологически чистого источника энергии в сравнении с дизельным топливом, позволило бы улучшить экологическую обстановку в местах частого использования ДВС такого типа. Таким образом, оптимизация регулировочных параметров двигателей такого типа с целью максимальной реализации потенциальных возможностей биогаза как моторного топлива с учетом его физико-химических свойств представляет собой актуальную задачу. Вопросам конвертирования дизелей в двигатели с искровым зажиганием посвящено большое количество публикаций как в Содружестве Независимых Государств [1, 2], так и в других странах [3]. Однако в них описывается использование чистого природного газа, количество балластных примесей в котором минимально. Специфика использования биогаза как моторного топлива при решении задачи оптимизации регулировочных параметров биогазовых ДВС затрагивается в работе [4], но эта работа посвящена малолитражным безнаддувным биогазовым ДВС. Цель данной работы - выбор оптимальных значений регулировочных параметров биогазового ДВС на примере двигателя ЯМЗ-236, переведенного на биогаз. Для экспериментального решения этой задачи на кафедре эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса Северо-Восточного федерального университета на базе двигателя ЯМЗ-236, переведенного на биогаз, создан экспериментальный стенд. Выбор значений степени сжатия e и степени увеличения давления при наддуве pk осуществляется таким образом, чтобы на режиме максимальной нагрузки двигатель работал на пределе детонации. При увеличении объемной доли СО2 в биогазовом топливе rCO2 растет октановое число, что позволяет увеличить максимальное давление в цилиндре в процессе сгорания. Поскольку значение e в данном случае постоянно, решать эту задачу целесообразно за счет увеличения pk , что обеспечивается применением регулируемого наддува. Максимальное октановое число имеет топливо с rCO2 = 0, т.е. природный газ. Таким образом, в биогазовом ДВС принимается значение e для данного топлива. Согласно исследованию [1], e = 12 для газового двигателя ЯМЗ-236. Соответственно, это значение e принимается и для биогазового варианта данного двигателя. Как уже было сказано, при снижении октанового числа топлива вследствие роста rCO2 целесообразно увеличивать pk . На рис. 1 приведена экспериментальная зависимость pk max (значения pk , позволяющего двигателю работать на пределе детонации), от rCO2. Степень повышения давления при наддуве pk ˃ 2 нецелесообразна, так как возросшие механические нагрузки потребуют внесения конструкционных изменений в детали кривошипно-шатунного механизма и цилиндро-поршневой группы. С помощью линейной интерполяции экспериментальной зависимости, приведенной на рис. 1, получено уравнение для максимального значения степени повышения давления при наддуве в биогазовом ДВС: (1) где p k max 0 = 1,45 - значение p k max при rCO2 = 0. Эта зависимость рекомендуется для использования в системе управления двигателем для коррекции значения pk при заправке биогазом. Внедрение электронного управления процессом топливоподачи, давлением наддува и дроссельной заслонкой (технология drive-by-wire) позволяет для биогазового ДВС осуществлять смешанное регулирование мощности. В таком случае выбор регулировочных параметров и пределов их варьирования осуществляется с учетом их влияния на показатели рабочего процесса. К таким параметрам следует отнести: - коэффициент избытка воздуха a; - угол опережения зажигания q; - частоту вращения коленчатого вала n; - степень повышения давления при наддуве pk ; - степень открытия дроссельной заслонки jдр ; - объемную долю СО2 в биогазе rCO2 . В качестве функциональных ограничений при решении задачи оптимизации приняты: - явление детонации; - запас прочности по тепловым и механическим нагрузкам на детали камеры сгорания; - максимальные температуры стенок цилиндра и камеры сгорания; - пропуски воспламенения за счет чрезмерного обеднения топливо-воздушной смеси и др. При условии обеспечения максимальных технико-экономических и экологических показателей рабочего процесса приняты следующие критерии качества: - удельный эффективный расход топлива ge , г/(кВт·ч); - эффективная мощность Ne , кВт; - выбросы NOx , г/(кВт·ч). С учетом изложенного построены характеристические карты для rCO2 = 0 (рис. 2), которые внесены в алгоритм работы комплексной системы управления двигателем. Карты построены так, чтобы обеспечивать минимальные расход топлива и выбросы вредных веществ во всем диапазоне работы биогазового ДВС. График pk = f ( ), приведенный на рис. 2, аппроксимируется с помощью полинома второго порядка: (2) где pk 0 - значение pk при rCO2 = 0. При увеличении rCO2, согласно зависимости (1), уравнение (2) примет вид: (3) В работе [4] показана необходимость снижения коэффициента избытка воздуха при увеличении rCO2 для повышения мощности и надежности работы биогазового ДВС с использованием механизма компенсации потерь мощности. Это, в свою очередь, требует коррекции угла опережения зажигания. Соответственно, возникает необходимость использования зависимостей оптимальных значений a и q от rCO2 с целью коррекции данных значений при управлении двигателем в зависимости от состава биогаза. Для биогазового двигателя ЯМЗ-236 экспериментально получены зависимости для a и q следующего вида: ; (4) , (5) где a0 - коэффициент избытка воздуха при rCO2 = 0; a0 (1 - rСО2) - коэффициент избытка воздуха по метану; q0 - угол опережения зажигания, град. ПКВ до ВМТ, при rCO2 = 0. Зависимости (1), (3)-(5) предлагается использовать в системе управления биогазовым двигателем ЯМЗ-236 для коррекции регулировочных параметров при изменении химического состава топлива. В качестве примера на рис. 3 приведена внешняя скоростная характеристика биогазового двигателя ЯМЗ-236 при разных значениях rCO2. Из рис. 3 видно, что по внешней скоростной характеристике увеличение rCO2 с 0 до 0,2 приводит к увеличению удельного эффективного расхода содержащегося в биогазе метана ge(CH4) на 5-12%, с 0 до 0,4 - на 9-20%. Среднее увеличение ge(CH4) во всем диапазоне рабочих режимов составляет 10%. Данное обстоятельство связано с ухудшением условий сгорания, вызванным увеличением объемной доли СО2 в топливе, а также увеличением pk. Снижение a при увеличении rCO2 не вызывает увеличения максимальных температур сгорания в цилиндре двигателя на всех режимах. Наоборот, увеличение количества СО2, не участвующего в сгорании топлива, приводит к существенному их снижению, а следовательно, к снижению выбросов NOx. Так, при увеличении rCO2 с 0 до 0,2 выбросы NOx снижаются на 7-10%, с 0 до 0,4 - на 20-25%. Выбросы CH с ростом rCO2 увеличиваются, что связано со снижением a и ухудшением условий процесса сгорания топлива. Увеличение содержания СН в отработавших газах при увеличении rCO2 с 0 до 0,2 составило 9-16%, с 0 до 0,4 - 14-23%. Выбросы CO практически не зависят от rCO2 вследствие работы биогазового двигателя с наддувом при высоких значениях a. Для двигателей, предназначенных для установки на автомобили полной массой более 3,5 т, к которым относится биогазовый ДВС ЯМЗ-236, комплекс испытаний на нормы токсичности выполняется с использованием стационарных испытательных стендов. Поэтому для определения среднеэксплуатационных выбросов токсичных компонентов в биогазовом ДВС ЯМЗ-236 был выбран цикл ESC, который проводится на 13 стационарных режимах работы ДВС. Исследование выполнено для следующих значений rCO2 : 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4. Результаты испытаний приведены в таблице. Среднеэксплуатационные выбросы токсичных компонентов в биогазовом двигателе ЯМЗ-236 rCO2 0 2,36 1,13 1,27 0,1 2,16 1,14 1,36 0,2 2,03 1,13 1,39 0,3 1,81 1,13 1,49 0,4 1,64 1,15 1,55 Анализ данных таблицы показывает линейную зависимость среднеэксплуатационных выбросов и от rCO2. При этом видно, что при увеличении rCO2 с 0 до 0,4 среднеэксплуатационные выбросы уменьшились в 1,44 раза, а увеличились в 1,22 раза. Таким образом, при увеличении rCO2 снижение происходит в 1,18 раза быстрее, чем увеличение . Также исследование показало, что вследствие работы двигателя во всем диапазоне эксплуатационных режимов при a > 1 среднеэксплуатационные выбросы практически не зависят от rCO2. Выводы 1. На основании анализа экспериментальных данных предложена методика выбора значения pk max в зависимости от содержания СО2 в биогазе для данного типа ДВС. 2. Получены характеристические карты для системы управления биогазовым двигателем ЯМЗ-236. Получены эмпирические зависимости для изменения pk, a и q в зависимости от rCO2 в биогазовом ДВС. 3. С помощью 13-режимного стационарного испытательного цикла ESC выполнено определение среднеэксплуатационных выбросов токсичных компонентов биогазового ДВС с наддувом. Анализ зависимостей этих выбросов от rCO2 показал, что при увеличении rCO2 снижение происходит в 1,18 раза быстрее, чем увеличение , а практически не зависят от rCO2 при a > 1.

About the authors

L. B Larionov

North-Eastern Federal University

P. A Boloyev

Irkutsk State Agrarian University

P. I Ilyin

Irkutsk State Agrarian University

Email: ipi.academy@mail.ru

References

Supplementary files