METHOD OF IMPROVING THE CHARACTERISTICS OF A GAS ENGINE, DEVELOPED ON THE BASE OF A DIESEL ENGINE

Full Text

Введение Анализ проблем энергетической и экологической безопасности в сфере современного транспортно-технологического комплекса, связанных с постоянным приростом парка дизельных мобильных средств, сопровождающегося значительным ростом масштабов потребления традиционных нефтяных топлив и заметным загрязнением окружающей среды, обуславливает необходимость все более широкого использования перспективных и альтернативных видов топлива. К наиболее перспективным моторным топливам в ближайшие десятилетия XXI века может быть отнесен природный газ, который в среде альтернативных энергоносителей имеет наиболее благоприятные химото-логические свойства. Наша страна располагает большими запасами природного газа - высококачественного моторного топлива, не требующего для использования в двигателях никакой химической переработки. Как моторное топливо, природный газ в натуральном виде превосходит нефтяное топливо по экологическим показателям сгорания; при его использовании обеспечиваются высокие технико-экономические показатели двигателей. В настоящее время развита сеть доставки газа от месторождений во многие регионы страны по отдельным магистралям, которые объединены в Единую Систему Газоснабжения России. Таким образом, имеется комплекс факторов - от высоких качеств природного газа, как моторного топлива, до эффективного уровня развития системы газоснабжения, - определяющих широкие перспективы применения газового топлива в транспортно-технологическом комплексе России. Вопросы расширения и использования газа в качестве моторного топлива включены в перечень поручений Президента РФ от 11.06.2013 № Пр-1298. В связи с этим в настоящее время наметилось устойчивое направление по расширению применения природного газа в качестве моторного топлива для газовых автотракторных двигателей, создаваемых на базе дизелей, которое объясняется тем, что технология конвертации современного дизеля в газовый двигатель с внешним смесеобразованием и количественным регулированием достигается ценой меньших производственных затрат. При этом по сравнению с базовым прототипом, работающим на жидком топливе, обеспечивается минимизация не только нормируемых вредных выбросов, но и существенное снижение выбросов ненормируемых пока веществ - бензола, альдегидов, бутадиена и др., вызывающих онкологические заболевания. Важно и то, что перевод дизеля на работу на природном газе обеспечивает уменьшение примерно на четверть выбросов соединения СО2, играющего важную роль в создании парникового эффекта. Сегодня подобные двигатели устанавливают на седельные тягачи КАМАЗ-65116, городской автобус НЕФАЗ-5299-30-51 и другие мобильные и стационарные средства. Конвертирование дизельного двигателя для работы на природном газе, состоящем в основном из метана, связано с существенным изменением как организации рабочего процесса ДВС, так и его основных показателей работы (экономичности, мощности и др.). В частности, общеизвестно, что процесс конвертирования дизеля и перевод его на питание газообразным топливом сопровождается снижением топлив-но-экономических и энергетических показателей двигателя [1]. Во многом это объясняется необходимыми ограничениями по величинам допустимых давлений и температур из-за опасности возникновения детонации. Несмотря на то, что детонационная стойкость метана достаточно высока (октановое число равно 110), тем не менее, при конвертации дизельного двигателя на газ обычно производители вынуждены снижать по границе детонации как геометрическую степень сжатия, так и давление наддува, что и вызывает снижение указанных показателей работы двигателя. Поэтому вопрос улучшения показателей работы газового двигателя является актуальным, и как, показано ниже, такой резерв обусловлен возможностями применения цикла Миллера, при котором рабочий процесс реализуется при оптимально изменяемых текущих значениях степени фактического сжатия [2]. Это обеспечивается за счет регулирования продолжительности впуска путем варьирования угла закрытия впускного клапана. На сегодняшний день технические средства для текущего изменения момента закрытия клапана общеизвестны и широко используются в современных механизмах газораспределения с изменяемыми фазами газообмена. Задача исследования Основной задачей исследования являлось выявление возможности конвертации современного дизеля в газовый двигатель с внешним смесеобразованием и количественным регулированием с сохранением высоких показателей мощности и топливной экономичности базового прототипа. Рассмотрим некоторые ключевые моменты подходов к решению поставленной задачи. При проведении исследований были сохранены стандартные фазы выпуска, а фазы впуска менялись за счет вариации угла закрытия впускного клапана. Предварительно заметим, что начало процесса сжатия совпадает с моментом закрытия впускного клапана. Если это происходит в нижней мертвой точке (НМТ), то фактическая степень сжатия 8ф равна геометрической степени сжатия ег. В данном случае фактическая степень сжатия оценивается как еф = F/F сг, где V объем надпоршневого пространства при положении поршня в момент закрытия впускного клапана, а геометрическая - традиционно как ег = V/Vs> где Va объем надпоршневого пространства при положении поршня в нижней мертвой точке. При реализации цикла Миллера с удлиненным процессом впуска впускной клапан закрывается после НМТ с некоторым запаздыванием, что вызывает уменьшение фактической степени сжатия по сравнению с геометрической [3]. При этом давление и температура в момент начала горения - параметры, которые в наибольшей мере определяют опасность детонации при сгорании газовоздушных смесей, - зависят в основном от фактической степени сжатия. Из сказанного следует важный вывод, что при использовании газовоздушных топливных смесей в двигателях с высокой геометрической степенью сжатия можно обеспечить бездетана-ционную работу во всем диапазоне изменения их режима работы путем текущего изменения фактической степени сжатия (за счет соответствующего варьирования угла закрытия впускного клапана Фзвп). На пониженных режимах значение еф может сохраняться на уровне ег, обуславливая высокую эффективность рабочего цикла. По мере повышения нагрузочного режима фактическая степень сжатия снижается по границе детонации, обусловливая при этом предельно возможную эффективность газового двигателя. Методика и результаты исследования Для детального изучения реальной возможности подобного вывода авторами разработана программа расчета рабочего процесса газового двигателя, работающего по циклу Миллера, позволяющая учитывать реальные физические процессы. В частности, процесс наполнения цилиндров свежим зарядом с учетом свойств газообразного топлива и особенностей цикла Миллера оценивался коэффициентом наполнения тц в виде: где Г|¥р - значение коэффициента наполнения для случая работы двигателя на жидком топливе (без учета свойств газообразного топлива и фаз газораспределения); рв и рт - плотности воздуха и газового топлива (кг/м3) соответственно; а - коэффициент избытка воздуха; l0 - массовый стехиометрический коэффициент для газового топлива (кг возд./кг топл.); K - коэффициент, учитывающий изменение наполнения цилиндра в следствие изменения угла закрытия впускного клапана (значения еф): К = еф/е = V/V < 1. ф г з а Характер подвода теплоты к рабочему телу (тепловыделение) оценивался на основе модели сгорания, предложенной И.И. Вибе: X> = 1" e Ф , где Хф - относительная доля теплоты, выделившейся к моменту поворота коленчатого вала на угол Ф; A - параметр, учитывающий полноту сгорания цикловой дозы топлива; ф и фг -углы поворота коленчатого вала (от момента начала горения), соответствующие текущему процессу и концу горения соответственно; m -показатель характера горения. Для каждого расчетного варианта программным способом определялся оптимальный угол опережения начала горения, соответствующий максимальной работе анализируемого цикла. При использовании цикла Миллера с удлиненным впуском происходит уменьшение наполнения цилиндров V < V, как следствие -уменьшение работы цикла и, соответственно, мощности газового двигателя. Однако мощность можно увеличить за счет применения наддува. Главным ограничением по величине давления наддува pk здесь также является детонационная стойкость метановоздушных топливных смесей. Расчетный анализ, выполненный на основе предложенной программы, позволяет оценить изменения показателей экономичности и мощности рабочего цикла при варьировании значений фактической степени сжатия (при заданном значении геометрической), уровнем давления и охлаждения наддува, на границах детонационного сгорания. Вследствие того, что алгоритм расчетного процесса изначально предусматривал варьирование значений 8ф в области оптимального угла начала горения, соответствующего максимальной работе анализируемого цикла, существует реальная возможность по итогам расчета осуществить поиск оптимального варианта организации рабочего процесса газового двигателя. Однако существующие аналитические модели возникновения детонационного горения недостаточно точны, чтобы выполнить детальный количественный анализ предельно возможных параметров мощности и экономичности вновь разрабатываемой модели газового двигателя с учетом всех его конструктивных особенностей. Преодолеть эту сложность можно, если выполнять такой многовариантный анализ применительно к конкретной модели газового двигателя, где экспериментально найдены фактические данные его детонационной стойкости с учетом заданных значений коэффициента избытка воздуха и показателей режима работы. В этом случае в качестве главных характерных параметров, определяющих границу начала детонации, можно принять фактические максимальные значения давления и температуры в конце сжатия - pc и Т для исследуемой модели двигателя на каждом заданном режиме его работы [1]. С использованием предложенного метода исследовалась возможность улучшения показателей работы серийного газового двигателя типа КАМАЗ-820.74-300 с газотурбинным наддувом. Основные данные двигателя представлены в таблице 1. С учетом концепции предложенного метода анализ строился в следующей логической последовательности. Предварительно выполнили математический расчет параметров рабочего процесса серийного двигателя на номинальном режиме работы при значении коэффициента избытка воздуха а = 1, частоте вращения n = 1900 мин 1 и сохранении базовых регулировочных параметров двигателя и системы наддува. Характеристики газового топлива (метана), коэффициенты принятой модели сгорания, теплоемкость отдельных составляющих рабочей смеси и другие данные необходимые для расчета задавали с учетом имеющихся рекомендаций [4, 5, 6]. Результаты программного расчета были представлены в виде дискретных данных давлений и температур рабочего цикла на тактах сжатия и сгорания - расширения с интервалом через 1-2 градуса поворота коленчатого вала, а также итоговых значений, характеризующих индикаторные и эффективные показатели по экономичности и мощности двигателя. По результатам анализа были установлены предельные значения давления и температуры в конце сжатия: рс = 2,74 МПа и T = 890 (K) для серийного варианта газового двигателя, величины которых и были граничными по условию исключения детонации для всех последующих вариантов расчета. Как в этом варианте расчета, так и во всех последующих в качестве основных параметров для оценки эффективности рабочего процесса были приняты значения индикаторного к.п.д. ц и среднего индикаторного давления p. (МПа). В процессе поиска возможности повышения энергоэкономических показателей исследуемого двигателя на номинальном режиме с учетом найденных граничных по условию детонации параметров предварительно выполнили варианты расчетов рабочих процессов, реализуемых при повышенных геометрических степенях сжатия: ег = 14, 16, 18. При этом величину давления наддува задавали примерно как в серийном варианте, а фактическую степень сжатия еф, за счет вариации угла закрытия впускного клапана фзвп подбирали максимально возможную из условия, чтобы в каждом случае давление и температура конца сжатия не превосходили значений, найденных ранее на предварительном этапе исследования. На данном этапе исследования охлаждения наддувочного воздуха не предусматривали. Результаты этого анализа показаны в таблице 2 (вар. № 2, 3, 4). Несмотря на последовательный рост индикаторного к.п.д. ц. по мере увеличения геометрической степени сжатия с 12 до 18, приняли целесообразным дальнейшие исследования выполнять для варианта с ег = 16, поскольку при ег = 18 происходит существенное уменьшение среднего индикаторного давления p . Проведены расчеты для вариантов № 5, 6, 7, 8, 9 (табл. 2) при неизменном значении геометрической степени сжатия ег = 16, но при разных значениях фактической степени сжатия еф и максимально возможных по условию детонации давлениях наддува рк. При этом охлаждение наддувочного воздуха также не предусматривалось, поэтому температура воздуха, поступающего из компрессора во впускной тракт двигателя, была в некоторых вариантах достаточно высокой. Установлено, что с уменьшением фактической степени сжатия еф и соответствующем увеличении наддува как экономические, так и мощностные характеристики двигателя улучшаются, а главное, появляется потенциальный резерв для дальнейшего их улучшения за счет реализации процесса охлаждения наддувочного воздуха. Апробация возможностей подобного резерва проведена для расчетного варианта № 9 с охлаждением воздушного заряда. Значения индикаторного к.п.д. ц. и среднего индикаторного давления p при разных степенях охлаждения, характеризуемых величиной ЛТ, то есть разницей значений температуры воздуха на выходе из компрессора Г и после охладителя Твп (ЛТ = Г - Твп), представлены в графическом виде на рисунке 1. Расчет проводился для условий номинального режима работы газового двигателя при давлении наддува рк = 0,185 МПа, температуре воздуха после компрессора Г = 389К и условно принятой температуре окружающей среды 293К. Видно, что охлаждение наддувочного воздуха является эффективным средством увеличения мощностных свойств конвертированного газового двигателя, рабочий процесс которого организован на основе цикла Миллера. При этом по мере увеличения степени охлаждения рабочего тела наблюдается, хотя и незначительное, последовательное повышение экономичности рабочего цикла двигателя. Анализ результатов исследования Анализ полученных результатов расчета свидетельствует, что при увеличении геометрической степени сжатия газового двигателя от е = 12 до е = 18 показатели экономичногг сти цикла возрастают, однако снижается мощность двигателя из-за необходимости уменьшения фактической степени сжатия за счет увеличения углов запаздывания закрытия впускных клапанов для исключения детонации (табл. 2, вар. № 1, 2, 3, 4). Физически это объясняется тем, что при этом, как показано выше, происходит уменьшение наполнения цилиндров. Установлено, что существует возможность увеличения мощности двигателя при увеличении геометрической степени сжатия до величины ег = 16, уменьшении фактической степени сжатия еф и одновременным увеличении давления наддува (табл. 2, вар. № 5, 6, 7, 8, 9). Физически это объясняется тем, что при уменьшении фактической степени сжатия еф и неизменном значении величины ег происходит уменьшение затрат энергии на работу сжатия, обуславливающее увеличение среднего индикаторного давления p и индикаторного к.п.д. ц. Эффективным способом увеличения мощ-ностных свойств газового двигателя является охлаждение воздушного заряда на впуске. В исследованном варианте № 9 (табл. 2) за счет охлаждения воздуха среднее индикаторное давление увеличилось более чем на 25 % при снижении температуры заряда на 80К. При этом несколько возросла и экономичность цикла: величина индикаторного к.п.д. увеличилась на 3 %. Физически это объясняется тем, что с уменьшением температуры увеличивается плотность воздуха, возрастает массовое наполнения цилиндров свежим зарядом. Рабочий процесс газового двигателя с параметрами, соответствующими варианту № 9 (табл. 2), но при условии обеспечения охлаждения рабочего тела, является лучшим из всех исследованных вариантов. Важно отметить, что организация рабочего процесса по данному варианту по всем эффективным показателям существенно превосходит вариант серийного газового двигателя типа КАМАЗ-820.74-300. Заключение Таким образом, в результате выполненных исследований предложен алгоритм расчетно-экспериментальной доводки рабочего процесса газового двигателя, основанный на использовании фактических данных его детонационной стойкости. Разработана программа расчета рабочего процесса газового двигателя, работающего по циклу Миллера, и найдены значения параметров цикла, обеспечивающие его высокую эффективность. На основе выполненных расчетов предложен вариант улучшения то-пливно-экономических и энергетических показателей серийного газового двигателя, разработанного на базе семейства дизелей КАМАЗ.

About the authors

V. M FOMIN

Moscow Polytechnic University

Email: mixalichDM@mail.ru. gusarov@info-mir.net
DSc in Engineering

V. V GUSAROV

Moscow Polytechnic University

Email: mixalichDM@mail.ru. gusarov@info-mir.net

A. P LATYSHEV

Moscow Polytechnic University

Email: mixalichDM@mail.ru. gusarov@info-mir.net

References

Supplementary files