Adjustment characteristics of the diesel engine operating on natural gas

Full Text

Введение Одной из ключевых задач любого товаропроизводителя в настоящее время является снижение себестоимости продукции. Значительную долю себестоимости у сельскохозяйственных производителей составляют затраты на топливо для автотракторного парка. Затраты на топливо можно снизить путем выбора более дешевого, альтернативного топлива. К числу перспективных альтернативных топлив относится природный газ. Его привлекательность неоспорима. Природный газ обладает очень низкой стоимостью (менее 50 % стоимости бензина или дизельного топлива). Данным видом природного ресурса очень богата Россия, трубопроводная сеть природного газа распространена повсеместно. Небольшие сложности возникают только с заправкой и хранением природного газа на автотракторном средстве, но с ними вполне можно мириться. В сельском хозяйстве наиболее распространены мобильные средства с дизелями в качестве источника энергии. Несмотря на большое количество проведенных работ по переводу дизелей на природный газ до сих пор остается недостаточно изученым вопрос перевода высокофорсированных дизелей малой размерности [1]. При конвертации дизеля для работы на природном газе (ПГ) необходимо решить несколько вопросов. Прежде всего нужно отметить, что на одном ПГ дизель без конструкционных изменений работать не может. Принцип работы дизеля заключается в том, что в цилиндр впрыскивается топливо, самовоспламеняющееся от находящегося там воздуха, нагретого до высокой температуры (400…500 °С) в результате сжатия. Дизельное топливо (ДТ) самовоспламеняется при 230 °С, а ПГ - при 650 °С, т.е. температура воздуха, сжатого в цилиндре дизеля, недостаточна для самовоспламенения ПГ. Тем не менее, существуют два способа перевода дизельного двигателя на ПГ - переделка дизеля в газовый двигатель и в газодизель. Переделка в газодизель более привлекательна. При данном способе перевода нет необходимости вносить существенные изменения в конструкцию дизеля. Таким способом можно модернизировать уже находящиеся в эксплуатации дизели. Цель исследования Целью исследования является разработка рекомендаций по модернизации уже находящегося в эксплуатации дизеля с целью преобразования его в газодизель. Методы исследования На кафедре тепловых двигателей, автомобилей и тракторов Вятской ГСХА проведены исследования по переводу дизеля на ПГ. Объектом исследований выбран дизель Д-245.7 (размерность 4ЧН11/12,5) с турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. Данный дизель широко распространен в сельском хозяйстве. При реализации газодизельного процесса на данном дизеле ПГ подается во впускной трубопровод перед турбокомпрессором через газовый смеситель-дозатор, запальная порция ДТ подается через штатную топливную систему [2]. Экспериментальная установка включала в себя электротормозной стенд SAK-N 670, измерительную аппаратуру для снятия эффективных показателей (рис. 1). Для индицирования процесса сгорания использовался индикатор МАИ5А, датчик давления которого устанавливался на головке блока цилиндров и соединялся каналом с камерой сгорания первого цилиндра. Результаты и обсуждение В соответствии с методикой исследований [3] одним из этапов было снятие регулировочных характеристик. Одним из параметров, подвергаемых оптимизации, был угол опережения впрыскивания запального дизельного топлива. При снятии регулировочных характеристик были определены эффективные показатели дизеля, показатели процесса сгорания, характеристики тепловыделения. Эффективные показатели На рис. 2 представлены графики мощностных и экономических показателей дизеля при разных углах опережения впрыскивания топлива при работе на ДТ и ПГ на частотах вращения коленчатого вала 2400 мин-1 (номинальный скоростной режим) и 1700 мин-1 (режим максимального крутящего момента). На рисунке обозначены: Ne - эффективная мощность, Gт, ge - часовой и удельный расход топлива на дизельном процессе, Gт Σ, ge Σ - часовой и удельный суммарный расход ДТ и ПГ на газодизельном процессе, Θвпр - угол опережения впрыскивания дизельного топлива. Для построения данной регулировочной характеристики были сняты и обработаны нескольких нагрузочных характеристик на различных углов опережения впрыскивания топлива (УОВТ). При этом из нагрузочных характеристик взяты точки Ne, ge и geΣ с одинаковыми значениями часового расхода топлива GТ [4]. Регулировочная характеристика строилась для определения оптимального УОВТ исходя из достижения минимальной величины удельного расхода топлива. Анализируя графики дизельного процесса на номинальной частоте вращения коленчатого вала (n = 2400 мин-1), можно сделать вывод, что максимальная мощность Ne = 90,0 кВт при постоянном значении часового расхода ДТ GТ = 21 кг/ч достигается при угле опережения впрыскивания дизельного топлива Θвпр д = 9º. При этом значение удельного расхода ДТ составляет ge = 227 г/кВт·ч. При установке более позднего УОВТ Θвпр д = 7º происходит снижение эффективной мощности до значения Ne = 88,3 кВт и увеличение удельного расхода ДТ до ge = 232 г/кВт·ч. При установке более раннего УОВТ Θвпр д = 11º эффективная мощность также снижается до значения Ne = 88,3 кВт, а удельный расход ДТ увеличивается до ge = 232 г/кВт·ч. Анализируя графики газодизельного процесса на номинальной частоте вращения коленчатого вала, можно сказать, что максимальная мощность Ne = 90,0 кВт при постоянном суммарном часовом расходе ДТ и ПГ GТ Σ = 18,8 кг/ч достигается при установке угла опережения впрыскивания запального дизельного топлива Θвпр гд = 7º. Значение удельного суммарного расхода топлива в этом случае составляет ge Σ = 208 г/кВт·ч. При установке более позднего УОВТ Θвпр гд = 5º происходит снижение эффективной мощности до значения Ne = 86,0 кВт и увеличение удельного расхода до geΣ = 218 г/кВт·ч. При установке более раннего УОВТ Θвпр гд = 9º эффективная мощность снижается до значения Ne = 88,0 кВт, а удельный расход увеличивается до ge Σ = 210 г/кВт·ч. Снижение величин часового и удельного расхода топлива на газодизельном процессе по сравнению с дизельным процессом объясняется большей теплотой сгорания единицы массы ПГ. Если рассматривать графики работы дизеля на режиме максимального крутящего момента (n = 1700 мин-1), то можно видеть, что, как и для номинальной частоты вращения, максимальная мощность и минимальный удельный расход достигается на дизельном процессе при УОВТ Θвпр д = 9º, на газодизельном процессе - при УОВТ Θвпр гд = 7º. Таким образом, анализируя изменение эффективных показателей при разных УОВТ, можно отметить, что если исходить из условия достижения минимального удельного расхода топлива ge, то при работе на дизельном процессе на всех скоростных режимах оптимальным будет УОВТ Θвпр д = 9º, а при работе на газодизельном процессе - Θвпр гд = 7º. Здесь также нужно отметить, что изменение УОВТ достаточно сильно сказывается на работе дизеля. При работе на ранних УОВТ значительно увеличивается «жесткость» работы дизеля, что сопровождается стуками в цилиндро-поршневой группе. При работе на поздних УОВТ происходит быстрое повышение температуры охлаждающей жидкости, что может привести к перегреву дизеля. Показатели процесса сгорания При переводе дизеля на ПГ было также проведено индицирование и были получены индикаторные диаграммы при разных УОВТ [5]. На рис. 3, а представлены совмещенные индикаторные диаграммы дизельного процесса при УОВТ Θвпр д = 7º, 9º, 11º при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя n = 2400 мин-1 и среднем эффективном давлении ре = 0,947 МПа. Как видно из графиков, при более позднем впрыскивании ДТ падает максимальное давление цикла pz max, и весь процесс сгорания сдвигается на линию расширения. Если при оптимальном значении установочного УОВТ (Θвпр д = 9º) максимальное значение давления газов равно pz max = 13,8 МПа и достигается при угле ϕz = 6,5º поворота коленчатого вала (п.к.в.) после верхней мертвой точки (ВМТ), то при большем значении Θвпр д = 11º давление газов в цилиндре возрастает до pz max = 14,0 МПа и достигается при угле ϕz = 6,3º п.к.в. после ВМТ. При меньшем значении Θвпр д = 7º давление газов в цилиндре понижается до pz max = 13,0 МПа и достигается при угле ϕz = 8,2º п.к.в. после ВМТ. Точки, соответствующие началу видимого сгорания на индикаторных диаграммах, снятых для углов опережения впрыскивания ДТ Θвпр д = 7º, 9º, 11º, лежат на линии сжатия при значениях углов ϕс = 1,0º п.к.в. после ВМТ и ϕс = 0º, 1,5º п.к.в. до ВМТ, соответственно. Период задержки воспламенения соответственно составляет ϕi = 8,0º, 9,0º, 9,5º. На рис. 3, б представлены совмещенные индикаторные диаграммы газодизельного процесса при углах опережения впрыскивания запального ДТ Θвпр гд = 5º, 7º, 9º при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя n = 2400 мин-1 и среднем эффективном давлении ре = 0,947 МПа. Как и при работе дизеля на ДТ, при более позднем впрыскивании снижается максимальное давление цикла pz max. Особенностью индикаторных диаграмм при УОВТ Θвпр гд = 5º и 7º является наличие после ВМТ небольшого участка до точки, соответствующей максимальному давлению сгорания pz max, где текущее значение индикаторного давления уменьшается. Таким образом, характер изменения давления газов на индикаторных диаграммах при переходе с дизельного на газодизельный процесс сохраняется. Во всех случаях увеличения УОВТ повышается значение максимального давления сгорания pz max, и точка его достижения смещается по индикаторной диаграмме влево, ближе к ВМТ. На дизельном процессе при ранних УОВТ из-за низкой температуры, давления, малой турбулизации в цилиндре происходит задержка самовоспламенения запального дизельного топлива. При этом увеличивается время прогрева, испарения капель. Образование начальных радикалов химических реакций происходит медленно. Период задержки воспламенения увеличивается, что в условиях всё продолжающегося впрыскивания приводит к накоплению в цилиндре большого количества топлива. После достижения в цилиндре критической температуры происходит самовоспламенение, все топливо резко начинает сгорать. Скорость нарастания давления значительно повышается, большая доля топлива сгорает до ВМТ. Это приводит к повышению максимального давления цикла pz max, точка достижения максимального давления смещается влево, ближе к ВМТ, работа сжатия увеличивается, работа расширения уменьшается. Индикаторные показатели рабочего процесса ухудшаются, возрастают нагрузки на цилиндро-поршневую группу. При работе по дизельному процессу на поздних УОВТ топливо впрыскивается в воздушный заряд, характеризующийся высокими значениями давления и температуры. В таких условиях происходит увеличение скорости предпламенных реакций, при этом уменьшается период задержки воспламенения. Однако момент начала видимого горения вследствие позднего впрыскивания смещается по индикаторной диаграмме вправо. Большая часть топлива сгорает после прохождения поршнем ВМТ, что приводит к уменьшению максимального давления цикла pz max. Большая доля выделившейся при горении теплоты отдается в стенки цилиндра на бесполезный нагрев системы охлаждения. Полезная работа цикла уменьшается, расход топлива возрастает. На газодизельном процесе механизм воспламенение топлива имеет несколько особенностей. Метано-воздушная смесь (МВС), находящаяся в цилиндре дизеля, не может никаким образом самовоспламениться из-за слишком низкой температуры в конце сжатия. Для её воспламенения используется небольшая запальная порция ДТ. В цилиндре дизеля, при данных условиях, ДТ хорошо самовоспламеняется и становится мощным источником воспламенения МВС. Таким образом, на воспламенение МВС в большей степени влияет наличие горящего факела ДТ, а не температура и давление в цилиндре. Так как воспламенение МВС связано с самовоспламенением запальной порции ДТ, то можно заключить, что основные закономерности изменения индикаторной диаграммы на газодизельном процессе аналогичны дизельному. На рис. 4 представлены графики показателей процесса сгорания при различных УОВТ на режиме номинальной мощности. Сравнивая графики дизельного (работа на ДТ) и газодизельного процессов (работа на ПГ), можно отметить, что значения показателей процесса сгорания при работе на ПГ увеличиваются, по сравнению с работой на ДТ. Максимальная осреднённая температура газов в цилиндре Tmax при работе на ПГ существенно больше, чем при работе на ДТ. При УОВТ Θвпр = 7º при переходе на ПГ температура Tmax увеличивается с 1940 до 2350 К, при Θвпр = 9º температура Tmax увеличивается с 2020 до 2420 К. Максимальное давление сгорания pz max при работе на ПГ больше. При Θвпр = 7º давление pz max увеличивается с 13,0 до 14,6 МПа, при Θвпр = 9º давление pz max увеличивается с 13,8 до 15,4 МПа. При Θвпр = 7º степень повышения давления λ при переходе на ПГ увеличивается с 1,55 до 1,85, при Θвпр = 9º значение λ увеличивается с 1,60 до 1,92. Значение скорости нарастания давления (dp/dj)max при работе на ПГ значительно больше, чем при работе на ДТ. При Θвпр = 7º при переходе с ДТ на ПГ значение (dp/dj)max увеличивается с 0,68 до 0,93 МПа/град, при Θвпр = 9º значение (dp/dj)max увеличивается с 0,78 до 1,08 МПа/град. Величина угла задержки воспламенения φi при Θвпр = 7º увеличивается с 8,0º поворота коленчатого вала (п.к.в.) до 9,5º п.к.в. При Θвпр = 9º углы φi при работе дизеля на ПГ и на ДТ равны и составляют φi = 9,0º п.к.в. Повышение давления, температуры газов в цилиндре на газодизельном процессе объясняется более быстрым горением природного газа. Превалирует объемный механизм воспламенения. На рис. 5 представлены графики характеристик тепловыделения при различных УОВТ на режиме номинальной мощности. Сравнивая работу дизеля на ДТ и на ПГ, можно отметить, что значения характеристик тепловыделения при работе на ПГ увеличиваются, по сравнению с работой на ДТ. Угол поворота коленчатого вала, соответствующий достижению в цилиндре максимальной температуры φT max при работе на ПГ больше, чем при работе на ДТ. При УОВТ Θвпр = 7º при переходе с ДТ на ПГ значение φT max увеличивается с 9,5º п.к.в. после ВМТ до 10,5º п.к.в. после ВМТ, при УОВТ Θвпр = 9º значение φT max увеличивается с 8,0º п.к.в. после ВМТ до 9,5º п.к.в. после ВМТ. Величина активного тепловыделения для момента достижения в цилиндре максимального давления χi Рz max при работе на ПГ больше. При Θвпр = 7º значение χi Рz max увеличивается с 0,59 до 0,71, при Θвпр = 9º значение χi Рz max увеличивается с 0,63 до 0,76. Значение активного тепловыделения для момента достижения в цилиндре максимальной температуры χi Tmax при работе на ПГ больше. Так, при Θвпр = 7º значение χi Tmax увеличивается с 0,66 до 0,80, при Θвпр = 9º значение χi Tmax увеличивается с 0,70 до 0,82. Величина скорости относительного тепловыделения (dχ/dφ)max при работе на ПГ также больше, чем при работе на ДТ. При Θвпр = 7º значение (dχ/dφ)max увеличивается с 0,14 до 0,155, при Θвпр = 9º значение (dχ/dφ)max увеличивается с 0,15 до 0,165. Анализируя значения показателей, можно сказать, что на газодизельном процессе большая часть топлива расходуется в начальные фазы сгорания, до момента достижения в цилиндре максимальных значений давления и температуры. В результате исследований, исходя из всех условий, окончательно были выбраны следующие оптимальные углы опережения впрыскивания топлива: для дизельного процесса Θвпр д = 9º, для газодизельного процесса Θвпр гд = 7º. Показатели работы для обоих процессов представлены в сравнении в табл. 1. Выводы Из представленного материала можно сделать следующие выводы. 1. При работе дизеля по газодизельному процессу показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения изменяются по сравнению с дизельным процессом. В частности, возрастают максимальное давление, максимальная температура, скорость нарастания давления процесса сгорания. Значения показателей при этом не выходят за допустимые границы, рекомендованные заводом-изготовителем дизеля. 2. Мощностные параметры на газодизельном процессе сохраняются на уровне дизельного процесса. 3. При работе на газодизельном процессе для достижения минимальной экономичности и снижения «жесткости» процесса сгорания необходимо уменьшить угол опережения впрыскивания дизельного топлива. Литература

About the authors

V. A Likhanov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: lv99@mail.ru
DSc in Engineering

A. V Grebnev

Vyatka State Agricultural Academy

Email: lv99@mail.ru
PhD in Engineering

M. L Skryabin

Vyatka State Agricultural Academy

Email: lv99@mail.ru
PhD in Engineering

A. E Toropov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: lv99@mail.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files