Load characteristics of a vehicle diesel engine using natural gas as a fuel

Full Text

Введение В настоящее время увеличение стоимости дизельного топлива и бензина, ограниченность запасов нефти повышают актуальность работ по переводу автотранспорта на альтернативные виды топлива. Одним из таких топлив является природный газ. Стоимость природного газа на автомобильных заправках в настоящее время составляет менее 50 % стоимости бензина или дизельного топлива. Это при том, что расход природного газа получается сопоставимым. В народном хозяйстве наиболее распространен грузовой и пассажирский автотранспорт с дизелями в качестве силовой установки. Перевод дизеля на питание природным газом проще всего осуществить по газодизельному процессу. Преимуществом такого способа перевода является возможность его применения для уже находящихся в эксплуатации дизелей при незначительной их модернизации, не затрагивающей существенного изменения конструкции. Конструкция дизелей постоянно совершенствуется, степень форсирования увеличивается, удельная мощность возрастает. На автотранспорте все больше используются дизели, оснащенные системами наддува и промежуточного охлаждения воздуха на впуске. Перевод таких дизелей на природный газ уже частично исследован. Однако все еще остается не достаточно изученным вопрос перевода на природный газ высокофорсированных дизелей малой размерности. Цель исследования Анализ процессов, характеризующих перевод высокофорсированных дизелей малой размерности на питание природным газом. Материалы и методы В научно-исследовательской лаборатории Вятской ГСХА проведены работы по переводу автомобильного дизеля на природный газ в рамках общей темы «Улучшение эксплуатационных показателей дизелей путем применения альтернативных топлив». Объектом исследования был выбран дизель Д-245.7 (4ЧН 11,0/12,5), устанавливаемый на автомобили ГАЗ-3307, автобусы ПАЗ-3205. Данный дизель - с турбонаддувом и промежуточным охлаждением воздуха на впуске. Газодизельный процесс на этом двигателе был реализован следующим образом. Природный газ подавался во впускной патрубок двигателя через дополнительно установленный смеситель-дозатор, запальное дизельное топливо подавалось штатными топливными форсунками. Нагрузочный режим двигателя изменялся количеством подаваемого природного газа, цикловое количество впрыскиваемого запального дизельного топлива на всех режимах работы оставалось неизменным [1, 2]. Экспериментальная установка (рис. 1) была оснащена комплектом приборов и оборудования, позволяющим определять мощностные, экономические, экологические показатели дизеля. Индикаторные диаграммы рабочего процесса снимались прибором МАИ-5А. Нагрузочный момент на коленчатом валу создавался электротормозным стендом SAK-N670. Рис. 1. Экспериментальная установка Результаты и обсуждение При проведении исследований одним из этапов было снятие нагрузочных характеристик. При снятии нагрузочных характеристик были определены показатели процесса сгорания, характеристики тепловыделения, эффективные показатели дизеля. Показатели процесса сгорания На рис. 2, а представлены совмещенные графики показателей процесса сгорания при номинальной частоте вращения (n = 2400 мин-1) в зависимости от изменения нагрузки для двух рабочих процессов. Первый процесс - дизельный, работа только на дизельном топливе. Второй процесс - газодизельный, работа на природном газе с подачей запальной порции дизельного топлива. Показатели процесса сгорания определялись при обработке индикаторных диаграмм [3]. На графиках представлены: максимальная осредненная температура газов в цилиндре Tmax; максимальное давление сгорания pz max; степень повышения давления λ; максимальная скорость увеличения давления газов (dp/dj)max; период задержки воспламенения φi; среднее эффективное давление pе. Анализируя показатели газодизельного процесса, можно отметить следующее. Значения максимальной температуры газов Tmax газодизельного процесса лежат выше значений дизельного. Так, на малой нагрузке (pе = 0,126 МПа) величина Tmax составляет 1680 К (увеличение на 28 %), на номинальной нагрузке (pе = 0,947 МПа) величина Tmax составляет 2350 К (увеличение на 16 %). Максимальное давление сгорания pz max при pе = 0,126 МПа составляет 8,9 МПа (на 9 % ниже дизельного процесса), а при pе = 0,947 МПа составляет 14,6 МПа (на 6 % выше). Величина степени повышения давления λ в интервале нагрузок от pе = 0,126 МПа до pе = 0,947 МПа у газодизельного процесса соответственно изменяется от 1,55 до 1,85. Величина (dp/dj)max изменяется от 0,44 до 0,93 МПа/градус поворота коленчатого вала (п.к.в.). Период задержки воспламенения изменяется от 10,8 до 9,5 градусов п.к.в. Причиной отличия графиков газодизельного процесса от графиков дизельного является объемный механизм воспламенения и сгорания природного газа. Существенное повышение показателей наблюдается в основном на режиме больших нагрузок, когда доля природного газа в суммарном количестве подаваемого в цилиндр топлива становится значительной. Также необходимо отметить, что достигаемые значения температуры Tmax и давления газов в цилиндре pz max при газодизельном процессе лежат ниже максимальных значений допустимых для двигателей внутреннего сгорания. То есть повышение температуры и давления в цилиндре не должно отразиться на ресурсе двигателя. Величина (dp/dj)max газодизельного процесса также не превышает установленного заводом-изготовителем максимального допустимого значения в 1,0 МПа/град. Характеристики тепловыделения На рис. 2, б представлены характеристики тепловыделения дизельного и газодизельного процессов. Данные характеристики рассчитаны на основании полученных индикаторных диаграмм и показателей процесса сгорания в соответствии с методикой ЦНИДИ. На графиках представлены: угол поворота коленчатого вала относительно верхней мертвой точки в момент достижения в цилиндре максимальной температуры ϕTmax; активное выделение теплоты в момент достижения в цилиндре максимального давления сгорания χi Рz max; активное выделение теплоты в момент достижения максимальной температуры χi Tmax; максимальная скорость относительного тепловыделения (dχ/dϕ)max. Как видно из рисунка, графики газодизельного процесса отличаются от графиков дизельного процесса. В интервале нагрузок от pе = 0,126 МПа до pе = 0,947 МПа угол φT max на газодизельном процессе изменяется, соответственно, от 12,5 до 10,5 градуса п.к.в. Величина χi Pz max изменяется от 0,38 до 0,71 относительных единиц. Величина χi Tmax изменяется от 0,45 до 0,8 относительных единиц. Величина (dχ/dφ)max изменяется от 0,177 до 0,155 относительных единиц на градус п.к.в. Происходящее с ростом нагрузки увеличение значений χi Рz max и χi Tmax, характерное как для дизельного, так и для газодизельного процессов, объясняется интенсификацией процесса сгорания, происходящей вследствие повышения температуры и давления на впуске у двигателя турбонаддувом. Значения характеристик тепловыделения газодизельного процесса больше значений дизельного по причине перехода к объемному механизму воспламенения и сгорания. На газодизельном процессе большая часть топлива расходуется в начальные фазы процесса сгорания в цилиндре [4]. Эффективные показатели На рис. 3 представлены эффективные показатели дизельного и газодизельного процессов [5]. На графиках представлены: эффективная мощность двигателя Ne; часовой и удельный расходы дизельного топлива на дизельном процессе GТ и ge, соответственно; часовой и удельный суммарные расходы дизельного топлива и природного газа на газодизельном процессе GТ Σ и ge Σ, соответственно; часовой расход запального дизельного топлива на газодизельном процессе GТ зап; эффективный КПД ηе; часовой расход воздуха GВ; коэффициент наполнения ηv; коэффициент избытка воздуха α; температура отработавших газов tг; давление наддува РК; температуры во впускном трубопроводе на выходе из турбокомпрессора tН и на выходе из охладителя наддувочного воздуха tохл. Анализируя графики, можно сказать, что мощностные показатели газодизельного процесса полностью соответствуют дизельному. Для обоих процессов эффективная мощность Ne с ростом нагрузки пропорционально увеличивается от значения 12 кВт при pе = 0,126 МПа до 90 кВт при pе = 0,947 МПа. В интервале нагрузок от pе = 0,126 МПа до pе = 0,947 МПа часовой суммарный расход дизельного топлива и природного газа GТ Σ на газодизельном процессе изменяется, соответственно, от 9,6 до 18,8 кг/ч. Расход запального дизельного топлива GТ зап на газодизельном процессе является постоянным во всем диапазоне нагрузки и составляет 3,6 кг/ч. Таким образом, легко определить, что при переходе с дизельного на газодизельный процесс экономия дизельного топлива (за счет замещения его природным газом) будет достигать от 47 до 83 %. Удельный суммарный расход топлива ge Σ при pе = 0,3 МПа составляет 430 г/(кВт·ч), при pе = 0,947 МПа составляет 208 г/(кВт·ч). Из графиков видно, что расход топлива на газодизельном процессе на малой и средней нагрузке больше, чем на дизельном, а на номинальной нагрузке - меньше. Меньшее значение расхода топлива на номинальной нагрузке объясняется только тем, что природный газ имеет бо́льшую теплотворную способность единицы массы, чем дизельное топливо. Но в целом использование теплотворной способности топлива на газодизельном процессе в двигателе со стандартными параметрами камеры сгорания происходит менее эффективно. Как видно из рисунка, график эффективного КПД ηе газодизельного процесса лежит ниже дизельного. Значения эффективного КПД газодизельного процесса составляют от 0,102 до 0,363. На газодизельном процессе в интервале изменения нагрузки от pе = 0,126 МПа до pе = 0,947 МПа часовой расход воздуха GВ изменяется от 455 до 533 кг/ч. По сравнению с дизельным процессом часовой расход воздуха снижается вследствие замещения части воздуха во впускном трубопроводе природным газом. Снижение расхода воздуха в свою очередь приводит к снижению коэффициента наполнения ηv и коэффициента избытка воздуха α. На газодизельном процессе на всем диапазоне нагрузок величина ηv составляет около 0,91. Величина α изменяется от 3,03 до 1,69. При переходе на газодизельный процесс снижается температура отработавших газов tг (после турбокомпрессора). Ее значения составляют от 181 ºС (при pе = 0,126 МПа) до 367 ºС (при pе = 0,947 МПа). Давление и температура в точках впускного тракта при переходе с дизельного процесса на газодизельный практически не изменяются. Величина давления наддува РК составляет от 0,138 до 0,172 МПа. Температура во впускном трубопроводе на выходе из турбокомпрессора tН составляет от 81 до 119 °С. Температура на выходе из охладителя наддувочного воздуха tохл составляет от 47 до 68 °С. Результаты стендовых испытаний обобщены в таблице. Выводы Из представленного материала можно сделать следующие выводы: 1) адаптация серийного дизеля для работы по газодизельному процессу не требует значительной переделки его конструкции и заключается в основном только в установке на впускной патрубок газового смесителя-дозатора и перенастройке штатного ТНВД; 2) при работе дизеля по газодизельному процессу давление и температура в цилиндрах повышаются по сравнению с дизельным процессом, однако значения показателей не превышают предельных допустимых значений, установленных заводом-изготовителем, т.е. можно сказать, что ресурс двигателя сохраняется; 3) мощность двигателя на газодизельном процессе полностью соответствует дизельному процессу; 4) при работе двигателя по газодизельному процессу достигается значительное снижение расхода дизельного топлива за счет замещения природным газом, немного снижается эффективный КПД двигателя. а б Рис. 2. Показатели процесса сгорания (а) и характеристики тепловыделения (б) дизеля Д-245.7 при n = 2400 мин-1: -- - дизельный процесс; - - - - газодизельный процесс Рис. 3. Эффективные показатели дизеля Д-245.7 при n = 2400 мин-1: -- - дизельный процесс; - - - - газодизельный процесс Таблица Показатели работы дизеля Д-٢٤٥.٧ при n = ٢٤٠٠ мин-١ Наименование показателя Режим работы дизельный процесс газодизельный процесс pе = 0,126 МПа pе = 0,947 МПа pе = 0,126 МПа pе = 0,947 МПа Максимальная температура газов в цилиндре, К 1310 2020 1680 2350 Максимальное давление в цилиндре, МПа 9,8 13,8 8,9 14,6 Степень повышения давления 1,58 1,60 1,55 1,85 Максимальная скорость нарастания давления, МПа/градус 0,55 0,78 0,44 0,93 Период задержки воспламенения, градусов поворота коленчатого вала 11,2 9,0 10,8 9,5 Эффективная мощность, кВт 12 90 12 90 Часовой расход топлива, кг/ч 6,8 21,0 9,6 18,8 Эффективный КПД 0,162 0,380 0,102 0,363 Часовой расход воздуха, кг/ч 455 591 455 533 Коэффициент избытка воздуха 4,86 2,0 3,03 1,69 Температура отработавших газов, ºС 197 430 181 367 а б Рис. 2. Показатели процесса сгорания (а) и характеристики тепловыделения (б) дизеля Д-245.7 при n = 2400 мин-1: -- - дизельный процесс; - - - - газодизельный процесс Рис. 3. Эффективные показатели дизеля Д-245.7 при n = 2400 мин-1: -- - дизельный процесс; - - - - газодизельный процесс Таблица Показатели работы дизеля Д-٢٤٥.٧ при n = ٢٤٠٠ мин-١ Наименование показателя Режим работы дизельный процесс газодизельный процесс pе = 0,126 МПа pе = 0,947 МПа pе = 0,126 МПа pе = 0,947 МПа Максимальная температура газов в цилиндре, К 1310 2020 1680 2350 Максимальное давление в цилиндре, МПа 9,8 13,8 8,9 14,6 Степень повышения давления 1,58 1,60 1,55 1,85 Максимальная скорость нарастания давления, МПа/градус 0,55 0,78 0,44 0,93 Период задержки воспламенения, градусов поворота коленчатого вала 11,2 9,0 10,8 9,5 Эффективная мощность, кВт 12 90 12 90 Часовой расход топлива, кг/ч 6,8 21,0 9,6 18,8 Эффективный КПД 0,162 0,380 0,102 0,363 Часовой расход воздуха, кг/ч 455 591 455 533 Коэффициент избытка воздуха 4,86 2,0 3,03 1,69 Температура отработавших газов, ºС 197 430 181 367

About the authors

V. A Lihanov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: lv99@mail.ru
DSc in Engineering Kirov, Russia

M. L Skryabin

Vyatka State Agricultural Academy

Email: lv99@mail.ru
PhD in Engineering Kirov, Russia

A. V Grebnev

Vyatka State Agricultural Academy

Email: lv99@mail.ru
PhD in Engineering Kirov, Russia

References

Supplementary files