The automobile and tractor diesel engine, adapted to work on the liquefied hydrocarbon gas on the gas-diesel process

Full Text

Введение Начиная с 90-х годов 20 века количество загрязняющих веществ, попадающих в окружающую среду от дизельных автотракторных двигателей неумолимо растет. Загрязняются почвенные покровы, атмосфера, гидросфера, происходит аккумуляция загрязняющих элементов в биосфере. Использование сжиженного природного газа в качестве альтернативного топлива помогает устранить ряд недостатков, связанных с составом газа-воздушной смеси. Первостепенной задачей является разработка средств и методов снижения загрязнения окружающей среды, а именно исследований в области альтернативного топлива с минимальными вредными выбросами в окружающую среду, увеличение доступности данной технологии путем снижения стоимости адаптации топливной аппаратуры дизельных двигателей. Сжиженный углеводородный газ - это пропан-бутановая смесь, которую заправляют в бытовые газовые баллоны. Она же составляет основную долю газа, который сгорает в факелах нефтедобывающих и перерабатывающих предприятий. Пропорциональный состав топливной пропан-бутановой смеси может различаться по температурным свойствам получаемого горючего. Чистый бутан (С4Н10) переходит в жидкое состояние уже при 0,5°С при атмосферном давлении. Поэтому к нему добавляют пропан (С2Н8) с температурой кипения - 43°С. Соотношение этих газов в смеси задает нижний температурный предел применения топлива, которое по этой же самой причине бывает «летним» и «зимним». Система распределенного впрыска газодизеля предназначена для переоборудования дизельных двигателей для работы в режиме двойного топлива - дизель-газ. При этом дизельное топливо используется как запальная доза для воспламенения смеси ввиду отсутствия на дизельных двигателях искровой системы зажигания [1, 2]. Основной целью данных исследований является обоснование параметров автотракторного дизельного двигателя, работающего по газодизельному процессу с воспламенением от запальной дозы. Замещающим дизельное топливо является сжиженный углеводородный газ (СУГ). Испытания проводились на всех режимах работы двигателя, включая режим максимального крутящего момента с определением состава загрязняющих выбросов в отработавших газах. Режим максимального крутящего момента является самым важным, так как расход топлива при этом имеет максимальное значение, как на максимальной мощности, но частота вращения имеет малые значения, а соответственно угол подачи дизельного топлива остается тем же. Дизельное топливо в большом количестве впрыскивается слишком рано. Поэтому для воспламенения большого количества топлива необходима высокая компрессия, что не обеспечивает данный двигатель. В связи с этим догорание происходит во выпускном коллекторе, что сопровождается повышением температуры выпускных газов на выходе из камеры сгорания. Соответственно применение СУГ в газодизельном режиме исключает возможность неполного сгорания топливно-воздушной смеси, что улучшает экологические показатели двигателя по вредным выбросам [3]. Цель исследования Целью исследования является автотракторный дизельный двигатель, адаптированный к работе на сжиженном углеводородном газе по газодизельному процессу. Основная часть Система распределенной подачи газа по цилиндрам обеспечивает в газодизельном режиме регулирование подачи газа для работы двигателя по внешней и частичным регуляторным характеристикам с одновременным обеспечением подачи запальной дозы дизельного топлива. В дизельном режиме она регулирует подачу топлива как всережимный центробежный регулятор топливного насоса высокого давления (ТНВД). На рис. 1 показана принципиальная схема системы адаптации дизельного двигателя к работе на двухтопливном режиме. Одно из главных преимуществ дизельного двигателя, работающего на смешанном топливе, состоит в отсутствии необходимости внесения существенных изменений в конструкцию топливной системы двигателя. Кроме этого, после полного расхода запаса газа агрегат моментально переводится обратно на дизельное топливо и начинает работать в классическом режиме [4]. Рис. 1. Принципиальная схема системы адаптации серийного дизельного двигателя к работе на СУГ Наилучшие экономические показатели достигаются при использовании в виде замещающего топлива газа пропана. Максимальный процент замещения при использовании пропана составляет 80%, средний процент замещения - 70%. Высокий процент замещения и высокая эффективность работы достигаются за счет использования комбинированной технологии. Расход газа и дизельного топлива, а также процентное замещение представлены в табл. 1. В комплексе с системой подачи газа разработана система рециркуляции выпускных газов, обеспечивающая автоматически регулируемый перепуск отработавших газов из выпускного коллектора во впускной. Система позволяет избежать появления детонационного сгорания газо-воздушной смеси от воспламенения запальной дозы дизельного топлива при высоких и номинальных нагрузках двигателя. Таблица 1 Параметры подачи газа, обеспечивающие бездетонационную работу двигателя Частота вращения, мин-1 Нагрузка, % Запальная доза, % Угол начала впрыска, град. Угол впрыска, град. Открытие заслонки рециркуляции, % 800…1000 0-5 15 28 40 10 Более 5 17 28 45 15 1000…1200 0…15 15 28 45 20 Более 15 19 28 50 25 1200…1400 0…25 20 28 50 20 Более25 21 29 60 30 1400…1600 0…35 21 29 60 30 Более 35 23 29 70 100 1600…1800 0…50 23 30 80 50 Более 50 25 31 90 100 1800…2000 0…70 25 32 110 80 Более 70 28 32 130 100 1800…2200 0…85 28 32 140 100 Более 85 29 32 180 100 2200…2400 0…85 29 32 110 100 Более 85 30 32 180 100 1100…1600 Мкр мах. 35 32 180 100 На диаграмме (рис. 2) показаны кривые изменения частоты вращения двигателя от мощности, изменения топливоподачи дизельного топлива и газа в отдельности, а также изменения расхода топлива. Благодаря оригинальному алгоритму в каждый момент времени работы двигателя происходит мониторинг нагрузки и частоты вращения двигателя и данных, поступающих с собственных датчиков. После обработки этих данных блок управления газодизеля выдает управляющие сигналы на форсунки газового впрыска, обеспечивая подачу газа в двигатель и на шаговый двигатель/электронный блок, ограничивающий подачу дизельного топлива. Таким образом, поддерживается оптимальный топливный баланс, что в разы увеличивает эффективность работы по сравнению с аналогами, использующими жесткие ограничения ТНВД в комбинации с эжекторной системой подачи газа. Кроме того, электронный блок управления отслеживает необходимый угол подачи газа, который при переключении на газ должен быть больше, чем для бензиновых двигателей, при прочих равных условиях. Газовое топливо горит медленнее, тем самым объем газа в газо-воздушной смеси должно быть больше для получения необходимого давления отработавших газов. По этой же причине возрастает тепловая нагрузка на клапаны и их седла, а также появляется детонация. Но газ не смывает масло со стенок цилиндров и в газовом топливе не содержится катализаторов старения металлов, проходит более полное сгорание топлива, уменьшается токсичность выхлопа и нагар в цилиндрах. С целью исключения детонации при сгорании газа в цилиндре двигателя и снижения порога ее возникновения, а также для улучшения экологических показателей установлена система рециркуляции отработавших газов, разработанная авторами. Конструкция системы рециркуляции была изменена в части расположения соединительных элементов системы охлаждения, системы впуска и выпуска для обеспечения компоновочных решений на мобильной сельскохозяйственной технике с сохранением функциональных особенностей. Система рециркуляции обеспечивает перепуск отработавших газов во впускной коллектор на режимах холостого хода и малой мощности (до 50% от номинальной мощности) в пределах 10…20%, что обеспечивает снижение выбросов вредных веществ до 50%. На режимах более 50% от номинальной мощности и корректорного режима регулятора система рециркуляции обеспечивает перепуск до 50% отработавших газов во впускной коллектор, что обеспечивает увеличение порога возникновения детонации в цилиндре двигателя [5]. Рис. 2. Диаграмма расхода топлива двигателя: 1 - частота вращения вала двигателя, мин-1; 2 - часовой расход дизельного топлива, кг/ч; 3 - расход газа, кг/ч; 4 - часовой расход топлива, кг/ч Двигатель, работающий в газодизельном режиме, обладает более совершенными экологическими характеристиками, чем двигатель, работающий на дизельном топливе. Однако степень уменьшения эмиссии экологических вредных веществ сильно зависит от режима работы двигателя и степени замещения дизельного топлива газовым. По данным Европейской ассоциации газомоторных транспортных средств при уровне замещения дизельного топлива на 50% газовым достигается падение вредных выбросов в 3 раза. Соответственно в нашем случае замещение происходит до 70% и вредные выбросы меньше в 4 раза от базовых. На диаграмме (рис. 3) показаны соотношения вредных выбросов в окружающую среду дизельного двигателя Д-243 серийного исполнения и с системой адаптации к работе на СУГ по газодизельному процессу. Рис. 3. Зависимость выбросов углекислого газа СО от мощности двигателя: 1 - СО газодизель; 2 - СО дизель; 3 - линейная (СО газодизель); 4 - линейная (СО дизель) Выводы 1. Использование альтернативных моторных топлив позволяет снизить долю затрат на топливо в выражении себестоимости производства сельскохозяйственной продукции, уменьшить негативную экологическую нагрузку от токсичных выбросов с отработавшими газами двигателей сельскохозяйственных тракторов, обеспечивают выполнение Правил ЕЭК ООН № 96, Директивы 97/68 ЕС и соответствующего отечественного стандарта ГОСТ Р.41.96. 2. СУГ обладает уникальной комбинацией коммерческих и экологических преимуществ по сравнению с другими альтернативными топливами, что обеспечило в последнее десятилетие значительное расширение его использования в качестве моторного топлива в различных странах [6]. 3. Полученные результаты являются подтверждением рациональности использования СУГ для неполного замещения дизельного топлива: газ - 70 % и дизельное топливо - 30 %. Двухтопливная система питания двигателя - система переключения с газодизельного на дизельный режим работы - обеспечивает бесперебойную работу трактора в отличие от зарубежных аналогов, не способных обеспечить работу трактора при выработке газа в баллонах.

About the authors

A. Yu Izmaylov

Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM

Academician of the Russian Academy of Sciences

G. S Savel'ev

Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM

Dr.Eng.

M. N Kochetkov

Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM

Ph.D.

E. V Ovchinnikov

Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM

Email: evo-xpro-info@yandex.ru

S. Yu Uyutov

Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM

References

Supplementary files