Speed characteristics of automobile diesel engine operating on natural gas

Full Text

Введение Стоимость топлива является весомой статьей расходов при эксплуатации автотранспорта. Большинство собственников автомобилей, стремясь повысить эффективность автомобильных перевозок, задумываются о переводе автомобилей на альтернативное топливо. Особое место среди всех альтернативных топлив занимает компримированный природный газ. Его преимущества - это низкая цена (менее 50 % стоимости бензина и дизельного топлива), достаточная распространенность, большие запасы на месторождениях страны [1]. Некоторые сложности возникают с заправкой и хранением природного газа на автомобиле, но с ними можно мириться. Среди грузового и пассажирского автотранспорта наиболее распространены автомобили с дизелями в качестве силовой установки. Если рассматривать вопрос перевода дизеля на природный газ, то можно назвать два способа: газовый двигатель и газодизель. Вариант газодизель имеет определенные преимущества. Для его реализации нет необходимости существенного изменения конструкции дизеля, достаточно только установить дополнительное оборудование. Данный способ можно применять как для проектируемых дизелей, так и для уже находящихся в эксплуатации [2]. При переводе дизеля на газодизельный процесс природный газ (ПГ) подается во впускной трубопровод через газовый смеситель (рис. 1). Количество ПГ, поступающего в смеситель, регулируется газовой заслонкой, установленной на идущем к смесителю трубопроводе. Попав в цилиндры, газ воспламеняется от запальной порции дизельного топлива (ДТ), впрыскиваемой штатной топливной системой. Пуск и прогрев дизеля осуществляется на ДТ без подачи ПГ. После прогрева подается ПГ, а запальная доза ДТ уменьшается до минимального предела, пока отсутствует неустойчивая работа дизеля с пропусками воспламенения [3, 4]. Рис. 1. Схема подачи природного газа в газодизель с турбонаддувом и промежуточным охлаждением Цель и объект исследования К настоящему времени уже проведен достаточно большой объем исследований по применению природного газа в дизелях [5]. Все же остаются еще мало изучены газодизели малой размерности, оснащенные турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. В известных работах часто встречается то, что исследована только сама возможность применения ПГ в дизелях, при этом не затрагивается влияние ПГ на показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения. В связи с этим объектом исследований по переводу на природный газ нами был выбран дизель размерности 4ЧН 11,0/12,5 марки Д-245.7. Актуальность выбора данного дизеля обоснована широким его распространением на автотранспорте (автомобили ГАЗ, автобусы ПАЗ). Материалы и методы исследования Исследования проводились на кафедре тепловых двигателей, автомобилей и тракторов Вятской ГСХА в рамках общей темы «Улучшение эксплуатационных показателей дизелей путем применения альтернативных видов топлива» [6]. Экспериментальная установка (рис. 2) включала в себя электротормозной стенд SAK-N670, расходомеры топлива, воздуха, систему анализа отработавших газов. Снятие индикаторных диаграмм рабочего процесса осуществлялось прибором МАИ-5А, оснащенным электроискровым самописцем (рис. 3а) и датчиком давления, установленным на головке блока цилиндров дизеля (рис. 3б) [4]. Рис. 2. Экспериментальная установка а) б) Рис. 3. Оборудование для снятия индикаторных диаграмм Результаты и обсуждение В результате исследований были проведены стендовые испытания со снятием внешних скоростных характеристик. При этом определялись показатели процесса сгорания, характеристики тепловыделения, эффективные показатели дизеля. Показатели процесса сгорания На рис. 4 представлены совмещенные графики показателей процесса сгорания дизеля Д-245.7 для дизельного и газодизельного процессов. Показатели процесса сгорания определялись при обработке индикаторных диаграмм по методике ЦНИДИ. Из анализа этих графиков следует, что значения всех представленных показателей газодизельного процесса располагаются выше дизельного процесса для всего скоростного диапазона работы. Например, на малой частоте вращения коленчатого вала (n = 1400 мин-1) при переходе с дизельного на газодизельный процесс максимальная температура газов Tmax возрастает со значения 1730 К до 2150 К (на 24 %). На большей частоте (n = 2400 мин-1 - номинальный скоростной режим) максимальная температура газов возрастает от 2020 К до 2350 К (на 16%). Максимальное давление сгорания pz max при переходе на газодизельный процесс при n = 1400 мин-1 повышается с 12,9 МПа до 14,0 МПа (на 9 %), а при n = 2400 мин-1 повышается с 13,8 МПа до 14,6 МПа (на 6 %). Степень повышения давления при переходе на газодизельный процесс при n = 1400 мин-1 возрастает со значения 1,92 до 2,26, при n = 2400 мин-1 возрастает со значения 1,60 до 1,85. Величина максимальной скорости нарастания давления в цилиндре (dp/dj)max на газодизельном процессе по сравнению с дизельным процессом при n = 1400 мин-1 повышается со значения 0,90 МПа/градус поворота коленчатого вала (п.к.в.) до 1,01 МПа/градус п.к.в., а при n = 2400 мин-1 повышается с 0,78 МПа/градус п.к.в. до 0,93 МПа/градус п.к.в. Период задержки воспламенения φi при переходе на газодизельный процесс изменяется незначительно. Так, при n = 1400 мин-1 происходит повышение периода задержки воспламенения с 2,0 градусов п.к.в. до 2,5 градусов п.к.в., при n = 2400 мин-1 происходит повышение с 9,0 градусов п.к.в. до 9,5 градусов п.к.в. Рис. 4. Показатели процесса сгорания дизеля Д-245.7 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала: -- - дизельный процесс; - - - - газодизельный процесс Повышение давления, температуры газов в цилиндре на газодизельном процессе объясняется более быстрым горением природного газа, т.е. превалирует объемный механизм воспламенения. Такое изменение показателей процесса сгорания, конечно, нельзя назвать благоприятным с точки зрения надежности работы дизеля. Но в то же время повышение значений параметров не так уж и велико. Например, если взять максимальное зафиксированное значение температуры в цилиндре в 2350 К, то, например, у бензиновых двигателей температура в цилиндре достигает гораздо больших значений. Величина максимальной скорости нарастания давления газов в цилиндре не превышает или, по крайней мере, сопоставима со значением в 1,0 МПа/градус п.к.в., установленным в качестве допустимого заводом-изготовителем данного дизеля. Характеристики тепловыделения На рис. 5 представлены характеристики тепловыделения дизельного и газодизельного процессов. Здесь обозначены: jTmax - угол поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки, соответствующий достижению в цилиндре максимальной температуры, градус п.к.в.; χi Рz max - активное выделение теплоты, соответствующее моменту достижения в цилиндре максимального давления сгорания; χi Tmax - активное выделение теплоты, соответствующее моменту достижения максимальной температуры; (dχ/dj)max - максимальная скорость относительного тепловыделения. Как видно на рисунке, графики газодизельного процесса располагаются выше дизельного. Величина угла φT max при n = 1400 мин-1 при переходе с дизельного процесса на газодизельный повышается с 1,0 градуса п.к.в. до 1,5 градуса п.к.в. При n = 2400 мин-1 повышение φT max существеннее - с 8,0 градуса п.к.в. до 10,5 градуса п.к.в. Величина χi Pz max при переходе на газодизельный процесс при n = 1400 мин-1 возрастает со значения 0,49 до значения 0,55 относительных единиц, при n = 2400 мин-1 возрастает с 0,63 до 0,71 относительных единиц. Величина χi Tmax при переходе с дизельного на газодизельный процесс при n = 1400 мин-1 повышается с 0,6 до 0,61 относительных единиц, при n = 2400 мин-1 повышается с 0,7 до 0,8 относительных единиц. Величина (dχ/dφ)max при переходе на газодизельный процесс при n = 1400 мин-1 повышается с 0,128 до 0,152 относительных единиц на градус, при n = 2400 мин-1 повышается с 0,150 до 0,155 относительных единиц на градус. Рис. 5. Характеристики тепловыделения дизеля Д-245.7: -- - дизельный процесс; - - - - газодизельный процесс Причина повышения значений характеристик тепловыделения газодизельного процесса по сравнению с дизельным, как и при рассмотрении показателей процесса сгорания, также связана с протеканием сгорания в цилиндре по объемному механизму. Большая часть топлива расходуется в начальные фазы сгорания, до достижения в цилиндре максимального давления и температуры. Эффективные показатели На рис. 6 представлены графики эффективных показателей дизельного и газодизельного процессов. Проанализируем графики. Мощностные показатели дизеля при переходе с дизельного на газодизельный процесс полностью сохраняются, т.к. графики крутящего момента Мк и эффективной мощности Ne для этих двух процессов совпадают. Величина Мк при n = 1400 мин-1 равна 381 Н·м, при n = 1700 мин-1 увеличивается до 390 Н·м, затем при n = 2400 мин-1 уменьшается до 358 Н·м. Величина Ne при n = 1400 мин-1 составляет 55 кВт, при n = 2400 мин-1 увеличивается до 90 кВт. Часовой суммарный расход ПГ и запального ДТ GТ Σ на газодизельном процессе меньше часового расхода ДТ GТ дизельного процесса на всем скоростном диапазоне работы. Так, часовой расход топлива при переходе на газодизельный процесс при n = 1400 мин-1 снижается с 11,8 кг/ч до 11,0 кг/ч, при n = 2400 мин-1 снижается с 21 кг/ч до 18,8 кг/ч. Расход запального ДТ GТ зап на газодизельном процессе при n = 1400 мин-1 составляет 1,6 кг/ч, при n = 2400 мин-1 составляет 3,6 кг/ч, т.е. примерно 14…17 % от расхода ДТ на дизельном процессе. Таким образом, снижение расхода дизельного топлива составляет минимум 83%. Величина удельного расхода ge Σ на газодизельном процессе ниже ge дизельного процесса. Так, удельный расход при переходе на газодизельный процесс при n = 1400 мин-1 снижается с 209 г/(кВт·ч) до 200 г/(кВт·ч), при n = 2400 мин-1 снижается с 227 г/(кВт·ч) до 208 г/(кВт·ч). Снижение часового и удельного расхода топлива на газодизельном процессе объясняется тем, что ПГ имеет бо́льшую теплотворную способность единицы массы, чем ДТ, а не тем, что рабочий процесс в цилиндре начинает протекать более эффективно. Об этом свидетельствует некоторое снижение значения эффективного КПД ηе. Так, при n = 1400 мин-1 значение ηе при переходе на газодизельный процесс снижается с 0,410 до 0,385, при n = 2400 мин-1 снижается с 0,380 до 0,363. Рис.6. Эффективные показатели дизеля Д-245.7: -- - дизельный процесс; - - - - газодизельный процесс Вследствие замещения части воздуха на впуске природным газом при переходе на газодизельный процесс происходит снижение часового расхода воздуха GВ. При n = 1400 мин-1 величина GВ снижается с 300 кг/ч до 228 кг/ч, при n = 2400 мин-1 снижается с 591 кг/ч до 533 кг/ч. Снижение величины GВ приводит к изменению коэффициента наполнения ηv и коэффициента избытка воздуха α. Так, при переходе на газодизельный процесс при n = 1400 мин-1 значение ηv снижается с 0,920 до 0,820, при n = 2400 мин-1 - с 0,938 до 0,909. Значение α при n = 1400 мин-1 снижается с 1,75 до 1,16, при n = 2400 мин-1 - с 2,0 до 1,69. При переходе на газодизельный процесс уменьшается температура отработавших газов tг. Так, при n = 1400 мин-1 значение tг (после турбины турбокомпрессора) снижается с 375 ºС до 335 ºС, при n = 2400 мин-1 - с 430 ºС до 367 ºС. Снижение температуры отработавших газов приводит к уменьшению давления и скорости в выпускном трубопроводе, поэтому давление РК и температура воздуха tН на выходе из турбокомпрессора снижаются. При n = 1400 мин-1 значение РК снижается с 0,147 МПа до 0,130 МПа, при n = 2400 мин-1 - с 0,178 МПа до 0,172 МПа. При n = 1400 мин-1 температура tН снижается с 84 ºС до 76 ºС, при n = 2400 мин-1 - с 121 ºС до 119 ºС. Значения температуры на выходе из охладителя tохл для дизельного и газодизельного процессов совпадают. При n = 1400 мин-1 значение tохл для обоих процессов составляет 45 ºС, а при n = 2400 мин-1 - 68 ºС. Выводы На основании представленных скоростных характеристик можно сделать следующие выводы: 1) при переходе на газодизельный процесс показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения изменяются, повышаются давление, температура в цилиндре, скорость нарастания давления, но максимальные значения этих параметров не превышают предельных допустимых значений дизельных двигателей; 2) на газодизельном процессе сгорание в цилиндре происходит по объемному механизму, большая часть топлива сгорает в фазе быстрого горения; 3) мощностные параметры двигателя на газодизельном процессе во всем скоростном диапазоне полностью соответствуют дизельному процессу; 4) при работе дизеля по внешней скоростной характеристике на газодизельном процессе по сравнению с дизельным процессом достигается снижение расхода дизельного топлива минимум на 83 % за счет замещения его природным газом.

About the authors

V. A Likhanov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: lv99@mail.ru
Dr.Eng.

A. V Grebnev

Vyatka State Agricultural Academy

Ph.D.

M. L Skryabin

Vyatka State Agricultural Academy

Ph.D.

A. E Toropov

Vyatka State Agricultural Academy

Ph.D.

References

Supplementary files