Улучшение эффективных показателей дизеля 4чн 11,0/12,5 при работе на природном газе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улучшение эффективных показателей дизеля 4чн 11,0/12,5 при работе на природном газе

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Гребнев Алексей Владимирович

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Лиханов Виталий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Тишкин Леонид Владимирович

доктор технических наук профессор Капустин Александр Александрович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Нижний Новгород)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в мировом двигателестроении существует тенденция повышения эффективной мощности двигателей внутреннего сгорания путем форсирования по среднему эффективному давлению. Применительно к дизелям для этой цели широко используют турбонаддув, а также промежуточное охлаждение наддувочного воздуха. Вместе с тем, возможность использования в таких дизелях вместо традиционного, дизельного топлива (ДТ), альтернативных видов топлива еще недостаточно изучена и является важной задачей для научных исследований. Среди всех альтернативных топлив важнейшее место занимает компримированный природный газ. Его преимуществами, в сравнении с другими видами топлив, являются высокая теплотворная способность, высокая полнота сгорания и низкое содержание токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) при сгорании в цилиндре дизеля.

Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР ФГОУ ВПО Вятская ГСХА (г. Киров) на 2006...2010 гг. (номер государственной регистрации 01.2.006-09891?).

Целью исследований является улучшение эффективных показателей дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе (ПГ) путем совершенствования процессов сгорания и тепловыделения.

Объект исследований. Дизель 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245.7) с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха (ПОНВ) с камерой сгорания ЦНИДИ, работающий на альтернативном топливе - компримированном природном газе - по газодизельному процессу.

Предмет исследования: мощностные, экономические и токсические показатели, процессы смесеобразования, сгорания и тепловыделения в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха с камерой сгорания ЦНИДИ при работе на ПГ.

Методы исследования. В работе применялись известные и апробированные на практике и специально разработанные для решения поставленных задач теоретические и экспериментальные методы исследования рабочего процесса. Достоверность результатов теоретических исследований подтверждается принятием обоснованных исходных данных и общепринятых закономерностей, сопоставлением результатов расчета и эксперимента, согласованием полученных результатов с известными, а результатов экспериментальных исследований - применением современных методов и средств измерений, соблюдением стандартов, периодической проверкой и тарировкой приборов, анализом и контролем погрешностей измерений.

Научную новизну работы представляют:

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ПГ на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, мощностные, экономические и токсические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ;

- модель горения запального ДТ в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- модель воспламенения метано-воздушной смеси (МВС) в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- расчет периода задержки воспламенения (ПЗВ) при работе дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ПГ;

- рекомендации по применению ПГ в качестве моторного топлива в дизеле 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.

Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий, Чебоксарском институте (филиале) Московского государственного открытого университета, Сыктывкарском лесном институте (филиале) Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии при чтении лекций, на лабораторных занятиях, курсовом и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 311300 (110301) и 150200 (190601).

Экономическая эффективность. При работе дизеля на ПГ суммарные массовые выбросы токсичных веществ в атмосферу снижаются на 25 %, а экономическая эффективность от снижения ущерба, наносимого токсичными компонентами, выбрасываемыми в атмосферу с ОГ составляет 42535 руб. в год. Годовой экономический эффект от экономии ДТ составляет 27930 руб. (в ценах на 1.03.2008 г.).

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 52-й и 53-й научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов инженерного факультета Вятской ГСХА, 2005, 2006 гг. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); 5-й, 6-й, 7-й и 8-й городских научных конференциях аспирантов и соискателей «Науке нового века - знания молодых», 2005…2008 гг. (Вятская ГСХА, г. Киров); Всероссийской научно-практической конференции «Роль науки в формировании специалиста», Региональной научно-практической конференции вузов приволжского региона «Инновации в образовательном процессе», 2006 г. (Чебоксарский институт (филиал) МГОУ, г. Чебоксары); Научно-практической конференции «Совершенствование технологии и средств механизации производства продукции растениеводства и животноводства», 2006 г. (НИИСХ Северо-Востока, г. Киров); 17-й научно-практической конференции кафедр «Тракторы и автомобили» вузов Поволжья и Предуралья «Повышение технико-экономических и экологических показателей двигателей, тракторов, автомобилей в сельскохозяйственном производстве», 2007 г. (ФГОУ ВПО Нижегородская ГСХА, г. Н. Новгород); I-й и II-й Всероссийских научно-практических конференциях «Наука - Технология - Ресурсосбережение», 2007, 2008 гг. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); ІX-й и Х-й Международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». Мосоловские чтения, 2007, 2008 гг. (ГОУ ВПО «Марийский ГУ», г. Йошкар-Ола); Международной научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, докторантов и аспирантов, 2008 г. (ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», г. Санкт-Петербург-Пушкин).

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах, включая монографию объемом 9,69 п.л., 2 статьи в центральном журнале, входящем в перечень ВАК РФ, и статьи общим объемом 8,2 п.л., в т.ч. в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций опубликовано 9 статей. Без соавторов опубликовано 11 статей общим объемом 3,6 п.л.

На защиту выносятся следующие основные результаты исследований:

- результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ПГ на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, мощностные, экономические и токсические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ;

- модель горения запального ДТ в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- модель воспламенения МВС в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- расчет ПЗВ при работе дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ПГ;

- рекомендации по применению ПГ в качестве моторного топлива в дизеле 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 211 страницах, в том числе 150 стр. текста, содержит 45 рисунков и 6 таблиц. Список литературы изложен на 18 стр., включает 164 наименования, из них 16 на иностранных языках.

дизель газ компримированный сгорание

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена научная новизна, практическая ценность работы, выносимые на защиту основные положения и результаты исследований.

В первом разделе проведен анализ литературы по тематике рассматриваемой задачи. Результаты исследований по влиянию применения ПГ на показатели рабочего процесса дизелей отражены в работах: Д.Т. Аксенова, Ю.Н. Васильева, П.Н. Вылегжанина, Д.Н. Вырубова, К.И. Генкина, Н.А. Гуревича, И.И. Гольдблата, Р.Р. Деветьярова, К.Е. Долганова, А.А. Кайдалова, А.А. Капустина, Я.И. Кеймаха, С.И. Ксенофонтова, Л.К. Коллерова, А.П. Кудряша, С.Е. Лебедева, В.А. Лиханова, В.Н. Ложкина, О.П. Лопатина, Е.К. Мазинга, Г.Г. Мансфельда, В.П. Мараховского, О.Д. Мурашова, А.А. Муталибова, А.В. Николаенко, М.А. Олейника, Н.Е. Основенко, А.И. Пятниченко, А.А. Равкинда, А.В. Россохина, Л.В. Рудакова, Г.И. Самоля, Б.Н. Струнге, Н.И. Субоча, Е.А. Чудакова и других.

Результатом проведенных в мире научно-исследовательских работ стало создание ряда газодизельных ДВС. Но это, в основном, стационарные, судовые или тепловозные малооборотистые двигатели большой размерности цилиндро-поршневой группы. Количество работ по переводу дизелей малой размерности, устанавливаемых на мобильной технике, на сегодняшний день недостаточно, а имеющиеся работы направлены на исследование только возможности применения ПГ, но не затрагивают его влияния на процессы сгорания и тепловыделения в цилиндре двигателя. Следует отметить, что недостаточно данных по комплексному влиянию применения ПГ и турбонаддува с ПОНВ на процесс сгорания, мощностные, экономические и экологические показатели дизелей.

На основании вышеизложенного имеются основания полагать, что улучшение эффективных показателей дизеля с ПОНВ 4ЧН 11,0/12,5 при работе на ПГ путем совершенствования процессов сгорания и тепловыделения является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение и практическую значимость. На основании поставленной цели сформулированы задачи исследований:

- провести лабораторно-стендовые и теоретические исследования влияния применения ПГ на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, мощностные, экономические и токсические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ;

- разработать модель горения запального ДТ в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- разработать модель воспламенения МВС в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- рассчитать ПЗВ при работе дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ПГ;

- разработать рекомендации по применению ПГ в качестве моторного топлива в дизеле 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ.

Во втором разделе представлены результаты теоретического исследования рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ.

Рабочий процесс газодизеля включает в себя воспламенение и сгорание запального ДТ и МВС. Исследование распространения всего пламени невозможно без детального изучения механизма горения одной капли или частицы в атмосфере окислителя.

Рассмотрим горение капли запального ДТ в МВС. Во многих случаях, когда среднее расстояние между каплями достаточно велико, горение каждой капли можно рассматривать как горение одиночной капли. В момент воспламенения, когда плотность паров ДТ в газовой фазе невелика, диффузионное пламя образуется в непосредственной близости от поверхности капли ДТ и с течением времени удаляется от нее.

Рис. 1. Расчетная схема

Примем систему координат, связанную с поверхностью раздела фаз (рис. 1): координату х для газообразной фазы, - для конденсированной фазы. Плотность с_f, удельную теплоемкость c_f и коэффициент теплопроводности л_f для конденсированной фазы примем постоянными, по мере выгорания топливо подается к поверхности раздела со скоростью V_f(t), скорости движения газа, вызванные наличием горения, незначительны. В этом случае система для описания одномерного течения смеси газов переменного состава с химическими реакциями включает следующие основные уравнения:

f ' - ц'о = 0 (1);

(2);

ш'(о) (о + k) + b² ш"(о) = 0; (3)

;(4)

; (5)

; (6)

,(7)

- для участка ниже поверхности пламени (о< о*), и

, (8)

- для участка выше поверхности пламени (о > о*);

вспомогательные выражения:

(9); (10);

(11);

Q_p(T_w) = T_w Дc_p + Ф_NДH (12);

(13);

(14);

(15);

(16);

вспомогательные переменные:

f = f(о) = сu/ с_e (17);

о = x / (18); ц(о) = с / с_e (19); в = в(о) (20),

и дополнительно для конденсированной фазы (>0):

о = / (21);

ш(о) = T / T₀ (22),

где i - номер компонента (i = 1 - для воздуха; i = N - для ДТ; i = т - для поверхности пламени; i = с - для поверхности капли); - массовая концентрация компонента; с, p, Т, - соответственно плотность, давление, температура, теплоемкость смеси; - удельная теплоемкость компонента; - скорость движения потока газа относительно капли; - вязкость среды; m_i - молекулярная масса компонента; н_i', н_i" - стехиометрические коэффициенты компонента до и после химической реакции; - удельная теплота сгорания смеси; - удельная энтальпия образования компонента; - удельная энтальпия компонента; - удельная энтальпия фазового перехода; s_i - удельная энтропия компонента.; Рr - число Прандтля.

Граничные условия для системы (1)…(8):

1) для конденсированной фазы (>+?):

Т = Т₀; (23)

2) для поверхности раздела фаз (х = 0):

(сu)_w = -P_f v_f (24);

(25);

(26);

(27),

ниже поверхности пламени отсутствует окислитель (i = 1), а выше - горючее (i = N);

3) для внешней границы газа (х>+?):

Т = Т_е; Y₁ = Y_1e; Y_2e = l - Y_1e; Y_ie = 0. (28)

Начальные условия системы:

Т = Т_е = const; Y₁ = Y_1e; Y_2e = l - Y_1e; Y_ie = 0, при х > 0; Т = Т₀ при > 0.

Система уравнений (1)…(8) позволяет рассчитать основные параметры нестационарного горения поверхности капли ДТ, контактирующей с МВС.

Рассмотрим воспламенение и горение МВС. Механизм этого явления до сих пор недостаточно изучен. Одним из направлений исследований является изучение причин повышенной «жесткости» процесса сгорания в газодизеле, т.к. «жесткость» определяет надежность и долговечность двигателя и ограничивает степень его форсирования. В настоящее время причиной повышенной «жесткости» работы газодизеля называют самовоспламенение локальных объемов в цилиндре вдали от факела ДТ.

При разработке модели, описывающей воспламенение МВС в цилиндре газодизеля, были приняты следующие условия и допущения: теплоемкости и молекулярные массы свежей смеси и продуктов сгорания в процессе горения остаются постоянными; давление постоянно по всему объему камеры сгорания и изменяется только во времени; теплообмен со стенками не учитывается. Модель включает следующие уравнения:

- уравнения состояния локального объема:

; (29)

dи/dц = (1 - 1/г) и / р • dр/dц + J_eг / г • dз/dц, (30)

- уравнение динамики давления (энергии всей системы):

dр/dц = - г р /щ • dщ/dц +(J_eдт dч_дт/dц + J_eг dч_г/dц) / щ, (31)

- уравнения скорости выгорания заряда (ДТ и ПГ):

dч_дт/dц = 1,91 dm_1к/dц / (с_дт а_к³) (32);

dч_г/dц = 2 i D_f S (р/и) (33),

- уравнения объема системы и скорости его изменения:

щ = [1 + (1 - cos ц + (л / 2) sin² ц) (е - 1) / 2] / е_i; (34)

dщ/dц = sin ц (1 + л cos ц) (е - 1) / 2е_i, (35)

- уравнение макрокинетики химической реакции в локальном объеме:

dз/dц = D_н (р / и) ^{s - 1} e ^{(1 - 1/и) / вi}; (36)

вспомогательные выражения:

D_f = ч_t S_ui (е - 1) / (4 р n r е_i) (37);

(38);

ч_t = S_t / S_u = 1 + u_t / S_u ? 1 + 4,2 r n / S_ui (39);

(40);

J_eг = [(г - 1) Q_г / R T_i] (m_г / M_г) / (m_г / M_г + m_в / M_в); (41)

J_eдт = [(г - 1) Q_дт / RT_i] (m_дт / M_дт) / (m_дт / M_дт + m_г / M_г + m_в / M_в); (42)

dm_1к/dц = Nu ln [1 + (Т_m-Т_к) С_р / L_дт] а_к л M_дт / [4(1 - а_к / l_ср) С_р n]; (43)

l_ср = = 0,364 D_кс a_к , (44)

где и, р, щ, S - соответственно относительные температура, давление, объем, скорость пламени; m_дт, m_г, m_в - соответственно массы запальной порции ДТ, ПГ и воздуха, поступающие в камеру сгорания (КС) за один цикл; M_дт, M_г, M_в - соответственно молекулярные массы ДТ, ПГ и воздуха; ч = m_п / m_i - массовая доля продуктов сгорания; з - степень превращения смеси; н_г, н_дт - кислородные стехиометрические коэффициенты для ПГ и ДТ; н_f - стехиометрический коэффициент для ПГ по воздуху; к_f - константа скорости; s, Е - порядок химической реакции и энергия активации; ч_t - фактор турбулизации; S_t - нормальная скорость турбулентного пламени; S_u - текущая нормальная скорость пламени; S_ui - нормальная скорость пламени в момент ц_i; u_t - скорость турбулентного переноса; D, V_с - диаметр цилиндра и объем КС; C_дт - мольная теплоемкость ДТ; R - газовая постоянная; Т_i - температура в КС в момент воспламенения; г - показатель политропы сжатия МВС; е_i - степень сжатия в момент воспламенения запальной порции ДТ; L_дт - мольное значение энтальпии испарения ДТ; Q - мольный тепловой эффект реакции; Nu - критерий Нуссельта; С_р - мольная теплоемкость при постоянном давлении топливовоздушной смеси около капли; л - коэффициент теплопроводности топливо-воздушной смеси; l_ср - средний размер очага горения; i - количество факелов ДТ в КС; а_к - средний диаметр капли; m_1к - масса капли; D_кc - диаметр КС; V₁ - объем топливного факела, приходящийся на одну каплю; N - число капель ДТ; в - угол раскрытия факела; с_дт - плотность ДТ; r - радиус кривошипа.

Начальное условие - момент воспламенения ДТ: ц = ц_i, и = р = щ = 1, ч_дт = ч_г = з = 0.

При использовании системы (29)…(36) в качестве условия самовоспламенения МВС используется выражение:

(d ln и / dц) / (d ln р / dц) = 1. (45)

При горении топливо-воздушной смеси в газодизеле давление в процессе сжатия и последующего расширения изменяется по уравнению (31) до тех пор, пока не будет выполнено условие самовоспламенения перед фронтом пламени в локальном объеме (45) и параметры смеси станут критическими (р_кр, и_кр). В момент самовоспламенения на индикаторной диаграмме наблюдается скачок давления, равный:

?р = р - р_кр = (1 - ч_гкр) J_eг/щ_кр, (46)

далее процесс продолжается по закону Пуассона:

рщ^г = (р_кр + ?р) (щ_кр)^г. (47)

Моделирование процесса самовоспламенения МВС в газодизеле позволяет определить момент самовоспламенения локального объема, когда в КС возникают ударные волны, приводящие к «жесткой» работе газодизеля. Расчеты позволяют определить область нормальной (без самовоспламенения) работы газодизеля, а также допустимые конструктивные и термодинамические параметры двигателя и рабочего процесса.

ПЗВ существенно влияет на динамику процесса сгорания, мощностные и экономические показатели, содержание в ОГ токсичных веществ и сажи. Разработанная методика расчета ПЗВ в газодизеле базируется на использовании первого закона термодинамики и учитывает следующие особенности процесса воспламенения в дизеле: влияние переменной скорости впрыскивания и испарения (с учетом времени и температуры) на состав реагирующей смеси, влияние понижения температуры в зоне воспламенения вследствие нагрева и испарения топлива на скорость химических реакций, влияние продолжающегося сжатия заряда в процессе впрыскивания топлива на интенсивность физико-химических процессов; и не учитывает: изменение массы заряда при испарении топлива, теплоотдачу в стенки, влияние выгорания топлива на скорость химических реакций.

ПЗВ рассчитывается по выражению:

; (48)

вспомогательные выражения:

(49);

(50);

(51);

(52);

(53);

(54);

(55);

(56);

(57);

(58);

(59);

(60);

(61),

где - относительный угол ПЗВ; _i - угол, соответствующий ПЗВ, градус п.к.в.; _впр - продолжительность впрыскивания, градус п.к.в.; n - частота вращения коленчатого вала, мин^-1; _дт - плотность ДТ, г/см³; _впр, - угол опережения впрыскивания ДТ, соответственно, в градусах п.к.в. и радианах; _нв - безразмерная температура в момент начала впрыскивания; К_т, А - коэффициенты характеризующие свойства ДТ; - отношение характеристик выделения и стока теплоты; a, a₁ - коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров дизеля и параметров топливоподачи; T_нв - температура заряда в момент начала впрыскивания, К; ЦЧ - цетановое число ДТ; n₁ - средний показатель политропы сжатия на участке от момента начала впрыскивания до ВМТ; V_с - объем цилиндра при положении поршня в ВМТ, см³; V_нв - объем цилиндра в момент начала впрыскивания, см³; К_ф - безразмерная характеристика стока теплоты; i_v,i - относительная степень испарения топлива за ПЗВ; - количество ДТ, приходящееся на 1 кг МВС в цилиндре; С_мвс - теплоемкость МВС, кДж/(кг•К); q_{терм.нв} - количество теплоты, необходимое для полного испарения 1 кг топлива и подогрева до температуры в момент начала впрыскивания, кДж/кг; i_со - число сопловых отверстий распылителя форсунки; д - приведенное вихревое отношение; - угловая скорость вращения заряда в КС, с^-1; - угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя, с^-1; d - диаметр цилиндра, м; d_кс - диаметр КС, м; l_об, l_пр - длина топливных факелов ДТ, направляемых, соответственно, в объемную и пристеночную области, м; V_об - доля топлива, испаряющегося в объеме; Т_сткс - температура стенки КС, К; С_дт, С_дтп - теплоемкость ДТ в жидкой и паровой фазах, кДж/(кг•К); L_v - теплота парообразования, кДж/кг; T_то - температура ДТ в момент начала впрыскивания, єС.

На рис. 2. представлены графики расчетных и экспериментальных значений ПЗВ при работе дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ПГ. Отклонение расчетных значений от экспериментальных не превышает 5 %.

Рис. 2. Экспериментальные и расчетные значения ПЗВ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе по газодизельному процессу в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала:

---- - экспериментальные значения, - - - - расчетные значения

В третьем разделе представлена методика экспериментальных исследований, а также созданная экспериментальная установка, использованные приборы и оборудование. Экспериментальная установка включала в себя электротормозной стенд SAK-N 670, дизель Д-245.7, измерительную аппаратуру. При стендовых испытаниях дизеля, газовом анализе ОГ, монтаже и эксплуатации приборов и оборудования учитывались требования ГОСТ 14846-81, ГОСТ Р 41.24-2003, ГОСТ 15888-90, ГОСТ Р 41.49-2003, ГОСТ Р 41.83-2004, ГОСТ Р 51998-2002, ГОСТ 27577-2000, ГОСТ 10579-88, ГОСТ 10578-96, ГОСТ 305-82, ГОСТ 8581-78, ГОСТ Р 52160-2003, ГОСТ 17.2.1.02-76, ГОСТ 17.2.2.01-84, ГОСТ 17479.1-85, ГОСТ 17.2.2.01-84. Стендовые испытания дизеля проводились с использованием летнего ДТ, моторного масла М-10-Д(м) и компримированного природного газа для газобаллонных автомобилей месторождения «Ямбургское». Индицирование процесса сгорания в цилиндре дизеля проводилось индикатором МАИ_5А, оснащенным датчиком давления, который устанавливался в головке блока дизеля и соединялся каналом с камерой сгорания первого цилиндра. Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса осуществлялась с помощью ПЭВМ по программе ЦНИДИ-ЦНИИМ. Отбор и анализ проб ОГ производился с помощью автоматической системы газового анализа АСГА-Т.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований по улучшению эффективных показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ путем совершенствования процессов сгорания и тепловыделения. Исследования показали, что двигатель устойчиво работает на ПГ по газодизельному процессу при впрыскивании запальной порции ДТ, составляющей 15…20 % от расхода топлива при работе только на ДТ.

Анализируя графики изменения эффективных показателей в зависимости от установочного угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) (рис. 3), можно отметить, что исходя из минимального удельного суммарного расхода топлива g_{e У}, при работе на ПГ оптимальным является установочный УОВТ И_{впр гд} = 7є. При этом на номинальной частоте вращения коленчатого вала (n=2400 мин^-1) g_{e У} = 208 г/кВт·ч, а на частоте вращения коленчатого вала, соответствующей режиму максимального крутящего момента (n=1700 мин^-1), значение g_{e У} составляет 191 г/кВт·ч.

На рис. 4, а приведены совмещенные индикаторные диаграммы при работе дизеля на ДТ и при работе на ПГ при оптимальных установочных УОВТ. При переходе на ПГ увеличивается максимальное давление сгорания р_{z max} от 13,8 МПа до 14,6 МПа. Точка начала видимого сгорания при работе на ДТ лежит на линии сжатия индикаторной диаграммы при значении угла _{с д} = 0є п.к.в. от ВМТ, а при работе на ПГ при _{с гд} = 2,5є п.к.в. после ВМТ. Процесс сгорания при работе дизеля на ПГ сдвигается на линию расширения. При работе на ДТ значение р_{z max} достигается при угле _{z д} = 6,5є п.к.в. после ВМТ, а при работе на ПГ при _{z гд} = 8,5є п.к.в. после ВМТ.

Рис. 3. Влияние применения ПГ на эффективные показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ: ---- - дизельный процесс, - - - - газодизельный процесс

На рис. 4, б представлены показатели, полученные в результате обработки индикаторных диаграмм. Максимальная осредненная температура цикла Т_max при работе дизеля на ДТ составляет 2020 К и наблюдается при угле _Тmax = 8,0є п.к.в. после ВМТ. При работе дизеля на ПГ значение Т_max = 2350 К достигается при угле _Тmax = 10,5є п.к.в. после ВМТ. При работе на ПГ характерно увеличение скорости тепловыделения dч/d и сдвиг максимума скорости вправо от ВМТ. При работе на ДТ (dч/d)_max = 0,150 и наблюдается при угле = 3,7є п.к.в. после ВМТ, а при работе на ПГ (dч/d)_max = 0,155 и достигается при угле = 6,5є п.к.в. после ВМТ. Кривые относительного (ч) и активного (ч_i) тепловыделений при работе дизеля на ПГ быстрее достигают своего максимума. Таким образом, тепловыделение при работе дизеля на ПГ идет более быстро. Величина активного тепловыделения, соответствующая достижению P_{z max} при работе дизеля на ДТ составляет ч_{i Рz max} = 0,63, а при работе на ПГ ч_{i Рz max} = 0,71. Величина активного тепловыделения, соответствующая T_max при работе дизеля на ДТ составляет ч_{i Тmax} = 0,70, а при работе на ПГ ч_{i Тmax} = 0,80.

а) б)

Рис. 4. Влияние применения ПГ на индикаторные показатели (а) и характеристики тепловыделения (б) дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при И_{впр д} = 9°, И_{впр гд} = 7°, n = 2400 мин^-1, р_е = 0,947 МПа в зависимости от угла п.к.в.: ---- - дизельный процесс, - - - - газодизельный процесс

На рис. 5, а представлены графики влияния применения ПГ на показатели процесса сгорания при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения нагрузки. Величина Т_max при переходе на ПГ на малых нагрузках (p_е = 0,126 МПа) повышается от 1310 К до 1680 К, при нагрузке p_е = 0,947 МПа повышается от 2020 К до 2350 К. Величина p_{z max} при переходе на ПГ при p_е = 0,126 МПа снижается с 9,8 МПа до 8,9 МПа, а при p_е = 0,947 МПа повышается от 13,8 МПа до 14,6 МПа. Величина л при p_е = 0,126 МПа составляет 1,58 при работе на ДТ, а при работе дизеля на ПГ л = 1,55. При p_е = 0,947 МПа при работе на ДТ л = 1,60, а при работе на ПГ - 1,85, т.е. в области высокой нагрузки значение л существенно увеличивается. Значение (dp/d)_max при переходе на ПГ при p_е = 0,126 МПа снижается от 0,55 МПа/град до 0,44 МПа/град, при p_е = 0,947 МПа увеличивается от 0,78 МПа/град до 0,93 МПа/град. Значение угла ц_i при переходе на ПГ при p_е = 0,126 МПа уменьшается от 11,2є п.к.в. до 10,8є п.к.в., при p_е = 0,947 МПа увеличивается от 9,0є п.к.в. до 9,5є п.к.в.

а) б)

Рис. 5. Влияние применения ПГ на показатели процесса сгорания (а) и характеристики тепловыделения (б) дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при n = 2400 мин^-1 в зависимости от изменения нагрузки: ---- - дизельный процесс, - - - - газодизельный процесс

На рис. 5, б представлено влияние применения ПГ на характеристики тепловыделения дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения нагрузки. Угол ц_{T max} при переходе на ПГ при p_е = 0,126 МПа увеличивается от 9,5є п.к.в. после ВМТ до 12,5є п.к.в. после ВМТ, при p_е = 0,947 МПа увеличивается от 8,0є п.к.в. после ВМТ до 10,5є п.к.в. после ВМТ. Значение (dч/dц)_max при переходе на ПГ при p_е = 0,126 МПа снижается с 0,287 до 0,177, при p_е = 0,947 МПа повышается от 0,150 до 0,155. Величина ч_{i Pz max} при переходе на ПГ при p_е = 0,126 МПа снижается от 0,42 до 0,38, при p_е = 0,947 МПа увеличивается от 0,63 до 0,71. Значение ч_{i Tmax} при переходе на ПГ при p_е = 0,126 МПа возрастает от 0,43 до 0,45, при p_е = 0,947 МПа возрастает от 0,70 до 0,80.

На рис. 6, а представлено влияние применения ПГ на показатели процесса сгорания дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. При переходе на ПГ значения представленных параметров повышаются. Величина Т_max на малой частоте вращения n = 1400 мин^-1 повышается от 1730 К до 2150 К, при увеличении частоты вращения до n = 2400 мин^-1 повышается от 2020 К до 2350 К. Значение p_{z max} при n = 1400 мин^-1 повышается от 12,9 МПа до 14,0 МПа, при n = 2400 мин^-1 повышается от 13,8 МПа до 14,6 МПа. Величина л при n = 1400 мин^-1 повышается от 1,92 до 2,26, при n = 2400 мин^-1 повышается от 1,60 до 1,85. Величина (dp/d)_max при n = 1400 мин^-1 повышается от 0,90 МПа/град до 1,01 МПа/град, при n = 2400 мин^-1 повышается от 0,78 МПа/град до 0,93 МПа/град. Значение ц_i при n = 1400 мин^-1 повышается от 2,0є п.к.в. до 2,5є п.к.в., при n = 2400 мин^-1 повышается от 9,0є п.к.в. до 9,5є п.к.в. На рис. 6, б представлено влияние применения ПГ на характеристики тепловыделения дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. При переходе на ПГ значения представленных параметров повышаются. Угол ц_{T max} при n = 1400 мин^-1 увеличивается от 1,0є п.к.в. после ВМТ до 1,5є п.к.в. после ВМТ, при n = 2400 мин^-1 увеличивается от 8,0є п.к.в. после ВМТ до 10,5є п.к.в. после ВМТ. Величина (dч/dц)_max при n = 1400 мин^-1 повышается от 0,128 до 0,152, при n = 2400 мин^-1 повышается от 0,150 до 0,155. Величина ч_{i Pz max} при n = 1400 мин^_1 повышается от 0,49 до 0,55, при n = 2400 мин^-1 повышается от 0,63 до 0,71. Значения ч_{i Tmax} при n = 1400 мин^-1 составляют 0,60 при работе на ДТ и 0,61 при работе на ПГ. При n = 2400 мин^-1 величина ч_{i Tmax} повышается от 0,70 до 0,80.

а) б)

Рис. 6. Влияние применения ПГ на показатели процесса сгорания (а) и характеристики тепловыделения (б) дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала: ---- - дизельный процесс, - - - - газодизельный процесс

На рис. 7, а представлено влияние применения ПГ на эффективные показатели дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. Кривые эффективной мощности N_e и крутящего момента М_к при работе на ДТ и ПГ совпадают, т.е. при переходе на ПГ мощностные показатели дизеля полностью сохраняются. При этом значение эффективной мощности при n = 1400 мин^-1 составляет 55 кВт и увеличивается до 90 кВт при n = 2400 мин^-1. Значение крутящего момента М_к при n = 1400 мин^-1 составляет 381 Н·м, увеличивается до 390 Н·м при n = 1700 мин^-1, затем уменьшается до 358 Н·м при n = 2400 мин^-1.Часовой расход топлива G_{Т У} на всем скоростном диапазоне при работе на ПГ меньше часового расхода топлива при работе на ДТ. Так, при n = 1400 мин^-1 часовой расход топлива при переходе на ПГ снижается с 11,8 кг/ч до 11,0 кг/ч. При n = 2400 мин^-1 часовой расход топлива снижается с 21 кг/ч до 18,8 кг/ч. Значение удельного расхода g_{e У} при работе дизеля на ПГ ниже g_e при работе на ДТ. Так, при n = 1400 мин^-1 значение g_{e У} при переходе на ПГ снижается с 209 г/(кВт·ч) до 200 г/(кВт·ч). При n = 2400 мин^-1 значение g_{e У} снижается с 227 г/(кВт·ч) до 208 г/(кВт·ч). При n = 1400 мин^-1 значение з_е снижается с 0,410 до 0,385, а при n = 2400 мин^-1 снижается с 0,380 до 0,363. Часовой расход воздуха G_В при n = 1400 мин^-1 при переходе на ПГ снижается с 300 кг/ч до 228 кг/ч, при n = 2400 мин^-1 с 591 кг/ч до 533 кг/ч. При переходе на ПГ при n = 1400 мин^-1 значение коэффициента наполнения з_v снижается с 0,920 до 0,820, а при n = 2400 мин^-1 с 0,938 до 0,909. При n = 1400 мин^-1 значение коэффициента избытка воздуха б снижается с 1,75 до 1,16, а при n = 2400 мин^-1 с 2,0 до 1,69. При переходе на ПГ уменьшается температура ОГ. Так, при n = 1400 мин^-1 значение t_г снижается с 375 єС до 335 єС, при n = 2400 мин^-1 с 430 єС до 367 єС. Давление наддува Р_К и температура на выходе из турбокомпрессора t_Н при переходе на ПГ снижаются. При n = 1400 мин^-1 значение Р_К 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 значение t_Н снижается с 84 єС до 76 єС, при n = 2400 мин^-1 с 121 єС до 119 єС. Значение температуры на выходе из охладителя t_охл при переходе на ПГ практически не изменяется, т.е. при n = 1400 мин^-1 при работе на ДТ и на ПГ значение t_охл = 45 єС, а при n = 2400 мин^-1 при переходе на ПГ снижается с 69 єС до 68 єС.

а) б)

Рис. 7. Влияние применения ПГ на эффективные (а) и токсические (б) показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала:

---- - дизельный процесс, - - - - газодизельный процесс

На рис. 7, б представлено влияние применения ПГ на токсические показатели дизеля при оптимальных установочных УОВТ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. Содержание СНх в ОГ при переходе на ПГ при n = 1400 мин^-1 возрастает от 0,016 % до 0,1 %, при n = 2400 мин^-1 возрастает от 0,007 % до 0,2 %. Содержание NOх в ОГ при переходе на ПГ при n = 1400 мин^-1 снижается от 750 ppm до 583 ppm, при n = 2400 мин^-1 снижается от 650 ppm до 499 ppm. Содержание СО2 в ОГ при переходе на ПГ при n = 1400 мин^-1 возрастает от 5,5 % до 5,78 %, при n = 2400 мин^-1 возрастает от 3,75 % до 4,72 %. Содержание СО в ОГ при переходе на ПГ при n = 1400 мин^-1 возрастает от 0,006 % до 0,06 %, при n = 2400 мин^-1 возрастает от 0,029 % до 0,1 %. Значение дымности ОГ (С) при переходе на ПГ при n = 1400 мин^-1 снижается от 0,8 ед. Bosch до 0,1 ед. Bosch, при n = 2400 мин^-1 снижается от 1,95 ед. Bosch до 0,95 ед. Bosch.

В пятом разделе рассчитана экономическая эффективность использования ПГ в качестве моторного топлива в дизеле 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе по газодизельному процессу. При установке дизеля на автобусе ПАЗ-3205-70 ущерб от выбросов токсичных веществ с ОГ в атмосферу снижается на 25 %, а экономия на топливе составляет 27930 руб. при годовом пробеге автобуса 60 тыс. км.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных экспериментальных стендовых исследований рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ установлена возможность улучшения эффективных показателей дизеля путем оптимизации параметров процесса сгорания и тепловыделения. Определена минимальная величина запального ДТ при работе на ПГ, которая составляет 15…20 % от расхода топлива при работе дизеля только на ДТ. Этим достигается экономия ДТ 80…85 %. Определен оптимальный установочный угол опережения впрыскивания запального ДТ при работе на ПГ, исходя из условия минимального удельного суммарного расхода топлива и обеспечения допустимого значения «жесткости» процесса сгорания, равный 7є п.к.в. до ВМТ. При этом установлена возможность сохранения мощностных показателей на уровне серийного дизеля.

2. На основании теоретических исследований предложены:

- модель горения запального ДТ в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- модель воспламенения МВС в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ;

- расчет ПЗВ при работе дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ПГ.

3. Экспериментальными исследованиями рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ определены значения показателей процесса сгорания и характеристик тепловыделения на номинальном режиме работы дизеля: Тmax возрастает на 16,3 % и составляет 2350 К (на ДТ Тmax = 2020 К); рz max возрастает на 5,8% и составляет 14,6 МПа (на ДТ рz max = 13,8 МПа); (dp/d)max повышается на 19,2 % и составляет 0,93 МПа/град (на ДТ (dp/d)max = 0,78 МПа/град); угол цi увеличивается на 5,6 % и составляет 9,5є п.к.в. (на ДТ цi = 9,0є п.к.в.); (dч/dц)max возрастает на 3,3 % и составляет 0,155 (на ДТ (dч/dц)max = 0,150); чi Рz max увеличивается на 12,7 % и составляет 0,71, чi Tmax увеличивается на 14,3 % и составляет 0,80 (на ДТ чi Рz max = 0,63, чi Tmax = 0,70).

4. Исследованиями показателей процесса сгорания и характеристик тепловыделения дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ в зависимости от изменения нагрузки на номинальной частоте вращения коленчатого вала установлено: увеличение Т_max составляет от 28,2 % при p_е = 0,126 МПа до 16,3 % при p_е = 0,947 МПа; снижение р_{z max} на 9,2 % при p_е = 0,126 МПа и увеличение на 5,8 % при p_е = 0,947 МПа; снижение (dp/d)_max на 20,0 % при p_е = 0,126 МПа и увеличение на 19,2 % при p_е = 0,947 МПа; снижение ц_i на 3,6 % при p_е = 0,126 МПа и увеличение на 5,6 % при p_е = 0,947 МПа; снижение (dч/dц)_max на 38,3 % при p_е = 0,126 МПа и увеличение на 3,3 % при p_е = 0,947 МПа; при p_е = 0,126 МПа снижение ч_{i Рz max} на 9,5 % и увеличение ч_{i Tmax} на 4,7 %; при p_е = 0,947 МПа увеличение ч_{i Рz max} на 12,7 %, а ч_{i Tmax} на 14,3 %.

5. Исследованиями показателей рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала установлено: увеличение Т_max на 16,3 % при n = 2400 мин^-1 и на 24,3 % при n = 1400 мин^-1; увеличение р_{z max} на 5,8 % при n = 2400 мин^-1 и на 8,5 % при n = 1400 мин^-1; увеличение (dp/d)_max на 19,2 % при n = 2400 мин^-1 и на 12,2 % при n = 1400 мин^-1; увеличение угла ц_i на 5,6 % при n = 2400 мин^_1 и на 25,0 % при n = 1400 мин^-1; увеличение (dч/dц)_max на 3,3 % при n = 2400 мин^-1 и на 18,8 % при n = 1400 мин^-1; при n = 2400 мин^-1 увеличение ч_{i Рz max} на 12,7 %, а ч_{i Tmax} на 14,3 %; при n = 1400 мин^-1 увеличение ч_{i Рz max} на 12,2 %, а ч_{i Tmax} на 1,7 %.

6. Экспериментальными исследованиями определены значения основных эффективных показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ на номинальном режиме:

- суммарный расход топлива снижается на 10,5 % и составляет 18,8 кг/ч (при работе дизеля на ДТ - 21,0 кг/ч);

- суммарный расход топлива при n = 2400 мин^-1 снижается на 10,5 %, а при n = 1400 мин^-1 снижается на 6,7 %;

- расход запального ДТ составляет 3,6 кг/ч, экономия ДТ составляет 83 %;

- значение зе снижается на 4,5 % и составляет 0,363 (при работе дизеля на ДТ - 0,380).

7. Анализ ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ на номинальном режиме показывает увеличение объемного содержания СО в 3,4 раза, СО2 на 25,9 %, СНх в 28,6 раза и снижение содержания NOх на 23,2 % и дымности ОГ в 2,1 раза.

8. Для осуществления рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при использовании в качестве основного топлива ПГ необходимо соблюдать следующие рекомендации:

- минимальная величина запальной порции ДТ на номинальной частоте вращения должна составлять не менее 12,5 мг/цикл из условия отсутствия неустойчивой работы дизеля и пропусков воспламенения МВС в цилиндре;

- при работе на ПГ для достижения наименьшего удельного расхода топлива и снижения «жесткости» процесса сгорания необходимо снизить установочный УОВТ до Ивпр гд = 7є.

9. Экономическая эффективность от снижения ущерба, наносимого токсичными компонентами, выбрасываемыми в атмосферу ОГ дизеля составляет 42535 руб. в год. Годовой экономический эффект от экономии ДТ составляет 27930 руб.

ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В ПЕЧАТНЫХ РАБОТАХ

1. Лиханов В.А., Гребнев А.В. Улучшение эффективных показателей дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем совершенствования процессов сгорания и тепловыделения. - Киров: Вятская ГСХА, 2008. - 155 с.

2. Улучшение эффективных показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе / А.В. Гребнев [и др.]. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. - № 6. - С. 19-21.

...