Покращення індикаторних, ефективних та екологічних показників газових двигунів, переобладнаних з дизелів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний транспортний університет

УДК 621.43

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Покращення індикаторних, ефективних та екологічних показників газових двигунів, переобладнаних з дизелів

Спеціальність 05.05.03 - Двигуни та енергетичні установки

Козачук Ілля Святославович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автомобілів Луцького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Луцьк

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Захарчук Віктор Іванович, Луцький національний технічний університет, доцент кафедри автомобілів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Абрамчук Федір Іванович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідувач кафедри двигунів внутрішнього згоряння;

кандидат технічних наук, доцент Корпач Анатолій Олександрович, Національний транспортний університет, доцент кафедри "Двигуни та теплотехніка"

Захист відбудеться « 23 » грудня 2008 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова,1, аудиторія 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м.Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий « 22 » листопада 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.К.Грищук

газовий двигун поліноміальний витрата

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Неминуче виснаження нафтових родовищ, підвищення світових цін на нафту, постійне посилення вимог до екологічних показників транспортних і стаціонарних двигунів (зокрема, дизелів) змушують шукати заміну традиційному нафтовому моторному паливу. Природний газ є одним з альтернативних палив, що найбільш технологічно пристосоване для використання в двигунах внутрішнього згоряння та енергоустановках різного призначення.

Одним із способів ефективного використання природного газу є переобладнання існуючих дизелів для роботи на цьому альтернативному паливі. Створення провідними фірмами світу газових двигунів на базі дизелів, які задовольняють найбільш жорстким нормам щодо шкідливих викидів, свідчить про доцільність переобладнання дизелів в газові двигуни. Однак робота переобладнаного двигуна на газовому паливі супроводжується зміною його показників, значення яких суттєво залежить не тільки від досконалості способу переобладнання, а й від регулювальних параметрів систем запалювання та живлення. Тому дослідження впливу конструктивних і регулювальних параметрів на індикаторні, ефективні та екологічні показники переобладнаних газових двигунів для визначення доцільних меж їх зміни є актуальною науково-технічною задачею, яка вирішується в дисертаційній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до плану науково-дослідних робіт Луцького державного технічного університету 2003-2007 років, а також згідно із держбюджетною темою «Вдосконалення технології переобладнання дизелів у газові двигуни з іскровим запалюванням», № держреєстрації 0108U001090.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є покращення індикаторних, ефективних та екологічних показників газових двигунів, переобладнаних з дизелів, шляхом вибору доцільних значень конструктивних та регулювальних параметрів.

Відповідно до мети дослідження у дисертаційній роботі вирішуються такі задачі.

1. Вибір та обґрунтування методики оцінювання індикаторних, ефективних та екологічних показників газового двигуна з іскровим запалюванням, переобладнаного з дизеля.

2. Уточнення математичної моделі робочого процесу газового двигуна для дослідження впливу конструктивних та регулювальних параметрів на його індикаторні, ефективні та екологічні показники.

3. Розробка методу експериментальних досліджень газового двигуна.

4. Перевірка адекватності математичної моделі робочого процесу газового двигуна, та поліноміальних моделей годинних витрат палива та повітря і вмісту основних шкідливих речовин у відпрацьованих газах.

5. Проведення експериментальних досліджень щодо впливу конструктивних та регулювальних параметрів на показники переобладнаного двигуна в широкому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів та визначення необхідних параметрів для математичної моделі.

6. Розрахункове дослідження впливу конструктивних та регулювальних параметрів на показники газового двигуна та визначення їх доцільних значень.

7. Розробка рекомендацій щодо використання результатів досліджень.

Об'єкт дослідження індикаторні, ефективні та екологічні показники переобладнаного газового двигуна в усьому діапазоні швидкісних та навантажувальних режимів.

Предмет дослідження вплив ступеня стискання, кута випередження запалювання та складу суміші на індикаторні, ефективні та екологічні показники переобладнаного з дизеля газового двигуна та визначення їх доцільних значень.

Методи дослідження передбачали експериментальні випробування газового двигуна, переобладнаного з дизеля, на основі яких визначались індикаторні, ефективні і екологічні показники, їх залежність від конструктивних та регулювальних параметрів із застосуванням теорії планування експерименту. Отримані дані використовувалися для уточнення математичної моделі робочого процесу газового двигуна та перевірки її адекватності. Розрахунковим методом з використанням уточненої математичної моделі досліджувався вплив конструктивних та регулювальних параметрів на індикаторні, ефективні та екологічні показники газового двигуна та визначались їх доцільні значення.

Наукову новизну одержаних результатів складають:

- методика оцінювання показників переобладнаного з дизеля газового двигуна, в основі якої лежить уточнена математична модель робочого процесу газового двигуна, що дозволяє досліджувати вплив конструктивних та регулювальних параметрів на індикаторні, ефективні та екологічні показники двигуна в широкому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів з врахуванням особливостей згоряння природного газу;

- уточнений закон згоряння природного газу в циліндрі, який враховує зміну параметрів згоряння в залежності від режиму роботи двигуна.

Практичне значення одержаних результатів складають:

- математична модель розрахунку робочого процесу газового двигуна, що дозволяє досліджувати вплив конструктивних та регулювальних параметрів на індикаторні, ефективні та екологічні показники в широкому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів;

- поліноміальні моделі годинної витрати палива та повітря і вмісту основних шкідливих речовин у відпрацьованих газах;

- дослідний зразок газового двигуна, переобладнаного з дизеля;

- апаратно-програмний комплекс на базі персонального комп'ютера (ПК), який дозволяє проводити індицирування робочого процесу з паралельною реєстрацією тиску в циліндрі двигуна, відмітки верхньої мертвої точки та моменту подачі іскри з подальшою обробкою отриманих результатів, а також визначати паливну економічність, енергетичні та екологічні показники дослідного зразка переобладнаного двигуна;

- рекомендації щодо переобладнання дизелів для роботи на природному газі та вибору доцільних конструктивних та регулювальних параметрів.

Результати дисертаційного дослідження прийняті до використання лабораторією механізації сільськогосподарського виробництва Волинського інституту агропромислового виробництва для підготовки та проведення випробувань газових двигунів, переобладнаних з тракторних дизелів, а також використовуються у навчальному процесі ЛНТУ при підготовці фахівців за напрямами «Інженерна механіка» та «Автомобільний транспорт».

Технологія переобладнання дизелів для роботи на природному газі та вибору доцільних конструктивних та регулювальних параметрів зайняла перше місце на Всеукраїнському конкурсі інноваційних технологій, що проводився Міністерством освіти та науки України і Міністерством промислової політики у 2006 році.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблено методика оцінювання показників переобладнаного з дизеля газового двигуна. Уточнено математичну модель робочого процесу газового двигуна. Уточнено закон згоряння природного газу в циліндрі, який враховує зміну параметрів згоряння в залежності від режиму роботи двигуна. Проведено експериментальні дослідження показників газового двигуна 4Ч11/12,5 з індицируванням робочого процесу та подальше їх опрацювання на ПК. Проведено розрахункові дослідження впливу конструктивних та регулювальних параметрів на показники газового двигуна та розроблено рекомендації щодо вибору їх доцільних значень.

Апробація результатів роботи. Основні положення та висновки роботи були предметом обговорення на: 59 науковій конференції професорсько-викладацького складу та студентів Національного транспортного університету (м. Київ, 2003р.); на міжнародній науково-практичній конференції “Автомобільний транспорт: проблеми і перспективи” (м. Севастополь, 2004р.); І науково-практичному семінарі «Інноваційні технології в автомобільному транспорті» (м. Житомир, 2007р.); науково-технічних конференціях Луцького державного технічного університету (м. Луцьк, 2003-2007р.р.). Робота представлялась на V Національній виставці високих технологій та конкурентноспроможної продукції «Укртехнологія - 2006» і була відзначена дипломом.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано у тринадцяти роботах, вісім з яких - у фахових виданнях, дві - у матеріалах конференцій. Отримано два патенти України на корисні моделі.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 183 сторінки, у тому числі: 46 рисунки (48 рисунків), 8 таблиці (8 таблиць), 35 додатки (3 додатки), 10 - список використаних літературних джерел, який включає 103 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано вибір теми дисертаційної роботи, її актуальність, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз перспектив використання в якості моторного палива природного газу як альтернативи палив нафтового походження. Встановлено, що на даний час це паливо є найбільш технологічно підготовленим для використання у ДВЗ, і як таке, що вимагає мінімальних витрат при переобладнанні двигунів для роботи на ньому.

Відзначено, що застосування переобладнання дизелів для роботи на природному газі для вантажних автомобілів середньої та великої вантажопідйомності і, особливо, для автобусів дає найбільший екологічний ефект. Тенденція розширення застосування таких газових двигунів проявилася в останні роки в таких країнах як США, Канада, Німеччина, Італія, Швеція, Японія, Росія та ін.

Аналіз виконаних досліджень щодо способів переведення дизелів для роботи на природному газі показав, що, як правило, використання цього палива призводить до трансформації робочих процесів (паливоподачі, сумішоутворення і згоряння) і, як наслідок, до значних змін основних параметрів двигуна. Тому використання природного газу в дизелях може супроводжуватись як покращенням показників токсичності відпрацьованих газів (ВГ), так і їх погіршенням.

На основі цього зроблено висновок про необхідність визначення доцільних значень ступеня стискання, регулювань систем запалювання та живлення газових двигунів, переобладнаних з дизелів, для забезпечення високих індикаторних та ефективних показників і покращення екологічних.

Проаналізовано переваги і недоліки експериментальних і розрахункових методів оцінювання енергетичних, економічних та екологічних показників двигунів, а також підходи до досліджень газових двигунів таких установ і організацій як МАДИ, ВНИИГАЗ, НТУ, ХНАДУ, «ІПМаш» і обґрунтовано вибір методу власних досліджень.

Другий розділ присвячений розробці методики оцінювання показників газового двигуна, переобладнаного з дизеля. В основу методики покладено уточнену математичну модель робочого процесу газового двигуна, що дозволяє досліджувати вплив конструктивних та регулювальних параметрів на індикаторні, ефективні та екологічні показники двигуна в широкому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів з врахуванням особливостей згоряння природного газу;

Для уточнення математичної моделі і визначення коефіцієнтів поліноміальних залежностей, що описують газовий двигун як споживача палива і повітря та джерело шкідливих викидів, використовувались дані експериментальних досліджень газового двигуна, переобладнаного з дизеля для роботи на природному газі.

Експериментальним шляхом визначались енергетичні, економічні та екологічні показники газового двигуна в усьому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів його роботи. Також експериментально визначались особливості дійсного циклу газового двигуна індицируванням робочого процесу і доцільні значення регулювальних параметрів на окремих режимах роботи газового двигуна шляхом визначення регулювальних характеристик за кутом випередження запалювання та складом паливоповітряної суміші.

Після внесення необхідних змін та уточнення математичної моделі робочого процесу газового двигуна і визначення коефіцієнтів поліноміальних залежностей розроблено комп'ютерну програму, на якій виконані розрахункові дослідження.

З використанням моделі та її комп'ютерної програми досліджувався вплив конструктивних та регулювальних параметрів на індикаторні, ефективні та екологічні показники газового двигуна та визначались їх доцільні значення, а також виконувалось порівняння енергетичних, економічних і екологічних показників газового двигуна з відповідними показниками дизеля.

За результатами проведених досліджень були розроблені рекомендації щодо переобладнання дизелів для роботи на природному газі і вибору доцільних значень конструктивних та регулювальних параметрів.

Для розрахунку процесів на кожному етапі в математичній моделі робочого процесу ДВЗ використано метод об'ємного балансу, який не суперечить фізичній природі процесів і дає найбільш точні результати. За допомогою даної моделі можна визначити параметри і склад робочого тіла в циліндрі по куту повороту кривошипа, що дозволяє розрахувати показники робочого процесу циліндра, а також вплив зміни складу і параметрів робочого тіла на показники робочого процесу.

Математична модель представляє систему рівнянь балансу елементарних змін об'єму робочого тіла, обумовлених переміщенням поршня, надходженням свіжого заряду, виходом робочого тіла у випускний трубопровід, теплопідводом, хімічними реакціями, тепловіддачею в стінки на окремих ділянках робочого циклу та рівняння адіабати в диференційній формі:

, (1)

(2)

де dV_п - елементарна зміна об'єму, обумовлена переміщенням поршня; dV_s - елементарна зміна об'єму, обумовлена надходженням свіжого заряду; dV_B - елементарна зміна об'єму, обумовлена виходом робочого тіла в випускний трубопровід; dV_QT - елементарна зміна об'єму, обумовлена теплообміном робочого тіла із стінками; dV_Qх - елементарна зміна об'єму, обумовлена підводом теплоти внаслідок згоряння; dV_M - елементарна зміна об'єму, обумовлена хімічними реакціями; - зміна тиску в циліндрі за розрахунковий проміжок часу, Па; k - показник адіабати робочого тіла в циліндрі; p - тиск газів в циліндрі, Па; V - об'єм надпоршневого простору в циліндрі, м^3.

Для врахування дійсного складу газового палива і забезпечення більшої універсальності моделі компоненти палива задаються об'ємними частками, а в склад компонентів газового палива включені метан, етан, пропан, бутан, пентан, водень, азот, оксид і двооксид вуглецю. Для кожної ділянки дійсного циклу рівняння об'ємного балансу (1) має відповідний вигляд і таким чином враховуються особливості дійсного циклу, а врахування теплообміну через зміну об'єму дає можливість використовувати рівняння адіабати (2) для описання дійсних процесів.

Так для процесу згоряння основне розрахункове рівняння має вигляд:

, (3)

де - зміна об'єму робочого тіла в циліндрі, яка викликана зміною кількості молів газу внаслідок хімічних реакцій, м³, - кількість теплоти, підведеної до робочого тіла внаслідок згоряння, Дж; dQ_T - кількість теплоти, яка передається до стінок циліндра, Дж.

Значення обчислюється з рівняння:

, (4)

Зміна кількості молів газу в циліндрі внаслідок хімічних реакцій при горінні за розрахунковий проміжок часу розраховується за залежністю:

, (5)

де - коефіцієнт молекулярної зміни; - потенціальний заряд циліндра, кг; - коефіцієнт залишкових газів; - коефіцієнт наповнення; x - закон згоряння.

Під час згоряння змінюється хімічний склад робочого тіла в циліндрі і відповідно маси компонентів робочої суміші. Частку новоутворених речовин можна визначити за законом згоряння І.І. Вібе:

, (6)

де m - показник характеру згоряння; ц_пг - кут повороту кривошипа, що відповідає початку згоряння; ц_z - тривалість згоряння.

Залежності зміни показника характеру згоряння m і тривалості згоряння від режиму роботи двигуна визначались за результатами обробки індикаторних діаграм робочого процесу газового двигуна.

Обробка індикаторних діаграм роботи двигуна в робочому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів дала можливість зробити висновок, що значення показника характеру згоряння та тривалості згоряння в значній мірі залежать від навантаження двигуна і практично не змінюються при зміні частоти обертання колінчастого валу двигуна.

В результаті цих досліджень отримані поліноміальні залежності другої і третьої степені відповідно для показника характеру згоряння та тривалості згоряння від навантаження газового двигуна.

Значення показника характеру згоряння описується поліноміальною залежністю:

(7)

Тривалість згоряння змінюється при зміні режиму роботи двигуна і визначається за залежністю:

 (8)

Із залежностей показника згоряння та тривалості згоряння від навантаження (рис. 1) видно, що при зменшенні навантаження показник характеру згоряння зростає, що пояснюється зменшенням швидкості згоряння і збільшенням тривалості першої фази згоряння внаслідок поганого сумішоутворення і порівняно великої кількості залишкових газів у робочій суміші при низьких навантаженнях. При малих навантаженнях більші значення показника характеру згоряння викликають скорочення фази догоряння. В поєднанні із низьким наповненням циліндра і високим значенням кута випередження запалювання це викликає меншу тривалість процесу згоряння в порівнянні із режимами високих навантажень.

Залежність кута випередження запалювання від режиму роботи двигуна була отримана шляхом обробки експериментальних і розрахункових даних значень кута випередження запалювання, які забезпечують максимальні енергетичні показники, ефективність паливовикористання та бездетонаційну роботу двигуна. Кут випередження запалювання в математичній моделі представлено у вигляді поліноміальних залежностей:

- при Др_к = 0…15 кПа:

, (9)

- при Др_к = 15…70 кПа:

(10)

Кількість теплоти , підведеної до робочого тіла внаслідок хімічних реакцій, визначається з рівняння:

, (11)

де - циклова подача палива, кг; - нижча теплота згоряння палива, Дж/кг; - втрати теплоти через неповноту згоряння, Дж/кг.

Коефіцієнт надміру повітря описується поліноміальною залежністю від частоти обертання n_д і розрідження у впускному трубопроводі :

(12)

Вміст основних шкідливих речовин у ВГ описується поліноміальними моделями виду:

, (13)

де - вміст і - го шкідливого компонента у ВГ.

Для розрахунку енергетичних, економічних та екологічних показників газового двигуна складено комп'ютерну програму з використанням алгоритмічної мови Fortran 6.6. В результаті розрахунків в кожен момент повороту колінчастого вала визначаються об'єм, тиск, температура і маса робочого тіла в циліндрі двигуна. В залежності від частоти обертання , розрідження у впускному трубопроводі , коефіцієнта надміру повітря , а також заданих величин кута випередження запалювання визначаються середні індикаторний та ефективний тиски, тиск механічних втрат , індикаторна та ефективна потужність двигуна, годинна та питома ефективна витрата палива, індикаторний та ефективний ККД.

Коефіцієнти поліноміальних моделей визначались з використанням експериментальних характеристик. За планом симетричного повного факторного експерименту визначались значення параметрів в точках плану, за якими з використанням методу найменших квадратів і комп'ютерних програм визначались коефіцієнти поліноміальних моделей.

Перевірка адекватності окремих поліноміальних моделей проводилась за критерієм Фішера.

Перевірка адекватності математичної моделі робочого процесу здійснювалась шляхом порівняння розрахункових та експериментальних індикаторних діаграм (рис.2), а також розрахункових і отриманих з експериментальної навантажувальної характеристики індикаторних і ефективних показників газового двигуна (рис. 3). Результати порівняння показують, що максимальне відхилення значень розрахункових та експериментальних показників робочого процесу при п_д = 1400 хв^-1 і Др_к = 20 кПа не перевищує 6%.

Максимальне відхилення значень середнього ефективного тиску р_е складає 8 %, значень годинної витрати палива G_пал - 4,2 %, питомої ефективної витрати палива g_e - 5,9 %.

В третьому розділі описано мету, програму, методику та обладнання експериментальних досліджень і висвітлено їх результати.

Програма експериментальних досліджень включала:

- переобладнання дизеля Д-240 для роботи на природному газі;

- визначення енергетичних, економічних та екологічних показників переобладнаного двигуна при роботі на природному газі на різних усталених швидкісних і навантажувальних режимах;

- визначення впливу складу суміші і кута випередження запалювання на показники газового двигуна;

- визначення характеристик механічних втрат газового двигуна, переобладнаного з дизеля;

- визначення індикаторних діаграм двигуна на різних навантажувальних режимах і з різними регулюваннями систем живлення і запалювання;

Об'єктом для стендових досліджень був серійний чотирициліндровий чотиритактний дизель Д-240, переобладнаний для роботи на природному газі. Переобладнання дизеля в газовий двигун з примусовим запалюванням і зовнішнім сумішоутворенням виконувалося з мінімальними змінами його конструкції з метою забезпечення можливості відновлення роботи двигуна за дизельним процесом.

Для забезпечення роботи двигуна на природному газі було встановлено серійне газове обладнання та безконтактна електронна система запалювання з індуктивним датчиком, а також зменшено ступінь стискання з 16 до 12 одиниць. Зменшення ступеня стискання газового двигуна забезпечено шляхом встановлення між головкою блоку і блоком циліндрів 3-х прокладок загальною товщиною Д = 4,5 мм (двох штатних металоазбестових і однієї із листового дюралюмінію між ними).

Стендові випробовування газового двигуна проводились на електричному гальмівному стенді КИ-4893 ГОСНИТИ. Під час досліджень визначалися: ефективний крутний момент , частота обертання колінчастого валу , витрата палива , витрата повітря , розрідження у впускному трубопроводі , кут випередження запалювання , положення дросельних заслінок , температура відпрацьованих газів , тиск відпрацьованих газів , температура води в системі охолодження , температура оливи , вміст у відпрацьованих газах оксиду вуглецю , вуглеводнів , оксиду азоту і двооксиду вуглецю .

Індицирування робочого процесу газового двигуна виконано за допомогою апаратно-програмного комплексу на базі персонального комп'ютера, до якого входили п'єзокварцевий датчик тиску, датчики відмітки ВМТ і реєстрації моменту подачі іскри в циліндрі двигуна, підсилювачі електричних сигналів, аналогово-цифровий перетворювач. Тарування датчика тиску проводилось поршневим пресом з манометром.

Для визначення показника згоряння на основі експериментальних індикаторних діаграм визначалися експериментальні характеристики тепловиділення. Після чого виконувався розрахунок характеристик тепловиділення із зміною з малим кроком показника згоряння від т=1 до т=4. Значення т, при якому сума середньоквадратичних відхилень між розрахунковою та експериментальною кривими тепловиділення була мінімальною, вибиралося для подальших розрахунків і уточнення закону згоряння.

Для порівняння енергетичних показників дизеля і газового двигуна отримано їх зовнішню швидкісну характеристику (рис. 4). Газовий двигун розвиває максимальну ефективну потужність 57,3 кВт, що на 2,2 кВт (3,99 %) більше ніж у дизеля. При цьому питома еквівалентна ефективна витрата палива ( в) газового двигуна більша на 20,5 … 25,4 %.

Програма експериментальних досліджень також включала в себе визначення серій навантажувальних характеристик за різних швидкісних режимів двигуна (n_д = 1000…2200 хв^-1).

Як видно із навантажувальних характеристик дизеля і газового двигуна (рис. 5), у переобладнаного двигуна за складу суміші на повному навантаженні б = 0,98 спостерігається підвищення потужності на 2,2 % в порівнянні дизелем, який на цьому режимі працює на більш збіднених сумішах. Рівень викидів СО у газового двигуна більший ніж у дизеля на холостому ході та малих навантаженнях, і менший при максимальному навантаженні. Така ж закономірність характерна і для викидів вуглеводнів С_mН_n, в яких переважну частину становить незгорівший метан СН₄. Викиди NО_х у дизеля менші на середніх навантаженнях, але більші на максимальних. Також у ВГ газового двигуна відсутній вміст твердих частинок, що характерно для дизеля.

Порівняльний аналіз і оцінка показників токсичності дизеля і газового двигуна проводились за 13-режимним циклом ESC (рис. 6). Так питомі викиди вуглеводнів у газового двигуна в 2,16 разів менші ніж у дизеля, а оксидів азоту - в 1,7 разів. Що стосується оксиду вуглецю, то його питомі викиди на 8,78% більші у газового двигуна. Це пов'язано з тим, що в режимі холостого ходу газовий двигун працює на складах суміші, близьких до стехіометричних і вміст СО у ВГ достатньо високий. З аналізу навантажувальних характеристик випливає, що для режиму холостого ходу, малих і максимальних навантажень необхідно забезпечувати роботу газового двигуна при б = 0,98…1,08 для забезпечення стійкої роботи і отримання потужності на рівні дизеля, а на режимах середніх навантажень з б = 1,1…1,4 - для забезпечення мінімальної токсичності ВГ.

Для порівняння токсичності ВГ газів двигунів визначалися сумарні питомі викиди газового двигуна і дизеля, зведені до СО , за залежністю:

(14)

де - питомі викиди токсичних компонентів ВГ газового двигуна і дизеля, г/(кВт•год);

- коефіцієнти агресивності відповідних компонентів, які прийняті наступними: , , , .

Таким чином, значення сумарної токсичності ВГ дизеля складає 578,3, а для газового двигуна цей показник рівний 316, тобто в 1,83 рази менший.

Четвертий розділ присвячений дослідженню на математичній моделі впливу ступеня стискання та кута випередження запалювання на показники газового двигуна та визначенню їх доцільних значень.

Дослідження впливу ступеня стискання на показники газового двигуна (рис. 7) показали, що максимальний тиск в циліндрі газового двигуна у всьому діапазоні е = 10…14 є нижчим, а максимальна температура в циліндрі вищою на 90…180 К, ніж у дизеля. За ефективними і індикаторними показниками (N_e, p_i) ступінь стискання газового двигуна, який забезпечує близькі до дизеля енергетичні показники, знаходиться в межах е = 11..12. При цьому максимальний тиск в циліндрі не перевищує максимальних значень тисків, допустимих для двигунів з іскровим запалюванням.

Для визначення доцільних значень кута випередження запалювання газового двигуна були проведені дослідження впливу цього параметра на індикаторні та ефективні показники газового двигуна в усьому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів.

Із регулювальних характеристик газового двигуна за кутом випередження запалювання (рис. 8) видно, що по мірі збільшення навантаження значення оптимального кута випередження запалювання переміщуються в зону більш пізніх значень, що пояснюється більшою здатністю до детонації на режимах великих навантажень. Доцільний кут випередження запалювання при розрідженні у впускному трубопроводі Др_к = 2 кПа складає 15є до ВМТ тоді як при Др_к = 60 кПа - 22є до ВМТ. Також із характеристик видно, що при збільшенні кута випередження запалювання абсолютні витрати палива та повітря зменшуються. Пояснюється це тим, що при більш ранньому запалюванні температура відпрацьованих газів менша, тому їх густина збільшується. Це викликає підвищення кількості залишкових газів в циліндрі і відповідно зменшення наповнення циліндра.

Доцільні значення кута випередження запалювання для конкретного режиму визначались за мінімальною питомою ефективною витратою палива. На рис. 9 наведено характеристичну карту кутів випередження запалювання в усьому діапазоні роботи газового двигуна, які рекомендуються для реалізації в системі запалювання.

Для визначення практичного ефекту від коректування кута випередження запалювання було проведено порівняння навантажувальних характеристик газового двигуна (рис. 10) за характеристики , яку забезпечує дослідний переривач-розподільник, та доцільної. Встановлено, що найбільший ефект коректування кута випередження запалювання дає на режимах високої частоти обертання та малих навантажень.

Наведені характеристики показують, що коректування кута випередження запалювання дозволяє зменшити витрату палива при роботі двигуна в режимах низьких навантажень, що є суттєвим фактором при застосуванні двигуна в якості енергоустановки для міського транспорту.

Одним із способів зміни характеристики запалювання є зміна характеристик вакуумного та відцентрового регуляторів кута випередження запалювання або використання іншої моделі переривача-розподільника. В сучасних умовах досягти оптимальної характеристики запалювання можна, шляхом установки електронної системи запалювання з управлінням кутом випередження запалювання за допомогою електронного блоку керування, в програму якого закладається характеристична карта доцільних значень кута випередження запалювання в різних швидкісних та навантажувальних режимах.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача вибору конструктивних та регулювальних параметрів при переобладнанні дизеля для роботи на природному газі на основі оцінювання їх впливу на індикаторні, ефективні та екологічні показники переобладнаного газового двигуна. Розв'язання даної задачі дозволило отримати наступні результати:

1. Розроблена методика оцінювання показників газового двигуна, в основі якої лежить уточнена математична модель робочого процесу, що дозволяє досліджувати вплив конструктивних та регулювальних параметрів на індикаторні, ефективні та екологічні показники в широкому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів.

2. Уточнено математичну модель робочого процесу газового двигуна шляхом коректування закону згоряння природного газу в циліндрі, який враховує зміну параметрів згоряння в залежності від режиму роботи двигуна, та описання основних показників робочого процесу за результатами експериментальних досліджень дослідного зразка переобладнаного двигуна.

3. Вибрано спосіб переобладнання дизеля для роботи на природному газі та розроблено метод експериментального дослідження газового двигуна з використанням апаратно-програмного комплексу для визначення індикаторних, ефективних та екологічних показників.

4. Перевірка адекватності математичної моделі робочого процесу шляхом порівняння розрахункових та експериментальних індикаторних і ефективних показників газового двигуна показала, що максимальні відхилення максимальних тисків р_z в циліндрі двигуна не перевищують 6%, середніх ефективних тисків р_е - 8%, ефективної питомої витрати палива g_е - 5,9 %. Перевірка поліноміальних моделей, які описують годинні витрати палива і повітря, вміст основних шкідливих компонентів у ВГ за F-критерієм підтвердила їх адекватність .

5. Обґрунтовано діапазон доцільних значень ступенів стискання при переобладнанні дизеля Д-240 для роботи на природному газі в межах е = 11…12, при яких газовий двигун розвиває ефективну потужність близьку до ефективної потужності базового дизеля, а максимальні тиски в циліндрі не перевищують тисків, характерних для двигунів з іскровим запалюванням.

6. Експериментальні дослідження переобладнаного газового двигуна підтвердили його роботоздатність в усьому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів з максимальною потужністю більшою на 1,98…4,3% та еквівалентною питомою ефективною витратою палива на 20,5 … 25,4% вищою, ніж у дизеля. Основні конструктивні рішення, що стосуються переобладнаного газового двигуна, захищені двома патентами України на корисні моделі.

7. За результатами порівняльної оцінки екологічних показників переобладнаного газового двигуна і базового дизеля за 13-режимним циклом ESC встановлено, що сумарна токсичність, зведена до СО, газового двигуна у 1,83 рази менша ніж у дизеля через відсутність у ВГ газового двигуна твердих часток та нижчих питомих викидів С_mН_n і NO_x..

8. Визначено доцільні значення кута випередження запалювання в усьому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів газового двигуна за критерієм мінімальної питомої ефективної витрати палива на кожному режимі. Отримано характеристичну карту доцільних кутів випередження запалювання для реалізації в системі запалювання.

9. Результати роботи прийняті до використання лабораторією механізації сільськогосподарського виробництва Волинського інституту агропромислового виробництва, а також використовуються у навчальному процесі ЛНТУ при підготовці фахівців за напрямами «Інженерна механіка» та «Автомобільний транспорт».

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Захарчук В.І., Сітовський О.П., Козачук І.С., Матейчик В.П., Яновський В.В. Дослідження можливості конвертації дизеля в газовий двигун// Наукові нотатки. Міжвузівський збірник. Луцьк, - 2003. - С. 125-129.

Здобувачем проаналізовано основні шляхи розширення використання газових двигунів переобладнаних з дизелів на автотранспортних засобах.

2. Матейчик В.П., Яновський В.В., Козачук І.С. Перевірка адекватності математичної моделі розрахунку показників двигуна з іскровим запалюванням при роботі на газовому паливі // Вісник НТУ і ТАУ, Київ -2003. - № 7. - С.55-59.

Здобувачем уточнено математичну модель розрахунку робочого процесу газового двигуна та проведено порівняння розрахункових і експериментальних індикаторних діаграм і навантажувальних характеристик.

3. Матейчик В.П., Грищук О.К., Захарчук В.І., Сітовський О.П., Козачук І.С. Переобладнання дизелів дорожніх транспортних засобів для роботи на природному газі // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів, Київ, НТУ. - 2003. - №17.- С. 109-112.

Здобувачем проаналізовано основні шляхи переобладнання дизелів для роботи на природному газі.

4. Захарчук В.І., Сітовський О.П., Козачук І.С. Техніко-економічні аспекти конвертації дизелів у газові двигуни // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля №7, Луганськ - 2004. - С. 114-117.

Здобувачем обґрунтовано доцільне значення ступеня стискання газового двигуна при його переобладнанні з дизеля.

5. Victor Zaharchuk, Illya Kozachuk. Design experiment investigation of the gas engine made of the tractor diesel // Polish Academy of Sciences. Branch in Lublin. Commission of motorization and energetic in agriculture. VOL. 7. Lublin 2005, P. 229-236.

Здобувачем виконано порівняльні розрахунки робочих циклів дизеля і газового двигуна на математичних моделях.

6. Захарчук В.І., Сітовський О.П., Козачук І.С. Розрахунково-експерементальні дослідження газового двигуна, переобладнаного з дизеля // Автомобільний транспорт: Сборник научных трудов, выпуск 16, Харьков, ХНАДУ - 2005. - С. 276-278.

Здобувачем отримані експериментальні характеристики енергетичних та екологічних показників газового двигуна.

7. Матейчик В.П., Захарчук В.І., Козачук І.С. Результати дослідження газового двигуна конвертованого з дизеля // Наукові нотатки. Міжвузівський збірник. Луцьк, - 2005. - С. 231-238.

Здобувачем на основі аналізу експериментальних даних проведено порівняльну оцінку екологічних, енергетичних та індикаторних показників дизеля і газового двигуна створеного на його базі.

8. Захарчук В.І., Козачук І.С. Дослідження газового двигуна, переобладнаного з тракторного дизеля // Науково-технічний журнал "Техніка АПК".- 2007. - №6. - С. 36-38.

Здобувачем отримано поліноміальні моделі показників газового двигуна переобладнаного з дизеля.

9. Захарчук В.І., Козачук І.С., Захарчук О.В. Інноваційна технологія переобладнання дизелів у газові двигуни з іскровим запалюванням // Тези І науково-практичного семінару "Інноваційні технології в автомобільному транспорті", Житомир: ЖДТУ, - 2007. - С. 33-37.

Здобувачем визначено доцільні параметри систем живлення і запалювання при переобладнанні дизеля у газовий двигун внутрішнього згоряння.

10. Матейчик В.П., Яновський В.В., Захарчук В.І., Сітовський О.П., Козачук І.С. Дослідження газового двигуна з іскровим запалюванням, переобладнаного з дизеля // Науково-виробничий журнал "Автошляховик України" №4 - 2008. - С. 13-16.

Здобувачем визначено доцільні значення кутів випередження запалювання в усьому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів та необхідна залежність зміни кута випередження запалювання від частоти обертання колінчастого вала і навантаження двигуна, яку повинна забезпечувати система запалювання.

11. Матейчик В.П., Захарчук В.І., Козачук І.С., Захарчук О.В. Особливості використання природного газу як моторного палива для транспортних засобів // Вісник Національного транспортного університету. - К.: НТУ, 2008. - С. 127-130.

Здобувачем проаналізовано особливості використання природного газу в газових двигунах, переобладнаних з дизелів.

12. Пат. 24970 UA. МПК(2006) F02B 11/00 F02B 69/00. Спосіб конвертації дизеля в газовий двигун внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням / В.І. Захарчук, І.С. Козачук, О.В. Захарчук (Україна). - Опубл. 25.07.07, Бюл. №11.

Здобувачем розроблено спосіб монтажу елементів систем запалювання і живлення на дизелі.

13. Пат. 32397 UA. МПК(2006) F02B 11/00. Спосіб конвертації дизеля в газовий двигун внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням/ В.І. Захарчук, В.П. Матейчик, І.С. Козачук, О.В. Захарчук (Україна). - Опубл. 12.05.08, Бюл. №9.

Здобувачем розроблено спосіб забезпечення доцільного значення ступеня стискання газового двигуна при переобладнанні його з дизеля.

АНОТАЦІЯ

Козачук І.С. Покращення індикаторних, ефективних та екологічних показників газових двигунів, переобладнаних з дизелів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - “Двигуни та енергетичні установки”. - Національний транспортний університет, Київ, 2008.

Дисертація присвячена покращенню індикаторних, ефективних та екологічних показників газових двигунів, переобладнаних з дизелів, шляхом вибору доцільних значень конструктивних та регулювальних параметрів.

Розроблено методику оцінювання показників газового двигуна, в основі якої лежить уточнена математична модель робочого процесу газового двигуна, що дозволяє досліджувати вплив конструктивних та регулювальних параметрів на індикаторні, ефективні та екологічні показники двигуна з врахуванням особливостей згоряння природного газу.

Проведено розрахункові та експериментальні дослідження газового двигуна, переобладнаного з дизеля Д-240, щодо обґрунтування вибору ступеня стискання та визначення впливу кута випередження запалювання на показники газового двигуна.

Визначено доцільні значення кута випередження запалювання в усьому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів газового двигуна.

Ключові слова: газовий двигун, дизель, переобладнання, природний газ, ступінь стискання, кут випередження запалювання, математичне моделювання, витрата палива, екологічні показники.

АННОТАЦИЯ

Козачук И.С. Улучшение индикаторных, эффективных и экологических показателей газовых двигателей, переоборудованных из дизелей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - двигатели и энергетические установки. - Национальный транспортный университет, Киев, 2008.

Диссертация посвящена вопросам улучшения индикаторных, эффективных и экологических показателей газовых двигателей, переоборудованных из дизелей, путем выбора оптимальных конструктивных и регулировочных параметров.

Разработана методика оценивания индикаторных, эффективных и экологических показателей газового двигателя с искровым зажиганием, переоборудованного из дизеля. В основу методики положена уточненная математическая модель рабочего процесса газового двигателя, что позволяет исследовать влияние конструктивных и регулировочных параметров на его индикаторные, эффективные и экологические показатели.

Уточнение математической модели рабочего процесса газового двигателя выполнено путем корректировки закона сгорания природного газа в цилиндре, который учитывает изменение параметров сгорания в зависимости от режима работы двигателя, и описанием основных показателей рабочего процесса, по результатам экспериментальных исследований опытного образца переоборудованного двигателя.

Проведены экспериментальные исследования показателей газового двигателя, переоборудованного из дизеля Д-240. Обоснованно значение степеней сжатия, при переоборудовании дизеля для работы на природном газе, при которых обеспечиваются наилучшие индикаторные и эффективные показатели газового двигателя, а максимальные давления в цилиндре не превышают давлений, которые характерны для двигателей с искровым зажиганием. Экспериментальные исследования газового двигателя подтвердили его работоспособность во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов с максимальной мощностью большей на 1,98…4,3% и более высоким эквивалентным удельным эффективным расходом топлива на 20,5…25,4%, как у дизеля.

Проведена сравнительная оценка экологических показателей переоборудованного газового двигателя и базового дизеля за режимами цикла ESC, который наиболее полно отображает реальные эксплуатационные режимы. Показано, что суммарная токсичность, приведенная к СО, газового двигателя в 1,83 раза меньше, чем у дизеля, из-за отсутствия в отработавших газах газового двигателя твердых частиц и меньших удельных выбросов С_mН_n и NO_x.

Выполнено проверку адекватности уточненной математической модели рабочего процесса газового двигателя и полиномиальных моделей часовых расходов топлива и воздуха и состава основных вредных выбросов в отработавших газах.

Определены целесообразные значения угла опережения зажигания во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов газового двигателя по критерию минимального удельного эффективного расхода топлива на каждом режиме.

Ключевые слова: газовый двигатель, дизель, переоборудование, природный газ, степень сжатия, угол опережения зажигания, математическое моделирование, расход топлива, экологические показатели.

RESUME

Kozachuk I.S. Improvement of indicator, effective and ecological parameters of gas engines converted from diesels - Manuscript.

Thesis for a candidate degree in science by specialty 05.05.03 - engines and power plants, National Transport University, Kyiv, 2008.

The dissertation is devoted to improvement of indicator, effective and ecological indexes of converted from diesels gas engines by the choice of expedient values of structural and regulation parameters.

The method of the gas engine indexes evaluation is developed, in which the specified mathematical model of gas engine working cycle is underlaid. The mathematical model allows to research influence of structural and regulation parameters on the indicator, effective and ecological indexes of engine taking into account the features of combustion of natural gas.

Calculation and experimental researches of converted from the diesel D-240 gas engine are conducted, in relation to the predication of compression ratio and determination of ignition dwell angle influence on the gas engine indexes.

The values of ignition dwell angle in all ranges of the speed and loading modes of gas engine are determined.

Key words: gas engine, diesel, convertation, natural gas, compression ratio, ignition dwell angle, mathematical modeling, fuel consumption, ecological parameters.

Размещено на Allbest.ru

...