CC BY
121
УДК [621.436.036.9-44:629.5]:662.75 ББК 39.455.554-012-048:31.354
Хоанг Куанг Лыонг
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ СМЕШИВАНИЯ И ПОДАЧИ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ДЛЯ СУДОВОГО ГАЗОДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Hoang Quang Lyong
PROJECTING THE SYSTEM OF MIXING AND SUPPLY OF GAS-AIR MIXTURE FOR THE MARINE GAS-DIESEL ENGINE
Проведен анализ технических решений для использования газовых топлив в газовом и жидком состоянии в судовых двигателях внутреннего сгорания. Рассмотрены схемы для смешивания и подачи газовоздушной смеси с использованием редуктора-испарителя. Приводится расчет и проектирование смесительного устройства для судового газодизельного двигателя 2ГЧ 9,5/11. Результаты расчета и проектирования используются для создания комплекса смесителя и газовой заслонки у судового газодизельного двигателя 2ГЧ 9,5/11. Конвертирование судового высокооборотного двигателя в газодизель с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси с установлением редуктора-испарителя и смесителя не требует вмешательства в его конструкцию и улучшает экономические и экологические показатели.
Ключевые слова: газовоздушная смесь, газовые топлива, редуктор-испаритель, газовая заслонка, проектирование, смесительное устройство, судовой дизель, газодизельный двигатель.
The analysis of technical solutions for the use of gas fuels in gaseous and liquid states in marine internal combustion engines is made. The schemes for mixing and supplying gas-air mixtures using a reducer-evaporator are studied. The calculation and the project of the mixing machine for the marine gas-diesel engine 2ГЧ 9.5/11 are presented. The results of calculation and projecting are used for creation of a complex of the mixer and the gas valve of the marine gas-diesel engine 2ГЧ 9.5/11. Transformation of the marine high-speed engine into the gas-diesel one with external gas-air mixing with installation of a reducer-evaporator and a mixing machine does not require the interference in its design and improves economic and ecological performances.
Key words: gas-air mixture, gas fuel, reducer-evaporator, gas valve, projecting, mixing machine, marine diesel, gas-diesel engine.
Введение
Судовые двигатели, которые работают по газодизельному циклу, можно разделить на три группы: 1 - газодизельные двигатели с внешним смесеобразованием; 2 - газодизельные двигатели с внутренним смесеобразованием; 3 - газодизельные двигатели с форкамерным смесеобразованием. Преимущество первого способа подачи природного газа - простота, его можно осуществить на газодизеле, добавив к нему смесительное устройство. Конвертирование судового высокооборотного двигателя в газодизель с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси не требует вмешательства в его конструкцию. В двигателях с внешним смесеобразованием регулирование соотношения «воздух - газ» осуществляется путем воздействия тем или иным способом на газовоздушные смесители. Наибольшее распространение получили смесители, основанные на эффекте Вентури в сужающих устройствах. Смесители устанавливают непосредственно после воздушного фильтра двигателя. Абсолютное статическое давление проходящего через смеситель воздуха в суженном сечении становится ниже атмосферного, т. е. возникает разрежение, и через отверстия, расположенные в суженном сечении, происходит инжекция газа в поток воздуха.
Технические решения для использования газовых топлив
В настоящее время наиболее часто используется инжекция газа в поток воздуха с помощью смесителя. Тем не менее уже положено начало исследованиям и применению новых систем пода-
чи газа, особенно системы впрыска газовых топлив в газообразном виде во впускной патрубок газодизеля через дозирующий электроклапан и впрыска запального топлива форсункой.
Для газодизелей с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси существуют 3 варианта подачи газа.
1. Подача газового топлива в газообразном виде во впускной патрубок газодизеля через дозирующий электроклапан и впрыск запального топлива форсункой (рис. 1).
Рис. 1. Схема подачи газового топлива в газообразном виде во впускной патрубок
Этот вариант рекомендовано использовать только для производства новых двигателей, т. к. он предполагает слишком большие структурные изменения.
2. Использование редуктора-испарителя и смесительного устройства (рис. 2).
В этом случае в конструкцию двигателя почти не вносятся существенные изменения. Добавляется лишь газовый смеситель, редуктор-испаритель, газовая заслонка и несколько изменяется система газораспределения. При этом зажигание рабочей смеси происходит не в одной точке у холодной стенки камеры сгорания, а сразу в нескольких местах одновременно. Такое зажигание ускоряет процесс сгорания при хорошем однородном составе рабочей смеси, делает его более полным. Важным преимуществом такого зажигания является расширение диапазона работы на бедных смесях.
Рис. 2. Схема подачи газа с использованием редуктора-испарителя и смесительного устройства
3. Использование системы впрыска газового топлива в сжиженном виде во впускной патрубок газодизеля (рис. 3).
Рис. 3. Система подачи сжиженного газа во впускной патрубок газодизеля:
1 - воздушный фильтр; 2 - форсунка сжиженного газа; 3 - форсунка дизельного топлива;
4 - система регулирования давления; 5 - баллон сжиженного газа; 6 - насос; 7 - система управления
Вариант подачи газового топлива в газообразном виде во впускной патрубок газодизеля через дозирующий электроклапан и вариант использования системы впрыска газового топлива в сжиженном виде во впускной патрубок газодизеля требуют больших изменений по конструкции. Конвертирование судового двигателя в газодизель с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси с помощью редуктора-испарителя и смесителя не требует вмешательства в его конструкцию.
Принципиальная схема подачи сжиженного газа и оборудования
На рис. 4 приведена схема подачи сжиженного газа.
5 і
Рис. 4. Схема подачи газа двигателям: 1 - баллон; 2 - редуктор-испаритель;
3 - газовая заслонка; 4 - система регулирования; 5 - смеситель; 6 - двигатель 2Ч 9,5/11
Сжиженный газ из баллона 1 поступает через соответствующие вентили к редуктору-испарителю 2, в котором давление газа снижается до значения, близкого к атмосферному. Газ низкого давления поступает к газовой заслонке 3 и смесителю 5, откуда после смешивания с воздухом засасывается в цилиндры двигателя 6.
Расчет и проектирование смесителя
Схема смесительного устройства представлена на рис. 5.
Газ
Рис. 5. Смесительное устройство
Определение диаметра сопла диффузора dh. Определение расхода воздуха через сопло осуществляется по формуле
^возд Мн -А-^возд-Рвозд ,
^ = Фн •ан,
где цн - коэффициент потока через сопло, зависящий от формы и поверхности сопла; Фн = 0,8 -0,9 - коэффициенты скорости в сопле, выбираем фн = 0,85 ; ан = 0,97-0,99, -коэффици-
енты сужения, ан = 0,98; /н площадь сечения сопла, м2, /н =
где ^ - наименьший диаметр
сопла, м; Жвозд - скорость воздуха через сопло, м/с, выбираем Жвозд = 20 м/с; рвозд - плотность воздуха перед впускным патрубком, кг/м3; рвозд = 1,1 -1,2, выбираем рвозд = 1,15.
Согласно данным [1], часовой расход топлива судового дизеля 2Ч 9,8/11 Gт = 2,78 кг/ч.
По данным [2], двигатель работает по газодизельному циклу, часовой расход дизельного топлива и природного газа Gтопл = 2,56 кг/ч. При этом Gдиз = 0,556 кг/ч, Gгаз = 2,005 кг/ч. Расход воздуха через сопло, кг/с, Свозл = а х Отош1 х L0, где а = 1,15 - коэффициент избытка воздуха; Ь0 -
количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного килограмма сме-севого топлива. Мы имеем: количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного моля топлива в кмоль возд./кг топл., М0 = 0,5122 кмоль/кг, поэтому Ь0 = 0,5122 х 29 = = 14,856 кг возд./кг топл.
Gво,л = 1,15 х 2,56 х 14,856 = 43,736 кг/ч = 0,0122 кг/с.
Тогда
п X й2
и = ф, х а, х----------------------— х я. х р
возд т Н Н 4 Н г в
4 х Овг
п х Фн х ан х ЯН х Рв
4х 0,0122
п х 0,85 х 0,98 х 20 х 1,15
= 0,0285 м.
Выбираем ён = 30 мм.
Определяем разрежение в сопле, Па:
АРн =
АРн =
Р** х Я' 2 х Фн2
Р** х^н2 2 х Фн2 ’
1,15 х 202 ' 2 х 0,852
= 318,34.
2
Расчет диаметра входного отверстия d^. Этот параметр очень важен, т. к. здесь природный газ и воздух смешиваются перед поступлением в цилиндр. Относительный диаметр (dh/db)
dh
в диапазоне dh = (0,6-0,8^ь, поэтому db = (о 6 *0 8) = ^ - 46мм.
Расчет диаметра отверстия dB для инжекции газа. В отверстии, расположенном в суженном сечении (рис. 5), происходит инжекция газа в поток воздуха. Расход газа определяется по формуле
GB = ^в х /в х Жв х Рв ,
где цв - коэффициент расхода газовой заслонки; /в - площадь сечения газовой заслонки, м2; рв - плотность природного газа, кг/м3; рв = 0,717 кг/м3; Ж - скорость потока газа через газовую заслонку, м/с [3].
Жв = — хАрв = \Р в
— х(АРл + Рв ),
где Арв - значение разрежения смеси через газовую заслонку, Па; рв - значение разрежения газа, рв = 100-200 Н/м2. Выбираем рв = 120 Н/м2.
Мы имеем:
Жв =— х ( Др, + рв ) = /—^- х (318,34 +120) = 34,96 м/с.
10,717
GB - расход газа в максимальном режиме, кг/с. Gв = 2,205 кг/ч = 0,613 х 10-3 кг/с. Площадь сечения отверстия
/в =
Gв
0,613х10-
цв х Жв х рв 0,85 х 34,96 х 0,717
= 2,88 х 10-5м2.
Диаметр отверстия
4 х їв
п
4 х 3,2 х 10-
= 0,0061 м.
п
Выбираем dв = 6,5 мм.
Расчет газовой заслонки. Газовая заслонка - устройство регулирования количества газа для подачи в двигатель. Заслонки можно разделить на 2 группы: конические газовые заслонки и газовые заслонки с крыльями (рис. 6).
б
Рис. 6. Виды газовых заслонок: а - коническая газовая заслонка; б - газовая заслонка с крыльями
3
а
По результатам исследования конструкций, способов регулирования и установки на систему подачи газа мы выбираем коническую газовую заслонку для регулирования количества газа, подаваемого в двигатель.
На рис. 7 приведена схема подачи газа от газовой заслонки в сопло Вентури.
Рис. 7. Схема подачи газа в сопло Вентури На рис. 8 показаны главные размеры газовой заслонки.
и ; и///^-П7ТЛ
Рис. 8. Газовая заслонка
Частота вращения двигателя 1 500 об/мин, время для такта впуска
= 30/п с.
В такте впуска скорость газа Vвп от форсунки газа до поступления в сопло
Vвп = УР"^ + Рв) = ^"2т7х(318,34 +120) = 34,96 м/с.
Для остальных тактов цикла скорость газа до поступления в сопло ^ст. В этот момент Дрь = 0.
=
'V
2
2
х Рв =■
■ х 120 = 18,3 м/с
'0,717
Количество газа, проходящего через газовую заслонку за цикл
^ = 5 х *вп х( Vвп + 3 х ),
где 5 - площадь сечения для прохождения газа.
Мощность двигателя
Ш г, г, п Ые х 120 3
Ne = П х ° х QHГ х 120 ^ °г = —о-------------м ,
120 п х онГ х п
где N - номинальная мощность газодизельного двигателя, N = 11 кВт; п - КПД двигателя, п = 0,323 [2]; п - частота вращения, п = 1 500 об/мин; 0нг - теплота сгорания низшая природного газа,
0нг = 33 802,6 кДж/м3.
0Г =--------11х120-----------= 0,806 х 10-4.
0,323 х 33802,6 х 1500
Площадь сечения
5 = _ _ „
*вп (^вп + 3.^осг) 30 (34,96 + 3 х 18,3) ’
5 = —&_______________г = 0,806 х10-4 х1500 = 0,485 х10-4,
Мы получаем
cos
cos
cos
«02 -
п
Выбираем угол конусности а = 40°, Д0 = 15 мм.
Когда двигатель работает в номинальном режиме, рабочий диаметр заслонки Д, и диаметр отверстия для инжекции газа обеспечивают площадь сечения 5 = 0,485 х 10-4 м2.
На рис. 9 приведена схема расчета площади сечения 5 для прохождения газа.
2
а
2
1
1
а
а
2
2
Рис. 9. Схема расчета площади сечения 5 для прохождения газа Выбираем угол конусности а = 40°, Д0 = 15 мм.
Когда двигатель работает в номинальном режиме, рабочий диаметр заслонки Д, и диаметр отверстия для инжекции газа обеспечивают площадь сечения 5 = 1,531 х 10-4 м2.
Рабочий радиус
S х cosf — j 0,485 х104 х cos f —
R =\ R—---------^ = J7,5— х 10-6----------------= 6,46 х 10_3 м.
п Ц п
Выбираем рабочий радиус Rv = 6,5 мм. Тогда рабочий диаметр Dv = 13 мм.
Заключение
Результаты расчета и проектирования используются для создания комплекса смесителя и газовой заслонки у судового газодизельного двигателя 2ГЧ 9,5/11. Конвертирование судового высокооборотного двигателя в газодизель с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси с установлением редуктора-испарителя и смесителя не требует вмешательства в его конструкцию и улучшает экономические и экологические показатели.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bui Van Ga, Li Minh Tiёn, Truong Li Bwh Tram, Tran Thanh Hai Tung. Tinh toan van cung cap biogas cho dong co nhieu xi lanh co lon // Tap Chi Giao Thong-Van Tai. 2009. S. P. 25-27.
2. Дизели Ч8,5/11, Ч9,5/11. Руководство по эксплуатации 2452018 РЭ на рус. и англ. яз. М.: Внеш-торгиздат. Изд. № 8026эс. 273 с.
3. Апкаров И. А. Применение газодизельного процесса в судовых ДВС / И. А. Апкаров, Хоанг Куанг Лыонг // Материалы Междунар. науч. конф. проф.-преп. состава Астрахан. гос. техн. ун-та (57 ППС). Астрахань, 2013.
REFERENCES
1. Bui Van Ga, Le Minh Tien, Truong Le Bich Tram, Tran Thanh Hai Tung. Tinh toan van cung cap biogas cho dong co nhieu xi lanh co lon [Calculation of the gas gate for multiple-cylinder engines]. Transport magazine, 2009, no. 8, pp. 25-27.
2. Dizeli Ch 8,5/11, Ch 9,5/11 [Diesels Ch 8.5/11, Ch 9.5/11]. Rukovodstvo po ekspluatatsii 2452018 RE na rus. i angl. iaz. Moscow, Vneshtorgizdat. Izd. № 8026es. 273 p.
3. Apkarov I. A., Khoang Kuang Lyong. Primenenie gazodizel'nogo protsessa v sudovykh DVS [Application of gas diesel process in marine ICE]. Materialy Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsiiprofessorsko-prepodavatel'skogo sostava Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta (57PPS). Astrakhan, 2013.
Статья поступила в редакцию 12.07.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Хоанг Куанг Лыонг — Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; hquangluong@gmail.com.
Hoang Quang Lyong — Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Equipment"; hquanglu-ong@gmail.com.
