Экспериментальное исследование эффективности работы газодизельного двигателя при оптимизации коэффициента избытка воздуха на частичных нагрузках Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 662.76

Вербовский В.С., с.н.с.(Институт Газа НАН Украины)

ГрицукИ.В., к.тн. (ДонИЖТ)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗБЫТКА ВОЗДУХА НА ЧАСТИЧНЫХ

НАГРУЗКАХ

Введение. Газодизели в настоящее время работают на различных газовых топливах - на сжатом природном газе, на попутных газах нефтяных и газовых месторождений, на шахтном метане, на биогазе. Эффективность использования газового топлива в газодизелях в первую очередь зависит от совершенства применяемых на них систем автоматического управления и регулирования, однако несмотря на давно известные достоинства газодизелей, они до сих пор не получили широкого применения в качестве приводных двигателей для газодизельных электростанций. В связи с тем, что поставленная в экспериментальных исследованиях задача заключается в повышении эффективности работы газодизельного двигателя при оптимизации коэффициента избытка воздуха на частичных нагрузках, необходимо было оценить изменение теплоты совместного сгорания дизельного топлива и газа в зависимости от а. Проведенный анализ [1, 2, 3] показывает, что эффективным средством улучшения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов во всем диапазоне нагрузок является обеспечение оптимального количества воздуха, определяющего условия совместного сгорания газовоздушной смеси и распыленного дизельного топлива в условиях переменного давления и объема, характерных для поршневых двигателей.

Анализ последних исследований и публикаций. В настоящее время вопросами использования альтернативных топлив для работы энергетических установок занимаются многие институты НАН и ВУЗы Украины.

Постановка задачи в данной работе - определение эффективного предела снижения коэффициента избытка воздуха для повышения удельного эффективного расхода тепла во всем диапазоне нагрузок и повышение экономичности двигателя при обогащении смеси.

Основная часть. Исследования проводились на стационарном газодизельном двигателе в составе газодизельного электроагрегата АГД-100С-Т400-1Р, описанном в [4] при номинальной мощности 100 кВт и при частичных нагрузках 12, 30, 50, 70 кВт.

Проводилось несколько серий опытов, снимались нагрузочные характеристики двигателя в диапазоне мощностей 0.. .100 кВт.

В первой серии газодизель работал в режиме дизеля, т.е. только на дизельном топливе [3].

Во второй серии опытов запальная доза дизельного топлива поддерживалась постоянной на всех нагрузках. Изменение мощности осуществлялось за счет изменения расхода газового топлива [3].

В третьей серии опытов определялся закон подачи газовоздушной смеси (рассматривается в данной статье). Токсические характеристики работы газодизеля снимались на всех режимах.

Перед экспериментальным исследованием рабочего процесса газодизельного двигателя в условиях обогащения топливной смеси на частичных нагрузках необходимо оценить изменение теплоты совместного сгорания дизельного топлива и газа в зависимости от а.

Для этого теплота сгорания смеси м рассчитывалась по формуле, разработанной в [5]:

К

1 - q

Q

(

1 + Ь0 ■а

1 + 0.982

1 - Ч.

3

, кДж/м ,

(1)

где ч - доля тепла, внесенная запальной дозой дизельного топлива, Qнр - низшая теплота сгорания газового топлива, Ь0 - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1

3

м газа.

Доля тепла д, внесенная запальной дозой дизельного топлива:

Ч = нд ■ ^

&р V + Нд ■ <эт

(2)

где Нд - низшая теплота сгорания дизельного топлива, От - расход дизельного топлива, Уг - расход газа.

1

Коэффициент избытка воздуха агд газодизельного процесса:

Од =-Ь-, (3)

V • ь г+Gя • ¿ж

где Ьд - расход воздуха двигателем,

Ьог - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания

1 м газа,

Ьод - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг дизельного топлива.

На рисунке 1 показано изменение теплоты сгорания дизельного топлива и смеси дизельного и газового топлив в зависимости от а при нагрузке 30 кВт. Из рисунка видно, что при такой нагрузке теплота сгорания смеси меньше, чем дизельного топлива. Для сохранения одинаковой теплоты сгорания смесь необходимо обогатить, т.е. коэффициент избытка воздуха должен быть уменьшен.

1.Е 2 2-Я 3 1.В Л

Рисунок1. - Теплота сгорания смеси при дизельном и газодизельном

процессах

Исследование влияния обогащения смеси на частичных нагрузках на эффективность газодизельного процесса при постоянной минимальной

запальной дозе дизельного топлива проводилось, как было сказано ранее, в третьей серии экспериментов [4].

Во впускном трубопроводе двигателя экспериментальной установки установлена воздушная заслонка, которая связана с газовым актуатором. Соотношение между расходом воздуха и газа регулировалось автоматически для обеспечения постоянного коэффициента избытка воздуха [4].

Работа газодизельного двигателя оценивалась по нагрузочным характеристикам. Двигатель работал с минимальной запальной дозой дизельного топлива 12%, установленной в [3]. Обогащение проводилось до а>2. Дальнейшее снижение коэффициента избытка воздуха сопровождалось ухудшением работы двигателя.

Нагрузочные характеристики работы газодизеля по новому закону подачи газовоздушной смеси показаны на рисунке 2.

10 20 30 КО 50 ■ЗО ГЭ 80 90 Г^нЕг

Рисунке 2. - Нагрузочная характеристика обогащенной на частичных нагрузках газовоздушной смеси при qдиз.т0пл. = 12%

Сравнение рисунка 3 [3] и рисунка 2 показывает динамику изменения расходных параметров газодизельного процесса при обогащении смеси. Уменьшение коэффициента избытка воздуха на частичных нагрузках

привело к снижению расхода газового топлива на «10% без увеличения минимальной запальной дозы дизельного топлива. Избыточный воздух в процессе сгорания играл роль балласта и приводил к переохлаждению смеси. Сокращение а увеличило скорость сгорания углеводородов и максимальные температуры горения, что повысило полноту сгорания топлива, позволив уменьшить его количество.

Сравнение нагрузочных характеристик в тепловых единицах (рисунок 4 [3] и рисунок 5) показало улучшение удельного эффективного расхода тепла во всем диапазоне нагрузок. Таким образом, было экспериментально доказано повышение экономичности двигателя при обогащении смеси.

ч

Уг,

/

/ /

/

/

ю го ао *а го « ?о ад м Ии-ийт

Рисунке 3. - Нагрузочная характеристика газодизеля при запальной дозе

дизельного топлива равной 12% [3]

Рисунке 4. - Нагрузочные характеристики газодизеля в тепловых единицах

при обогащенной смеси

В свете полученных результатов, возникает необходимость оценки влияние нового закона подачи газовоздушной смеси на экологические показатели процесса сгорания. Для этого планируется экспериментально оценивать содержание токсичных компонентов в отработавших газах газодизельного двигателя.

Установление закона подачи газовоздушной смеси при оптимизации коэффициента избытка воздуха на частичных нагрузках делает более корректным процесс совместного сгорания дизельного топлива и газа, повышая эффективность работы газодизельного двигателя.

18

'•I

12

10

г " г Q

Qa

-—q Iх

Я г—--

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Nr.«Br

Рисунке 5. - Нагрузочные характеристики газодизеля в тепловых единицах при запальной дозе дизельного топлива - 12% [3]

Выводы. Анализ полученных результатов проведенных экспериментальных исследований показал улучшение удельного эффективного расхода тепла во всем диапазоне нагрузочных характеристик и экспериментально было доказано повышение экономичности двигателя при обогащении смеси. Установлен предел обогащения газовоздушной смеси, позволивший снизить расход газового топлива на 10%.

Список литературы

1. Гелетуха Г.Г., Билека Б.Д., Дрозд К.А. Состояние комбинированной выработки энергии в странах ЕС и Украине // Первая в Украине Международная конференция "Когенерация в промышленности и коммунальной энергетике" 18-20 октября, Киев 2004, Украина. - с. 184-186.

2. Вербовский В.С. Возможности применения газодизельных электростанций в Украине // Экотехнология и ресурсосбережение. - 2003. - №1. - с.13-17.

3. Вербовский В.С., Грицук И.В. Экспериментальные исследования процесса работы газодизельного двигателя с целью снижения запальной дозы дизельного

топлива / Збiрник наукових праць Донецького шституту залiзничного транспорту Укра'шсько! державно! академп залiзничного транспорту. - Донецьк: Дон1ЗТ, 2010 -Випуск №22. 257с., С. 124-137

4. Вербовский В.С., Грицук И.В. Особенности экспериментальной установки для исследования универсальной системы питания и регулирования газодизельной электростанции / Збiрник наукових праць Донецького шституту залiзничного транспорту Укра'шсько! державно! академи залiзничного транспорту. - Донецьк: Дон1ЗТ, 2010 - Випуск №21. 257с., С. 124-137.

5. Лебедев С.Е. Расчет газожидкостного процесса. Сб. «Перевод двигателей внутреннего сгорания на газообразное топливо». Под ред. Д. Н. Вырубова. Машгиз, 1946.- С. 13-28.

УДК 629.113-585.862

Комов А.Б., к.т.н, доц.(ДонНАСА), Комов П.Б., к.т.н, доц.(ДонНАСА), Грицук И.В., к.т.н, доц. (ДонИЖТ), Комов Е.А., аспирант (ХНАДУ)

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО НАГРУЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Введение. Задачи экспериментальных исследований динамических процессов нагружения элементов трансмиссии транспортного средства включали в себя: выявление характера динамических процессов нагружения деталей трансмиссии; определение фактических величин нагрузок в зависимости от зазоров в шарнирах неравных угловых скоростей карданных передач; определение статистических характеристик нагруженности элементов трансмиссии автомобиля при его установившемся движении. В процессе проведения экспериментальных исследований было выполнено: разработка программы и плана эксперимента, создание комплекса измерительной аппаратуры, который был установлен на автомобиле; проведение экспериментальных заездов; анализ результатов измерений.

Анализ последних исследований и публикаций, касающихся исследования динамических нагрузок элементов трансмиссии АТС [1] дает возможность убедиться в том, что одной из главных тенденций в данных