CC BY
47
УДК 662.76
Вербовский В. С., с.н.с.(Институт Газа НАН Украины)
ГрицукИ.В., к.т.н. (ДонИЖТ)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАБОТЫ ГАЗОДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ЗАПАЛЬНОЙ ДОЗЫ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
Введение. Газодизели могут работать на различном газовом топливе: 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. Несмотря на давно известные достоинства газодизелей, они до сих пор не получили широкого применения в качестве приводных двигателей для газодизельных электростанций.
Поскольку поставленная в экспериментальных исследованиях цель заключается в повышении экономичности газодизельного двигателя за счет уменьшения величины запальной дозы дизельного топлива и оптимизации процесса совместного сгорания двухтопливной смеси, необходимо было установить порог минимальной запальной дозы дизельного топлива, обеспечивающий надежное воспламенение газовоздушной смеси в цилиндрах и устойчивую работу двигателя на всех эксплуатационных режимах. Проведенный анализ [1, 2] 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: Институт угольных энерготехнологий, Институт общей энергетики, Институт проблем материаловедения, Институт
электросварки, Институт биоорганической химии и нефтехимии, Институт Газа, Национальный технический университет Украины «КПИ», Национальный транспортный университет и др.
Постановка задачи в данной работе - определение предела снижения запальной дозы дизельного топлива для повышения экономичности газодизельного двигателя и оптимизации процесса совместного сгорания двухтопливной смеси.
Основная часть. Исследования проводились на стационарном газодизельном двигателе в составе газодизельного электроагрегата АГД-100С-Т400-1Р, описанном в [3] при номинальной мощности 100 кВт и при частичных нагрузках 12, 30, 50, 70 кВт. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1 в [3].
Программа экспериментальных исследований включала работу двигателя в следующих режимах:
- работа газодизельного двигателя в дизельном режиме - базовый режим;
- работа газодизельного двигателя в газодизельном режиме при уменьшении запальной дозой дизельного топлива без оптимизации коэффициента избытка воздуха а;
- работа газодизельного двигателя в газодизельном режиме с минимальной запальной дозой дизельного топлива при оптимизации а на частичных нагрузках (в данной статье не рассматривается).
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.
Во второй серии опытов запальная доза дизельного топлива поддерживалась постоянной на всех нагрузках. Изменение мощности осуществлялось за счет изменения расхода газового топлива.
Исследовалось работа газодизельного двигателя при трех величинах запальной дозы дизельного топлива:
- запальная доза, соответствующая 26% от величины цикловой подачи на номинальном режиме;
- запальная доза, соответствующая 12-15% от номинальной цикловой подачи;
- исследовалась возможность дальнейшего снижения запальной
дозы.
В третьей серии опытов определялся закон подачи газовоздушной смеси (в данной статье не рассматривается). Токсические характеристики работы газодизеля снимались на всех режимах.
Динамика изменения состава топлива в зависимости от величины запальной дозы и нагрузки при работе двигателя в дизельном и газодизельном режимах показаны на рисунках 1, 2, 3 и 4.
В дизельном режиме газодизель работает с избытками воздуха а>2, характерными для гетерогенной смеси. Коэффициент избытка воздуха на частичных нагрузках достигает значений а=9, снижаясь на номинальной нагрузке до а=2. Расход дизельного топлива увеличивается пропорционально росту нагрузки (рисунок 1).
Рисунок 1 - Нагрузочная характеристика газодизеля при работе в
дизельном режиме
Анализ характеристик работы двигателя в газодизельном режиме показывает снижение коэффициента избытка воздуха в 4 раза при переходе газодизеля с частичных нагрузок на номинальную мощность, сопровождающееся увеличением расхода газового топлива. Т.е. номинальная нагрузка достигается при обогащении смеси. В режиме частичных нагрузок газодизель работает аналогично дизельному режиму на сильно обедненной смеси (рисунок 2, 3, 4).
ч
/
/
Уг
Опт
Рисунок 2 - Нагрузочная характеристика газодизеля при запальной дозе дизельного топлива 26%
10 20 30 40 50 60 70 80 90 Не.кВт
Рисунок 3 - Нагрузочная характеристика газодизеля при запальной дозе дизельного топлива равной 15%
Рисунок 4 - Нагрузочная характеристика газодизеля при запальной дозе дизельного топлива равной 12%.
Снижение запальной дозы дизельного топлива при газодизельном процессе сопровождалось эквивалентным ростом расхода природного газа. Коэффициент избытка воздуха и температура отработавших газов газодизеля при этом существенно не изменялись. Опытным путем установлен минимальный предел запальной дозы дизельного топлива, не нарушающий равномерность распределения мощности по цилиндрам -12%. (рисунок4).
При работе двигателя на смеси дизельного топлива и газа коэффициент избытка воздуха снизился по сравнению с работой на дизельном топливе на ~12% на частичных нагрузках и на ~4% на полной нагрузке, температура отработавших газов увеличилась на ~40° (рисунок
5).
Оценку вклада каждого вида топлива удобно представить в единицах условного топлива (рисунок 6). Из рисунка видно, что при номинальной нагрузке основной вклад в топливном балансе двигателя принадлежит газовому топливу. На частичных нагрузках картина не столь однозначна. На холостом ходу и малых нагрузках основной вклад в топливном балансе
принадлежит дизельному топливу. Этим объясняется необходимость работы двигателя при большом избытке воздуха. При уменьшении запальной дозы преобладает доля газового топлива. Поэтому снижение запальной дозы должно сопровождаться соответствующим снижением расхода воздуха, обеспечивающим надежное воспламенение запальной дозы дизельного топлива и максимально возможное в условиях гетерогенной смеси сгорание газового топлива.
1
Рисунок 5 - Изменение коэффициента избытка воздуха и температуры отработавших газов в зависимости от доли дизельного топлива в газодизельной смеси при различной нагрузке
Минимизация запальной дозы позволила сократить расход дизельного топлива по сравнению со стандартным газодизельным процессом на 20-33% условного топлива (у.т.) при частичных нагрузках и на 15-17% у.т. при номинальной нагрузке двигателя.
Более наглядное представление об изменении экономичности газодизеля при снижении запальной дозы дизельного топлива дают нагрузочные характеристики, на которых расход топлива показан в тепловых единицах Qд, Qг, Qx (рисунок 7, 8, 9). На рисунках показаны
также зависимости удельного расхода тепла qд, qг и q£ от эффективной мощности N
Рисунок 6 -Изменение соотношения дизельного и газового топлив в газодизельном двигателе в зависимости от запальной дозы при различной
нагрузке
Перерасчет массовых/объемных единиц расхода в тепловые производился по формулам: для дизельного топлива
Одт = Ндт Одт, кДж/ч
(1)
для природного газа
Ог =0нр Уг, кДж/ч,
(2)
где Ндт = 42500 кДж/кг - низшая теплота сгорания 1 кг дизельного
топлива;
Он = 35700 кДж/м - низшая теплота сгорания 1 м природного газа.
Суммарный расход тепла при работе по газодизельному процессу
Рисунок 7 - Нагрузочные характеристики газодизеля на дизельных режимах в тепловых единицах
10 20 30 40 50 00 70 00 90 Мв.кВт
Рисунок 8 - Нагрузочная характеристика газодизеля в тепловых единицах при запальной дозе дизельного топлива - 26%
Ох = Одт + Ог, кДж/ч
(3)
Удельный расход тепла
ах
=%
, кДж/кВт-ч
(4)
На рисунке 7 приведен топливный и удельный расход тепла при работе на дизельном топливе, на рисунках 8 и 9 - для газодизельного процесса при запальной дозе 26% и минимальной запальной дозе дизельного топлива.
Из сравнения характеристик видно, что дизельный процесс требует большего расхода тепла, чем газодизельный. Это можно объяснить более высоким значением а дизельного процесса. Уменьшение доли дизельного топлива при газодизельном процессе уменьшает общий расход тепла вследствие замены его более калорийным топливом. Рост мощности закономерно сопровождается увеличением расхода тепла.
10 го 30 40 50 60 70 80 90 Ме.кВт
Рисунок 9 - Нагрузочные характеристики газодизеля в тепловых единицах при запальной дозе дизельного топлива - 12%
Максимальные значения удельного расхода тепла соответствуют малым нагрузкам, с ростом мощности они резко снижаются. По удельному расходу показатели газодизельного процесса лучше показателей дизельного процесса на ~20%. Изменения суммарного удельного расхода при снижении запальной дозы дизельного топлива незначительны (рисунок 10).
Рисунок 10 - Удельный суммарный эффективный расход тепла по нагрузочным характеристикам
Показательно, что снижение доли дизельного топлива практически не изменило суммарную удельную тепловую нагрузку газодизельного двигателя, однако повлияло на характер изменения удельного расхода тепла газового топлива. При запальной дозе дизельного топлива 26% на частичных нагрузках основной вклад в получение энергии принадлежит дизельному топливу, доля природного газа не превышает 30%. Однако к 50% нагрузке вклад каждого топлива равнозначен. На номинальной мощности нагрузку обеспечивает газовое топливо. Снижение доли дизельного топлива до минимального значения свело его роль только к обеспечению запальной миссии, к роли источника воспламенения газового топлива. Это доказывает важность правильной организации процесса
сгорания газового топлива в поршневом двигателе: обеспечение эффективного воспламенения от запальной дозы дизельного топлива с последующим сжиганием.
Итак, в условиях одинакового избытка воздуха на дизельном и газодизельном режимах максимальный экономический эффект достигается при нагрузке, близкой к номинальной. Возрастание подачи топлива при увеличении нагрузки обогащает смесь. При этом улучшаются экономические показатели работы двигателя. Обеднение смеси ухудшает экономичность газодизеля на частичных нагрузках. Это свидетельствует о недостаточной эффективности параметров рабочего процесса на частичных нагрузках.
Установление закона подачи газовоздушной смеси при оптимальном избытке воздуха в режиме частичных нагрузок оптимизирует процесс совместного сгорания дизельного топлива и газа, повышая экономичность газодизельного двигателя.
Выводы. Анализ полученных результатов проведенных экспериментальных исследований подтвердил работоспособность газодизельного электроагрегата при снижении запальной дозы дизельного топлива, опытным путем установлен минимальный предел запальной дозы дизельного топлива, не нарушающий равномерность распределения мощности по цилиндрам - 12%.
По удельному расходу показатели газодизельного процесса лучше показателей дизельного процесса на ~20%.
Снижение доли дизельного топлива практически не меняет суммарную удельную тепловую нагрузку газодизельного двигателя, однако влияет на характер изменения удельного расхода тепла газового топлива: при запальной дозе дизельного топлива 26% на частичных нагрузках основной вклад в получение энергии принадлежит дизельному топливу, доля природного газа не превышает 30%, однако к 50% нагрузке вклад каждого топлива равнозначен. На номинальной мощности нагрузку обеспечивает газовое топливо. Снижение доли дизельного топлива до минимального значения свело его роль только к обеспечению запальной миссии, к роли источника воспламенения газового топлива, что доказывает важность правильной организации процесса сгорания газового топлива в поршневом двигателе: обеспечение эффективного воспламенения от запальной дозы дизельного топлива с последующим сжиганием.
Экспериментально подтверждена максимальная экономическая эффективность газодизеля, достигаемая при нагрузке, близкой к
номинальной и недостаточная эффективность параметров рабочего процесса его на частичных нагрузках.
Минимизация запальной дозы позволила сократить расход дизельного топлива по сравнению со стандартным газодизельным процессом на 20-33% условного топлива (у .т.) при частичных нагрузках и на 15-17% у.т. при номинальной нагрузке двигателя.
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. Особенности экспериментальной установки для исследования универсальной системы питания и регулирования газодизельной электростанции / Збiрник наукових праць Донецького шституту залiзничного транспорту Украшсько'1 державно! академп залiзничного транспорту. - Донецьк: Дон1ЗТ, 2010 - Випуск №21. 258с., С. 159-172
4. Долганов К.Е., Вербовский В.С., Ковалев С.А. и др. Исследование топливной экономичности и токсичности отработавших газов газодизеля // Двигателестроение. -1991.- №8-9. - С. 6-9.
5. Поликер Б.Е., Михальский Л.Л., Марков В.А., Васильев В.К., Буханец Д.И. Дизельные двигатели для электроагрегатов и электростанций / Под.ред. Б.Е.Поликера. - М: Легион-Автодата, 2006.-328с.
6. Автомобш з бензогазовими двигунами i газодизелями: особливосп конструкцп i техшчного обслуговування / К.С.Долганов, А.Г.Говорун, О.1.П'ятничко та ш.- К.:Техшка, 1991. - 128с.
7. Гуревич Н.А., Аксенов В. Л., Куц В.П. Сравнение экологических показателей дизельного и газодизельного двигателей // Химическая технология, 1988. - №5. - С. 813.
