Горение природного газа и спиртотопливных эмульсий в поршневом двигателе Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»



Горение природного газа и спиртотопливных эмульсий в поршневом двигателе

1В.А. Лиханов, профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА», д.т.н., О.П. Лопатин, доцент кафедры ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА», к.т.н.

В статье рассмотрены вопросы применения в качестве альтернативного топлива для дизеля природного газа (ПГ) и спиртотопливных эмульсий (СТЭ). Отличительными особенностями процессов смесеобразования и горения в дизеле, работающем как на ПГ с запальной порцией дизельного топлива, так и на СТЭ, будут являться по сравнению с дизельным процессом неоднородность горючей смеси по объему цилиндра, наличие совершенно другой испаряемости горючего и несовпадение по времени процессов образования топливовоздушной смеси и ее горение. Следовательно, применение альтернативных топлив с другим химическим составом и локальными условиями приводит к иным показателям процесса сгорания. Поэтому для научного представления действительной картины процесса сгорания в дизеле, работающем на ПГ и СТЭ, проведено индицирование его рабочего процесса и детальное описание процесса сгорания. В результате проведенных экспериментальных исследований установлены зависимости влияния режимов работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ПГ, метаноло- (МТЭ) и этанолотопливных эмульсиях (ЭТЭ) на показатели его процесса сгорания. Определены оптимальные значения показателей процесса сгорания при работе дизеля на альтернативных топливах указанных составов.

__Ключевые слова:

дизель, природный газ, метанол, этанол, эмульсия, индикаторная диаграмма, сгорание.

63

начала развития двигателей внутреннего сгорания так называемая индикаторная диаграмма - кривая изменения давления в цилиндре поршневого двигателя на протяжении рабочего цикла - используется как одно из средств описания и анализа рабочего процесса.

Одно из ценных качеств индикаторной диаграммы, издавна привлекающее внимание исследователей, заключается в том, что она представляет непосредственную запись действительных физических величин, значения которых можно наблюдать без всяких дополнительных расчетов на самой диаграмме. Индикаторная диаграмма дает возможность получить важные сведения о протекании рабочего процесса. Непосредственно из индикаторной диаграммы можно получить данные о величине максимального давления сгорания рг, скорости повышения давления (жесткость процесса сгорания) йр/йф на различных участках, давлении на впуске и выпуске, о значении угла фг, соответствующего периоду задержки воспламенения. Таким образом, индикаторная диаграмма является одним из эффективных средств наблюдения за самовоспламенением в дизеле.

/

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)

Ш V//////////////////////

Полезная площадь индикаторной диаграммы в координатах р-у определяет работу газов внутри цилиндра за один рабочий цикл, а зная работу цикла, легко определить такие основные индикаторные показатели рабочего процесса, как среднее индикаторное давление и индикаторный КПД [1].

Процесс сгорания в дизеле, работающем на альтернативных топливах, еще более чувствителен в сравнении со штатным дизельным процессом (ДП) ко многим конструкционным и эксплуатационным факторам. Возникновение и развитие горения, полнота сгорания топливовоздушной смеси альтернативного топлива также определяются особенностями и скоростями реакций, условиями тепло- и мас-сообмена в зоне пламени и теплоотдачей в стенки цилиндра.

Скорость распространения фронта пламени в процессе сгорания зависит от химических и физических факторов и в совокупности со скоростью химической реакции окисления молекул альтернативного топлива в конечном счете влияет на продолжительность сгорания массы рабочей смеси в камере сгорания дизеля. Например, из-за неравномерного распределения исследуемого топлива по цилиндрам состав топливовоздушной смеси может оказаться близким к концентрационным пределам распространения пламени, в связи с чем возможны пропуски воспламенения и сгорания в отдельных цилиндрах или процесс горения может становиться медленным, переходя в фазу расширения [2-4].

Очевидно, что отличительными особенностями процессов смесеобразования и горения в дизеле, работающем как на ПГ с запальной порцией дизельного топлива, так и на СТЭ, будут по сравнению с ДП неоднородность горючей смеси по объему цилиндра, совершенно другая испаряемость горючего и несовпадение по времени процессов образования топливовоздушной смеси и ее горение. Применение альтернативных топлив с другим химическим составом и локальными условиями может приводить к отличительным показателям процесса сгорания и даже к воспламенению во время развития факела распыла. Следовательно, для научного представления действительной картины процесса сгорания в дизеле, работающего на ПГ и СТЭ, необходимо детальное и достаточно достоверное описание данного процесса, что можно выполнить только после проведения инди-цирования рабочего процесса дизеля [5].

Индицирование процесса сгорания осуществляли с помощью электропневматического индикатора МАИ-5А с установленным датчиком давления в головке блока первого цилиндра (рис. 1). Записывающий механизм устанавливался перед двигателем на одной оси с коленчатым валом через промежуточную муфту,

а б

Рис. 1. Вид на записывающее устройство (а) и датчик давлений (б) индикатора МАИ-5А

чЧШШШШШШШ

согласно инструкции к МАИ-5А. Установка отметчика верхней мертвой точки (ВМТ) проверялась по положению поршня в ВМТ в первом цилиндре и контролировалась по диаграмме сжатия-расширения без подачи топлива. Обработку индикаторных диаграмм проводили с помощью компьютерной программы ЦНИДИ-ЦНИИМ [6].

На рис. 2 изображены индикаторные диаграммы дизеля 4Ч 11,0/12,5 при частоте вращения п = 2200 мин-1 и установочном угле опережения впрыскивания топлива ©впр = 23°. При анализе представленных на данном режиме индикаторных диаграмм хорошо видно увеличение периода задержки воспламенения (ПЗВ) и максимального давления цикла рх при работе на всех исследуемых альтернативных то-пливах [7]. Так, применение ЭТЭ увеличивает угол фг, соответствующий ПЗВ, на 5,5°, а МТЭ при газодизельном процессе (ГДП) - на 7,5° по отношению к ДП. При этом рг увеличивается при работе на МТЭ по газодизельному процессу на 0,4 МПа, на ЭТЭ - на 0,8 МПа.

На рис. 3 изображены параметры процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5, зависящие от ©впр, при п = 2200 мин-1. Рассматривая экспериментальные кривые параметров процесса горения в цилиндре дизеля, работающего по ГДП, необходимо выделить, что с увеличением ©впр возрастают величины максимального давления цикла рг, максимальной осредненной температуры Ттах, степени повышения давления X, жесткости процесса горения (ф/^ф)тах и уменьшается значение угла фг, соответствующего ПЗВ.

Рассматривая отличия работы дизеля на МТЭ от чисто дизельного процесса, необходимо отметить, что значения параметров процесса сгорания на МТЭ повышаются. Так, при ©впр = 23° при переходе с ДП на МТЭ наблюдается рост Ттах на 11,0 %, рг на 4,9 %, (ф/^ф)тах в 2,1 раза, степени повышения давления X на 19,0 %, угла фг, соответствующего ПЗВ, на 33,3 %. При установочном угле опережения впрыскивания топлива ©впр = 26° при переходе с ДП на

МТЭ наблюдается рост Ттах на 7,5 %, рх на 3,5 %, (ф/^ф)тах в 2,0 раза, степени повышения давления X на 6,8 %, угла фг, соответствующего ПЗВ, на 28,3 %. Изучая графические зависимости работы 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ и дизельном топливе, следует пояснить, что значения параметров процесса сгорания на ЭТЭ, так же как и на МТЭ, увеличиваются. Так, при ©впр = 23° при переходе с ДП на ЭТЭ наблюдается рост Ттах на 14,6 %, рг на 9,9 %, (ф/^ф)тах на 71,2 %, степени повышения давления X на 19,5 %, угла фг, соответствующего ПЗВ, на 24,4 %. При ©впр = 26° при переходе с ДП на ЭТЭ наблюдается рост Ттах на 13,2 %, р2 на 11,5 %, (ф/^ф)тах на 65,1 %, степени повышения давления X на 14,1 %, угла фг, соответствующего ПЗВ, на 21,7 %.

На рис. 4 представлены показатели процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при частоте вращения 2200 мин-1 на различных нагрузочных режимах работы.

10 лет

журналу

65

Рис. 2. Индикаторные диаграммы дизеля 4Ч 11,0/12,5 при ©впр = 23° и п = 2200 мин-1:

--ДП;----ГДП;

------ЭТЭ;---МТЭ

/

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)

Ш I

Рис. 3. Влияние применения ПГ и СТЭ на показатели процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения © при п = 2200 мин-1:

■ ДП;

■ ЭТЭ; ■

- ГДП; - - МТЭ

Рис. 4. Влияние применения ПГ и СТЭ на показатели процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки при п = 2200 мин-1:

- ДП; - ГДП; ------ЭТЭ;---МТЭ

Рис. 5. Индикаторные диаграммы дизеля 4Ч 11,0/12,5 при ©впр = 23° и п = 1700 мин-1:

--ДП;----ГДП;

------ЭТЭ;---МТЭ

Рис. 6. Влияние применения ПГ и СТЭ на показатели процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения

©впр пРи п

2200 мин-1: - ДП;

_ ЭТЭ;-

- ГДП;

- МТЭ

чЧШШШШШШШ

Таблица 1

Результаты исследований показателей процесса сгорания в дизеле 4Ч 11,0/12,5 при 0впр = 23° и номинальном режиме («=2200 мин1, ре=0,64 МПа)

Топливо Показатели

Тшах> К р, МПа \ (йр/йф)шах, МПа/град Фо градус

Дизельное 2190 8,1 1,90 0,59 22,5

ПГ 3010 (рост на 37,4 %) 8,5 (рост на 4,9 %) 2,0 (рост на 5,3 %) 0,69 (рост на 17,0 %) 30,0 (рост на 33,3 %)

МТЭ 2430 (рост на 11,0 %) 8,5 (рост на 4,9 %) 2,26 (рост на 19,0 %) 1,25 (рост в 2,1 раза) 30,0 (рост на 33,3 %)

ЭТЭ 2510 (рост на 14,6 %) 8,9 (рост на 9,9 %) 2,27 (рост на 19,5 %) 1,01 (рост на 71,2 %) 28,0 (рост на 24,4 %)

10 лет

журналу

67

Рассматривая работу дизеля на ПГ и СТЭ хорошо видно, что с увеличением нагрузки происходит «классический» рост максимальной осредненной температуры газов в цилиндре Ттах, максимального давления рг, степени повышения давления X, жесткости процесса сгорания (йр/йф)тах и снижение угла фг, соответствующего ПЗВ. Так, например, при работе на ПГ в диапазоне изменения нагрузки от 0,13 до 0,71 МПа значения Ттах увеличиваются от 1400 до 3560 К, или в 2,5 раза; рг тах с 5,2 до 10,4 МПа, или ровно в 2 раза; X с 1,2 до 2,5, или в 2,1 раза; (йр/йф)тах от 0,46 до 0,76 МПа/град, или на 65,2 % и снижение ф1 с 30,5 до 29,5 °ПКВ.

На основании проведенных исследований на номинальном режиме работы с ©впр = 23° применение ПГ, МТЭ и ЭТЭ приводит к параметрам процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5, указанным в табл. 1.

На рис. 5 изображены индикаторные диаграммы дизеля 4Ч 11,0/12,5 при п = 1700 мин-1 и ©впр = 23°. На режиме максимального крутящего момента также происходит увеличение ПЗВ и максимального давления цикла рг при работе на всех исследуемых альтернативных топливах. Так, при работе по газодизельному процессу значение ф( увеличивается на 2,0°, на МТЭ - на 5,0°, на ЭТЭ - на 5,5° по сравнению с чисто дизельным. При этом рг увеличивается при работе на МТЭ на 0,3 МПа, на ЭТЭ - на 0,6 МПа, по ГДП - на 2,4 МПа.

Результаты исследований характеристик процесса горения в дизеле 4Ч 11,0/12,5, зависящие от ©впр, при п = 1700 мин-1, показаны на рис. 6.

Анализируя кривые параметров процесса сгорания при ГДП, необходимо отметить, что с увеличением ©впр при п = 1700 мин-1 возрастают величины Ттах, рг, X, (йр/йф)тах и значения угла ф(, соответствующего ПЗВ. Исследуя зависимости работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на МТЭ и дизельном топливе при п = 1700 мин-1, необходимо также отметить увеличение параметров процесса сгорания на МТЭ. При ©впр = 23° и при переходе с ДП на МТЭ наблюдается увеличение значений Ттах на 11,3 %, рг на 3,5 %, (йр/йф)тах в 2,1 раза, степени повышения давления X на 15,0 %, угла ф(, соответствующего ПЗВ, на 25,0 %. При ©впр = 26° при переходе с ДП на МТЭ наблюдается рост Ттах на 9,2 %, рг на 2,2 %, (йр/йф)тах в 2,0 раза, степени повышения давления X на 7,3 %, угла фр соответствующего ПЗВ, на 28,6 %. Исследуя графические зависимости работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ и дизельном топливе, следует отметить увеличение параметров процесса сгорания на ЭТЭ, так же как и на МТЭ. Так, при ©впр = 23° при переходе с ДП на ЭТЭ наблюдается рост Ттах на 14,9 %,

/

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)

ш

^Соци«^''

V//////////////////////

рг на 7,0 %, (йр/йф)тах на 85,9 %, степени повышения давления X на 18,0 %, угла фР соответствующего ПЗВ, на 27,5 %. При ©впр = 26° при переходе с ДП на ЭТЭ наблюдается рост Ттах на 14,0 %, рг на 7,7 %, (йр/йф)тах на 84,5 %, степени повышения давления X на 11,5 %, угла ф(, соответствующего ПЗВ, на 26,2 %.

На рис. 7 представлены показатели процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5 при частоте вращения 1700 мин-1 на различных нагрузочных режимах работы.

При анализе работы дизеля на ПГ и СТЭ хорошо видно, что с увеличением нагрузки, так же как и при номинальной частоте вращения, происходит «классический» рост Ттах, рг, X, (йр/ йф)тах и снижение угла ф(, соответствующего ПЗВ. Так, при работе на МТЭ в диапазоне изменения ре от 0,26 до 0,71 МПа повышение значений Ттах составляет от 1690 до 2460 К, рг - от 5,2 до 9,0 МПа, X - от 1,61 до 2,32, (йр/йф)тах -с 0,97 до 1,42 МПа/град; ф( снижается с 34,0 до 25,0 °ПКВ.

Результаты исследований параметров процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5, работающего на ПГ и СТЭ, при ©впр = 23о и п = 1700 мин-1 сведены в табл. 2.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований показателей процесса сгорания дизеля при работе на ПГ и СТЭ можно сделать следующие выводы:

1. На основании проведенных исследований показателей процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5 предложено значение оптимального установочного угла опережения впрыскивания топлива, равное 23°. Это же значение рекомендовано и для дизельного процесса.

Таблица 2

Результаты исследований показателей процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5 при 0впр = 23° и режиме, соответствующем максимальному крутящему моменту

(«=1700 мин1, ре=0,69 МПа)

Рис. 7. Влияние применения ПГ и СТЭ на показатели процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения ©впр при п = 1700 мин-1:

--ДП;----ГДП;

------ЭТЭ;---МТЭ

Топливо Показатели

Ттах, К р, МПа \ (¿Р^ф)тах> МПа/град Фо градус

Дизельное 2210 8,6 2,0 0,64 20,0

ПГ 3050 (рост на 38,0 %) 11,0 (рост на 27,9 %) 2,60 (рост на 30,0 %) 0,83 (рост на 29,7 %) 22,0 (рост на 10,0 %)

МТЭ 2460 (рост на 11,3 %) 8,9 (рост на 3,5 %) 2,30 (рост на 15,0 %) 1,36 (рост в 2,1 раза) 25,0 (рост на 25,0 %)

ЭТЭ 2540 (рост на 14,9 %) 9,2 (рост на 7,0 %) 2,36 (рост на 18,0 %) 1,19 (рост на 85,9 %) 25,5 (рост на 27,5 %)

яшшшшш»

2. Установлены зависимости влияния режимов работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ПГ, МТЭ и ЭТЭ на показатели его процесса сгорания.

3. Определены оптимальные значения показателей процесса сгорания при работе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ПГ и СТЭ при ©впр = 23°.

4. При ©впр = 23° и номинальном режиме (п = 2200 мин-1, ре = 0,64 МПа) получены следующие результаты:

• ДП - Ттах=2190 К; р=8,1 МПа; X=1,90; (ф/йф)тах=0,59 МПа/град; ф=22,5°; ГДП - Ттах=3010 К (увеличение на 37,4 %); рг=8,5 МПа (увеличение на 4,9 %); X=2,0 (увеличение на 5,3 %); (ф/йф)тах=0,69 МПа/град (увеличение на 17,0 %); ф(=30,0° (увеличение на 33,3 %);

• МТЭ - Ттах=2430 К (увеличение на 11,0 %); рг=8,5 МПа (увеличение на 4,9 %); X=2,26 (увеличение на 19,0 %); (¿р/йф)тах=1,25 МПа/град (увеличение в 2,1 раза); ф(=30,0° (увеличение на 33,3 %);

• ЭТЭ - Ттах=2510 К (увеличение на 14,6 %); рг=8,9 МПа (увеличение на 9,9 %); X=2,27 (увеличение на 19,5 %); (¿р/йф)тах=1,01 МПа/град (увеличение на 71,2 %); ф(=28,0° (увеличение на 24,4%).

5. При ©впр = 23° и режиме, соответствующем максимальному крутящему моменту (п = 1700 мин-1, ре = 0,69 МПа):

• ДП - Ттах=2210 К; рг=8,6 МПа; X=2,0; (ф/йф)тах=0,64 МПа/град; ф=20,0°;

• ГДП - Ттах=3050 К (увеличение на 38,0 %); рг=11,0 МПа (увеличение на 27,9 %); X=2,6 (увеличение на 30,0 %); (ф/йф)тах=0,83 МПа/град (увеличение на 29,7 %); ф(=22,0° (увеличение на 10,0 %);

• МТЭ - Ттах=2460 К (увеличение на 11,3 %); рг=8,9 МПа (увеличение на 3,5 %); X=2,30 (увеличение на 15,0 %); (¿р/йф)тах=1,36 МПа/град (увеличение в 2,1 раза); ф(=25,0° (увеличение на 25,0 %);

• ЭТЭ - Ттах=2540 К (увеличение на 14,9 %); рг=9,2 МПа (увеличение на 7,0 %); X=2,36 (увеличение на 18,0 %); (¿р/йф)тах=1,19 МПа/град (увеличение на 85,9 %); ф(=25,5° (увеличение на 27,5 %).

1. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя / Б.С. Стечкин, К.И. Генкин, В.С. Золотаревский, И.В. Скоро-динский. - М.: Изд-во Академии наук СССР, 1960. - 200 с.

2. Aydin F., Ogut H. Effects of Ethanol-Biodiesel-Diesel Fuel in Single Cylinder Diesel Engine to engine Performance and Emissions // Renewable Energy. - 2017. - V.103. - P. 688-694.

3. A Semi-detailed chemical Kinetic Mechanism of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) and Diesel blend for Combustion Simulations / S. Zhang, W. Wu, C.-F. Lee ^t al.] // SAE International Journal of Engines. - 2016 - V. 9. - № 1. - Р. 631-640.

4. Datta A., Mandal B.K. Impact of Alcohol Addition to Diesel on the Performance Combustion and Emissions of a Compression Ignition Engine // Applied Thermal Engineering. - 2016

- V. 98. - Р. 670-682.

5. Likhanov V.A., Lopatin O.P. Use of Natural Gas, Methanol, and Ethanol Fuel Emulsions as Environmentally Friendly Energy Carriers for Mobile Heat Power Plants // Thermal Engineering.

- 2017. - V. 64. - № 12. - P. 935-944.

6. Likhanov V.A., Lopatin O.P. The Study of the Process of Combustion of the Alcohol-Fuel Emulsions and Natural Gas in a Diesel Engine // International Journal of Applied Engineering Research. - 2018. - V. 13. - № 3. - P. 1703-1709.

7. Likhanov V.A., Lopatin O.P. Study of Loading Regimes of Diesel Engines Operating on Natural Gas // International Journal of Applied Engineering Research. - 2018. - V. 13. - № 5. -P.2936-2939.

69

Использованные источники

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)