CC BY
9
52
Исследование влияния природного газа на характеристики процесса сгорания и жаропрочность поршневых алюминиевых сплавов дизеля Д-245.7
1Р.А. Лиханов, профессор, заведующий кафедрой тепловых двигателей, автомобилей и тракторов ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, д.т.н.,
М.Л. Скрябин, доцент кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, к.т.н.
В статье рассмотрена возможность применения природного газа в качестве моторного топлива для автотракторных дизелей, исследованы показатели процесса сгорания. Также рассмотрено влияние повышенной температуры, давления и жесткости рабочего процесса на жаропрочность поршневых алюминиевых сплавов. Приведены исследования химического состава и микроструктуры днища поршня после снятия комплекса регулировочных, нагрузочных и скоростных характеристик.
быть получен из любого органического сырья, а также из пищевых и сельскохозяйственных отходов. В научно-исследовательской лаборатории Вятской ГСХА на кафедре двигателей внутреннего сгорания были проведены исследования влияния применения природного газа на эффективные показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха (Д-245.7). Для определения показателей процесса сгорания проводилось индицирование на различных установочных углах опережения впрыскивания топлива (УОВТ) с одновременным снятием скоростных и нагрузочных характеристик [1].
Кроме того, для изучения влияния на поршень повышенных температур и давлений в камере сгорания дизеля был определен химический состав днища до и после снятия всех регулировочных и нагрузочных и скоростных характеристик, а также проведены микроструктурные исследования поверхности.
В настоящее время поршневая группа современных дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) испытывает нагрузки, близкие к максимально допустимым. А если для питания двигателя используются альтернативные топлива, то температура и давление в камере сгорания увеличиваются на 15...20 %,
Ключевые слова:
природный газ, показатели процесса сгорания, микроструктура поршневых алюминиевых сплавов.
озможность использования природного газа (ПГ) в качестве топлива для автотракторных дизелей обусловливается в первую очередь тем, что в условиях дефицита дизельного топлива (ДТ) природный газ может
шшшшшшш
10 лет
журналу
что приводит к росту термическом напряженности деталей всей цилиндропоршне-вой группы [2, 3]. На рис. 1а представлено влияние применения ПГ на показатели процесса сгорания дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха (ПОНВ) при различных установочных УОВТ на режиме номинальной 53 мощности («=2400 мин1) [1].
2400 2200 2000 1800 X 2.0 1.5 1,0 Ф,- ФЗД-10 5 Тта*' К 2400 2200 п 2000 МПа 1800 16 1600 14 12 Ж ^ф-'тах- \ МПа 2,0
— р.' 1:1 МПа
___ — — т т __ 7' — —
'л. ах Т„ /
ч
Р. так
_ — — -- та* 16 14 12 Ж »■с/ср'™*' МПа град 1,0 0,9 0.8 0,7
и — —
> гр
А
Iй р) град 1,5 1,0 1,0 0,9 0,8 Ф/, 0,7 град. 0,6 10 5 1° р)
N Ф пах < ч ИИ
-- --
-- I
— -
--
. Т 9° И'Эвлр 5° Г 9° 11* ^впр
а б
Рис. 1. Влияние применения ПГ на показатели процесса сгорания дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от установочного УОВТ: а - п = 2400 мин-1, ре = 0,947 МПа; б - п = 1700 мин-1, ре = 1,036 МПа; --дизельный процесс;----газодизельный процесс
Анализируя графики изменения показателей процесса сгорания при работе на ДТ, можно отметить следующее. Максимальная осредненная температура газов в цилиндре дизеля Ттах при установочном УОВТ 0впр д = 9° составляет 2020 К. При уменьшении установочного УОВТ до 0впр д = 7° температура Ттах уменьшается до 1940 К, то есть на 80 К, или 4,0 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 11° температура Ттах увеличивается до 2040 К, то есть на 20 К, или на 1,0 %. Максимальное давление сгорания рг тах при 0впр д = 9° составляет 13,8 МПа. При уменьшении 0впр д до 7° давление рг тах уменьшается до 13,0 МПа, то есть на 0,8 МПа, или 5,8 %. При увеличении 0впр д до 11° давление рг тах увеличивается до 14,0 МПа, то есть на 0,2 МПа, или 1,4 %. Степень повышения давления А. при 0впр д = 9° составляет 1,60. При уменьшении 0впр д до 7° значение А. уменьшается до 1,55, то есть на 3,1 %.
При увеличении 0впр д до 11° значение А. увеличивается до 1,78, то есть на 11,3 %. Жесткость процесса сгорания (др/^ф)тах при 0впр д = 9° составляет 0,78 МПа/град. При уменьшении 0впр д до 7° значение (о!р/^ф)тах уменьшается до 0,68 МПа/град, то есть на 12,8 %. При увеличении 0впр д до 11° значение (¿р/^ф)тах увеличивается до 0,88 МПа/град, то есть на 12,8 %. Значение угла ф, соответствующего периоду задержки воспламенения (ПЗВ), при 0впр д = 9° составляет ф = 9,0 °ПКВ. При уменьшении 0впр д до 7° угол фг уменьшается до 8,0 °ПКВ, то есть на 1,0 °ПКВ. При увеличении 0впр д до 11° угол ф1 увеличивается до 9,5 °ПКВ, то есть на 0,5 °ПКВ.
Анализируя графики изменения показателей процесса сгорания дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ можно отметить, что основные
Научные разработки и исследования
м»
зависимости сохраняются. Максимальная осредненная температура газов в цилиндре Ттах при установочном УОВТ 0впр гд = 7° составляет 2350 К. При уменьшении установочного УОВТ до 0впр гд = 5° температура Ттах уменьшается до 2240 К, то есть на 110 К, или 4,7 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 9° температура Ттах увеличивается до 2420 К, то есть на 70 К, или 3,0 %. Максимальное давление сгорания рг тах при 0впр гд = 7° составляет 14,6 МПа. При уменьшении 0впр гд до 5° давление рг тах уменьшается до 13,4 МПа, то есть на 1,2 МПа, или 8,2 %. При увеличении 0впр гд до 9° давление рг тах увеличивается до 15,4 МПа, то есть на 0,8 МПа, или 5,5 %. Степень повышения давления Л. при 0впр гд = 7° составляет 1,85. При уменьшении 0впр гд до 5° значение Л уменьшается до 1,78, то есть на 3,8 %. При увеличении 0впр гд до 9° значение Л увеличивается до 1,92, то есть на 3,8 %. Значение (ф/^ф)тах при 0впр гд = 7° составляет 0,93 МПа/град. При уменьшении 0впр гд до 5° значение (ф/^ф)тах уменьшается до 0,82 МПа/град, то есть на 11,8 %. При увеличении 0впр гд до 9° значение (ф/^ф)тах увеличивается до 1,08 МПа/град, то есть на 16,1 %, и превышает значение (ф/^ф)тах=1,0 МПа/град, установленное заводом-изготовителем как максимально допустимое для данного дизеля. Значение угла ф, соответствующего ПЗВ, при 0впр гд = 7° составляет ф 1 = 9,5 °ПКВ. При уменьшении 0впр гд до 5° угол ф 1 увеличивается до 10,0 °ПКВ, то есть на 0,5 °ПКВ. При увеличении 0впр гд до 9° угол ф уменьшается до 9,0 °ПКВ, то есть на 0,5 °ПКВ.
Сравнивая графики работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ДТ и ПГ можно отметить, что значения показателей процесса сгорания при работе на ПГ увеличиваются по сравнению с работой на ДТ. Максимальная осредненная температура газов в цилиндре Ттах при работе на ПГ существенно больше, чем при работе на ДТ. При установочном УОВТ 0впр = 7° с переходом на ПГ температура Ттах увеличивается с 1940 до 2350 К, то есть на 410 К или 21,1 %. При установочном УОВТ 0впр = 9° с переходом на ПГ температура Ттах увеличивается с 2020 до 2420 К, то есть на 400 К или 19,8 %. Максимальное давление сгорания рг тах при работе на ПГ больше. При 0впр = 7° давление рг тах увеличивается с 13,0 до 14,6 МПа, то есть на 1,6 МПа, или 12,3 %.
При 0впр = 9° давление рг тах увеличивается с 13,8 до 15,4 МПа, то есть на 1,6 МПа, или 11,6 %. При 0впр = 7° степень повышения давления Л при переходе на ПГ увеличивается с 1,55 до 1,85, или на 19,4 %. При 0впр = 9° значение Л увеличивается с 1,60 до 1,92, или на 20,0 %. Значение (ф/^ф)тах при работе на ПГ значительно больше, чем при работе на ДТ. При 0впр = 7° значение (ф/^ф)тах увеличивается с 0,68 до 0,93 МПа/град, то есть на 36,8 %. При 0впр = 9° значение (ф/^ф)тах увеличивается с 0,78 до 1,08 МПа/град, то есть на 38,5 %. Значение угла фг при 0впр = 7° увеличивается с 8,0 до 9,5 °ПКВ, или на 1,5 °ПКВ. При 0впр = 9° углы ф 1 при работе дизеля на ПГ и на ДТ равны и составляют 9,0 °ПКВ.
На рис. 1б представлено влияние применения ПГ на показатели процесса сгорания дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при различных установочных УОВТ на режиме максимального крутящего момента (п = 1700 мин1) [1, 4].
При анализе графиков работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ДТ можно отметить следующее. Максимальная осредненная температура газов в цилиндре дизеля Ттах при установочном УОВТ 0впр д = 9° составляет 1840 К. При уменьшении установочного УОВТ до 0впр д = 7° температура Ттах снижается до 1770 К, то есть на 70 К, или 3,8 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр д = 11° температура Ттах повышается до 1960 К, то есть на 120 К или 6,5 %. Максимальное давление сгорания рг тах при 0впр д = 9° составляет 13,5 МПа. При уменьшении 0впр д до 7° давление рг тах снижается до 12,6 МПа, то есть на 0,9 МПа или 6,7 %.
шшшшшшш
При увеличении 0впр д до 11° давление рг тах повышается до 14,0 МПа, то есть на 0,5 МПа, или 3,7 %. Степень увеличения давления Л при 0впр д = 9° составляет 1,80. При уменьшении 0впр д до 7° значение Л снижается до 1,68, то есть на 6,7 %. При увеличении 0впр д до 11° значение Л растет до 1,90, или на 5,6 %. Значение (ф/^ф)тах при 0впр д = 9° составляет 0,94 МПа/град. При уменьшении 0впр д до 7° значение (ф/^ф)тах снижается до 0,81 МПа/град, то есть на 13,8 %. При увеличении 0впр д до 11° показатель (ф/^ф)тах повышается до 1,11 МПа/град, то есть на 18,1 %. Значение угла ф I при 0впр д = 9° составляет 5,0 °ПКВ. При уменьшении 0впр д до 7° угол ф 1 не изменяется и составляет 5,0 °ПКВ. При увеличении 0впр д до 11° угол фг растет до 6,0 °ПКВ, или на 1,0 °ПКВ.
Анализируя графики работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ, можно отметить, что основные зависимости изменения показателей сохраняются. Максимальная осредненная температура газов в цилиндре Ттах при установочном УОВТ 0впр гд = 7° составляет 2240 К. При уменьшении установочного УОВТ до 0впр гд = 5° температура Ттах снижается до 2150 К, то есть на 90 К, или 4,0 %. При увеличении установочного УОВТ до 0впр гд = 9° температура Ттах повышается до 2320 К, то есть на 80 К, или 3,6 %. Максимальное давление сгорания рг тах при 0впр гд = 7° составляет 14,2 МПа. При уменьшении 0впр гд до 5° давление рг тах снижается до 13,6 МПа, то есть на 0,6 МПа или 4,2 %. При увеличении 0впр гд до 9° давление рг тах повышается до 15,0 МПа, то есть на 0,8 МПа, или 5,6 %. Степень повышения давления Л при 0впр гд = 7° составляет 2,15. При уменьшении 0впр гд до 5° значение Л снижается до 1,90, то есть на 11,6 %. При увеличении 0впр гд до 9° значение Л уменьшается до 2,13, то есть на 0,9 %. Значение (ф/^ф)тах при 0впр гд = 7° составляет 1,02 МПа/град. При уменьшении 0впр гд до 5° (ф/^ф)тах снижается до 0,90 МПа/град, то есть на 11,8 %. При увеличении 0впр гд до 9° (ф/^ф)тах растет до 1,15 МПа/град, или на 12,7 %, и превышает значение 1,0 МПа/град, установленное заводом-изготовителем как максимально допустимое для данного дизеля. Значение угла ф при 0впр гд = 7° составляет 5,5 °ПКВ. При уменьшении 0впр гд до 5° угол ф 1 увеличивается до 6 °ПКВ, то есть на 0,5 °ПКВ. При увеличении 0впр гд до 9° угол ф 1 не изменяется и составляет 5,5 °ПКВ.
Сравнивая графики работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ДТ и на ПГ, можно отметить, что значения показателей процесса сгорания при работе на ПГ увеличиваются по сравнению с работой на ДТ. Максимальная осредненная температура газов в цилиндре Ттах при работе на ПГ существенно больше, чем на ДТ. При установочном УОВТ 0впр = 7° при переходе на ПГ температура Ттах повышается с 1770 до 2240 К, то есть на 470 К, или 26,6 %. При установочном УОВТ 0впр = 9° при переходе на ПГ температура Ттах увеличивается с 1840 до 2320 К, то есть на 480 К, или 26,1 %. Максимальное давление сгорания рг тах при работе на ПГ больше. При 0впр = 7° давление рг тах увеличивается с 12,6 до 14,2 МПа, то есть на 1,6 МПа, или 12,7 %. При 0впр = 9° давление рг тах увеличивается с 13,5 до 15,0 МПа, то есть на 1,5 МПа, или 11,1 %. При 0впр = 7° степень повышения давления Л при переходе на ПГ увеличивается с 1,68 до 2,15, или на 28,0 %. При 0впр = 9° значение Л растет с 1,80 до 2,13, или на 18,3 %. Значение (ф/^ф)тах при работе на ПГ значительно больше, чем при работе на ДТ. При 0впр = 7° при переходе на ПГ оно увеличивается с 0,81 до 1,02 МПа/град, то есть на 25,9 %. При 0впр = 9° значение (ф/^ф)тах повышается с 0,94 до 1,15 МПа/град, то есть на 22,3 %. Значение угла ф 1 при 0впр = 7° увеличивается с 5,0 до 5,5 °ПКВ, или на 0,5 °ПКВ. При 0впр = 9° угол ф увеличивается также с 5,0 до 5,5 °ПКВ, или на 0,5 °ПКВ.
10 лет
журналу
55
а
Научные разработки и исследования
■i
Анализируя полученные показатели, можно отметить повышение теплонапря-женности поршневой группы на всех углах опережения впрыскивания топлива [5-8].
56 Для выявления степени выгорания и окисления легирующих элементов порш-
невого сплава после проведенного цикла исследований и соответствия его ГОСТ был определен химический состав поршневой группы на энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре EDX-720P/800P, предназначенном для быстрого неразрушающего определения качественного и количественного элементного состава твердых и жидких образцов. Его принцип действия основан на возбуждении флуоресцентного излучения атомов исследуемого вещества излучением маломощной рентгеновской трубки. Использование данного оборудования позволило выявить содержание компонентов до тысячных долей процента и провести комплексный анализ элементарного состава сплава.
Полученный количественный результат анализа поршневого алюминиевого сплава дизеля (рис. 2) показал, что поршни после снятия цикла регулировочных, скоростных и нагрузочных характеристик полностью соответствуют по химическому составу сплаву АК4-1 (жаропрочные сплавы типа АК4-1 системы А1 - Си - Fe -N1 по химическому и фазовому составам весьма близки к дуралюминам, но вместо марганца в качестве легирующих элементов содержат железо и никель). На поверхности поршня отсутствуют какие-либо углеродные включения и оксиды легирующих элементов.
Образец Алюминий Оператор: Скрябин М.Л. Комментарий : Metal, Vac, 2chan Группа easy-Vac-Meta I Дата : 2017-02-09 18:31:37
Количественный результат
Аналит Результат Ст. Откл. Спос. Расч. Линия Инт. ^имп.-в-сек/м кА}
Al 93.124 % ( 0.134 ) Кол-FP Al fía 54.5834
Cu 2.130 % { 0.010 ) Kon-FP Cufia 16.7556
Mg 1.634 % {0.024 ) Кол-FP MgKa 0.5187
Si 1.350 % (0.005 ) Кол-FP FeLbl 28.7617
№ 0.939 % (0.004 ) Кол-FP NiKa 34.1022
Fe 0.953 % (0.005 ) Кол-FP PbKa 11.1626
Pb 0.212 % (0.002 ) Кол-FP SiKa 14.6344
Zn 0.193 % (0.005 ) Кол-FP Znfía 0.3082
Mn 0.187 % (0.006 ) Кол-FP MnKa 0.2665
Cr 0.149 % (0.011 ) Кол-FP Cita 2.2282
Ti 0.080 % (0.001 ) Кол-FP Tifia 3.8421
Ni 0.025 % (0.001 ) Кол-FP NiKa 0.7671
W 0.024 % ( 0.004 ) Кол-FP WLa 0.4939
Рис. 2. Количественный результат анализа поршневого алюминиевого сплава дизеля на энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре Е0Х-720Р/800Р
Микроструктурное исследование поверхности после микродугового оксидирования (МДО) проводилось с использованием растрового микроскопа РЭМ-103-01. Морфологические особенности поршневого алюминиевого сплава после МДО приведены на рис. 3.
На рисунке видно, что поверхность днища поршня достаточно однородна, но обладает незначительной шероховатостью. В целом такая структура поверхности днища поршня характерна для большинства алюминиевых сплавов данной системы. Присутствие легирующих элементов существенно повышает жаропрочность
шшшшшшш ^
10лет
__журналу
б
Рис. 3. Морфологические особенности поршневого алюминиевого сплава после МДО при увеличениях на 190 (а) и на 560 (б)
поршневого сплава, что в целом приводит к снижению теплонапряженности поршневых групп дизельных двигателей [9, 10]. Негативного влияния природного газа в качестве моторного топлива при повышении температуры, давления и жесткости рабочего процесса в камере сгорания на поршневую группу дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ не выявлено.
Литература
58
1. Лиханов В. А., Лопатин О.П., Скрябин М.Л. Исследование процессов об
разования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением надувочного воздуха при работе на природном газе: монография. - Киров: Вятская ГСХА, 2008. - 146 с.
2. Скрябин М.Л. Особенности выбора современных материалов для поршневой группы при работе дизеля на альтернативных видах топлива // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы IX Международной научно-практической конференции «Наука-Технология-Ресурсосбережение»: Сборник научных трудов. - Киров: Вятская ГСХА, 2016. - Вып. 13.
- С. 279-285.
3. Скрябин М.Л., Смехова И.Н. Особенности физико-геометрической модели образования пористых структур оксидных пленок при микродуговом оксидировании поршневых алюминиевых сплавов // Информационно-технологический вестник. - 2017. - № 4 (14). - С. 200-207.
4. Лиханов В.А., Гребнев А.В., Скрябин М.Л., Торопов А.Е. Исследование возможности применения альтернативных топлив в дизелях 4Ч 11,0/12,5 и 4ЧН 11,0/12,5 и их влияние на показатели процесса сгорания и токсичность отработавших газов // Строительные и дорожные машины. - 2017. - № 11. - С. 34-39.
5. Лиханов В.А., Гребнев А.В., Скрябин М.Л., Торопов А.Е. Регулировочные характеристики дизеля при работе на природном газе // Тракторы и сельхозмашины.
- 2017. - № 11. - С. 3-9.
6. Лиханов В.А., Гребнев А.В., Скрябин М.Л., Торопов А.Е. Скоростные характеристики автомобильного дизеля при работе на природном газе // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2017. - № 4 (34).
7. Лиханов В.А., Гребнев А.В., Скрябин М.Л., Торопов А.Е. Исследование влияния метаноло-топливной эмульсии в дизеле 4Ч 11/12,5 и природного газа в дизеле 4ЧН 11,0/12,5 на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в зависимости от нагрузки // Транспорт на альтернативном топливе. - 2018. - № 1. - С. 22-27.
8. Лиханов В.А., Гребнев А.В., Скрябин М.Л., Торопов А.Е. Исследование возможности применения альтернативных топлив в дизелях 4Ч 11,0/12,5 и 4ЧН 11,0/12,5 и их влияние на показатели процесса сгорания и токсичность отработавших газов // Строительные и дорожные машины. - 2017. - № 11. - С. 34-39.
9. Смехова И.Н., Скрябин М.Л. Этапы формирования пористых структур при микродуговом оксидировании поршневых алюминиевых сплавов // Ползуновский вестник. - 2017. - № 4. - С. 192-196.
10. Лиханов В.А., Гребнев А.В., Скрябин М.Л., Смехова И.Н. Повышение жаропрочности поршневых алюминиевых сплавов дизельных двигателей // Строительные и дорожные машины. - 2018. - № 2. - С. 41-46.
- С. 39-45.
