CC BY
26Исследования дизельного двигателя с адсорбционной системой аккумулирования природного газа
В.А. Марков, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,
Е.Ф. Поздняков, генеральный директор ЗАО «Форант-Сервис» (г. Ногинск), к.т.н., В.И. Шатров, ведущий инженер НИИ энергетического машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана, к.т.н.,
А.А. Жердев, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, руководитель научно-учебного комплекса (НУК) «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н., Е.М. Стриженов, аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана
Показаны преимущества использования адсорбционных систем аккумулирования природного газа для двигателей внутреннего сгорания. Описана дизель-генераторная установка, работающая на природном газе с запальной дозой дизельного топлива. Проведены экспериментальные исследования этой установки. При переводе исследуемого двигателя с дизельного цикла на газодизельный отмечено улучшение его экологических показателей.
__Ключевые слова:
дизельный двигатель, газодизельный двигатель, природный газ, запальная доза дизельного топлива, дизель-генераторная установка, адсорбционная система аккумулирования, экологические показатели.
настоящее время в России и за рубежом проводятся многочисленные исследования, направленные на адаптацию двигателей внутреннего сгорания к работе на различных альтернативных топливах [1-3]. При выборе сырьевого ресурса для производства моторных топлив необходимо учитывать целый ряд показателей и критериев, характеризующих эффективность производства и потребления этих топлив. Основными критериями потребительских качеств моторных топлив по-прежнему остаются их технико-экономические характеристики, включая стоимость производства того или иного
вида альтернативного топлива, а также энергетические и экологические характеристики. Существенную роль играет и запас сырьевых ресурсов для производства моторных топлив [4, 5].
Для условий Российской Федерации привлекательным представляется использование в качестве газомоторного топлива природного газа. Доля России в разведанных мировых запасах природного газа равна 25 %. При этом на мировом рынке добычи газа доля РФ составляет более 18 %. Это наивысший показатель среди стран, добывающих природный газ. Для сравнения - по запасам нефти позиции России скромнее:
20
5,3 % от мировых запасов нефти (8-е место на планете).
Природный газ является наиболее известным и исследованным газовым топливом. Уникальные физико-химические свойства, значительные естественные запасы, развитая сеть доставки газа от месторождений во многие регионы страны по магистральным газопроводам и газоотводам, экологические преимущества в сравнении с традиционными видами топлива позволяют рассматривать природный газ как наиболее перспективное и универсальное моторное топливо России в XXI в. Его применение, в первую очередь, целесообразно на автомобильном транспорте, потребляющем большую часть моторных топлив. В Германии предполагается к 2020 г. довести число автомобилей, работающих на природном газе, до 20 % от общего автомобильного парка [1]. Перспективно использование этого вида топлива на железнодорожном транспорте, в судовых дизелях, дизель-генераторных и мотокомпрессорных установках, в других стационарных двигателях.
Основным препятствием для использования природного газа (метан) в качестве моторного топлива является несовершенство систем его хранения. В настоящее время наибольшее распространение получили системы компри-мированного природного газа (КПГ), при использовании которых газ сжимается до давления 20 МПа и выше и закачивается в баллоны. Основным недостатком такого хранения КПГ является малое количество запасаемого газа (от 220 до 260 м3 на 1 м3 сосуда), где объем газа указан для нормальных условий - при Ь=20 °С и р=101325 Па). Другой его недостаток - повышенные требования к безопасности хранения, что ограничивает его применение в пределах городов.
К более энергоемким способам хранения природного газа относится его хранение в сжиженном состоянии
(СПГ - сжиженный природный газ). Такие системы хранения отличаются значительным количеством запасаемого метана (от 470 до 570 м3/м3 сосуда), однако они дороже и требуют повышенных мер безопасности, связанных с теплоизоляцией, дренажем и высокой плотностью испаряющегося (холодного) метана. Последнее свойство хранящегося таким образом метана приводит к тому, что при возможных утечках он опускается в нижние слои атмосферы (стелется по земле) и представляет значительную пожаро-взрывоопасность.
Для использования в городских условиях целесообразны более безопасные условия заправки и хранения, которые обеспечивают адсорбционные системы аккумулирования. При реализации этого способа хранения природного газа баллоны для КПГ заполняются адсорбентом, который адсорбирует природный газ, что повышает энергоемкость баллонов. Эти системы отличаются пониженным давлением (по сравнению с обычным способом хранения КПГ) и адсорбированным (связанный) состоянием природного газа в баллонах, что существенно уменьшает скорость выхода газа при разгерметизации. Последнее обстоятельство существенно повышает безопасность такого хранения метана.
Начиная с 2000-го года активизировались работы по синтезу новых адсорбентов для аккумулирования природного газа. Этому процессу способствовали результаты работы, выполненной по заказу Министерства энергетики США (Department of energy - DOE), в которой были синтезированы адсорбционные блоки с заданной эффективностью -количеством газа 150 м3/м3 сосуда при 3,5 МПа и 25 °С. Эта разработка стала ориентиром для последующих работ, причем уровень эффективности постепенно увеличивался - со 180 до 263 м3/м3 сосуда. Последняя величина на сегодняшний день недостижима. Существующие промышленные адсорбенты обеспечивают
около 100 м3/м3 сосуда при 3,5 МПа и 25 °С.
Проведенный обзор работ показал, что к настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал по адсорбции метана на различных адсорбентах. Однако большинство исследований адсорбции метана проводились при комнатной температуре и низких давлениях до 3,5 МПа. Практические задачи и оптимизация режимов требуют данных по адсорбции в широких интервалах температур и при более высоких давлениях. Вопросы заправки и десорбции, выделения и поглощения теплоты адсорбции, кинетики адсорбции, наличия примесей в природном газе, цикличности заправки и т.п. рассмотрены в редких работах и остаются малоизученными. При этом в литературе недостаточно подробно освещен вопрос об энергоэффективности адсорбционных систем аккумулирования.
На предварительном этапе представленной работы были выбраны шесть адсорбентов. Все адсорбенты - про-мышленно применяемые активные угли: АУ-4, АУ-5, АУ-6 (производство РФ), АУ-1, АУ-2, АУ-7 (иностранные). В качестве адсорбата использовали метан марки ВЧ чистотой не менее 99,98 %. Структурно-энергетические характеристики выбранных шести адсорбентов определены по изотерме адсорбции стандартного пара бензола при 298 К с помощью теории объемного заполнения микропор М.М. Дубинина. Более подробно результаты этих исследований приведены в работах [6-8].
Следует отметить, что газовые двигатели обычно создаются на базе серийно выпускаемых, работающих на жидком топливе. При конвертировании двигателей внутреннего сгорания к работе на природном газе в качестве базовых могут быть использованы как бензиновые (с принудительным воспламенением рабочей смеси от свечи зажигания), так и дизельные двигатели
(с воспламенением рабочей смеси от теплоты сжатия) [1]. Более рациональным представляется конвертирование на КПГ дизельных двигателей, отличающихся повышенными степенями сжатия в и коэффициентами избытка воздуха а.
Для оценки параметров и характеристик дизельного двигателя с адсорбционной системой аккумулирования природного газа проведены исследования на экспериментальном стенде, основным элементом которого является дизельный двигатель типа Д-243 (4 Ч 11/12,5) производства Минского моторного завода (ММЗ), конвертированный на природный газ, воспламеняемый от запальной дозы нефтяного дизельного топлива (ДТ). При создании экспериментального стенда использована серийно выпускаемая ММЗ дизель-генераторная установка (рис. 1), вырабатывающая переменный электрический ток. В этой установке в качестве первичного двигателя использован упомянутый дизельный двигатель типа 4 Ч 11/12,5.
Рис. 1. Серийно выпускаемая дизель-генераторная установка с первичным двигателем типа Д-243 (4 Ч 11/12,5) производства ММЗ
Для конвертирования двигателя типа 4 Ч 11/12,5 на природный газ был разработан топливный насос высокого давления (ТНВД) с системой регулирования подачи газа и запального ДТ. Эта система включает регулятор подачи ДТ,
регулятор подачи природного газа и газовоздушный смеситель, установленный во впускной системе газодизельного двигателя. Общий вид этого топливного насоса представлен на рис. 2.
Рис. 2. Опытный ТНВД экспериментального стенда для исследования процессов хранения и выдачи природного газа из адсорбционной системы аккумулирования для питания дизеля
Основными элементами экспериментального образца ТНВД с системой регулирования подачи газа и дизельного топлива для дизель-генераторной установки являются: корпус насоса, плунжерные пары, механический регулятор, рычаг переключения режимов работы двигателя «дизель-газодизель», двухступенчатый газовый редуктор, газовый электромагнитный клапан, коллектор каналов разгрузочной камеры газового редуктора, экономайзер газового редуктора, вакуумный корректор, всережим-ный газодизельный регулятор, дозатор газа, вакуумный корректор запальной дозы дизельного топлива, рычаг ограничителя запальной дозы ДТ.
Изготовленный ТНВД с системой регулирования подачи газа и запальной дозы ДТ был смонтирован на разработанном экспериментальном
стенде для исследования процессов хранения и выдачи природного газа из адсорбционной системы аккумулирования для питания дизельного двигателя. Целями проведенных испытаний являлись проверка работоспособности дизеля с адсорбционной системой аккумулирования метана, определение его основных параметров, исследования процессов хранения и выдачи природного газа из адсорбционной системы аккумулирования для питания дизеля. Для определения необходимых параметров используемых топлив и дизеля использованы физико-химические свойства нефтяного ДТ и метана (табл. 1).
Исследуемый дизельный двигатель без наддува типа 4 Ч 11/12,5 имел номинальную мощность N=36 кВт при частоте вращения коленчатого вала «=1500 мин1 (табл. 2). В этом двигателе основным топливом являлся природный газ, подаваемый через впускную систему двигателя в его цилиндры. Воспламенение природного газа в камере сгорания происходило от запальной дозы нефтяного ДТ, впрыскиваемого в цилиндры штатной системой топливоподачи.
Адсорбционная система аккумулирования включала баллон, наполненный адсорбентом, в котором природный газ (чистый метан) хранился под высоким давлением. Система аккумулирования была выполнена в виде моноблоков с высокой плотностью упаковки, состоящих из активного угля АУ-1 и полимерного связующего. 16 таких моноблоков были загружены в экспериментальный образец газового баллона. Объем баллона (адсорбера), заполненного моноблоками адсорбента, составляет 50 л при максимальном в нем давлении, равном 10 МПа (абсолютное).
Чистый метан (99,9 %) использовался для проведения исследований с целью предотвращения засорения адсорбента (активный уголь) всевозможными примесями (более тяжелые углеводороды, механические примеси и др.).
Таблица 1
Некоторые физико-химические свойства нефтяного ДТ и природного газа
Свойства Топлива
Нефтяное ДТ марки Л по ГОСТ 305-82 Метан (газовая фаза)
Плотность при 20 °С, кг/м3 830 0,668
Теплота сгорания низшая, МДж/кг 42,5 50,0
Цетановое число 45 3
Температура самовоспламенения, °С 250...280 580.650
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 17,2
Содержание, % по массе С Н О 87,0 12,6 0,4 75,0 25,0 0
Таблица 2
Основные конструктивные и эксплуатационные параметры дизельного двигателя типа 4 Ч 11/12,5, работающего на природном газе с запальной дозой ДТ
Параметры Значение
Тип двигателя Четырехтактный, рядный, дизельный
Число цилиндров 4
Диаметр цилиндра В, мм 110
Ход поршня 5, мм 125
Рабочий объем цилиндра Ук, л 1,08
Общий рабочий объем {Ун, л 4,32
Степень сжатия £ 16,0
Тип камеры сгорания / способ смесеобразования ЦНИДИ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт) / объемно-пленочное
Система наддува Не оснащен системой наддува
Номинальная частота вращения п, мин1 1500
Номинальная мощность N кВт 36
Механизм газораспределения Клапанного типа с верхним расположением клапанов
Система охлаждения Водяная, принудительная
Система смазки Принудительная, с разбрызгиванием
Фильтр масляный Сетчатый
Насос масляный Шестеренчатый
Система питания Разделенного типа
Топливный насос высокого давления Рядный типа PP4M10U1f фирмы Motorpal с центробежным регулятором
Диаметр плунжеров ТНВД йпп, мм 10
Ход плунжеров ТНВД Нпл, мм 10
Длина нагнетательных топливопроводов 1т, мм 540
Форсунки Типа ФДМ-22 производства ОАО «Куроаппаратура» (г. Вильнюс)
Распылители форсунок Фирмы Motorpal типа DOP 119S534 с пятью сопловыми отверстиями диаметром ¿р=0,34 мм и проходным сечением цп/р=0,250 мм2
Давление начала впрыскивания форсунок рф, МПа 21,5
24
Впоследствии предполагается разработка системы очистки природного газа от этих примесей, которая позволит увеличить число циклов наполнения-выдачи природного газа без засорения адсорбента.
В состав дизель-генераторной установки входил также электрический генератор переменного тока типа ЕСО-ЕСР производства фирмы ИКА (Италия). При экспериментальных исследованиях вырабатываемая электрогенератором электроэнергия потребляется тремя те-пловентиляторами, максимальная мощность каждого из которых составляет 12 кВт (эти тепловентиляторы могут также работать с электрической нагрузкой, равной 6 кВт). Таким образом, возможна реализация семи нагрузочных режимов с эффективной мощностью 0 (режим холостого хода), 6, 12, 18, 24, 30 и 36 (режим максимальной мощности) кВт.
При экспериментах определялись эффективная мощность двигателя Ые, частота вращения коленчатого вала п, расходы воздуха, жидкого и газообразного топлива в исследуемом дизельном двигателе, некоторые дополнительные параметры, необходимые для вычисления показателей топливной экономичности двигателя, дымность и токсичность его отработавших газов (ОГ), а также ряд ограничительных параметров. Дымность ОГ измерялась с помощью дымомера «Инфракар Д1.01» предприятия «За-падприбор» (г. Москва) с погрешностью измерения ±1 %. Концентрации в ОГ нормируемых токсичных компонентов (оксиды азота N0^ монооксид углерода СО, легкие несгоревшие углеводороды СН) определялись газоанализатором «Инфракар 5М-3.01» предприятия «За-падприбор» (г. Москва) с погрешностями измерения указанных компонентов ±1 %.
Исследования проведены в нормальных климатических условиях при температуре окружающего воздуха 20±10 °С, относительной влажности воздуха от 45 до 80 % и атмосферном давлении от 630 до 800 мм рт. ст. (от 84 до 107 кПа).
При проведении экспериментальных исследований процесса выдачи природного газа дизельному двигателю осуществлялся нагрев адсорбционной системы аккумулирования до 80 °С для более полного извлечения природного газа из адсорбера.
Дизельный двигатель типа 4 Ч 11/12,5 на моторном стенде исследован на режимах предельной регуляторной характеристики, формируемой регулятором при частоте вращения коленчатого вала «=1500 мин1, которые являются штатными режимами дизель-генераторной установки, вырабатывающей переменный электрический ток. Этот ток удовлетворял требованиям, предъявляемым к электрическому току промышленных сетей.
Наклон регуляторной характеристики (ее степень неравномерности 5) исследуемого дизельного двигателя был равен 5=3,7 %, что приводило к увеличению частоты вращения коленчатого вала с ее номинального значения, примерно равного «=1500 мин1 на режиме с полной нагрузкой (N=36 кВт), до уровня, примерно равного «=1550 мин1 на режиме холостого хода (N=0 кВт). При испытаниях угол опережения впрыскивания топлива был установлен равным 0=13° поворота коленчатого вала (ПКВ) до верхней мертвой точки (ВМТ).
При испытаниях дизельного двигателя исследована его работа как в чисто дизельном цикле (работа только на дизельном топливе), так и в газодизельном. Двухтопливный газодизельный цикл реализован с целью надежного воспламенения природного газа в условиях камеры сгорания дизеля, что вызвано худшей самовоспламеняемостью природного газа по сравнению с нефтяным ДТ (их температуры самовоспламенения равны соответственно 580...650 и 250...280, а цетановые числа - 3 и 45 единицы, см. табл. 1). В указанном двухтопливном цикле подаваемый в камеру сгорания природный газ воспламенялся от запальной дозы нефтяного ДТ,
Таблица 3
Значения часовых расходов воздуха вв, дизельного топлива вдТ и природного газа вПР температур воздуха во впускном коллекторе (в вп и охлаждающего воздуха генератора (в ген, коэффициента избытка воздуха а дизельного двигателя типа 4 Ч 11/12,5
№№ Параметры
режимов п, мин 1 N.. кВт СДТ , кг/ч , кг/ч вв, кг/ч . ОС 'в вп' ^ . ос 1в ген' ^ а
Дизельный цикл
1 1450 34,4 9,33 - 185 32,0 28 1,39
2 1473 28,8 7,45 - 195 29,0 26 1,83
3 1491 23,2 6,03 - 198 27,2 24 2,30
4 1509 15,4 4,35 - 200 34,7 30 3,22
5 1520 7,7 2,82 - 202 35,2 30 5,01
6 1557 0 1,50 - 204 33,4 30 9,51
Газодизельный цикл
1 1434 33,7 1,70 6,30 174 37,6 35 1,31
2 1440 28,5 1,72 4,78 182 36,6 33 1,70
3 1455 23,5 1,72 3,69 190 33,6 30 2,16
4 1475 15,6 1,78 2,22 194 32,5 29 3,05
5 1490 7,9 1,73 1,01 198 34,2 31 4,70
6 1515 0 1,66 - 200 33,0 30 8,43
впрыскиваемого в цилиндры форсунками штатной системы топливоподачи. При конвертации дизеля на природный газ разработанный регулятор двигателя поддерживал примерное постоянство часового расхода запального нефтяного дизельного топлива на уровне 1,72 кг/ч (табл. 3 и рис. 3), то есть примерное постоянство запальной дозы ДТ на уровне дц=11,5 мм3.
При экспериментальных исследованиях расходы нефтяного ДТ, природного газа и воздуха определялись объемным способом и пересчитывались в массовый расход топлива с использованием плотностей этих веществ при нормальных условиях (20 °С): рПГ=0,668 кг/м3
- плотность природного газа (чистый метан) при давлении р=1,01325 бар и температуре ¿"=293,15 К; рДТ=830 кг/м3 -плотность нефтяного ДТ; рв= 1,204 кг/м3
- плотность воздуха. Объемный часовой расход природного газа (метан), обеспечиваемый адсорбционной системой
аккумулирования в процессе выдачи его дизельному двигателю, составил 10,0 м3/ч. С учетом принятой плотности природного газа (рПГ=0,668 кг/м3) его массовый часовой расход оказался равен 6,68 кг/ч. При этом требуемый максимальный расход природного газа исследуемым дизельным двигателем на режиме с полной нагрузкой (N=33,7 кВт при п=1434 мин1, см. табл. 3) составил 6,30 кг/ч.
Таким образом, для питания разработанного экспериментального стенда природным газом было достаточно одного баллона с адсорбционной системой аккумулирования. При использовании этой системы аккумулирования на более мощных дизельных двигателях необходимо соответственно увеличивать число баллонов с природным газом, наполненных указанным адсорбентом, или применять адсорбент с большей аккумулирующей способностью.
Как отмечено выше, при работе
Рис. 3. Зависимость часовых расходов воздуха Св, дизельного топлива 0ДТ и природного газа СПР коэффициента избытка воздуха а от эффективной мощности Ые дизеля типа 4 Ч 11/12,5, работающего на режимах предельной регу-ляторной характеристики при «ном=1500 мин-1 на природном газе с запальной дозой ДТ:
1 - дизельный цикл; 2 - газодизельный цикл
дизеля по газодизельному циклу (на природном газе с запальной дозой ДТ) разработанный регулятор двигателя поддерживал примерное постоянство часового расхода этого топлива на уровне СДТ=1,72 кг/ч. При этом на режиме холостого хода (N=0 кВт) при «=1515 мин1 в двигатель подавалось только запальное ДТ (расход природного газа бПГ=0, см. табл. 3). При увеличении нагрузки расход природного газа увеличивался. На режиме с полной нагрузкой (при N^33,7 кВт и «=1434 мин1) подача природного газа была максимальной и равной СПГ=6,30 кг/ч, а часовой расход запального нефтяного дизельного топлива составил СДТ=1,70 кг/ч.
В результате на режиме максимальной мощности подача запального дизельного топлива оказалась равной примерно 20 % общей подачи (часовой расход) жидкого и газообразного топлив СтЕ (на режиме максимальной мощности ^те=^дт+Спг=8,00 кг/ч). Таким образом, разработанная система регулирования обеспечивает увеличение доли запального ДТ в общей подаче топлива по мере уменьшения нагрузки.
По представленным в табл. 3 и на рис. 3 значениям часовых расходов воздуха Ов, дизельного топлива СДТ и природного газа СПГ определен коэффициент избытка воздуха а для дизельного и газодизельного циклов работы исследуемого двигателя типа 4 Ч 11/12,5. При этом использованы общепринятые формулы расчета этого коэффициента. Для дизельного цикла коэффициент избытка воздуха а определялся по выражению
а
а = ,
10 дт^ДТ
а при исследованиях газодизельного цикла для расчета коэффициента избытка воздуха использовано следующее соотношение
св
а =-2- ,
10 ДТ^ДТ + пг^пг
где Ов, ОДТ и СПГ - часовые расходы воздуха, дизельного топлива и природного газа, кг/г; /0=Ь0^цв - количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг воздуха/кг топлива (для дизельного топлива 10 ДТ=14,3; для природного газа 10 ПГ=17,2); цв=28,93 - молекулярная масса воздуха.
Количество воздуха Ь0 [кг воздуха/кг топлива], необходимое для сгорания 1 кг топлива, определялось из соотношения
¿о =
1
0,21
(С /1 2 + Н / 4 - О / 32) ,
где С, Н и О - массовые доли атомов углерода, водорода и кислорода в молекулах топлива (см. табл. 3).
Рассчитанные значения коэффициента избытка воздуха а (см. табл. 3 и рис. 3) свидетельствуют о том, что при увеличении нагрузки на дизельный двигатель (с ростом эффективной мощности Ые) коэффициент избытка воздуха монотонно уменьшается. Минимальные значения а соответствуют режиму максимальной мощности. При реализации газодизельного цикла это минимальное значение а=1,31 соответствует режиму с N=33,7 кВт при «=1434 мин1. Необходимо также отметить, что в газодизельном цикле возможна работа с меньшими значениями коэффициента избытка воздуха а, поскольку основное топливо - природный газ - находится в одном агрегатном состоянии с окислителем - воздухом. Это облегчает организацию процесса смесеобразования в газодизельном цикле.
На основании полученных при испытаниях значений расходов нефтяного ДТ и природного газа, а также мощност-ных показателей исследуемого двигателя определены показатели его топливной экономичности. При этом общий удельный эффективный расход топлива gе общ исследуемого дизельного двигателя определялся с учетом полученных при экспериментах часовых расходов дизельного топлива СДТ и природного газа СПГ , а также эффективной мощности двигателя N по формуле:
ё
_ ^дт + ^пг
е общ
N.
На режимах холостого хода (при N=0) значения общего удельного эффективного расхода топлива gе общ стремятся к бесконечности, поскольку крутящий момент на выходном валу дизельного двигателя стремится к нулю. По данным рис. 4 можно отметить наличие минимума удельного эффективного расхода gе общ на режимах с эффективной мощностью ^=23...28 кВт. Этот минимум, характерный и для дизельного, и для газодизельного циклов, соответствует наибольшей эффективности сгорания на указанных нагрузочных режимах. Наименьший общий удельный эффективный расход топлива gе общ=228,1 г/(кВт-ч) соответствует режиму газодизельного цикла с эффективной мощностью N=28,5 кВт при «=1440 мин1.
Приведенные в табл. 4 и на рис. 4 данные свидетельствуют о том, что при реализации газодизельного цикла общий удельный эффективный расход топлива gе общ оказался несколько ниже, чем в чисто дизельном цикле. Это объясняется более высокой теплотворной способностью природного газа (метан) по сравнению с нефтяным ДТ (низшая теплота сгорания этих топлив равна 42,5 и 50,0 МДж/кг у нефтяного ДТ и природного газа соответственно, см. табл. 1).
9е сии Г
кВтч 360 340 320 300 280 260 240 220
Кх,% 60 50 40 30 20 10 О
*-х-1
\
Л
V \
\ \ \ \ ч \
\ \ \
---о-
---
/
/
/ /
/ /
/
/
/
-О
0,34 0,32 0,30 0,28 0,26 0,24 0,22
10 15 20 25 30 «е,кВт
Рис. 4. Зависимость общего удельного эффективного расхода топлива gе общ, эффективного КПД двигателя це и дымности ОГ по шкале Хартриджа Кх от эффективной мощности Ие дизеля типа 4 Ч 11/12,5, работающего на режимах предельной регулятор-ной характеристики при «ном=1500 мин1 на природном газе с запальной дозой ДТ: 1 - дизельный цикл; 2 - газодизельный цикл
Таблица 4
Значения общего удельного эффективного расхода топлива суммарной низшей теплоты сгорания ДТ и природного газа Нг , эффективного КПД двигателя т|с, дымности ОГ К [м-1] и Кх [% по шкале Хартриджа] дизельного двигателя типа 4 Ч 11/12,5
Параметры
№№ К, % (Хартридж)
режимов п, мин 1 Щ, кВт 1уе об!! г/(кВт-ч) я, (-£ > МДж/кг и К, м-1
Дизельный цикл
1 1450 34,4 271,2 42,5 0,312 1,979 57,3
2 1473 28,8 258,7 42,5 0,327 0,294 11,9
3 1491 23,2 259,9 42,5 0,326 0,094 4,0
4 1509 15,4 282,5 42,5 0,300 0,068 2,9
5 1520 7,7 366,2 42,5 0,231 0,04 1,8
6 1557 0 - 42,5 - 0,03 1,3
Газодизельный цикл
1 1434 33,7 237,4 48,4 0,313 0,211 8,7
2 1440 28,5 228,1 48,0 0,329 0,110 4,9
3 1455 23,5 230,2 47,6 0,328 0,090 3,8
4 1475 15,6 256,4 46,7 0,301 0,068 2,8
5 1490 7,9 346,8 45,3 0,229 0,04 1,7
6 1515 0 - 42,5 - 0,03 1,2
Ни =
Необходимо отметить, что рассматриваемый показатель топливной экономичности двигателя gе общ не учитывает различной теплотворной способности используемых топлив. Поэтому для сравнительной оценки эффективности процесса сгорания в дизельном и газодизельном циклах предпочтительнее использовать эффективный КПД дизельного двигателя це, в формулу для определения которого входит низшая теплота сгорания указанных топлив, а также их смесей.
Теплота сгорания смеси Ниподаваемых в камеру сгорания двигателя топлив определялась соотношением часовых расходов дизельного топлива СДТ и природного газа СПГ [кг/ч] и их теплотворной способностью:
О,
пг
О
Н иг + О дт
О
Н
где Е - общий часовой расход природного газа и нефтяного ДТ, кг/ч; Нипг
и Нидт - низшая теплота сгорания этих топлив, МДж/кг; Ни - суммарная низшая теплота сгорания ДТ и природного газа, МДж/кг (низшая теплота сгорания -количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учета теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в рабочей смеси).
При обработке результатов экспериментальных исследований расчет эффективного КПД це дизельного двигателя проводился с учетом различной теплотворной способности используемых топлив по выражению
П - ( N )
' НиЕ(Опг + Одт ) или по формуле
3600
П - И „
е общ
Рассчитанные в соответствии с представленной методикой значения эффективного КПД пе представлены в табл. 4
невысоким качеством смесеобразования в газодизельном цикле при низких нагрузках и улучшением качества этого процесса в газодизельном цикле на режимах с высокой нагрузкой.
Полученные экспериментальные данные по показателям дымности ОГ исследуемого дизеля типа 4 Ч 11/12,5 (см. табл. 4 и рис. 4) свидетельствуют, что использование газообразного топлива
- природного газа, в котором отсутствуют высокомолекулярные углеводороды и имеет место лучшее смесеобразование
- приводит к заметному уменьшению выброса углерода С (снижение дымности ОГ). При этом на режимах с малыми и средними нагрузками (при N ниже 23...24 кВт) дымность ОГ в дизельном и газодизельном циклах соизмерима. Это обусловлено значительным избытком кислорода в рабочей смеси (высокий коэффициент избытка воздуха - а>2).
На режимах с высокими нагрузками начинает сказываться недостаток кислорода в рабочей смеси, поэтому
Таблица 5
Значения объемных концентраций в ОГ кислорода С0 , углекислого газа Ссо , оксидов азота СХОх, монооксида углерода Ссо, легких несгоревших углеводородов Ссн дизеля типа 4 Ч 11/12,5
и на рис. 4. На режимах холостого хода (при N=0) эффективный КПД двигателя пе стремится к нулю. По мере увеличения нагрузки эффективный КПД дизеля пе повышается и при эффективной мощности N=23...28 кВт достигает своего максимума. Наибольший эффективный КПД двигателя пе=0,329 соответствует режиму газодизельного цикла с эффективной мощностью N=28,5 кВт при «=1440 мин1.
Полученные данные по показателям топливной экономичности (общий удельный эффективный расход топлива gе общ и эффективный КПД це) свидетельствуют о том, что по эффективности процесса сгорания дизельный и газодизельный циклы исследуемого дизеля достаточно близки друг к другу. Причем на режимах с малыми нагрузками (до N=16.--18 кВт) более экономичен дизельный цикл, а на режимах с большими нагрузками (при N выше 16.18 кВт) предпочтителен газодизельный цикл. Это объясняется сравнительно
№№ Параметры
режимов п, мин 1 кВт ( - ), , % СКОх, РРт Ссо, РРт Ссн, РРт
Дизельный цикл
1 1446 34,6 6,07 10,76 1112 1300 14
2 1464 28,6 8,98 8,47 1684 280 13
3 1485 23,2 11,25 6,82 1383 160 13
4 1503 15,7 13,86 4,92 881 160 12
5 1516 7,9 16,07 3,34 474 180 12
6 1557 0 17,96 2,01 196 230 11
Газодизельный цикл
1 1434 34,5 5,92 8,84 1319 1560 132
2 1449 28,7 7,85 7,49 1160 1970 225
3 1462 23,4 10,40 6,19 1008 1850 319
4 1479 15,5 12,91 4,67 557 1780 377
5 1491 7,5 15,65 3,12 215 1600 418
6 1505 0 17,41 1,88 151 1380 439
Примечание: для С^
и Ссо указано их объемное процентное содержание в ОГ; для СКОх, СсО, Ссн - миллионные объемные доли (ррт).
в газодизельном цикле на таких режимах отмечается существенное снижение дымности ОГ по сравнению с дизельным циклом. На режиме с полной нагрузкой (при N=33,7...34,4 кВт) отмечена наибольшая дымность ОГ - в дизельном цикле Кх=57,3 % по шкале Хартриджа,
Со2,% 18 16 14 12 10 8 6 4
С, ррт
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Ссн, ррт
400
200
0
X-х-7 о-----с - 2
4 О
\
/ ..у
У Л X
/
о'
т-'-О" •V
ч ч
-** "о
X /
/
/
/
/ г
1_ ___
"""""-о
сС02> %
10
8
6
4
2
0
Ссо > ррт 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 О
10 15 20 25 30 «е,кВт
Рис. 5. Зависимость объемных концентраций в ОГ кислорода С() , диоксида углерода , оксидов азо-
та С^, монооксида углерода СсО и легких несгоревших углеводородов Ссн от эффективной мощности Ые дизельного двигателя типа 4 Ч 11/12,5, работающего на режимах предельной регуляторной характеристики при ином=1500 мин-1 на природном газе с запальной дозой ДТ:
1 - дизельный цикл; 2 - газодизельный цикл
а в газодизельном Кх=8,7 % по той же шкале (см. табл. 4 и рис. 4). Таким образом, на этом режиме переход от дизельного цикла к газодизельному приводит к снижению дымности ОГ примерно в 6,6 раза.
Указанный переход от дизельного к газодизельному циклу оказывает влияние и на содержание в ОГ различных нетоксичных и токсичных компонентов (табл. 5 и рис. 5). Эти показатели также в значительной степени зависят от нагрузки на двигатель - его эффективной мощности N
При переходе от дизельного цикла к газодизельному отмечается уменьшение концентрации кислорода С0 в ОГ дизеля типа 4 Ч 11/12,5 (см. табл. 5 и рис. 5). Это связано, с одной стороны, с меньшими значениями коэффициента избытка воздуха а в газодизельном цикле (см. табл. 3 и рис. 3), а с другой стороны - с большим необходимым количеством воздуха для сгорания 1 кг топлива, характерным для используемого газообразного топлива (для природного газа - /0=17,2 кг/кг, для нефтяного ДТ -/0=14,3 кг/кг, см. табл. 3).
В силу указанных причин переход от дизельного цикла к газодизельному сопровождается увеличением содержания диоксида углерода Ссо^ в ОГ дизеля типа 4 Ч 11/12,5 (см. табл. 5 и рис. 5). Причем с ростом нагрузки (увеличение количества подаваемого топлива) концентрация Ссо^ в ОГ монотонно увеличивается.
Полученные экспериментальные данные по показателям токсичности ОГ исследуемого дизеля типа 4 Ч 11/12,5 показывают, что при увеличении нагрузки на двигатель имеет место тенденция роста концентрации в ОГ основного газообразного токсичного компонента -оксидов азота СЫОх (см. табл. 5 и рис. 5). В газодизельном цикле увеличение нагрузки от N=0 кВт (режим холостого хода) до N=34,5 кВт (режим максимальной мощности) приводит к росту содержания оксидов азота в ОГ с 151 до
1319 ррт. В этом же диапазоне увели- оказывающийся в низкотемпературных
чения нагрузки в дизельном цикле кон- зонах камеры сгорания дизеля (в ее при-
центрация оксидов азота в ОГ сначала стеночных слоях), не сгорает полностью
возрастает со 196 до 1684 ррт (макси- и остается в ОГ.
а затем уменьшается до 1112 ррт характеристики содержания в ОГ дизе-на режиме максимальной мощности ля типа 4 Ч 11/12,5 монооксида углерода (при N=34,6 кВт). Такое снижение эмис- ССО свидетельствуют о том, что в ди-сии оксидов азота на режимах с боль- зельном цикле при увеличении нагруз-шими нагрузками связано с заметным ки концентрация монооксида углерода ухудшением качества процесса смесе- сначала уменьшается от ССО=230 ррт образования на этих режимах, образо- (при N=0) до ССО=160 ррт (при N=15,7 ванием негомогенной рабочей смеси и и 23,2 кВт), а затем увеличивается до появлением в камере сгорания зон с по- 1300 ррт на режиме максимальной мощ-ниженными значениями коэффициента ности (при N=34,6 кВт). Такой резкий избытка воздуха а и высокими темпера- рост эмиссии монооксида углерода на турами сгорания, в которых и происхо- режимах с большими нагрузками объяс-дит интенсивное образование оксидов няется диссоциацией образовавшегося азота. при сгорании диоксида углерода СО2 с В целом необходимо отметить тен- образованием монооксида углерода СО денцию меньшего содержания окси- и кислорода О2 в высокотемпературных дов азота в ОГ в газодизельном цикле зонах камеры сгорания. В газодизельном по сравнению с дизельным, что связано цикле, напротив, при увеличении нагруз-с лучшим качеством смесеобразования ки концентрация монооксида углерода и более гомогенной рабочей смесью сначала возрастает от ССО=1380 ррт (при в этом цикле, поскольку газообразное N=0) до ССО=1970 ррт (при N=28,7 кВт), топливо (природный газ) и окислитель а затем снижается до 1560 ррт (при (воздух) находятся в одном агрегатном N=34,5 кВт). В этом случае максимум состоянии - газообразном, что облегчает содержания СО в ОГ соответствует режи-смешение этих компонентов. му с N=28,7 кВт, в котором температуры Следует отметить, что для газоди- сгорания максимальны. Еще раз отметим зельного цикла исследуемого дизеля большее содержание монооксида углеро-типа 4 Ч 11/12,5 характерно повышенное да в газодизельном цикле. содержание в ОГ продуктов неполного Данные табл. 5 и рис. 5 свидетель-сгорания топлива - монооксида углеро- ствуют о том, что при реализации дизель-да СО и легких несгоревших углеводоро- ного цикла в исследуемом дизеле типа дов СН (см. табл. 5 и рис. 5). Повышенная 4 Ч 11/12,5 концентрации в ОГ легких эмиссия первого из этих токсичных несгоревших углеводородов Ссн очень компонентов ОГ обусловлена более вы- малы (Ссн=11...14 ррт) и слабо зави-сокими температурами сгорания в газо- сят от нагрузочного режима. В газодизельном цикле и наличием в камере дизельном цикле этого двигателя при сгорания высокотемпературных зон, росте эффективной мощности N отмече-в которых химическое равновесие ре- но монотонное снижение концентрации акции СО + О ^СО2 смещено в сторо- Ссн в отработавших газах от 439 ррт ну диссоциации диоксида углерода СО2 на режиме холостого хода (при N=0) с образованием монооксида углерода до 132 ррт на режиме максимальной СО и кислорода О2. Рост выброса несго- мощности (при N=34,5 кВт). Такое сни-ревших углеводородов СН в газодизель- жение эмиссии несгоревших углеводо-ном цикле объясняется тем, что метан, родов с ростом нагрузки на двигатель
31
мальное значение при N=28,6 кВт), Представленные в табл. 5 и на рис. 5
^СОЦИРЛ^
32
объясняется улучшением качества смесеобразования и повышением температур сгорания, вызванным ростом количества подаваемого в камеру сгорания газообразного топлива - природного газа.
Следует подчеркнуть, что отмеченный при испытаниях дизеля типа 4 Ч 11/12,5 рост выбросов монооксида углерода СО и несгоревших углеводородов СН в газодизельном цикле по сравнению с обычным дизельным может быть легко устранен путем установки в выпускной системе двигателя каталитического нейтрализатора, эффективно очищающего ОГ от содержащихся в них СО и СН.
В заключение анализа характеристик выбросов токсичных компонентов ОГ исследуемого дизеля необходимо отметить, что при переводе его с дизельного цикла на газодизельный отмечено заметное улучшение его экологических показателей. В газодизельном цикле имело место значительное снижение выбросов двух основных токсичных компонентов ОГ - оксидов азота и сажи (дымность ОГ). При этом токсикологическая значимость монооксида углерода СО, оксидов азота N0^ несгоревших углеводородов СН и сажи (твердые частицы) оценивается как отношение 1 / 41,1 / 3,16 / 200.
В целом проведенные исследования подтвердили работоспособность разработанного экспериментального стенда, позволили определить его основные параметры и исследовать процессы хранения и выдачи природного газа из адсорбционной системы аккумулирования для питания дизельного двигателя. По результатам проведенных исследований разработанного экспериментального стенда можно сделать следующие выводы:
1. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для исследования процессов хранения и выдачи природного газа из адсорбционной системы аккумулирования для питания дизельного двигателя, включающий дизель
типа Д-243 (4 Ч 11/12,5), работающий в составе дизель-генераторной установки, вырабатывающей переменный электрический ток. Вырабатываемый электрогенератором переменный ток потреблялся тремя тепловентиляторами. Возможна реализация семи нагрузочных режимов с эффективной мощностью 0 (режим холостого хода), 6, 12, 18, 24, 30 и 36 (режим максимальной мощности) кВт.
2. Адсорбционная система аккумулирования включала баллон, наполненный адсорбентом, в котором природный газ (чистый метан) хранился под высоким давлением. Система аккумулирования была выполнена в виде моноблоков с высокой плотностью упаковки, состоящих из активного угля АУ-1 и полимерного связующего. 16 таких моноблоков были загружены в экспериментальный образец газового баллона. Объем баллона (адсорбер), заполненного моноблоками адсорбента, составляет 50 л при максимальном давлении в нем, равном 10 МПа (абсолютное).
3. Для проведения исследований разработанного экспериментального стенда использовался чистый метан (99,9 %) с целью предотвращения засорения адсорбента (активный уголь) всевозможными примесями (более тяжелые углеводороды, механические примеси и др.). В последующем предполагается разработка системы очистки природного газа от этих примесей, которая позволит увеличить число циклов наполнения-выдачи природного газа без засорения адсорбента. При проведении экспериментальных исследований процесса выдачи природного газа дизельному двигателю осуществлялся нагрев адсорбционной системы аккумулирования до 80 °С для более полного извлечения природного газа из адсорбера.
4. Для конвертирования двигателя типа 4 Ч 11/12,5 на природный газ был разработан ТНВД с системой регулирования подачи газа и запального дизельного топлива. Эта система включала
регулятор подачи дизельного топлива, регулятор подачи природного газа и газовоздушный смеситель, установленный во впускной системе газодизельного двигателя. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность экспериментального стенда, возможность определения его основных параметров и изучения процессов хранения и выдачи природного газа из адсорбционной системы аккумулирования для питания дизельного двигателя.
5. Дизельный двигатель работал на режимах регуляторной характеристики, формируемой разработанной системой регулирования, при частоте вращения коленчатого вала «=1500 мин1. Степень неравномерности регуляторной характеристики была равна 5=3,7 %. Вырабатываемый переменный электрический ток удовлетворял требованиям, предъявляемым к электротоку промышленных сетей.
6. В дизельном двигателе типа 4 Ч 11/12,5 экспериментального стенда реализовывался как чисто дизельный процесс, так и газодизельный, при котором природный газ, подаваемый в цилиндры двигателя, воспламенялся от запальной дозы нефтяного дизельного топлива. В газодизельном цикле разработанный регулятор двигателя поддерживал примерное постоянство запальной дозы ДТ на уровне дц=11,5 мм3. При этом на режиме холостого хода (N=0 кВт) при «=1515 мин1 в двигатель подавалось только запальное дизельное топливо (расход природного газа СПГ=0). При увеличении нагрузки расход природного газа увеличивался, и на режиме с полной нагрузкой (при N=33,7 кВт) подача природного газа была максимальной и равной СПГ=6,30 кг/ч, а часовой расход запального нефтяного ДТ был примерно постоянен и равен СДТ=1,70 кг/ч. На режиме максимальной мощности подача запального дизельного топлива оказалась равной примерно 20 % от общей подачи жидкого
и газообразного топлив (на режиме максимальной мощности Ст г=8,00 кг/ч).
7. Разработанный экспериментальный стенд позволил провести исследования процессов хранения и выдачи природного газа из адсорбционной системы аккумулирования для питания дизельного двигателя. Объемный часовой расход природного газа (метан), обеспечиваемый адсорбционной системой аккумулирования в процессе выдачи природного газа двигателю, составил 10,0 м3/ч. С учетом принятой плотности природного газа (рПГ=0,668 кг/м3) его массовый часовой расход оказался равен 6,68 кг/ч. При этом требуемый максимальный расход природного газа исследуемым дизелем на режиме с полной нагрузкой (N=33,7 кВт при «=1434 мин1) составил 6,30 кг/ч. Таким образом, для питания разработанного экспериментального стенда природным газом достаточно одного баллона с адсорбционной системой аккумулирования. При использовании этой системы на более мощных дизельных двигателях необходимо соответственно увеличивать число баллонов с природным газом, наполненных указанным адсорбентом, или применять адсорбент с большей аккумулирующей способностью.
8. По эффективности процесса сгорания, оцениваемой с использованием эффективного КПД двигателя це, дизельный и газодизельный циклы исследуемого дизельного двигателя достаточно близки друг к другу. Причем на режимах с малыми нагрузками (до N=16--18 кВт) более экономичен дизельный цикл, а на режимах с большими нагрузками (при N выше 16.18 кВт) предпочтителен газодизельный цикл. Это объясняется сравнительно невысоким качеством смесеобразования в газодизельном цикле при низких нагрузках и улучшением качества этого процесса в газодизельном цикле на режимах с высокой нагрузкой.
9. Реализация газодизельного цикла в
рост выбросов монооксида углерода СО и легких несгоревших углеводородов СН по сравнению с обычным дизельным циклом. Однако повышенная эмиссия этих двух токсичных компонентов ОГ может быть легко устранена при установке в выпускной системе двигателя каталитического нейтрализатора, эффективно очищающего ОГ от содержащихся в них СО и СН.
10. При переводе исследуемого двигателя с дизельного цикла на газодизельный отмечено заметное улучшение его экологических показателей. В газодизельном цикле имело место значительное снижение выбросов двух основных токсичных компонентов ОГ - оксидов азота и сажи (дымность ОГ). При этом токсикологическая значимость монооксида углерода СО, оксидов азота NOx, легких несгоревших углеводородов СН и сажи (твердые частицы) оценивается как отношение 1 / 41,1 / 3,16 / 200.
_ Литература
1. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2012. - 791 с.
2. Альтернативные моторные топлива: Учеб. пособие для вузов / А.Л. Лапидус, И.Ф. Крылов, Ф.Г. Жагфаров и др. - М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2008. - 288 с.
3. Гайворонский А.И., Марков В.А., Илатовский Ю.В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 480 с.
4. Патрахальцев Н.Н. Повышение экономических и экологических качеств двигателей внутреннего сгорания на основе применения альтернативных топлив: Учеб. пособие для вузов. - М.: Изд-во РУДН, 2008. - 267 с.
5. Марков В.А., Бебенин Е.В., Поздняков Е.Ф. Сравнительная оценка альтернативных топлив для дизельных двигателей // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 5. - С. 24-29.
6. Адсорбция метана на микропористом углеродном адсорбенте АУ-1 / Е.М. Стриженов и др. // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2012. - Т. 48. -№ 6. - С. 521-526.
7. Адсорбция метана на микропористом углеродном адсорбенте АУ-5 / Е.М. Стриженов и др. // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2013. - Т. 49. -№ 5. - С. 483-490.
8. Аккумулирование метана на активированном угле АУ-7 / Е.М. Стриженов и др. // Химическая технология. - 2013. - № 12. - С. 729-738.
исследуемом двигателе позволила заметно снизить дымность ОГ. Наибольшая дымность ОГ имела место на режиме с полной нагрузкой (при N=33,7.. .34,4 кВт) - в дизельном цикле Кх=57,3 % по шкале Хартриджа, а в газодизельном Кх=8,7 % по той же шкале. Таким образом, на этом режиме переход от дизельного цикла к газодизельному приводит к снижению дымности ОГ примерно в 6,6 раза. При экспериментальных исследованиях отмечена тенденция меньшего содержания оксидов азота в ОГ в газодизельном цикле по сравнению с дизельным. Такое снижение эмиссии наиболее значимого газообразного токсичного компонента ОГ связано с лучшим качеством смесеобразования и более гомогенной рабочей смесью в этом цикле, поскольку газообразное топливо (природный газ) и окислитель (воздух) находятся в одном агрегатном состоянии - газообразном, что облегчает смешение этих компонентов. В газодизельном цикле отмечен
