CC BY
47
УДК 621.436.018
КОРРЕКТИРОВАНИЕ ВНЕШНЕЙ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЯ ДОБАВКОЙ СЖИЖЕННОГО ТОПЛИВНОГО ПРОПАНА-БУТАНА (СПБТ)
К ОСНОВНОМУ ТОПЛИВУ
В.В. Горбунов, В.Л. Казначевский, Н.Н. Патрахальцев
Кафедра комбинированных ДОС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
В статье приводятся результаты исследования возможности корректирования внешней скоростной характеристики дизеля 8 4 13/14 путем перевода его на работу по газодизельному циклу с внутренним смесеобразованием и питания его топливом в виде смеси основного дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа (пропана-бутана топливного - СПБТ).
Корректирование внешней скоростной характеристики (ВСХ) двигателя обычно осуществляется с целью повышения крутящего момента двигателя (Тч), увеличения коэффициента приспособляемости (К=Т,Ч тах/Т,ч ном), снижения дымности отработавших газов (ОГ), как вблизи номинального режима, так и вблизи пониженных и минимальных частот вращения при полных нагрузках, а также для снижения тепловой и механической напряжённости двигателя и т.д. Известны широко применяемые корректоры топливоподачи, работающие по принципу изменения положения рейки (Ьр) топливного насоса высокого давления (ТНВД) [1], что реализуется, как правило, с помощью соответствующей конструкции регулятора частоты вращения. При этом наибольший эффект достигается при одновременном регулировании и других параметров рабочего процесса. К ним относятся угол опережения впрыскивания топлива (с помощью автоматических муфт опережения впрыскивания топлива -АМОВТ), коэффициент наполнения (автоматическим изменением фаз газообмена), давление наддува (регулируемый наддув) и другие параметры. В конечном итоге все эти средства воздействуют на коэффициент избытка воздуха (состав смеси), который ограничивается по обогащению состава смеси допустимым уровнем дымности ОГ, а по обеднению - возможностью форсирования двигателя по моменту, допустимом теплонапряжённостью деталей двигателя и т.д.. В идеале пределом достижимого двигателем крутящего момента служит абсолютная внешняя скоростная характеристика (АВСХ) двигателя (рис. 1). Выход на эту характеристику допустим для двигателей специального назначения, например, двигателей боевых машин, но практически запрещён для двигателей народохозяйственного назначения (дымность ОГ достигает уровня НАвсх)- Для последних верхним ограничением роста момента служит характеристика предела дымления (ХПД), уровень которого (Нпд.) определяется не экологическими требованиями, а прежде всего требованиями сохранения надёжности и долговечности двигателя.
Обычно при работе по ВСХ дизель в области пониженных частот вращения переходит за предел дымления (Нпд,). Особенно существенно это проявляется у дизелей с наддувом от свободного турбонагнетателя. Известны случаи, когда фирма-разработчик устанавливает у такого дизеля повышенную минимальную частоту вращения (вплоть до 0,5 от номинальной) только для того, чтобы избежать чрезмерного дымления при работе на пониженных частотах вращения и удовлетворить соответствующим экологическим требованиям. В связи с этим, ВСХ дизеля в этой области корректируется (антикорректируется, регулятор снабжается отрицательным корректором) уменьшением подачи топлива (уменьшением выхода рейки ТНВД). Таким образом, для дизеля народнохозяйственного назначения ВСХ (причём, с корректорными ветвями) чаще всего формируется по характеристике 1, 2, 3 ,6 ,7, 8 (или 9 -для учёта влияния повышенного дымления при неустановившихся режимах) (см. рис.1). Указанная характеристика обеспечивает дизелю повышенный коэффициент приспособляемости (по сравнению с ВСХ без такого корректирования), в результате чего улучшаются
динамические характеристики двигателя, повышается устойчивость режимов его работы и и другие характеристики.
Рис 1. Схемы построения скоростны:: характеристик дизеля при корректировании и антикорректировании их го условиям ограничения дымности отработавших газов :
Тц - крутящий мотлект дизеля, Н - дыгсность отработаилкх г аз ■ 2. и - частота вращения вала, АВСХ - абсолютная внешняя скоростная характеристика, ХПД - характеристика предела яыгоенкя, ВСХ - хнешихх скоростная характеристика, л м - частота гращекня маислмаганэго крутящего момента, п пом - номинальная частота храздекня, к -корректорное значение .
Очевидно, что пути дальнейшего повышения этих качеств лежат в реализации возможности форсирования двигателя до уровня АВСХ, но без превышения допустимого для дизеля предела дымления и без превышения термонапряжённости. Одним из методов достижения этой цели является перевод дизеля на работу по газодизельному циклу, причём, при сохранении организации процесса с внутренним смесеобразованием (с тем, чтобы сохранить высокую степень сжатия, возможности форсирования двигателя наддувом, и т.д.). Для двигателей автотракторного назначения осуществить такой процесс на базе природного газа пока не представляется возможным. В то же время такой процесс может быть реализован с использованием сжиженного нефтяного газа (топливного пропана-бутана - СПБТ), причём, в жидкой фазе.
Процесс реализуется путём ввода СПБТ в линии высокого давления (ЛВД) штатной топливной системы (системы разделённого типа) вблизи штатной форсунки (обязательно закрытого типа) через специальный обратный клапан (клапан РИД - регулирования начального давления). Причём, подача жидкой фазы СПБТ происходит в периоды между циклами впрыскивания топлива форсункой, когда после отсечки подачи топлива штатным ТНВД его нагнетательный клапан сформировал в линиях высокого давления волновой процесс, способствующий открытию клапана РИД и входу СПБТ в ЛВД [2]. Очевидно, что система топ-ливоподачи при такой модернизации дизеля (при таком конвертировании его на газодизельный процесс с внутренним смесеобразованием) должна содержать источник - баллон с СПБТ, трубопроводы подачи жидкой фазы СПБТ через соответствующие фильтры и элементы аварийной защиты к клапанам РИД, установленным на линиях высокого давления вблизи штатных форсунок. Расход СПБТ при работе двигателя определяется прежде всего характеристиками изменения остаточного давления в ЛВД штатной топливной системы (если никаких изменений в конструкцию топливной аппаратуры не вносится).
Такой процесс был реализован на дизеле 84 13/14 и при экспериментальном исследовании получены следующие результаты (рис.2). Газодизельный процесс (гд) был реализован
при положении рейки Ир = 82% от Ьр ном. В этих условиях через клапан РНД в линии высокого давления входило столько СПБТ, что в смесевом топливе его содержание составляло около 30% (расход СПБТ приводился по теплоте сгорания и плотности к дизельному топливу). Далее при работе газодизеля по ВСХ расход СПБТ самопроизвольно снижался до 22%.
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 п, мин"1
Рік 2. Внешние скоростные характеристики дизеля 8413/14 Єез наддува (д>, с наддувом (дн), при газодизельном выполнении с внутренним смесеобразованием при погоже нки рейки h р=82% от номинального дизельного (гд.), при гагодизельном выполнении и форсировании по составу смеси (га ф) при h р =95% от номинального дизельного и газодизетном выполнении и корректировали» m пределу дымления (гд к) при h p=var (до 100%):
Т tq - грутянош момент ДЕигатетиц Н - дьп.тностъ отраЬотлЕЕлзгс газої (по Хартрндаг/)
При таком протекании ВСХ коэффициент приспособляемости для дизельного варианта снизился с 1,126 до 1,107 и достигнуто снижение дымности ОГ на 15% на номинальной и на 40-45% на минимальной частотах вращения при полной нагрузке. В этом исполнении газодизель, находящийся в эксплуатации, не выходит за пределы 30% по дымности, что является пределом дымления для нового двигателя. При положении рейки ТНВД равной 95%, двигатель на номинальном режиме форсируется по моменту на 13%. Доля СПБТ на этом режиме составляет около 35% и снижается со снижением частоты вращения коленчатого вала до 31%. Положение рейки выбрано из условия, чтобы дымность ОГ не превысила допустимый предел дымления в возможно более широком диапазоне изменения частоты вращения без какого либо управляющего воздействия на расход СПБТ. Полученная ВСХ с корректорными ветвями форсированного газодизеля (гд ф) при указанном постоянном положении рейки обеспечивает двигателю коэффициент приспособляемости лишь 1,045, правда, при возросшем моменте на номинальном скоростном режиме. Форсировать двигатель по моменту в зоне средних частот вращения возможно применением регулирования подачи СПБТ. Такое регулирование достигнуто увеличением давления СПБТ перед клапаном РНД. Увеличение
давления получено путём поджатия СПБТ от источника с инертным газом (N2) с давлением до 1,5 МПа, а также смещением рейки ТНВД (корректор по рейке) до положения 100% в точке максимального момента (характеристики Т,чгд к и Нгдк). Видно, что даже при таком форсировании характеристика дымности лежит существенно ниже характеристики дымности дизеля и без наддува, и с наддувом (д и дн соответственно), у которых предел дымления превышается уже в точке 1, т. е. при частоте вращения порядка 1500 мин"1. Очевидно, что если обеспечить корректорную ветвь скоростной характеристики от момента номинального режима дизеля (на рис. 2 не показана), т. е. от положения рейки hp=82% до 100% вблизи максимального крутящего момента, то коэффициент приспособляемости может быть увеличен до 1,2. Имея антикорректор по рейке в области частот вращения от 1300 до 1050 мин1, можно обеспечить непревышение дымностью ОГ, установленного для дизеля предела дымления равного 30 - 33% по Хартриджу.
Таким образом, проведённое исследование подтвердило работоспособность предложенного метода форсирования двигателя и корректирования его внешней скоростной характеристики добавкой сжиженного топливного пропана-бутана (СПБТ) к основному дизельному топливу. Добавка СПБТ в количестве до 35% от суммарной подачи смесевого топлива не нарушает устойчивости и стабильности работы двигателя, существенно снижая дымность ОГ. Форсирование двигателя по мощности добавкой СПБТ на величину до 13 - 15% не ограничивается возможным повышением термических и механических нагрузок ввиду того, что базовая модель дизеля форсируется наддувом на величину до 30%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Марков В.А., Кислое В.Г., Хватов В.А. Характеристики топливоподачи транспортных дизелей. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1997. - 160 с. С. 25-38.
2. Патрахальцев Н.Н. Аппаратура для газодизельного процесса//Автомобильная промышленность. 1988, № 7. С. 16-17.
UDC 621.436.018
CORRECTION OF EXTERNAL SPEED CHARACTERISTICS OF DIESEL BY MEANS OF ADDITION OF LIQUID PETROLEUM GAS TO BASIC FUEL
V. Gorbunov, V. Kaznachevskiy, N. Patrakhaltsev.
Department of Internal Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University Mikluho-Maklaya St., 6, 117198. Moscow, Russia
There are presented results of research of opportunities of correction of external speed characteristic of diesel 8 4 13/14 by means of transforming the diesel into gas-diesel with internal formation of mixture and supplying the diesel with fuel as mixture of main diesel fuel and liquid petroleum gas (LPG).
