CC BY
21Нагрузочные характеристики автомобильного дизеля при работе на природном газе
В.А. Лиханов, профессор кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВО Вятская ГСХА), д.т.н., М.Л. Скрябин, доцент кафедры материаловедения, сопротивления материалов и деталей машин ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, к.т.н.,
А.В. Гребнев, доцент кафедры материаловедения, сопротивления материалов и деталей машин ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, к.т.н.,
А.И. Чупраков, доцент кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, к.т.н.
2*
лет с вами
57
В статье представлены нагрузочные характеристики дизеля Д-245.7 при работе по газодизельному процессу. Приведены графики изменения показателей процесса сгорания, характеристик тепловыделения, эффективных показателей.
Проблема повышения стоимости бензина и дизельного топлива, ограниченность природных запасов нефти стимулируют к поиску альтернативных топлив для автомобильного транспорта. Среди всего перечня перспективных топлив много преимуществ есть у природного газа. Самое главное - низкая стоимость. Важно изучить вопросы перевода на природный газ дизельных двигателей, так как они являются наиболее распространёнными в народном хозяйстве.
Самым подходящим способом перевода дизелей на природный газ является газодизельный рабочий процесс, так как он не требует существенной переделки двигателя. В качестве объекта исследования выбран дизель Д-245.7. В процессе исследования в числе прочих были сняты нагрузочные характеристики данного дизеля при работе по газодизельному процессу.
При анализе полученных экспериментальных данных у газодизельного процесса по сравнению с дизельным можно отметить некоторые особенности. На газодизельном режиме наблюдается повышение температуры и давления газов в цилиндре. Тепловыделение происходит намного быстрее. Это свидетельствует об объёмном характере воспламенения и сгорания природного газа. Мощность двигателя при переходе на газодизельный процесс сохраняется на прежнем уровне, при этом потребление дизельного топлива за счёт замещения природным газом снижается в несколько раз. Также газодизельному процессу свойственно снижение эффективного КПД, часового расхода воздуха, коэффициента избытка воздуха, температуры отработавших газов.
__Ключевые слова:
газодизель, природный газ, альтернативное топливо.
Введение
В настоящее время увеличение стоимости дизельного топлива и бензина, ограниченность запасов нефти повышают актуальность работ по переводу автотранспорта на альтернативные виды топлива. Одним из таких топлив является природный газ. Стоимость природного газа на автомобильных заправках в настоящее время составляет менее 50 % стоимости бензина или дизельного топлива. Это при том, что расход природного газа получается сопоставимым.
В народном хозяйстве наиболее распространён грузовой и пассажирский автотранспорт с дизелями в качестве силовой установки. Перевод дизеля на питание природным газом проще всего осуществить по газодизельному процессу. Преимуществом такого способа перевода является возможность его применения для уже находящихся в эксплуатации дизелей при незначительной их модернизации, без существенного изменения конструкции.
Конструкция дизелей постоянно совершенствуется, степень форсирования увеличивается, удельная мощность возрастает. На автотранспорте всё больше используются дизели, оснащённые системами наддува и промежуточного охлаждения воздуха на впуске. Перевод таких дизелей на природный газ уже частично исследован. Но всё еще остается недостаточно изученным вопрос перевода на природный газ высокофорсированных дизелей малой размерности.
Методика исследования
В научно-исследовательской лаборатории Вятской ГСХА проведены работы по переводу автомобильного дизеля на природный газ в рамках научной темы «Улучшение эксплуатационных показателей дизелей путём применения альтернативных топлив».
Объектом исследования был выбран дизель Д-245.7 (4ЧН 11,0/12,5), устанавливаемый на автомобили ГАЗ-3307, автобусы ПАЗ-3205. Данный дизель с турбонад-дувом и промежуточным охлаждением воздуха на впуске.
Рис. 1. Экспериментальная установка
2*
лет с вами
Газодизельный процесс на этом двигателе был реализован следующим образом: природный газ подавался во впускной патрубок двигателя через дополнительно установленный смеситель-дозатор, запальное дизельное топливо подавалось ^^Н штатными топливными форсунками. Нагрузочный режим двигателя изменялся 59 объёмом подаваемого природного газа, цикловое количество впрыскиваемого запального дизельного топлива на всех режимах работы оставалось неизменным [1, 2]. Экспериментальная установка (рис. 1) была оснащена комплектом приборов и оборудования, позволяющим определять мощностные, экономические, экологические показатели дизеля. Индикаторные диаграммы рабочего процесса снимались прибором МАИ-5А. Нагрузочный момент на коленчатом валу создавался электротормозным стендом 8АК^670.
Результаты исследования
При проведении исследований одним из этапов было снятие нагрузочных характеристик, при котором были определены показатели процесса сгорания, характеристики тепловыделения, эффективные показатели дизеля.
Показатели процесса сгорания
На рис. 2а представлены совмещённые графики показателей процесса сгорания при номинальной частоте вращения (п = 2400 мин1) в зависимости от изменения нагрузки для двух рабочих процессов. Первый процесс - дизельный (работа только на дизельном топливе), второй - газодизельный (работа на природном газе с подачей запальной порции дизельного топлива). Показатели процесса сгорания определялись при обработке индикаторных диаграмм [3].
На графиках представлены: максимальная осреднённая температура газов в цилиндре Гтах; максимальное давление сгорания рх тах; степень повышения давления максимальная скорость увеличения давления газов (йр/^ф)тах; период задержки воспламенения ф; среднее эффективное давление ре.
Анализируя показатели газодизельного процесса, можно отметить следующее. Значения максимальной температуры газов Ттах газодизельного процесса лежат выше значений дизельного. Так, на малой нагрузке (ре = 0,126 МПа) величина Ттах составляет 1680 К (увеличение на 28 %), на номинальной нагрузке (ре = 0,947 МПа) величина Ттах составляет 2350 К (увеличение на 16 %). Максимальное давление сгорания р2 тах при ре = 0,126 МПа составляет 8,9 МПа (на 9 % ниже дизельного процесса), а при ре = 0,947 МПа составляет 14,6 МПа (на 6 % выше). Степень повышения давления X в интервале нагрузок ре от 0,126 до 0,947 МПа у газодизельного процесса соответственно изменяется от 1,55 до 1,85. Величина (йр/^ф)тах изменяется от 0,44 до 0,93 МПа/°ПКВ. Период задержки воспламенения изменяется от 10,8 до 9,5 °ПКВ.
Причиной отличия графиков газодизельного процесса от графиков дизельного является объёмный механизм воспламенения и сгорания природного газа. Существенное повышение показателей наблюдается в основном на режиме больших нагрузок, когда доля природного газа в суммарном количестве подаваемого в цилиндр топлива становится значительной.
Также необходимо отметить, что достигаемые значения температуры Ттах и давления газов в цилиндре рх тах при газодизельном процессе лежат ниже максимальных значений, допустимых для двигателей внутреннего сгорания.
а б
Рис. 2. Показатели процесса сгорания (а) и характеристики тепловыделения (б) дизеля Д-245.7 при п = 2400 мин-1:
- дизельный процесс;--------газодизельный процесс
То есть повышение температуры и давления в цилиндре не должно отразиться на ресурсе двигателя. Величина (йр/йф)тах газодизельного процесса также не превышает установленного заводом-изготовителем максимально допустимого значения в 1,0 МПа/град.
Характеристики тепловыделения
На рис. 2б представлены характеристики тепловыделения дизельного и газодизельного процессов. Данные характеристики рассчитаны на основании полученных индикаторных диаграмм и показателей процесса сгорания в соответствии с методикой ЦНИДИ.
На графиках представлены: угол поворота коленчатого вала относительно верхней мёртвой точки в момент достижения в цилиндре максимальной температуры фГтах; активное выделение теплоты в момент достижения в цилиндре максимального давления сгорания х Ргтах; активное выделение теплоты в момент достижения максимальной температуры % Гтах; максимальная скорость относительного тепловыделения (йу/ йф)тах.
Как видно из рисунка, графики газодизельного процесса отличаются от графиков дизельного процесса. В интервале нагрузок ре от 0,126 до 0,947 МПа угол фТ тах на газодизельном процессе изменяется соответственно от 12,5 до 10,5 °ПКВ. Величина % рг тах изменяется от 0,38 до 0,71 относительных единиц. Величина х гтах изменяется от 0,45 до 0,8 относительных единиц. Величина (йх/йф)тах изменяется от 0,177 до 0,155 относительных единиц на °ПКВ.
2*
лет с вами
Наблюдаемое с ростом нагрузки увеличение значений % Рг тах и % Гтах, характерное как для дизельного, так и для газодизельного процессов, объясняется интенсификацией процесса сгорания, происходящей вследствие повышения температуры и давления на впуске у двигателя с турбонаддувом. Значения 61 характеристик тепловыделения газодизельного процесса больше значений дизельного по причине перехода к объёмному механизму воспламенения и сгорания. На газодизельном процессе большая часть топлива расходуется в начальные фазы процесса сгорания в цилиндре [4].
Эффективные показатели
На рис. 3 представлены эффективные показатели дизельного и газодизельного процессов [5].
На графиках представлены: эффективная мощность двигателя Ые; часовой и удельный расходы дизельного топлива на дизельном процессе СТ и ge соответственно; часовой и удельный суммарные расходы дизельного топлива и природного газа на газодизельном процессе СТ Е и ge Е соответственно; часовой расход запального дизельного топлива на газодизельном процессе СТ зап; эффективный КПД це; часовой расход воздуха СВ; коэффициент наполнения пг; коэффициент избытка воздуха а; температура отработавших газов давление наддува рК; температуры во впускном трубопроводе на выходе из турбокомпрессора ^ и на выходе из охладителя наддувочного воздуха tош.
Анализируя графики, можно сказать, что мощностные показатели газодизельного процесса полностью соответствуют дизельному. Для обоих процессов эффективная мощность Ые с ростом нагрузки пропорционально увеличивается от значения 12 кВт при ре = 0,126 МПа до 90 кВт при ре = 0,947 МПа.
В интервале нагрузок ре от 0,126 до 0,947 МПа часовой суммарный расход дизельного топлива и природного газа СТ Е на газодизельном процессе изменяется соответственно от 9,6 до 18,8 кг/ч. Расход запального дизельного топлива СТ зап на газодизельном режиме является постоянным во всём диапазоне нагрузки и составляет 3,6 кг/ч. Таким образом, легко определить, что при переходе с дизельного на газодизельный процесс экономия дизельного топлива (за счёт замещения его природным газом) будет достигать от 47 до 83 %. Удельный суммарный расход топлива ge Е при ре = 0,3 МПа составляет 430 г/(кВт-ч), при ре = 0,947 МПа - 208 г/(кВт-ч).
Из графиков видно, что расход топлива на газодизельном процессе на малой и средней нагрузках больше, чем на дизельном, а на номинальной нагрузке -меньше. Меньшее значение расхода топлива на номинальной нагрузке объясняется только тем, что природный газ имеет большую теплотворную способность единицы массы, чем дизельное топливо. Но в целом использование теплотворной способности топлива на газодизельном процессе в двигателе со стандартными параметрами камеры сгорания происходит менее эффективно. Как видно из рисунка, график эффективного КПД це газодизельного процесса лежит ниже дизельного. Значения эффективного КПД газодизельного процесса составляют от 0,102 до 0,363.
На газодизельном процессе в интервале изменения нагрузки ре от 0,126 до 0,947 МПа часовой расход воздуха СВ изменяется от 455 до 533 кг/ч. По сравнению с дизельным процессом часовой расход воздуха снижается вследствие замещения части воздуха во впускном трубопроводе природным газом.
Gb, кг/ч 600 550 500
fr,'C 350 300 250 200 а 2,5 2,0 1,5 GT,GTI, кг/ч
15
16 14
ge,ge£,
гДкВт-ч) 230 220 210
\
1
GB
--
\
— \
-V
\ fr S- -г
\ __.
- \ и
" а
- -- __
"1 f
\
/ i,-
\
ч <3 TI-
-*• 1 С ч
\ —t
g к
*
заг 9
N
кВт
Ы
90 85 .80
Hv 1,0 : 0.95
t t 'С
120 110 100 90 80 к 0.35 0,30 '0,25 0,20
|РК, МПа '0,17 0.16 .0,15 0,14 ,0.13
0,1 0.2 0,3 0.4 0,5 0.6 0,7 0,8 0,9 Рв, МПа
Рис. 3. Эффективные показатели дизеля Д-245.7 при п = 2400 мин-1:
- дизельный процесс;
--------газодизельный процесс
Снижение расхода воздуха в свою очередь приводит к снижению коэффициента наполнения п и коэффициента избытка воздуха а. На газодизельном процессе на всём диапазоне нагрузок величина пг около 0,91. Величина а изменяется от 3,03 до 1,69.
При переходе на газодизельный процесс снижается температура отработавших газов (после турбокомпрессора). Её значения составляют от 181 °С (при ре = 0,126 МПа) до 367 °С (при ре = 0,947 МПа). Давление и температура в точках впускного тракта при переходе с дизельного процесса на газодизельный практически не изменяются. Величина давления наддува рК составляет от 0,138 до 0,172 МПа. Температура во впускном трубопроводе на выходе из турбокомпрессора tН составляет от 81 до 119 °С. Температура на выходе из охладителя наддувочного воздуха tош составляет от 47 до 68 °С.
Результаты стендовых испытаний обобщены в таблице.
Показатели работы дизеля Д-245.7 при п = 2400 мин 1
Режим работы
Наименование дизельный газодизельный
ре=0,126 МПа ре=0,947 МПа ре=0,126 МПа ре=0,947 МПа
Максимальная температура газов в цилиндре, К 1310 2020 1680 2350
Максимальное давление в цилиндре, МПа 9,8 13,8 8,9 14,6
Степень повышения давления 1,58 1,60 1,55 1,85
Максимальная скорость нарастания давления, МПа/градус 0,55 0,78 0,44 0,93
Период задержки воспламенения, °ПКВ 11,2 9,0 10,8 9,5
Эффективная мощность, кВт 12 90 12 90
Часовой расход топлива, кг/ч 6,8 21,0 9,6 18,8
Эффективный КПД 0,162 0,380 0,102 0,363
Часовой расход воздуха, кг/ч 455 591 455 533
Коэффициент избытка воздуха 4,86 2,0 3,03 1,69
Температура отработавших газов, °С 197 430 181 367
2*
лет с вами
Из представленного материала можно сделать следующие выводы:
1) адаптация серийного дизеля для работы по газодизельному процессу не требует значительной переделки его конструкции и заключается только
в установке на впускной патрубок газового смесителя-дозатора и перенастройке 63
штатного ТНВД;
2) при работе дизеля по газодизельному процессу давление и температура в цилиндрах повышаются по сравнению с дизельным процессом, однако значения показателей не превышают предельных допустимых значений, установленных заводом-изготовителем, то есть можно сказать, что ресурс двигателя сохраняется;
3) мощность двигателя на газодизельном процессе полностью соответствует дизельному процессу;
4) при работе двигателя по газодизельному процессу достигается значительное снижение расхода дизельного топлива за счёт замещения природным газом, немного снижается эффективный КПД двигателя.
_Использованные источники
1. Лиханов В.А., Гребнев А.В., Бузмаков Ю.Г., Скрябин М.Л. Улучшение эффективных показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. - № 6. - С. 19-21.
2. 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.
3. Гребнев А.В., Скрябин М.Л. Влияние применения природного газа на процесс сгорания дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха // Общество, наука, инновации (НПК - 2015). [Электронный ресурс]: всерос. ежегод. науч.-практ. конф.: сб. материалов : общеуниверситет. секция, БФ, ХФ, ФСА, ФАМ, ЭТФ, ФАВТ, ФПМТ, ФЭМ, ФГСН, ЮФ, 13-24 апреля 2015 г. -Вят. гос. ун-т. Киров, 2015. - С. 948-952.
4. 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). - С. 39-45.
5. Лиханов В.А., Гребнев А.В., Скрябин М.Л. Улучшение эффективных и экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе: монография / Под общ. ред. проф. В.А. Лиханова. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - 248 с.
