CC BY
328
УДК 621.431 В. Р. ВЕДРУЧЕНКО
В. В. КРАЙНОВ М. В. КОКШАРОВ Е. С. ЛАЗАРЕВ Д. К. КУЗНЕЦОВА
Омский государственный университет путей сообщения
О ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЯХ ПРИ ПЕРЕВОДЕ ТРАНСПОРТНЫХ И СУДОВЫХ ДВС НА ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
Рассмотрены типовые схемные решения по использованию в качестве топлива сжатых и сжиженных углеводородных газов в бензиновых ДВС. Проанализированы технические решения и технологические возможности использования газового топлива (как альтернативного нефтяному) в транспортных и судовых дизелях. Сопоставлены конструкции основных узлов и деталей топливной аппаратуры дизелей, обеспечивающих приемлемый в эксплуатации рабочий процесс как по экономичности, так и по токсичности отработавших газов в соответствии с современными нормами. Сформированы требования безопасной эксплуатации судовых дизелей при работе на газообразном топливе.
Ключевые слова: природный газ, сжиженный нефтяной газ, сжатый природный газ, двигатель внутреннего сгорания, экономический и экологический эффект.
Двигатели, которые потребляют в качестве топлива природный компримированный (КПГ) и сжиженный (СПГ) газ, а также сжиженный нефтяной газ (СНГ), называют газовыми [1—8].
При использовании КПГ (рис. 1) газ поступает в двигатель 1 через двухступенчатый редуктор 2. Между редуктором и баллонами 6 установлен промежуточный одноступенчатый редуктор 3, снижающий давление с 20 до 1,2 МПа. Редуктор 3 устанавливается на раме автомобиля, редуктор 2 в подкапотном пространстве двигателя. Применение двух раздельных редукторов вызвано стремлением использовать в качестве редуктора 2 освоенный производством для СНГ с несколько измененными проходными сечениями клапанов, регулирующих рас-
ход газа. Перед редуктором 3 (по ходу газа) установлен трубчатый подогреватель, обогреваемый выхлопными газами.
При использовании СНГ (рис. 2) между редуктором 2 и баллоном 3 на отечественных автомобилях устанавливается испаритель сжиженного газа 4, который обогревается от системы охлаждения двигателя. В зарубежных конструкциях наиболее распространен подогрев корпуса редуктора 2. Характерная особенность автомобилей, использующих СНГ, постоянное давление в баллоне 3, которое равно упругости паров газовой смеси при температуре баллона (окружающего воздуха). Максимальное рабочее давление (1,6 МПа) соответствует упругости паровчистого пропана притемпературе48 °С.
Рис. 1. Схема использования в ДВС компримированного (сжатого)природногогаза(КПГ): 1 — двигатель; 2 — двухступенчатый редуктор; 3 — одноступенчатыйредуктор давления; 4 — подогреватель редуктора от системы охлаждения; 5 — нагревательгаза отОГ двигателя; 6 — газовые баллоны со сжатым природным газом
Рис. 2. Схема использования в ДВС сжиженного
нефтяногогаза (СНГпропан-бутанового): 1 — двигатель; 2 — двухступенчатый редуктор давления; 3 — бак пропан-бутана;
4 — испаритель пропан-бутана (от системы охлаждения двигателя)
Рис. 3. Схема использования в ДВС сжиженного природногогаза (СПГ): 1 — двигатель; 2 — двухступенчатый редуктор давления;3 — криогенныйбак для СПГ; 4 — испаритель СПГ (подогрев выхлопными газами)
Рис.4.Схема газовогодвигателя 10ГД20,7/2 Ч 25,4 (11ГД-100): 1 — дозаторгаза; 2 — газовыйклапан;
3 — вал приводагазовых клапанов; 4 — форкамера; 5 — свеча зажигания; 6 — автоматическийгазовый клапан
-V
Рис.5.Схемаконструкции форкамеры двигателя 10ГД 20,7/2 Ч 25,4(11ГД-100): 1 — автоматический газовый клапан; 2 — свечазажигания
На опытных автомобилях, использующих в качестве топлива СПГ (рис. 3) между баком 3 с высококачественной (экранно-вакуумная) теплоизоляцией и двигателем 1 установлен испаритель 4, переводящий СПГ в газообразное состояние и двухступенчатый редуктор 2, аналогичный редуктору автомобилей для КПГ.
Замена дизелей на двигатели, питаемые природным газом, может способствовать улучшению эко-логиче ской обстановки. Данную проблему можно решить двумя путями [7 — 9]:
— заменой дизеля специально сконструированным газовым двигателем с количественным регулированием и искровым зажиганием;
— переводом (конвертацией) дизеля на питание природным газом при помощи небольших доработок двигателя и использования, как и в первом случае, количественного регулирования и искрового зажигания.
Второй путь экономически выгодней первого [7].
Другой путь при использования природного газа — применение газодизельного процесса. В этом случае подача небольшой запальной порции топлива (до 15 %) обеспечивает воспламенение бедной газовоздушной смеси. Конвертация дизеля в газодизель в условия эксплуатирующих или ремонтных предприятий обходится дешевле, чем конвертация дизеля в газовый двигатель с искровым зажиганием [1].
Смесительные устройства обычно выполняют функции органов регулирования двигателя [1, 4, 8].
В быстроходных газовых четырехтактных двигателях малой мощности хорошее смесеобразование благодаря высокой скорости воздуха и газа достигается в простейших газовоздушных смесителях.
В многоцилиндровых двигателях малой мощности обычно устанавливают один общий смеситель, питающий газовоздушной смесью все цилиндры двигателя.
Для многоцилиндровых двигателей средней и большой мощности применяют специальные клапаны-смесители или индивидуальные смесители, устанавливаемые на каждый цилиндр отдельно [8].
Примером создания на базе двухтактного двигателя с противоположно движущимися поршнями типа Д20,7/2Ч25,4 (Д100) газовой модификации с форкамерно-факельным зажиганием служит двигатель 11ГД-100 (рис. 4 и 5). На рис. 6 приведена схема базового дизеля для работы на дизельном топливе [5].
В конвертированном двигателе (рис. 4) в гильзе цилиндра сделано дополнительное отверстие для крепления газового клапана, на место кулачково-говала топливного насоса высокого давления установлен кулачковый вал привода газовых клапанов. Непосредственно на двигателе расположены газовые клапаны, форкамеры (рис. 5) с автоматически-
Таблица
Показатели пожарной опасности углеводородных топлив
Топливо Область воспламенения объемная, % Температура воспламенения, °С Температура пламени, °С Скорость горения, см/с Коэффициент диффузии в воздухе, см/с Скорость распространения в воздухе, см/с Минимальн. энергия зажигания, кДж
Водород 4-75 585 2050 278 2 2,5 0,02
Метан 5-15 537-600 1325 34-45 0,16-0,19 0,51 0,28-0,29
Пропан 2-9,5 450-465 990 43-52 0,1-0,11 0,34 0,25-0,3
Н-бутан 1,8-9,1 475-585 990 37-48 0,06-0,08 - 0,25
СНГ 2-93 365-450 900 40-50 0,06-0,1 - 0,26
Бензин 0,7-8 230-480 750 37-43 0,05-0,06 0,17 0,24-0,3
Дизтопливо 0,52 35-60 - - 0,0481 - -
о
о
ы
о Е
ы
Э
Е
Г 0
^ А
Рис.6.Базовыйвариантдизеля 10Д 20,7/2Ч25,4 для работы на дизельном топливе
Рис.8.Двухплунжерныйнасос высокогодавления: 1 — специальный нагнетательный клапан малогоплунжера без разгрузочного устройства; 2 — основной нагнетательныйклапан; 3 — плунжер малогодиаметра; 4 — основной плунжер
Рис. 9. Индикаторная диаграмма газового двигателя и индикаторная диаграмма базового дизеля для режима максимального крутящего момента: — дизель;
. — газовый двигатель
Рис. 7. Топливныйнасос высокого давления дизеля Г60:
1 — рабочаяполостьнасоса;
2 — клапан нагнетательный;
3 — трубопровод; 4 — рейка насоса; 5 — втулка зубчатая;
6 — плунжера насоса; 7 — пружина;
8 — кромка спиральная плунжера;
9 — втулка; а — отверстие
ми клапанами впуска газа и свечами зажигания, индукционные катушки (по одной на цилиндр), дозатор газа [8].
Газовый двигатель 11ГД-100 и базовый стационарный дизель развивают одинаковую мощность (1500 л.с. при п = 750 об/мин).
Газо-жидкостный двигатель оборудуют двумя системами подачи топлива: для ввода газа в соответствии с применяемым способом смесеобразования и впрыска жидкого топлива. При сохранении топливной аппаратуры базового дизеля минимальная доля впрыскиваемого жидкого топлива при работе газо-жидкостного двигателя с полной нагрузкой определяется конструкцией и условиями стабильной работы топливной аппаратуры на малых подачах и составляет 15 — 20% полной цикловой подачи при работе на одном жидком топливе.
На рис. 7 приведен наиболее распространенный в судовых дизелях ТНВД золотникового типа, од-носекционный, с регулированием конца подачи топлива [9].
Насос действует следующим образом. При перемещении плунжера 6 насоса под действием пружины 7 вниз топливо из трубопровода 3 и отверстия а втулки 9 будет поступать в рабочую полость насоса 1, т.е. произойдет всасывающий ход плунжера. При избегании кулачной шайбы распределительного вала дизеля на ролик толкателя последний будет перемещать плунжер насоса вверх. В момент перекрытия верхней кромкой торца плунжера отверстия а во втулке 9 рабочая полость отделяется от всасывающей и начинается нагнетание топлива через нагнетательный клапан 2 к форсунке. Нагнетание будет происходить до тех пор, пока спиральная кромка 8 плунжера не откроет отверстие а. При этом произойдет отсечка подачи топлива, так как оно из рабочей полости через паз на боковой поверхности плунжера и отверстие а будет перетекать во всасывающую полость. Нагнетательный клапан 2 при этом сядет на свое гнездо и отсоединит трубку форсунки от рабочей полости насоса.
Применение топливного насоса высокого давления специальной конструкции [9], представляющего собой два насоса в общем корпусе с плунжером малого и большого диаметров, позволяет уменьшить долю впрыскиваемого за цикл жидкого топлива до 3 — 6%. При работе на газе жидкое топливо в ци-
линдр подает плунжер малого диаметра, а при работе только на жидком топливе — плунжер большого диаметра. На рис. 8 показана конструкция двух-плунжерного насоса газо-жидкостного двигателя.
По сравнению с дизельным топливом сжиженный газ имеет меньшие кинематическую вязкость и плотность, большие давление насыщенных паров и сжимаемость, что вызывает необходимость конструктивных изменений только в топливной системе базового двигателя.
Что же касается судовых дизелей, составляющих энергетическую основу водного транспорта, то их перевод на газ тормозится рядом факторов [9].
Возникающие проблемы можно разделить на три [9]. Первая — хранение газа. В настоящее время хранение природного газа на судне проще всего осуществляется в сжатом виде в баллонах из армированного пластика. Первый вариант проходил опытную эксплуатацию на судах Северо-Западного речного пароходства, а по второму разработана техническая документация для судов типа «Метеор» [9].
Вторая, чрезвычайно важная для судовых установок проблема — безопасность эксплуатации.
Третья группа вопросов связана непосредственно с работой судовых дизелей. К ним относятся организация рабочего процесса, топливоподача и регулирование.
При переводе дизельного двигателя на газовое топливо наиболее очевидным вариантом организации рабочего процесса является газодизельный. При этом можно сохранить неизменными основные параметры и регулировки базового двигателя, ограничившись созданием системы подачи газа в двигатель и изменением системы регулирования мощности.
Согласно литературным данным [1-6, 9-15], современные газодизельные двигатели устойчиво работают при дозе топлива, соответствующей 6-8% от номинального подвода теплоты.
На рис. 9 представлены индикаторные диаграммы базового дизеля и его газового варианта, откуда следует, что индикаторные процессы различаются вместе с тем несущественно.
Таким образом, первоочередной задачей при организации газодизельного процесса является обеспечение эффективного впрыска при малых подачах.
При применении газообразного топлива в судовых дизелях должны выполняться специальные требования к конструкции двигателя и топливным системам, обеспечивающие длительную безопасную эксплуатацию [9].
Природный газ, в частности его основной компонент метан (СН4), является достаточно безопасным. Показатели пожарной опасности различных топлив приведены в таблице [9].
Данные таблицы однозначно показывают, что природный газ, в частности метан, обладает большой инерцией к случайному возгорания.
В связи с тем, что в топливной системе газового двигателя два вида топлива: жидкое и газообразное, для безопасной и безаварийной работы газодизеля необходимо сохранить все виды защит дизеля и дополнить специфическими защитами, в том числе [9]:
— на крышках люков картера должны быть установлены предохранительные клапаны с пламе-гасящими сетками;
— пуск, остановка, работа при нагрузке менее 15% Реном выполняется только на жидком топливе.
В машинном отделении необходима система
контроля наличия метана в зонах возможных утечек и скопления газа с предупредительной и аварийной сигнализацией.
Вышеперечисленные и другие [9] мероприятия отвечают основным требованиям для длительной безаварийной работы судовых газовых дизелей, своевременного обнаружения утечек газа и устранения опасных последствий от них.
Библиографический список
1. Боксерман, Ю. И. Перевод транспорта на газовое топливо / Ю. И. Боксерман, Я. С. Мкртычан, К. Ю. Чириков. — М. : Недра, 1988. — 224 с.
2. Смаль, Ф. В. Перспективные топлива для автомобилей / Ф. В. Смаль, Е. Е. Арсенов. — М. : Транспорт. 1979. — 151 с.
3. Григорьев, Е. Г. Газобаллонные автомобили / Е. Г. Григорьев, Б. Д. Колубаев, В. И. Ерохов. — М. : Машиностроение, 1988. — 212 с.
4. Васильев, Ю. Н. Транспорт на газе / Ю. Н. Васильев, А. И. Гриценко, Л. С. Золотаревский. — М. : Недра, 1992. — 212 с.
5. Генкин, К. И. Газовые дизели / К. И. Генкин. — М. : Машиностроение, 1977. — 193 с.
6. Мамедова, М. Д. Транспортные двигатели на газе / М. Д. Мамедова, Ю. Н. Васильев. — М. : Машиностроение, 1994.— 224 с.
7. Двигатели внутреннего сгорания : учеб. для вузов. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов / В. Н. Луканин [и др.] ; под ред. В. Н. Луканина. — М. : Высшая школа, 2005. — 479 с.
8. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей / А. С. Орлин [и др.] ; под ред. А. С. Орлина. — М. : Машиностроение, 1970. — 384 с.
9. Топливо и топливные системы судовых дизелей / Ю. А. Пахомов [и др.]. — М. : ТрансЛит, 2007. — 496 с.
10. Работа дизелей на нетрадиционных топливах / В. А. Марков [и др.]. — М. : Легион-Автодата, 2008. — 464 с.
11. Ведрученко, В. Р. Альтернативные виды топлива для судовых дизелей : моногр. / В. Р. Ведрученко, И. И. Малахов. — Омск : Омский ин-т водного транспорта (филиал) НГАВТ, 2012. — 173 с.
12. Емельянов, В. Е. Альтернативные экологически чистые виды топлива для автомобилей. Свойства, разновидности, применение / В. Е. Емельянов, И. Ф. Крылов. — М. : АСТ, 2004. — 128 с.
13. Терентьев, Г. А. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов / Г. А. Терентьев, В. М. Трюков, Ф. В. Смаль. — М. : Химия, 1989. — 272 с.
14. Семенов, Б. Н. Применение сжиженного газа в судовых дизелях / Б. Н. Семенов. — Л. : Судостроение, 1969. — 176 с.
15. Ола, Дж. Метанол и энергетика будущего. Когда закончатся нефть и газ / Дж. Ола, А. Гепперт, С. Пракаш ; пер. с англ. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 416 с.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика».
КРАЙНОВ Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». КОКШАРОВ Максим Валерьевич, старший преподаватель кафедры «Теплоэнергетика». ЛАЗАРЕВ Евгений Сергеевич, аспирант, инженер кафедры «Теплоэнергетика».
КУЗНЕЦОВА Дарья Константиновна, студентка гр. 30ж теплоэнергетического фак-та. Адрес для переписки: Incoe@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 11.04.2014 г. © В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, М. В. Кокшаров, Е. С. Лазарев, Д. К. Кузнецова
