CC BY
33
УДК 621.436.001.038
ПОВЫШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ДИЗЕЛЯ
ПРИ ЕГО РЕГ УЛИРОВАНИИ ИЗМЕНЕНИЕМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОПЛИВА
В. Л. Виноградский, Н. Н. Патрахальцев, М. Н. Пономарёв
Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
В статье приводятся результаты расчётно-экспериментального исследования возможности совершенствования показателей работы дизеля типа ЯМЭ-238 добавкой к основному топливу в процессе работы сжиженного газа. Этот процесс назван регулированием дизеля изменением физико-химических свойств топлива или для сокращения - “физико-химическим” регулированием дизеля (ФХР).
При совершенствовании двигателей транспортного назначения используются методы воздействия на рабочий процесс через повышение качества автоматического регулирования, улучшение процессов топливоподачи, воздухоснабжения, воздействием непосредственно на смесеобразование-сгорание и т.д. Менее исследованы методы воздействия на рабочий процесс изменением физико-химических свойств топлива - “физико-химическое регулирование” (ФХР) [1]. Этот метод представляет собой изменение свойств топлива, а в конечном итоге - свойств горючей смеси, во время работы двигателя, с целью улучшения протекания рабочих процессов в двигателе, в зависимости от режимных показателей.
В двигателях с внешним смесеобразованием метод реализуется сравнительно просто подачей дополнительно к основному бензиновому топливу непосредственно в карбюратор, а точнее в смеситель, природного газа, водорода, спиртов, водных или спиртовых растворов каталитически активных веществ и проч. Например, при полном дросселе и снижении частоты вращения карбюраторного двигателя повышают долю газа в подаваемом топливе для повышения октанового числа смеси.
В дизелях добавки, изменяющие физико-химические свойства топлива, также необходимо вводить в основное топливо непосредственно перед впрыскиванием его в цилиндры, в чём и заключается сложность практической реализации такого метода. ФХР может реализовываться регулируемым во время работы двигателя введением в топливо различных присадок, спиртов, сжиженного нефтяного газа (ГСН), воды, водных и спиртовых растворов химически (каталитически) активных веществ, различных горючих и негорючих газов (водород, воздух, кислород и т.д.). Анализ выполненных ранее работ [2, 3] показывает, что метод “физико-химического регулирования” обладает определёнными возможностями, однако далёк от окончательной разработки.
Целью работы является разработка и исследование метода регулирования дизеля изменением физико-химических свойств топлива добавкой ГСН к основному топливу, обеспечивающего повышение динамических качеств, приёмистости, приспособляемости дизеля типа ЯМЭ-238, устойчивости режимов его работы, снижение дымности выбросов и расхода жидкого топлива в типичных для автомобильного двигателя режимах разгона.
Реализация метода ФХР дизеля подачей ГСН в основное топливо связана с созданием соответствующих топливных систем. Одним из путей реализации ФХР является модернизация топливной аппаратуры применением систем с регулированием начального давления (РНД) [4].
Физические и химические свойства ГСН существенно отличаются от аналогичных свойств дизельного топлива. Так, молекулярная масса ГСН в 4-5 раз, а плотность в 1,5-2 раза меньше, существенно выше теплота испарения, а температура кипения находится в области отрицательных температур, теплота сгорания на 10%, а температура воспламенения на 30% превышает показатели дизельного топлива (ДТ). ГСН обладают высокой испаряемостью, но вдвое пониженной воспламеняемостью (цетановое число (ЦЧ) ГСН порядка 22 ед.), повышенной сжимаемостью.
Подачу заранее приготовленных смесей ДТ с ГСН штатной топливной системой применить для ФХР нельзя, ввиду большой инерционности процесса смены состава такого смесе-
вого топлива в зависимости от режимов работы. Поэтому и целесообразно применение системы с клапаном РИД, размещённым вблизи форсунки, т.е., по существу, с обратным клапаном. Через этот клапан ГСН вводится в линию высокого давления (ЛВД) топливной системы между циклами впрыскивания, когда волны низкого давления, сформированные при отсечке подачи топлива разгрузочным пояском нагнетательного клапана, открывают клапан. В новом цикле топливоподачи смесь ДТ с ГСН впрыскивается в цилиндр.
Для целей ФХР количество ГСН в смесевом топливе может быть ограничено величиной порядка (20-30)%. Применяемое количество ГСН в смесевом топливе снижает его ЦЧ с 45-47 до (40^42) ед. Для снижения дымности и токсичности целесообразно применение ФХР лишь на режимах, близких к внешней скоростной характеристике, а следовательно, повышенного теплового состояния дизеля, что снимает проблему воспламеняемости. На частичных режимах дизель работает на чистом ДТ.
Низшая теплота сгорания такого смесевого топлива, а также стехиометрические числа отличаются от показателей ДТ на 3%, теплота сгорания горючей смеси практически не зависит от содержания ГСН и меняется лишь с изменением состава смеси. В конечном счёте теплосодержание горючей смеси, определяющее эффективность использования рабочего объёма цилиндра, зависит не от состава смесевого топлива, а лишь от состава смеси - коэффициента избытка воздуха (а) и возрастает с его снижением. Добавка ГСН к топливу резко снижает дымность выбросов, а следовательно, взяв в качестве ограничительного параметра величину допустимого предела дымления, можно применением ГСН форсировать рабочий процесс по а, а следовательно, и по мощности.
В работе предложены принципы корректирования внешних характеристик дизеля, его регулирования путём добавки ГСН к ДТ и изменения положения рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД). Для дальнейшего исследования в качестве базы для сравнения выбрана внешняя характеристика дизеля ЯМЗ-238 в исходных комплектации и регулировках (характеристика 1) (рис.1). Характеристика 2 названа малодымной, она получена при подаче ГСН в ДТ при условии сохранения неизменной номинальной мощности. При этом положение рейки ТНВД (Ар) соответствует 81% от номинального. Характеристика 3 достигается при подаче ГСН и положении рейки, равном 95%, т.е. с перегрузкой двигателя, но при условии соблюдения предела дымления, заданного для дизеля в исходной комплектации и равного 30% по Хартриджу. Характеристика 4 образуется путём “антикорректирования” третьей характеристики, т.е. уменьшения выхода рейки на режимах пониженных частот вращения, с целью ограничения дымности выбранным пределом дымления. Характеристика 5 образуется при применении корректора положения рейки в области повышенных частот вращения с условием сохранения номинальной мощности дизеля в исходной комплектации. Характеристика 6 получена дополнительным антикорректированием в области пониженных частот, учитывающим особенности неустановившихся режимов дизеля.
Основной вывод из этих исследований заключается в том, что при физико-химическом регулировании, когда задачей добавки ГСН к топливу является не максимальное замещение ДТ газом, а максимальный эффект от снижения дымности ОГ, изменение показателей качества смесевых топлив не является большим, существенно влияющим на показатели рабочих процессов. Наибольшее влияние на рабочий процесс дизеля в этом случае оказывают процессы распыливания, диспергирования, смесеобразования.
В работе применена методика сравнительного исследования влияния разных методов регулирования дизеля на следующие показатели его качества: время приёмистости (/пр), расходы топлива (Сг) и выбросы сажи (С) при реализации режимов разгона, относительные выигрыши или проигрыши во времени приёмистости, в расходах и выбросах, устойчивость, приспособляемость.
1050 1150 1250 1350 1450 1550 1650 1750 1850 1950 2050 2150
п, 1/м ин.
Рис. 1. Скоростные характеристики дизеля ЯМЗ-238 при разных регулировках применением ФХР
Исследования разгонов проведены с помощью их математического моделирования с использованием экспериментально полученных внешних характеристик двигателя, полученных при разных методах корректирования, при подаче через РНД ГСН.
Анализ многократных реализаций разгонов дизеля показал, что с достоверностью в 95% можно утверждать, что результат исследования на математической модели изменения частоты вращения вала не выйдет за пределы доверительного интервала, равного 6 %.
Система РНД обеспечивает расход ГСН от (8-9) кг/ч на номинальной частоте вращения и до (2,5-3) кг/ч на режиме малой частоты вращения (1050 мин."1). В результате этого содержание ГСН в смесевом топливе изменяется от (27-22)% на номинальном режиме до (11-12)% при низкой частоте вращения. Благодаря ФХР добавкой ГСН к топливу коэффициент избытка воздуха предела дымления снижается от 1,57 (при работе на ДТ) до 1,35. Особо существенно содержание ГСН в топливе снижает дымность отработавших газов на режимах пониженных частот вращения (от 55% для дизеля до 45% для варианта форсирования двигателя по мощности и до 30% для варианта исходной мощностной регулировки на номинальном скоростном режиме).
Предложенный метод регулировки подачей ГСН в топливо в количествах порядка (18-20)% от расхода ДТ при применении антидымного корректора в области низких частот вращения позволяет на 5-6% повысить динамические качества дизеля, на 3% снизить расход топлива и на 7% уменьшить суммарный выброс сажи в атмосферу (рис. 2, регулировка 4 ’). При малодымной регулировке (линия 2 ’) выброс сажи за разгон снижается на (8-9)% при повышении длительности разгона на 2% и расхода топлива на разгон на 1%. Форсирование двигателя по составу смеси, по мощности (линия 3') повышает динамические качества дизеля (снижает время разгона на 16%, расход топлива на разгон на 12%). Однако выброс сажи за период разгона возрастает на 12% (при условии сохранения предела дымления на установившихся режимах на уровне 30% Хартриджа).
20
2
К
1 5
я
п
1 О
о
с
к
5
I о
X
1 '
Е иды регул ipOBOK
Рис. 2. Выигрыш/проигрыш во времени выполнения операции (время приемистости - 1) в расходе топлива на разгон (2) и выбросе сажи за период разгона (3) при разных регулировках дизеля:
I' - исходная регулировка; 2 ’ - ФХР и малодымная регулировка; 3 ’ - ФХР и форсировка по мощности; 4 ФХР с антидымным корректором
Таким образом, исследование подтвердило возможность и определённую целесообразность создания метода регулирования дизеля изменением состава топлива (физикохимического регулирования) на режимах, близких к полным нагрузкам, путём подачи в цилиндры смесевого топлива, содержащего ДТ и ГСН в установленном количестве (до 30%).
ЛИТЕРАТУРА
1. Сомов В. А., Лесников А. П. Физико-химическое регулирование процесса сгорания в дизеле путём оптимизации состава топлива //Всесоюзн. науч.-техн. конф. МВТУ. -“Перспективы развития ДВС...”. - М. - 1980.-С. 75-76.
2. Патрахальцев Н. Н. Регулирование дизеля // “Грузовик 1998, №2. - С. 19 - 22.
3. Патрахальцев Н. Н., Виноградский В. Л., Ластра Л. А. Корректирование скоростных характеристик дизеля изменением физико-химических свойств топлива //Строительные и дорожные машины. - 2002, №4. - С. 22 - 23.
4. Патрахальцев Н. Н. Аппаратура для газодизельного процесса //Автомобильная промышленность. - 1988. - №7. - С. 16-17.
UDC 621.436.038.001
ч
AUMENTATION OF DINAMICAL AND ECOLOGICAL INDICES OF DIESEL BY VARIATION OF PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIES OF DIESEL FUEL
Vinogradskiy V. L., Patrakhaltsev N. N., Ponomariov M. N.
Department of Internal Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya St., 6, 117198, Moscow, Russia
There is advisable a method of variation of external characteristics of engine by alternation of fuel qualidades by use of gas of petrol as additive. The investigation have been elaborated experimentally and with mathematical simulation of acceleration of diesel.
