CC BY
12Применение природного газа в дизеле с охлаждением наддувочного воздуха
■
В.А. Лиханов, профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА», д.т.н., О.П. Лопатин, доцент кафедры ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА», к.т.н.
В работе представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных на базе научно-исследовательской лаборатории кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов Вятской государственной сельскохозяйственной академии, по улучшению эффективных и экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с охлаждением наддувочного воздуха (ОНВ) путем применения компримированного природного газа (КПГ, ПГ).
__Ключевые слова:
дизель, газодизель, природный газ, турбонаддув, эффективные показатели,
токсичность, отработавшие газы.
сследование рабочих процессов и показателей токсичности отработавших газов (ОГ) дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ (Д-245.7) при его работе на ПГ предусматривало, в первую очередь, сохранение мощностных и экономических показателей серийного дизеля, определение и оптимизацию основных параметров (см. таблицу) и снижение содержания оксидов азота в ОГ.
Технические характеристики газодизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ
Показатель Величина
Рабочий объем двигателя, л 4,75
Число цилиндров 4
Степень сжатия 16
Диаметр поршня, мм 110
Ход поршня, мм 125
Тип системы охлаждения Жидкостная
Турбокомпрессор ТКР-6
Охладитель наддувочного воздуха 250-1172010
Номинальная мощность, кВт 90
Номинальная частота вращения, мин1 2400
Частота вращения при максимальном крутящем моменте, мин-1 1700
Расход на номинальном режиме, кг/ч природного газа дизельного топлива 15,0 3,8
яшшшшш»
На дизеле 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ были сняты регулировочные характеристики в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) по дизельному и газодизельному процессам с одновременным индицированием рабочего процесса [1] и определением токсичности и дымно-сти ОГ. Характеристики снимались для определения оптимального значения установочного УОВТ по дизельному и газодизельному процессам при равных значениях средних эффективных давлений, а также для оптимизации процесса сгорания дизеля, его экологических и эффективных показателей [2].
Регулировочные характеристики дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ представлены на рис. 1.
Рис. 1. Влияние применения ПГ на эффективные показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ при п = 2400 мин-1, ре = 0,947 МПа и п = 1700 мин-1, ре = 1,036 МПа:
--дизельный процесс;
------------газодизельный процесс
Рассматривая графики Ые , Ст , и ge , можно отметить, что при работе дизеля на ДТ установочный УОВТ при частоте вращения п = 2400 мин-1 по условию
наилучшей экономичности равен 9° до ВМТ. Этот установочный УОВТ рекомендован заводом-изготовителем для обеспечения лучших мощностных, экономических и экологических показателей автомобильного двигателя 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ в качестве оптимального.
Рассматривая показатели работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ при его работе на ПГ на номинальной частоте вращения (п = 2400 мин-1, ре = 0,947 МПа), можно отметить, что при работе дизеля на установочном УОВТ ©впр = 5° до ВМТ с постоянным суммарным часовым расходом топлива Ст = 18,8 кг/ч эффективная мощность Ые составляет 86,0 кВт, а суммарный удельный эффективный расход топлива ge - 218 г/(кВт-ч). При увеличении установочного УОВТ до 7° до ВМТ эффективная мощность Ые увеличивается до 90 кВт, при этом суммарный удельный эффективный расход топлива ge снижается до 208 г/(кВт-ч), то есть на 4,6 %. При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до ©впр = 9° до ВМТ происходит снижение эффективной мощности Ые до 88 кВт, при этом суммарный удельный эффективный расхода топлива ge увеличивается до 210 г/(кВт-ч), то есть на 1,0 %. Снижение суммарных значений часового расхода Ст и удельного расхода ge топлива при работе дизеля на всех установочных УОВТ на ПГ по сравнению с работой на ДТ объясняется высокой теплотой сгорания ПГ [3].
Рассматривая показатели работы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ на частоте вращения максимального крутящего момента (п = 1700 мин-1, ре = 1,036 МПа) при его работе на ПГ, можно отметить, что при установочном УОВТ ©впр = 5° до ВМТ и постоянном суммарном часовом расходе топлива Ст = 13,4 кг/ч эффективная мощность Ые составляет 64,5 кВт. Суммарный удельный эффективный расход топлива ge при данной мощности составляет
/
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
ш
^соц»***
V/
24
203 г/(кВт-ч). При увеличении установочного УОВТ до ©впр = 7° до ВМТ эффективная мощность Ые увеличивается до 69,5 кВт, а суммарный удельный эффективный расход топлива ge снижается и достигает 191 г/(кВт-ч). Уменьшение значения ge составляет 5,9 %. При дальнейшем увеличении установочного УОВТ до ©впр = 9° до ВМТ эффективная мощность Ые снижается до 64,5 кВт, а суммарный удельный эффективный расход топлива ge увеличивается до 203 г/(кВт-ч), или на 6,3 %. При частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту (п = 1700 мин-1, ре = 1,036 МПа), сохраняется характер изменения кривых эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива, установленный для номинальной частоты вращения двигателя.
Из анализа кривых регулировочной характеристики по установочному УОВТ (см. рис. 1) следует, что для всех режимов работы дизеля, с учетом минимального удельного расхода топлива ge , при работе дизеля на ДТ оптимальным является установочный УОВТ ©впр = 9° до ВМТ, а при работе дизеля на ПГ ©впр = 7° до ВМТ. При работе дизеля на ПГ с более ранними УОВТ на режимах, близких к номинальным нагрузкам, значение «жесткости» работы двигателя превышает норму, установленную заводом-изготовителем, то есть (ф/^ф)тах составляет более 1,0 МПа/град [4]. При работе дизеля на более поздних установочных УОВТ на режимах номинальной нагрузки происходит интенсивное повышение температуры охлаждающей жидкости, следствием чего является перегрев двигателя.
Проведенные исследования показали, что дизель устойчиво работает на ПГ при соотношении топлив на номинальном режиме: газа - 80...85 %, запальной порции дизельного топлива - 15.20 %. Все исследования рабочих процессов
проводились при таком соотношении ПГ и ДТ.
Содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ представлено на рис. 2.
N0,, ррт 600 500 400
СН„Г,% 0.14 0.12 0,10 0,08
СО, % 0,12
0.09 0,06 0,03
N О.
-- с ■!
N
N.
к
ч
_ Л
С 0 \
1 £
-
СНЩ,%
0,017
0,015
0,013
0,011
со2,%
6,5 6,0 5,5 5,0
С,
Ьс^сИ
0,8
0,6
0,4
0,2
©впр. градус
Рис. 2. Влияние применения ПГ на содержание токсичных компонентов ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ: а - п = 2400 мин-1, ре = 0,947 МПа; б - п = 1700 мин-1, ре = 1,036 МПа;
-- дизельный процесс;
------------ газодизельный процесс
а
яшшшшш»
Как видно из графиков, при всех значениях установочных УОВТ при работе дизеля на ПГ в ОГ происходит снижение содержания оксидов азота, сажи и увеличение содержания суммарных углеводородов, оксида и диоксида углерода. Эта тенденция наблюдается как при номинальной частоте вращения (п = 2400 мин-1), так и при частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту (п = 1700 мин-1). В целом можно отметить, что закономерности изменения содержания токсичных компонентов с увеличением установочного УОВТ на режиме максимального крутящего момента (рис. 26) аналогичны закономерностям при номинальной частоте вращения [5].
С увеличением установочного УОВТ происходит рост оксидов азота N0^ и снижение суммарных углеводородов СН как по дизельному, так и по газодизельному процессам. Но здесь необходимо отметить, что если оксиды азота в результате применения ПГ в дизеле снижаются, то суммарные углеводороды увеличиваются в 10-20 раз по отношению к дизельному процессу. Дымность ОГ при работе дизеля на ДТ с увеличением установочного УОВТ снижается. При работе же по газодизельному процессу дымность ОГ практически не зависит от установочного УОВТ и в несколько раз ниже, чем в дизельном процессе. Это объясняется высокой турбулизацией заряда, приводящей к интенсификации процессов выгорания сажевых частиц в цилиндре при работе дизеля на ПГ [6]. Содержание СО в ОГ с увеличением установочного УОВТ возрастает при работе дизеля как на ДТ, так и на ПГ.
По результатам проведенных исследований процесса сгорания и тепловыделения дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ [7] установочный УОВТ ©впр = 5° до ВМТ характеризуется неустойчивой работой, нестабильностью рабочего процесса и довольно быстрым перегревом
двигателя. Для установочного УОВТ ©впр = 7° до ВМТ характерна уже устойчивая работа, «жесткость» рабочего процесса (ф/^ф)тах находится в пределах допустимых значений и составляет менее 1,0 МПа/град [8]. Так, при ©впр = 7° до ВМТ и п = 2400 мин-1 при переходе на газодизельный режим происходит снижение содержания N0^ в ОГ на 16,8 %, сажи на 40,6 %, но при этом возрастает концентрация оксида углерода СО с 0,02 до 0,10 %, диоксида углерода СО2 с 3,60 до 4,72 % и суммарных углеводородов с 0,01 до 0,20 %.
При ©впр = 7° до ВМТ и п = 1700 мин-1 при переходе на газодизельный режим происходит снижение содержания N0^ в ОГ на 14,6 %, сажи в 11,7 раза, но при этом возрастает концентрация оксида углерода СО с 0,02 до 0,08 %, диоксида углерода СО2 с 4,70 до 5,25 % и суммарных углеводородов с 0,02 до 0,11 %.
Для ©впр = 9° до ВМТ характерна устойчивая работа, но «жесткость» рабочего процесса (ф/^ф)тах при газодизельном процессе превышает 1 МПа/град. Так, при 0впр = 9° до ВМТ и п = 2400 мин-1 при переходе на газодизельный режим происходит снижение содержания N0^ в ОГ на 19,2 %, сажи в 3,3 раза, но при этом возрастает концентрация оксида углерода СО с 0,03 до 0,12 %, диоксида углерода СО2 с 3,75 до 4,70 % и суммарных углеводородов с 0,01 до 0,19 %. При 0впр = 9° до ВМТ и п = 1700 мин-1 при переходе на газодизельный режим происходит снижение содержания N0^ в ОГ на 21,4 %, сажи в 22,0 раза, но при этом возрастает концентрация оксида углерода СО с 0,02 до 0,12 %, диоксида углерода СО2 с 4,50 до 5,15 % и суммарных углеводородов с 0,02 до 0,08 %. Для УОВТ ©впр = 11° до ВМТ характерна устойчивая работа, повышенная «жесткость» рабочего процесса (ф/^ф)тах и довольно высокий удельный расход топлива [7, 8].
Таким образом, по показателям токсичности ОГ, характеристикам процесса
/
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
Ш I
26
сгорания и тепловыделения с учетом эффективных показателей необходимо принять оптимальный установочный УОВТ 0впр = 7° до ВМТ для работы на ПГ и 0впр = 9° до ВМТ для работы на ДТ.
Хп я , • К 2200 2000 1800
а 2,5 2.0 1.5
Аю^ррт 700 600 500 400 300
2200 2000 1800
а 2,5 2,0 1,5
Гно,, ррт 800 700 600 500 400
т„ 1ах
Ц
_ _ -- -
а
- ■ - -- -
с N0
г Ют
-
Рг, МПа
16,0
14,0
12,0
Сио*, г/м1
1,0 0,8 0,6 0,4
Э„пР. градус
т, _ -- -
_ -- -
а
-- —
С г, 3*
. — __ _
Гц
■ —
■*
/=, МПа
16,0
14,0
12.0
Смол, г/м? 1,2 1,0 0,8 0,6
©„„р. градус
6
Рис. 3. Влияние применения ПГ на объемное содержание тп0х и массовую концентрацию СЫ0х оксидов азота в ОГ и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ: а - п = 2400 мин-1, ре = 0,947 МПа; 6 - п = 1700 мин-1, ре = 1,036 МПа;
-- дизельный процесс;
------------ газодизельный процесс
Сравнивая оптимальные установочные УОВТ (0впр = 9° до ВМТ для работы на ДТ и 0впр = 7° до ВМТ для работы на ПГ), следует отметить, что при п = 2400 мин-1 при переходе на газодизельный процесс происходит снижение содержания N0^ в ОГ на 23,2 %, сажи в 2,1 раза, но при этом растет концентрация оксида углерода СО с 0,03 до 0,10 %, диоксида углерода СО2 с 3,75 до 4,72 % и суммарных углеводородов с 0,01 до 0,20 % [9, 10].
При работе дизеля на ПГ скорость выгорания сажи в цилиндре значительно выше, соответственно и ее концентрация в цилиндре к моменту открытия выпускного клапана становится существенно ниже, чем при работе дизеля на ДТ [11].
Таким образом, установочный УОВТ оказывает значительное влияние на содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ как при работе дизеля на ДТ, так и при работе дизеля на ПГ.
На рис. 3. представлены графики влияния применения ПГ на объемное содержание тЖх и массовую концентрацию С^^ оксидов азота в ОГ и показатели процесса сгорания в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ.
Как видно из графиков, с увеличением установочного УОВТ при работе дизеля на ДТ и ПГ возрастают максимальные давление газов и температура в цилиндре двигателя, а также объемное содержание и массовая концентрация С^^ оксидов азота.
При всех значениях установочных УОВТ при переходе на ПГ происходит снижение расчетных и опытных значений объемного содержания и массовой концентрации С^^ оксидов азота, увеличение максимальных давления газов и температуры в цилиндре двигателя. Также при работе дизеля на ПГ уменьшается коэффициент избытка воздуха а. Это можно объяснить
а
чЧШШШШШШШ
тем, что часть воздуха, поступающего в цилиндр, замещается топливовоз-душной смесью ПГ [12]. Эта тенденция наблюдается как при номинальной частоте вращения (п = 2400 мин-1), так и при частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту (п = 1700 мин-1).
Подводя итоги проведенных исследований, можно наглядно оценить влияние применения ПГ в качестве моторного топлива в дизеле 4ЧН 11,0/12,5
с ОНВ на мощностные и экономические показатели, параметры сгорания и содержания оксидов азота, токсичность и дымность ОГ. Необходимо отметить, что совместное использование ПГ и турбонаддува с ОНВ позволяет снизить содержание оксидов азота в ОГ и дымность ОГ. Так, на номинальном режиме работы применение ПГ позволяет снизить в ОГ дизеля содержание сажи в 2,1 раза и оксидов азота на 23,2 %.
Литература
1. Гребнев А.В. Улучшение эффективных показателей дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем совершенствования процессов сгорания и тепловыделения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Санкт-Петербург, 2009.
2. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Исследование мощностных и экономических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на природном газе, метаноло- и этаноло-топливных эмульсиях // Транспорт на альтернативном топливе. - 2016. - № 2 (50). - С. 43-49.
3. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Исследование содержания оксидов азота в цилиндре тракторного дизеля с турбонаддувом при работе на природном газе // Тракторы и сельхозмашины. - 2016. - № 5. - С. 3-8.
4. Скрябин М.Л. Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Санкт-Петербург, 2009.
5. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Улучшение экологических показателей дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией // Инженерный журнал: наука и инновации.
- 2016. - № 4 (52). - С. 9.
6. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Моделирование эмиссии оксидов азота в цилиндре тракторного газодизеля // Тракторы и сельхозмашины. - 2016. - № 7. - С. 3-8.
7. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Применение природного газа в дизеле с турбонаддувом // Транспорт на альтернативном топливе. - 2016. - № 4 (52). - С. 35-43.
8. Лопатин О.П. Результаты индицирования рабочего процесса газодизеля на режиме максимального крутящего момента // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. - 2015. - № 5 (18). - С. 8-9.
9. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Модель расчета содержания оксидов азота в цилиндре газодизеля. В сборнике: Общество, наука, инновации (НПК - 2014) Всероссийская ежегодная научно-практическая конференция: общеуниверситетская секция, БФ, ГФ, ФЭМ, ФАВТ, ФАМ, ФПМТ, ФСА, ХФ, ЭТФ. Вятский государственный университет. - 2014. -С. 2001-2004.
10. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизелей путем применения альтернативных видов топлива: Монография. - Киров: Вятская ГСХА, 2009. - 500 с.
11. Лопатин О.П. Моделирование процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля // Молодой ученый. - 2015. - № 11. - С. 370-372.
12. Лопатин О.П. Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания и содержание оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом // Молодой ученый.
- 2015. - № 13. - С. 139-141.
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
