ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ 4ЧН 11,0/12,5 ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДИЗЕЛЬНО-ГАЗОВОГО ТОПЛИВА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.791.035

П. Ю. Малышкин, А. Н. Карташевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ 4ЧН 11,0/12,5 ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДИЗЕЛЬНО-ГАЗОВОГО ТОПЛИВА

UDC 621.791.035

P. Y. Malyshkin, A. N. Kartashevich

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF THE OPERATNG PROCESS OF THE 4HH 11,0/12,5 DIESEL ENGINE USING DIESEL GAS FUEL

Аннотация

Приводятся теоретические и экспериментальные исследования рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при использовании дизельно-газового топлива, получены аналитические зависимости с эмпирическими коэффициентами по определению максимальной скорости нарастания давления в цилиндре дизеля и суммарного удельного индикаторного расхода топлива в зависимости от количества подаваемого газового топлива. Определено, что при изменении концентрации сжиженного нефтяного газа марки ПБА на 20 и 40 % в цилиндре дизеля увеличивается максимальное действительное давление цикла на 13,2 и 27,6 %, а также повышается жесткость рабочего процесса на 19,35 и 41,86 % соответственно.

Ключевые слова:

дизель, газовое топливо, рабочий процесс, жесткость.

Abstract

The article provides theoretical and experimental studies of the operating process of the 4ЧН 11,0/12,5 diesel engine using diesel gas fuel. Analytical dependencies with empirical coefficients have been obtained for determining a maximum pressure increase rate in the diesel cylinder and a total specific indicator fuel flow rate depending on the amount of gas fuel supplied. It was determined that when the concentration of liquefied petroleum gas of the PBA brand changes by 20 and 40% in the diesel cylinder the maximum effective pressure of the cycle increases by 13,2; 27,6 %, and the rigidity of the operating process raises by 19,35 and 41,86 %, respectively.

Keywords:

diesel, gas fuel, operating process, rigidity.

Введение

Потребление дизельного топлива (ДТ) транспортными средствами организаций Республики Беларусь всех видов экономической деятельности имеет тенденцию к возрастанию. Так, с 2010 по 2017 г. потребление ДТ увеличилось на 27,8 % [1]. По данным, опубликованным в ежегодном Статистическом обзоре мировой энергетики 2020 (Statistical Review of World Energy 2020), мировых запасов нефти при текущем потреблении

© Малышкин П. Ю., Карташевич А. Н., 2021

топливно-энергетических ресурсов хватит не более чем на 50 лет.

Таким образом, одним из актуальных вопросов современности является применение альтернативного топлива, способного заменить традиционное топливо для двигателей внутреннего сгорания. В числе таких видов возобновляемого топлива в настоящее время рассматриваются водородсодержащие, газовое топливо (ГТ), спирты, эфиры, масла и др., которые позволяют не только улучшить экологические пока-

затели двигателя, но и снизить зависимость от импортируемого топлива [2].

Существенного результата в совершенствовании рабочего процесса ДВС можно было бы добиться, если обеспечить эффективную работу ДВС на дешевых и малоэнергозатратных в производстве видах топлива. Примером такой замены в сфере нефтяного топлива может быть замещение дизельного топлива газовым [3].

Исследованием рабочего процесса дизеля при использовании альтернативного газового топлива занимались такие ученые, как В. А. Лиханов, М. А. Олей-ник, В. В. Горбунов, О. П. Лопатин, А. В. Шибанов, Л. В. Рудаков, Р. Р. Де-ветьяро, Е. Б. Лисицын, Х. Л. Галь-дос Гомез и др.

Работы по созданию и исследованию опытных образцов дизелей, работающих на газодизельном топливе, проводились НЗГА, НАМИ, Саратовским ГАУ им. Н. И. Вавилова, НПЦ «Авангард», Вятской ГСХА, Robert Bosch GmbH и др.

В Республике Беларусь стендовые испытания дизелей при работе на газовом топливе были проведены на Минском моторном заводе. Результатом исследований стало создание газодизельных двигателей MMZ-3LGD, ГД-243, ГД-245.7, ГД-245.9, ГД-260, ГД-260.1, работающих по газодизельному циклу с замещением 70 % дизельного топлива природным газом.

Рассмотренные работы предполагали замещение ДТ природным газом от 70 до 90 %, при этом отмечается снижение дымности отработавших газов (ОГ) на 42.. .90 % и изменение содержания оксидов азота - на 11.42 %, однако происходит увеличение суммарного количества углеводородов (CnHm) в ОГ примерно в 12-25 раз.

Х. Л. Гальдос Гомез и В. В. Горбунов провели моторные испытания на дизелях с подачей смеси ДТ и сжиженного нефтяного газа через единую штатную форсунку. Массовая доля сжиженного газа в смесевом топливе находилась в

пределах 7.27 %. При этом отмечено, что расход ДТ снизился на 11.21 %, дымность ОГ уменьшилась на 50.70 %, температура ОГ снизилась на 20.50 °С, минимально устойчивая частота вращения холостого хода снизилась на 130.150 мин-1 по сравнению с работой дизеля на ДТ и повысилась жесткость рабочего процесса двигателя.

Основная часть

Работа газов Ц за цикл в одном цилиндре двигателя выражается зависимостью [4]

Li = ptVh = ptFS,

(1)

где р1 - среднее индикаторное давление, Па; Г - площадь поршня, м2; £ - ход поршня, м; Ун - рабочий объем одного цилиндра, м3.

Величина индикаторной мощности (работа, совершаемая газами за 1 с) в одном цилиндре выражается зависимостью

Ni = L

n

Р, •Vh •n T • 30 T • 30

(2)

где

n

t • 30

- число рабочих ходов в се-

кунду; п - частота вращения коленчатого вала, с-1; т - коэффициент тактности цикла (для четырехтактного цикла т = 4).

Основными параметрами, характеризующими экономичность действительного цикла двигателя, являются индикаторный коэффициент полезного действия (КПД) и удельный индикаторный расход топлива [5, 6].

При использовании нескольких видов топлива экономичность действительного цикла оценивается суммарным удельным индикаторным расходом дизельного и газового топлива gi и индикаторным КПД "ф по зависимости

Q

п Q H ■ G4

3600 -103

I Ни ■ g,

3600 -103

НиДТ " gi ДТ + НиГТ " gi ГТ

(3)

где Qi - количество теплоты, эквивалентное индикаторной работе ^, Дж; Ql - количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива, Дж; 3600-103 - количество теплоты, эквивалентное выполненной работе в 1 кВт за 1 ч, Дж; Ни - низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг; Оц - расход топлива, кг; НиДТ, Нигт - низшая теплота сгорания дизельного и газового топлива, Дж/кг; giдт, giгт - удельный индикаторный расход дизельного и газового топлива, кг/ч; gi - суммарный удельный индикаторный расход топлива, кг/ч.

Удельный индикаторный расход топлива gi и индикаторный КПД п двигателя тесным образом взаимосвязаны с эффективными показателями двигателя следующими соотношениями [4]:

_ _ _ 3600

gi gе Пм ; ; gi тт ,

Пм п, ■ Ни

где gе - удельный эффективный расход топлива, г/(кВт-ч); % - эффективный КПД; ^м - механический КПД.

Обеспечение высокой топливной экономичности ДВС возможно осуществить за счет повышения индикаторного КПД путем совершенствования рабочего процесса двигателя, т. е. эффективности сгорания топлива.

Перспективной задачей двигателе-строения является достижение удельного индикаторного расхода топлива для дизелей с наддувом 160...185 г/(кВт-ч). Достичь этого можно повышением индикаторного КПД и (или) увеличением теплоты сгорания подаваемого топлива.

Предполагается, что подача ГТ в виде сжиженного нефтяного газа с низшей теплотой сгорания НиГТ = 45,81 МДж/кг

(против НиДТ = 42,5 МДж/кг у ДТ) в дизель позволит повысить эффективность КПД за счет повышения теплоты сгорания топливовоздушной смеси при уменьшении коэффициента избытка воздуха и интенсификации процесса выгорания сажевых частиц в цилиндрах двигателя. При этом необходимо обосновать количество подаваемого ГТ в цилиндры дизеля и проанализировать изменения в рабочем процессе дизеля, а именно жесткости рабочего процесса.

Учитывая, что состав ГТ многообразен и обладает свойствами, отличными от ДТ, проведено моделирование рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с охладителем наддувочного воздуха Д-245^2 при работе на ДТ и ГТ с использованием программного комплекса «ДИЗЕЛЬ - РК», разработанного в МГТУ им. Н. Э. Баумана. Результаты расчета представлены на рис. 1.

Скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала (йр/й§) имеет максимальное значение во второй фазе сгорания, собственно, которая и характеризует жесткость процесса сгорания. Для автотракторных дизелей (ф/й?Ф>ш1х = 0,4.. .1,0 МПа/град ПКВ, для дизелей с наддувом (dр/dф)шax = = 1,0.1,2 МПа/град ПКВ [4].

Анализ рис. 1 с использованием метода интерполяции в среде MS Excel 2007 позволил получить зависимости с величиной достоверности аппроксимации R2 = 0,9634 для выражения (4) и R2 = 0,9786 для выражения (5).

Максимальная скорость нарастания давления во второй фазе сгорания (жесткость процесса) при работе дизеля на ДТ и подачей ГТ на номинальном режиме (dp / d9)max ГТ , МПа/град ПКВ,

достаточно точно определяется по зависимости

(dP / d9)max ГТ _ А1 ' G + А2 ' G

2

■А3 ■ Ог + (dp / d$)

max ДТ'

(4)

где А1, А2, Аз - эмпирические коэффициенты для дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с охладителем наддувочного воздуха (А1 = 14,7; А2 = 0,83; Аз = 0,157); Gг - количество подаваемого газа от расхода ДТ, доли;

(dр/dф ) max дт — максимальная скорость нарастания давления (жесткость процесса) при работе дизеля на ДТ, МПа/град ПКВ.

)

(dp/i ^ф)тах

2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20

-

gi У

- ^ «—ш ^¡Г * jf 1

^^ 1 ^^ * 1

-1-1- (dp/d9)max 1 1 1 -1-1-!-1-1-1-

0

10

20

Gr

30

200 г/(кВт-ч) 180 170 160 gi 150 140

50

Рис. 1. Зависимость максимальной скорости нарастания давления (dp/dф)max во второй фазе сгорания дизеля с наддувом и суммарным удельным индикаторным расходом дизельного и газового топлива gi от количества подаваемого газа Ог

Суммарный удельный индикаторный расход топлива gi при работе дизеля на ДТ и подачей ГТ на номинальном режиме gi, кг/(кВт-ч), достаточно точно определяется по зависимости

^ = А ■ Ог2 -А2 • Ог + gгдT, (5)

где А1, А2 - эмпирические коэффициенты для дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с охладителем наддувочного воздуха (А1 = 0,11; А2 = 0,058); Ог - количество подаваемого газа от расхода ДТ, доли; giдт - удельный индикаторный расход дизельного топлива, кг/(кВт-ч).

Анализ полученных результатов показал, что по мере увеличения подачи газового топлива суммарный удельный индикаторный расход его уменьшается,

что является следствием значительного влияния ГТ на процесс сгорания, происходящий в цилиндре дизеля с наддувом. Наименьшее значение суммарный удельный индикаторный расход топлива имеет при подаче ГТ 25.35 % от ДТ, а при дальнейшем увеличении концентрации ГТ в цилиндре дизеля приводит к снижению индикаторной работы, чрезмерному повышению жесткости рабочего процесса, усилению диссоциации продуктов сгорания и увеличению потери теплоты, выбрасываемой с отработавшими газами в окружающую среду.

С целью недопущения превышения максимальной скорости нарастания давления для дизеля с наддувом предлагается ограничить подачу ГТ в диапазоне 20.30 % от ДТ, при этом

(ф/й?ф)шах < 1,0...1,2 МПа/град ПКВ.

Для проверки теоретических исследований проведено индицирование рабочего процесса дизеля в аккредитованной научно-исследовательской лаборатории испытания двигателей внутреннего сгорания и топлива на кафедре тракторов, автомобилей и машин для природообустройства УО «БГСХА». В качестве силовой экспериментальной установки для проведения стендовых испытаний применялся дизель 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245^2) производства

ОАО «Минский моторный завод», оснащенный газовой системой питания [6-8] и необходимыми измерительными приборами. Нагрузку дизелю создавал электротормозной стенд SAK-N670 (Германия) с балансирной маятниковой машиной RAPIDO, предназначенный для испытания двигателей мощностью до 250 кВт. Схема силовой экспериментальной установки, размещенной на моторном стенде с системой подачи газового топлива, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема силовой экспериментальной установки

Для синхронизации положения поршня на маховике дизеля установлен отметчик ВМТ, а на защитном кожухе маховика размещен датчик Холла

и соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) NATIONAL INSTRUMENTS cDAQ-9178 (рис. 3).

Датчик Холла, определяющий

положение коленчатого вала, позволяет точно найти положение поршня первого цилиндра в ВМТ. Пьезокварцевый датчик динамического давления PS-01 монтировался через специальный адаптер в головку блока цилиндров дизеля вместо свечи накаливания первого цилиндра [9]. Погрешность измерения давления в цилиндре дизеля в диапазоне измеряемых величин 0,1...25 МПа

составляет ±3 %.

Измерительные сигналы после усилителя и аналого-цифрового преобразователя поступали в персональный компьютер и записывались с помощью программы Measurement & Automation Explorer в виде диаграмм. Запись данных индицирования проводилась после стабилизации параметров работы дизеля в течение 1 мин работы.

Рис. 3. Схема подключения приборов для индицирования двигателя

При анализе индикаторной диаграммы дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с охладителем наддувочного воздуха (рис. 4) при номинальной нагрузке, установочном угле опережения впрыска топлива 9 = 18° и частоте вращения 1800 мин-1 определено максимальное действительное давление цикла при работе на ДТ -Pzд = 11,226 МПа при угле поворота 7 град ПКВ; при работе на дизельно-газовом топливе (ДГТ), состоящем из 20 % ГТ и 80 % ДТ, Pzгд = 12,721 МПа при угле поворота 7 град ПКВ; при работе на ДГТ (40 % ГТ + 60 % ДТ) PZгд = 14,334 МПа при угле поворота 5 град ПКВ.

При использовании ДГТ уменьша-

ется угол, соответствующий периоду задержки воспламенения, при этом повышается максимальное действительное давление цикла при подаче 20 % ГТ на 13,2 %, а при подаче 40 % ГТ -на 27,6 %. Угол наклона кривой давления увеличивается, точка максимального давления смещается ближе к ВМТ, что свидетельствует о возрастающей жесткости процесса сгорания.

На номинальном режиме максимальная скорость нарастания давления во второй фазе процесса сгорания составляет 0,75 МПа/град ПКВ при работе на ДТ, среднем эффективном давлении ре = 1,0 МПа и частоте вращения коленчатого вала п = 1800 мин-1.

12,0

МПа

6,0 Р л.О

;; -л) о /с .■'.(:■ ш град пкв ^ Ф->•

Рис. 4. Развернутая индикаторная диаграмма процесса индицирования дизельного двигателя Д-245.582:--ДТ;------дгт (20 % гт + 80 % дт);-------дгт (40 % гт + 60 % дт)

Изменение количества газового топлива в цилиндре дизеля на 20 и 40 % повышает максимальную скорость нарастания давления во второй фазе процесса сгорания на 19,35 % (до 0,93 МПа/град ПКВ) и 41,86 % (до 1,29 МПа/град ПКВ) соответственно.

Заключение

1. Теоретические исследования рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с охладителем наддувочного воздуха (Д-245^2) при работе на ДГТ позволили установить аналитические зависимости с эмпирическими коэффициентами по определению максимальной скорости нарастания давления в цилиндре дизеля и суммарного удельного индикаторного расхода топлива в зависимости от количества подаваемого ГТ. При подаче ГТ в размере 20.30 % от ДТ

(йр^ф)шах < 1,0 .1,2 МПа/град ПКВ не превышает предельного значения для дизеля с наддувом.

2. Проведены экспериментальные исследования рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с охладителем наддувочного воздуха при работе на ДГТ при номинальной нагрузке, установочном угле опережения впрыска топлива 9 = 18 ° и частоте вращения 1800 мин-1. Определено, что при изменении концентрации сжиженного нефтяного газа марки ПБА на 20 и 40 % в цилиндре дизеля увеличивается максимальное действительное давление цикла на 13,2 и 27,6 % соответственно.

3. Изменение количества газового топлива в цилиндре дизеля на 20 и 40 % повышает жесткость рабочего процесса на 19,35 и 41,86 % соответственно, что с достаточной точностью согласуется с полученной зависимостью.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Статистический ежегодник Республики Беларусь. - Минск: Нац. стат. ком. РБ, 2016. - 518 с.

2. Альтернативные виды топлива для двигателей: монография / А. Н. Карташевич [и др.]. - Горки: БГСХА, 2012. - 376 с.

3. Карташевич, А. Н. Исследование эксплуатационных и экологических показателей колесного трактора с подачей газового топлива / А. Н. Карташевич, П. Ю. Малышкин // Вестн. БарГУ. - 2014. -№ 1. - С. 65-68.

4. Карташевич, А. Н. ДВС. Основы теории и расчета: учебное пособие / А. Н. Карташевич, Г. М. Кухаренок. - Горки: БГСХА, 2011. - 315 с.

5. Стечкин, Б. С. Избранные труды. Теория тепловых двигателей / Б. С. Стечкин. - Москва: Физ-матлит, 2001. - 432 с.

6. Карташевич, А. Н. Влияние подачи газового топлива на экологические показатели дизеля / А. Н. Карташевич, П. Ю. Малышкин // Вестн. БГСХА. - 2013. - № 3. - С. 110-115.

7. Электронная система впрыска газового топлива в дизель: пат. BY 10060 / А. Н. Карташевич, П. Ю. Малышкин. - Опубл. 30.04.2014.

8. Малышкин, П. Ю. Системы подачи газового топлива в дизель / П. Ю. Малышкин, А. Н. Карташевич // Вестн. БГСХА. - 2015. - № 4. - С. 128-136.

9. Карташевич, А. Н. Новый подход к исследованию рабочего процесса дизеля / А. Н. Карташевич, С. А. Плотников // Инновационные решения в технологиях и механизации сельскохозяйственного производства: сб. науч. тр. - Горки: БГСХА, 2019. - Вып. 4. - С. 171-175.

Статья сдана в редакцию 18 февраля 2021 года

Павел Юрьевич Малышкин, ст. преподаватель, Белорусская государственная сельскохозяйственная академия. Тел.: +375-29-246-08-05. E-mail: Pavelm36@yandex.by.

Анатолий Николаевич Карташевич, д-р техн. наук, проф., Белорусская государственная сельскохозяйственная академия. Тел.: +375-29-662-19-88. E-mail: Kartashevich@yandex.ru.

Pavel Yuryevich Malyshkin, senior lecturer, Belarusian State Agricultural Academy. Tel.: +375-29-246-08-05. E-mail: Pavelm36@yandex.by.

Anatoly Nikolaevich Kartashevich, DSc (Engineering), Prof., Belarusian State Agricultural Academy. Tel.: +375-29-662-19-88. E-mail: Kartashevich@yandex.ru.