Представлені результати розрахункового дослідження показників циклу однотоплівних газових двигунів при роботі на стехиометрических і бідних сумішах, які показали перевагу способу конвертації дизеля в однотоплівний газовий при роботі на бідних сумішах. показано переваги газодизеля в порівнянні з однотоплівнимі газовими двигунами.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Шатров Михайло Георгійович, Хачіян Олексій Сергійович, Синявський Володимир Вікторович, Шишлов Іван Геннадійович


Analysis of the Ways to Convert Automobile Diesel Engines to Operate on Natural Gas

In the paper calculation methods are used to analyse engine cycle parameters while operation on stoychiometric and lean burn engines. This has shown that operating on lean bean is profitable. Also in case of two fuel engines use of fine atomized minimized diesel fuel may help to develope profitable engine.


Область наук:

  • Механіка і машинобудування

  • Рік видавництва: 2013


    Журнал

    Транспорт на альтернативному паливі


    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ СПОСОБІВ конвертації АВТОМОБІЛЬНИХ ДИЗЕЛІВ НА ХАРЧУВАННЯ ПРИРОДНИМ ГАЗОМ'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ СПОСОБІВ конвертації АВТОМОБІЛЬНИХ ДИЗЕЛІВ НА ХАРЧУВАННЯ ПРИРОДНИМ ГАЗОМ»

    ?альтернативні палива

    Аналіз способів конвертації автомобільних дизелів на харчування природним газом

    М.Г. Шатров, професор МАДІ, д.т.н..,

    A.С. Хачіян, професор МАДІ, к.т.н..,

    B.В. Синявський, доцент МАДИ, к.т.н..,

    І.Г. Шишлов, старший науковий співробітник МАДИ, к.т.н..

    Представлені результати розрахункового дослідження показників циклу однотоплівних газових двигунів при роботі на стехиометрических і бідних сумішах, які показали перевагу способу конвертації дизеля в однотоплівний газовий при роботі на бідних сумішах. Показано переваги газодизеля в порівнянні з однотоплівнимі газовими двигунами.

    Ключові слова: природний газ, стехиометрический газовий двигун, газовий двигун, що працює на бідних сумішах, газо.

    Переклад дизелів на харчування природним газом забезпечує незаперечні переваги:

    • підвищення моторесурсу на 25 ... 50% згідно з різними джерелами;

    • збільшення терміну служби масла, отже, зменшення його витрат в процесі експлуатації;

    • зниження шумовипромінювання на 3.6 дБ;

    • зниження витрат на дотримання найжорсткіших норм викидів шкідливих речовин;

    • зменшення викидів діоксиду вуглецю, що є одним з парникових газів (за нашими оцінками, питомі викиди СО2 знижувалися приблизно на 50% в порівнянні з викидами при роботі бензинових двигунів і на 25.27% - при роботі дизелів).

    Для Росії використання природного газу на транспорті означає також істотне збільшення потенційних енергетичних запасів.

    Основні недоліки застосування природного газу пов'язані зі способами його зберігання на транспортному засобі. При використанні

    компримованого природного газу (КПГ) істотно зростає маса ємностей для зберігання палива, при використанні зрідженого природного газу (СПГ) вона зростає в меншій мірі. Однак, в останньому випадку потрібні криогенні ємності, вартість яких в даний час перевищує номінальну вартість ємностей для КПГ

    Використовуючи досвід раніше виконаних експериментальних і розрахункових досліджень робочого процесу двигунів, що працюють на природному газі [1.7], для аналізу найбільш прийнятних варіантів конвертації розглянемо особливості двох основних способів перекладу автомобільних дизелів на природний газ.

    1. Створення однотоплівного газового двигуна з зовнішнім сумішоутворенням, кількісним регулюванням і займанням газоповітряної суміші від іскрового розряду.

    2. Створення газового двигуна з внутрішнім сумішоутворенням, якісним регулюванням і займанням газоповітряної суміші від іскрового розряду, свічки розжарювання або від впорскування

    мінімізованої запальної порції дизельного палива.

    При конвертації двигуна без наддуву за першим способом його газова модифікація має дещо меншу потужність в порівнянні з базовим двигуном внаслідок зниження індикаторного ККД через зменшення ступеня стиснення, необхідного для запобігання детонації, а також через зменшення коефіцієнта наповнення повітрям, так як частина всмоктуваного повітря заміщується природним газом. В цьому випадку для досягнення двигуном газової модифікації потужності базового необхідно істотне зниження коефіцієнта надлишку повітря для компенсації зменшення індикаторного ККД і коефіцієнта наповнення повітрям. Доцільним виявляється застосування Стех-метричної суміші і використання трехкомпонентного нейтралізатора.

    При конвертації двигуна з наддувом за першим способом причини, що впливають на зниження потужності, нівелюються підбором мінімального перетину каналу підведення відпрацьованих газів (ОГ) до колеса турбіни, що дозволяє забезпечити потрібну

    подачу повітря. У цьому випадку відпадає необхідність істотного зниження коефіцієнта надлишку повітря для компенсації зменшення індикаторного ККД і коефіцієнта наповнення повітрям. При наддуванні з'являється можливість роботи двигуна з надлишком повітря 60 ... 70%, що істотно знижує вміст в ОГ оксиду азоту. В результаті може відпасти необхідність в застосуванні відновного нейтралізатора.

    Що стосується зниження ступеня стиснення, то виходячи з нашого досвіду [1, 2, 5] для роботи при помірному наддуванні (рк = 1,8 ... 1,9 МПа) і діаметрі циліндра 120 мм застосовна ступінь стиснення? = 11,5 без детонації. При діаметрі 105 мм і тих же значеннях рк допустима? = 12.12,5. Відомо що ?>12 мало впливає на термічний і індикаторний ККД.

    Відносно системи запалювання слід зазначити доцільність використання індивідуальних високовольтних котушок запалювання, розташованих безпосередньо на свічках запалювання або поблизу від них.

    Основним очевидним недоліком розглянутого способу є кількісне регулювання.

    При конвертації двигуна за другим способом в разі займання суміші від свічки розжарювання або іскрового розряду свічки запалювання для стабільної роботи і якісного сумішоутворення потрібно експериментальний підбір розташування газової форсунки з електричним або гідравлічним приводом щодо свічки запалювання, а також вибір розпилювача газової форсунки (число, розташування і розмір отворів). У разі займання від впорскування запальної порції дизельного палива необхідно застосування двопаливного форсунок. Обидва варіанти вимагають вкладення значних витрат на їх реалізацію.

    У той же час, як показав наш досвід [6], стабільну роботу двигуна і якісне регулювання з збіднінням аж до складу газоповітряної суміші, відповідного а = 6,0, можна забезпечити при зовнішньому сумішоутворення подачею мінімізованої запальної порції (до 5% номінальної циклової подачі ) добре розпорошеного дизельного палива. При цьому для дрібного розпилювання дизельного палива потрібно акумуляторна паливна система зі спеціально налагодженою системою управління. Однак при використанні штатної акумуляторної паливної системи конвертованого дизеля для подачі мінімізованої запальної порції дизельного палива може спостерігатися коксування соплових отворів через зниження ступеня охолодження розпилювача внаслідок меншої подачі палива.

    В якості моделі для аналізу було взято шестициліндровий рядний двигун розмірністю БЛЕ = 128/105 з потужністю 30 кВт / л. Показники циклу розраховувалися за методикою в [8] і [9] для номінального режиму двигуна на частоті обертання п = 2300 хв- 1.

    Вихідні дані для розрахункового дослідження: коефіцієнт наповнення 1 \ = 0,9; ефективний ККД Г | е = 0,36; коефіцієнт надлишку повітря а = 1,7; ККД компресора пк = 0,8; теплова ефективність охолоджувача наддувочного повітря Еохл = 0,75 ... 0,77.

    Додатково до існуючої методиці прийняті наступні допущення:

    1. запальний порція дизельного палива складає 5% номінальної масової подачі природного газу;

    2. інтегральна характеристика подачі запальної порції дизельного палива виражається прямою лінією;

    3. закон вигоряння дизельного палива такий же, як у природного газу;

    4. еквівалентна цикловая подача палива в ГАЗОДИЗЕЛЬ розраховується за формулою

    0тц = СГЦ + 0дц

    я..

    (1)

    де Огц і ОДЦ - циклова подача природного газу і дизельного палива; Н і Н - нижча теплота згоряння

    ід иг 1

    дизельного палива і природного газу;

    5. еквівалентну кількість повітря, теоретично необхідного для повного згоряння 1 кг палива в ГАЗОДИЗЕЛЬ, визначається за формулою

    h ~ hr + ^ Од

    G "

    (2)

    де / 0гі / - кількість повітря, теоретично необхідного для згоряння 1 кг природного газу і 1 кг дизельного палива відповідно;

    6. коефіцієнт надлишку повітря для газодизеля визначається за формулою

    а =

    (3)

    де GB4 - кількість повітря, що надходить в циліндр за цикл;

    7. період затримки самозаймання т. В ГАЗОДИЗЕЛЬ визначається за формулами М.М. Семенова і Р.З. Кав-тарадзе стосовно природному газу [10].

    У табл. 1 наведені розрахункові параметри циклів однотоплівного газового двигуна, що працює на бідних (а = 1,7) і стехиометрических (а = 1,0) сумішах, і газодизеля. Перший варіант розрахунку для Стехиометрія-чеського двигуна і газодизеля проведено при оптимальних кутах початку займання, другий - при обмеженні максимального тиску циклу pz <18 МПа. Для газодизеля прийнято а = 2,0, рк = 0,32 МПа і Т = 331,5 К. Температури Тк розраховані при тепловій ефективності охолоджувача наддувочного повітря Еохл = 0,75.

    Розрахунки показали, що в одно-паливному газовому двигуні при роботі на бідних сумішах з а = 1,7 необхідно підвищити тиск наддуву до p = 0,271 МПа для досягнення

    альтернативні палива

    Таблиця 1

    Тип двигуна Е а Рк • МПа г .. До Рт. МПа е. дц 'мг / цикл е. ТЦ 'мг / цикл е б. заб 'мг Рго. МПа

    Газовий двигун (а = 1,7) 12 1,7 0,271 324,6 0,271 - 95,65 0,0048 0,939 -0,036

    Газовий двигун (а = 1,0) 12 1,0 0,175 315,0 0,175 - 104,63 0,0017 0,932 -0,024

    Газодизель 1 16,5 2,0 0,320 331,5 0,320 5 94,95 0,0047 0,940 -0,042

    Газодизель 2 16,5 2,0 0,320 331,5 0,320 5 97,96 0,0046 0,940 -0,042

    Закінчення таблиці 1

    Тип двигуна у 'ост Ра. Га. «Л, Р, Р *. г. е. вп '

    МПа До% МПа МПа До До г

    Газовий двигун (а = 1,7) 0,057 0,295 338,8 9,50 2,0648 0,4824 18,613 2153 717,1 2,903

    Газовий двигун (а = 1,0) 0,047 0,191 365,0 12,35 1,9769 0,4223 13,976 2694 865,3 1,881

    Газодизель 1 0,047 0,349 340,4 7,50 2,2697 0,5343 24,910 1967,7 653,4 3,320

    Газодизель 2 0,046 0,349 340,4 6,60 2,1977 0,5172 18,373 1864 658,0 3,374

    Позначення:? - ступінь стиснення; а - коефіцієнт надлишку повітря; рк - тиск після компресора; Г - температура після компресора; рт - тиск перед турбіною; БДЦ - циклова подача запального дизельного палива; - циклова подача палива (для газодизеля - еквівалентна, тобто з урахуванням подачі природного газу і дизельного палива); бзаб - маса продуктів згоряння, покинута у впускний трубопровід в період перекриття клапанів; г | "- коефіцієнт наповнення; рго - середній тиск втрат на газообмін; уост - коефіцієнт залишкових газів; ра - тиск в кінці процесу впуску; Г - температура в кінці процесу впуску; - відносна втрата теплоти в середу охолодження; р; - середнє індикаторне тиск; г |, - індикаторний ККД; рг - максимальний тиск циклу; Т2 - максимальна температура в циліндрі; ТСР - середня температура робочого циклу; ввп - обсяг вприскування

    значень середнього індикаторного тиску, близьких до тих, які отримані в стехиометрическом одно-паливному двигуні. Оптимальним виявляється помітно більш ранній кут випередження запалення Ф = 13 ° ПКВ до ВМТ, в той час як при а = 1,0 оптимальний кут випередження запалення ф = 3 ° ПКВ до ВМТ. Ставлення р / ра зростає з кутом випередження запалення при а = 1,7 в меншій мірі, ніж при а = 1,0.

    Слід також зазначити, що в од-нотоплівном газовому двигуні при а = 1,7 і р2 = 18 МПа можна встановлювати оптимальний кут випередження запалення. При цьому початкова температура стиснення нижче, ніж при а = 1,0, в зв'язку з істотно більш високою в останньому випадку температурою залишкових газів. Менші значення р / ра і Та викликають суттєве зниження температури детонації Тдет .

    За температуру детонації Тдет умовно прийнята температура адиабатного стиснення від початкового тиску процесу стиснення ра до максимального тиску в циліндрі. Прийнято, що температура детонації в разі природного газу не повинна перевищувати 1050 До.

    Розрахунки температури Тдет для розглянутих однотоплівних

    газових двигунів показали, що тільки при запізненні кута початку займання до 13 ° ПКВ після ВМТ вдається отримати в стехиометрическом двигуні Тдет < 1050 К. При цьому, природно, виходять нижче р. і п,. Зокрема п, = 0,411.

    З табл. 1 випливає, що двигун, що працює на бідних сумішах, має економічність вище, ніж стехіомет-річескій, на 14,2%. Якщо врахувати необхідність установки в стехиометрическом двигуні більш пізнього кута початку займання, відмінність в економічності досягає 17,4%. Газодизель має економічність вище, ніж однотоплівний газовий двигун, що працює на бідних сумішах, завдяки більш високого ступеня стиснення і більшого коефіцієнту надлишку повітря. Для номінального режиму відмінність індикаторних ККД газодизеля і однотоплівного газового двигуна, що працює на бідних сумішах при відсутності обмеження

    по р2, становить 10,8%. При обмеженні рг в ГАЗОДИЗЕЛЬ відмінність знижується до 7,2%.

    У табл. 2 наведені параметри, які характеризують теплову напруженість деталей розглянутих двигунів: середні за цикл значення коефіцієнта тепловіддачі аТср і результуючої по теплообміну температури Трез, а також твір цих величин, яке великою мірою визначає теплову напруженість деталей.

    З табл. 2 випливає, що при оптимальних кутах займання найбільша теплова напруженість характерна для стехіометричного двигуна. При обмеженні р2 найменша теплова напруженість має місце в ГАЗОДИЗЕЛЬ.

    Залежність концентрації оксидів азоту від коефіцієнта надлишку повітря при відсутності нейтралізатора (малюнок), отримана досвідченим шляхом на однотоплівном

    Таблиця 2

    Тип двигуна Р *. МПа а. 7ср 'Вт / (м 2 К) Т. рез 'К а Т. 7ср рез 'Вт / м2

    Газовий двигун (а = 1,7) 18,613 540 1175,9 634986,0

    Газовий двигун (а = 1,0) 13,976 463 1548,2 716816,6

    Газодизель 1 24,910 506 1015,7 663658,4

    Газодизель 2 18,373 564 953,7 537886,8

    N0 ,. №111 2 SOU

    15 (41

    IOC "

    <(H>

    IUUU 1600 1

    л

    FT 1 00 ІМ'Я t

    +

    1

    1

    V #

    # |

    «

    \

    IJ

    1,4

    1.4

    1,7 і

    Експериментальна залежність концентрації оксидів азоту NOx в ОГ від коефіцієнта надлишку повітря а при відсутності нейтралізатора

    газовому двигуні 8V розмірністю S / D = 120/120, показує, що при роботі на бідних газоповітряних сумішах з а = 1, б ... 1,7 вміст оксидів азоту в ОГ суттєво нижче, ніж при роботі з меншими коефіцієнтами надлишку повітря. Отже, при роботі на бідних сумішах відпадає необхідність в установці відновного нейтралізатора, що є великою перевагою перед стехиометрическим двигуном.

    Разом з тим експериментальні дослідження, проведені в МАДИ, вказують на необхідність установки на двигуні, що працює на бідних сумішах, окисного нейтралізатора, в основному, для зниження викидів незгорілих вуглеводнів метанової фракції [1, 2, 5]. При цьому в якості

    каталізатора потрібно використовувати не платину, а паладій. В результаті можна забезпечити виконання норм Євро-5. Для експериментальних досліджень нейтралізатори проектувалися і виготовлялися співробітниками НАМИ, за що автори висловлюють їм глибоку подяку.

    На закінчення можна зробити наступні висновки:

    1. Однотоплівний газовий двигун має безсумнівні переваги по економічності і теплової напруженості при роботі на бідних сумішах з обов'язковим використанням окисного нейтралізатора.

    2. Газодизель має переваги по економічності і теплової напруженості перед одно-паливними газовими двигунами

    завдяки роботі з якісним регулюванням, особливо при відсутності обмежень по рг .

    Однак в ГАЗОДИЗЕЛЬ врахована в розрахунках мінімізація запальної порції дизельного палива може бути отримана, як показав наш досвід [6], тільки при використанні для подачі дизельного палива акумуляторної паливної системи і спеціальної настройки системи електронного управління нею. Разом з тим при застосуванні акумуляторної паливної системи базового дизеля слід звернути увагу на те, що при малих подачах дизельного палива неминучі перегрів розпилювача і коксування соплових отворів форсунки. Тому доцільно використовувати форсунки з примусовим охолодженням розпилювача.

    література

    1. Хачіян А.С., Кузнєцов В.Є., Водейко В.Ф., Шишлов І.Г. Результати розробки газових двигунів в МАДИ (ГТУ) // АГЗК + АТ. - 2005. - № 3 (21). -З. 37-41.

    2. Khachiyan A.S., Kuznetsov V.E., Shishlov I.G. The analysis of ways to ensure low emission (methane inclusive) from natural gas fuelled engines // Silnici Spal-inowe (Combustion Engines). - 2006. - № 2 (125). - Р. 58-66.

    3. Хачіян А.С. Чому в Росії необхідно переводити транспорт на природний газ // АГЗК + АТ. - 2007. - № 2 (32). - С. 50-51.

    4. Хачіян А.С., Шишлов І.Г., Вакуленко А.В. Автомобільний транспорт і парниковий ефект // Транспорт на альтернативному паливі. - 2008. - № 2 (2). - С. 68-70.

    5. Хачіян А.С., Кузнєцов В.Є., Шишлов І.Г. Переклад вітчизняних дизелів, що знаходяться в експлуатації, на харчування природним газом - раціональний спосіб поліпшення екологічних характеристик // Автотранспортне підприємство. - 2008. - № 9. - С. 34-40.

    6. Хачіян А.С., Шишлов І.Г., Вакуленко А.В. Попередні результати дослідження газового двигуна нового покоління з якісним регулюванням // АГЗК + АТ. - 2009. - № 3 (45). - С. 12-17.

    7. Хачіян А.С. Використання природного газу в якості палива для автомобільного транспорту // Двигунобудування. - 2002. - № 1. - С. 34-36.

    8. Хачіян А.С., Синявський В.В., Шишлов І.Г., Карпов Д.М. Моделювання показників і характеристик двигунів, що живляться природним газом // Транспорт на альтернативному паливі. - 2010. - № 3 (15). - С. 14-19.

    9. Хачіян А.С., Синявський В.В. Розрахунок циклу чотиритактного газового двигуна. - М .: МАДІ, 2001. - 48 с.

    10. Кавтарадзе Р.З. Формули для розрахунку затримки запалення при роботі газодизеля на різних газоподібних паливах // Транспорт на альтернативному паливі. - 2009. - № 3 (9). - С. 36-42.


    Ключові слова: ПРИРОДНИЙ ГАЗ /NATURAL GAS /Стехіометрична ГАЗОВИЙ ДВИГУН /ГАЗОВИЙ ДВИГУН /ЩО ПРАЦЮЄ НА БІДНИХ СУМІШАХ /THE LEAN BURN GAS ENGINE /ГАЗОДИЗЕЛЬ /GAS-DIESEL ENGINE /THE STOYCHIOMETRIC GAS ENGINE

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити