Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ направления исследования 10
1.1. Газообразные топлива, их моторные и эксплуатационные свойства 10
1.2. Технико-экономические предпосылки конвертирования автотракторных дизелей в газодизели 20
1.3. Пути повышения эффективности сельскохозяйственной техники с газодизельными двигателями 24
1.4. Выводы. Цель и задачи исследования 31
Глава 2. Теоретические исследования системы подачи газовоздушной смеси (СПГВС) 34
2.1. Разработка математической модели функционирования СПГВС 34
2.1.1. Обоснование зависимостей расходов воздуха и газа 36
2.1.2. Давление в воздушном канале газовоздушного смесителя 44
2.1.3. Давление в выходной полости дозатора газа 47
2.1.4. Давление во входной полости дозатора газа 54
2.1.5. Площадь проходного сечения дозатора газа 55
2.2. Влияние загрязнения воздухоочистителя на работу СПГВС 57
2.3. Методика расчета конструктивных параметров узлов СПГВС 62
2.3.1. Параметры газовоздушного смесителя 62
2.3.2. Параметры дозатора газа 64
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 75
3.1. Программа исследований 75
3.2. Схема и параметры установки, измерительная и регистрирующая аппаратура 76
3.3. Методика исследований 85
3.3.1. Параметры газов в узлах СПГВС 85
3.3.2. Измерение расхода воздуха 86
3.3.3. Измерение расхода газа 87
3.3.4. Показатели работы двигателя 89
Глава 4. Экспериментальные исследования по совершенствованию характеристики автотракторного газодизеля 91
4.1. Дизельный цикл работы двигателя 91
4.1.1. Характеристика базового дизеля 91
4.1.2. Характеристика конвертированного газодизеля 91
4.2. Газодизельный цикл работы двигателя 94
4.2.1. Данные для проверки и корректирования математической модели функционирования СПГВС 94
4.2.2. Проверка и корректирование математической модели функционирования СПГВС 99
4.2.3. Оценка соотношения перепадов давления в газовой магистрали СПГВС 111
4.2.4. Оптимизация конструктивных параметров узлов СПГВС газодизеля Д-245 114
4.2.5. Характеристика газодизеля с оптимизированной СПГВС 122
4.2.6. Оценка погрешностей измерений 125
4.3. Результаты испытаний сельскохозяйственной газобаллонной техники с усовершенствованной характеристикой газодизелей 129
Глава 5. Исследование влияния догрузки трактора т-150к газовыми баллонами на изменение характеристик почвы по его следам 131
Глава 6. Экономическая эффективность переоборудования сельскохозяйственной техники для работы по газодизельному циклу 138
6.1. Сельскохозяйственные тракторы 139
6.2. Автомобильный транспорт 145
Общие выводы 147
Список литературы 149
- Пути повышения эффективности сельскохозяйственной техники с газодизельными двигателями
- Влияние загрязнения воздухоочистителя на работу СПГВС
- Схема и параметры установки, измерительная и регистрирующая аппаратура
- Данные для проверки и корректирования математической модели функционирования СПГВС
Введение к работе
Замена дорогостоящих светлых нефтепродуктов природным газом (ПГ) является общегосударственной задачей, принятой Правительством РФ в постановлении № 31 от 15.01.93 г. «О неотложных мерах по расширению замещения моторных топлив природным газом» и «Комплексной программе по использованию газа в качестве моторного топлива на транспорте» [36].
Цена компремированного природного газа (КПГ) в 2...4 раза ниже цены дизельного топлива (ДТ). Поэтому при переоборудовании сельскохозяйственных тракторов и автомобилей для работы по газодизельному циклу снижаются затраты в себестоимости сельскохозяйственной продукции на топливо, которые в настоящее время достигают 50 %.
На первом этапе становления технологий снабжения газомоторным топливом (ГМТ) для дизелей сельскохозяйственной техники предпочтительна конвертация в газодизели, способные работать как по газодизельному, так и по дизельному циклу. При этом целесообразно переоборудование дизеля в газодизель с комбинированным смесеобразованием (внешним по ПГ и внутренним по ДТ), которое не требует дорогостоящего изменения конструкции основных деталей и узлов двигателя [51]. Для этого необходимо внести конструктивные изменения в систему питания базового дизеля, обеспечивающие требуемую подачу газа и запального дизельного топлива в газодизельном цикле. Подачу и дозирование газа осуществляют при помощи системы подачи газовоздушной смеси (СПГВС), взаимодействующей с регулятором частоты вращения.
При переоборудовании сельскохозяйственной техники для работы по газодизельному циклу, должна быть обеспечена номинальная мощность конвертированного газодизеля на уровне базового дизельного двигателя. При этом также важно обеспечение номинального коэффициента запаса крутяще-
9 го момента, регламентированного для двигателей сельскохозяйственных тракторов и комбайнов ГОСТ 20000—88.
До настоящего времени исследован рабочий процесс газодизельного двигателя и обоснованы направления его совершенствования по экономическим и экологическим показателям [37, 58, 60], что дает возможность улучшения, прежде всего, камер сгорания и аппаратуры подачи дизельного топлива.
Обеспечение требуемой характеристики автотракторного газодизеля и, следовательно, номинального коэффициента запаса крутящего момента, зависит от совместной работы СПГВС и регулятора частоты вращения вала двигателя. Ввиду отсутствия исследований функционирования СПГВС проектирование ее узлов оказывалось невозможным и СПГВС автотракторных газодизелей создавались способом экспериментальной доводки. Этот способ требует больших материальных затрат, кроме того он не всегда обеспечивает достижение требуемого номинального коэффициента запаса крутящего момента.
В целях эффективного переоборудования сельскохозяйственной техники для работы по газодизельному циклу в настоящей работе проведены исследования по обеспечению требуемой характеристики автотракторного і -газодизеля.
Переоборудование тракторов для работы по газодизельному циклу связано с установкой на них группы газовых баллонов относительно большой массы. В связи с этим, в данной работе проведены исследования влияния веса газобаллонной установки на агротехнические показатели сельскохозяйственного трактора по воздействию на почву, которое ограничено ГОСТ 26955—86.
Пути повышения эффективности сельскохозяйственной техники с газодизельными двигателями
Промышленный выпуск газобаллонной техники, работающей на КПГ, был начат в нашей стране еще в довоенный период [45]. Первоначально такой техникой были только газобаллонные автомобили с зажиганием от искры, газовые двигатели которых не имели всережимного регулирования. Появившиеся в восьмидесятых годах большегрузные газодизельные автомобили КамАЗ также не имеют всережимного регулирования при работе двигателя по газодизельному циклу.
В последние десятилетия начали создаваться газобаллонные тракторы, с газодизельными двигателями. При их создании появилась задача обеспечения всережимного регулирования газодизельного двигателя, которое технологически необходимо для эффективной работы сельскохозяйственных машинотракторных агрегатов (МТА). В 1996 году на Солнечногорской ЦМИС были проведены приемочные испытания газобаллонных тракторов МТЗ-82 и К-701 с газодизельными двигателями (протоколы испытаний №13-33-96 и №13-34-96). Регулирование газодизелей тракторов было всережимным. Номинальная мощность двигателей в газодизельном цикле была на уровне номинальной мощности базовых дизельных двигателей и составляла 59,9 кВт для газодизеля Д-243 (58,2 кВт в дизельном цикле) и 203 кВт — для ЯМЗ-240Б (202 кВт в дизельном цикле). При этом значения номинальных коэффициентов запаса крутящего момента газодизелей обоих тракторов были значительно меньше, чем у базовых дизельных двигателей, что не соответствовало требованиям ГОСТ 20000—88. В газодизельном цикле работы двигателя Д-243 номинальный коэффициент запаса крутящего момента имел значение 7 =0,65 (против К=0,18 в дизельном цикле). У двигателя ЯМЗ-240Б значение коэффициента было К =0,91 (против і =0,23 в дизельном цикле).
Эксплуатационно-технологические показатели МТА, составленных на базе газобаллонных тракторов МТЗ-82 и К-701 представлены в табл. 1.7. Из этих данных можно заключить, что по сравнению с дизельным циклом, характеристики которого соответствовали характеристикам базовых дизелей тракторов, на всех операциях при газодизельном цикле работы производительность МТА снижалась на 2,3...3,6%.
Недостаточное значение номинального коэффициента запаса крутящего момента газодизелей этих тракторов обусловливалось отсутствием исследований, посвященным обеспечению требуемой характеристики газодизеля.
До настоящего времени исследован рабочий процесс газодизельного двигателя и обоснованы направления его совершенствования по экономическим и экологическим показателям [37, 58, 60], что дает возможность улучшения, прежде всего, камер сгорания и аппаратуры подачи дизельного топлива газодизелей. Обеспечение требуемой характеристики газодизеля и, следовательно, номинального коэффициента запаса крутящего момента зависит от совместной работы СПГВС и регулятора частоты вращения вала двигателя. Проведенный обзор литературных источников выявил отсутствие комплексных исследований функционирования СПГВС автотракторного газодизеля, ввиду чего проектирование ее узлов для обеспечения требуемой характеристики двигателя оказывалось невозможным и СПГВС автотракторных газодизелей создавались способом экспериментальной доводки. Этот способ требует больших материальных затрат, кроме того он не всегда обеспечивает достижения требуемого номинального коэффициента запаса крутящего момента.
Следовательно, для повышения эффективности сельскохозяйственной газодизельной техники должны быть обеспечены как номинальная мощность, так и номинальный коэффициент запаса крутящего момента газодизеля. Для этого должны быть проведены исследования по совершенствованию характеристики автотракторного газодизеля.
Скоростная характеристика по крутящему моменту автотракторного двигателя с всережимным регулированием представлена на рис. 1.2. Главными характеризующими ее точками являются т. А номинального режима и т. Б максимального крутящего момента двигателя. Увеличение крутящего момента от т. А до т. Б при работе двигателя на корректорной ветви 5 характеристики необходимо для преодоления кратковременных перегрузок.
Влияние загрязнения воздухоочистителя на работу СПГВС
Разрежение, создаваемое современными воздухоочистителями, зависит от их принципиальной схемы и для новых фильтров при работе автотракторного двигателя с полной нагрузкой в зависимости от его типа колеблется в пределах 600...5500 Па [26]. По мере осаждения пыли разрежение за воздухоочистителем увеличивается, особенно при бумажных фильтрующих элементах.
Загрязнение воздушного фильтра оказывает значительное влияние на работу СПГВС. Так, в простейшей СПГВС, которая представлена на рис. 2.1, в результате загрязнения воздухоочистителя может значительно возрасти расход газа на режимах большой загрузки газодизеля. Теоретически обосновать это явление можно следующим образом на примере безнаддувного газодизеля.
Рассмотрим номинальный режим двигателя. Для схемы СПГВС, представленной на рис. 2.1, давление в атмосферной камере ГРНД равно атмо 58 сферному, то есть р Рг\- Тогда, исходя из выражений (2.72) и (2.73), расход газа двигателем можно выразить следующим образом:
Таким образом, в исследуемой простейшей схеме СПГВС при загрязнении воздухоочистителя, вызывающем увеличение разрежения за ним в 3 раза, расход газа газодизелем увеличивается на 30%. В результате этого мощность двигателя существенно возрастет за счет увеличения крутящего момента, что может вызвать выход двигателя из строя вследствие перегрузки. У газодизелей с турбонаддувом это увеличение расхода газа еще выше, так как при увеличении их мощности, независимо от частоты вращения вала двигателя, увеличивается расход воздуха. В результате разрежение в газовоздушном смесителе увеличивается еще на дополнительную величину, что ведет к дополнительному увеличению расхода газа. Вследствие вышесказанного применение простейшей конструктивной схемы СПГВС, изображенной на рис. 2.1, недопустимо.
Решением данной технической задачи является конструктивная схема СПГВС, представленная нарис. 2.4 [55].
В этой схеме выходное сечение I воздухоочистителя 1 связано рукавом подвода разрежения 6 с атмосферной камерой ГРНД 5. При этом в атмосферной камере ГРНД 5 устанавливается давление, равное статическому давлению воздушного потока в выходном патрубке воздухоочистителя, то есть
РАК=РУ
Определим зависимость расхода газа при номинальном режиме двигателя для конструктивной схемы СПГВС, показанной на рис. 2.4. Так как атмосферная камера ГРНД соединена уже не с атмосферой, а с выходным патрубком воздухоочистителя выражение (2.78) при ранее принятых допущениях примет следующий вид:
Анализируя зависимость (2.88), можно заключить, что в рациональной схеме СПГВС, приведенной на рис. 2.4, загрязнение воздушного фильтра на расходе газа практически не сказывается, так как в зависимости (2.88) разрежение р за воздухоочистителем отсутствует и ни на одну величину, входящую в это выражение, оно существенно не влияет.
Схема и параметры установки, измерительная и регистрирующая аппаратура
На рис. 3.1 показан общий вид экспериментальной установки. Установка представляет собой конвертированный газодизель ММЗ Д-245.12 № 049282 с турбонаддувом, оборудованный СПГВС и требуемыми датчиками, который установлен на электрическом тормозном стенде с балансирной машиной (далее электротормоз) GPF 15 мощностью 160 кВт, производства ГДР. Установка также включает пульт управления электротормозом и соответствующие регистрирующие приборы. Применение электротормоза обеспечивает возможность дистанционного и плавного управления режимом загрузки двигателя.
77 Схема экспериментальной установки с размещением датчиков приведена на рис. 3.2. В ней исследуемый двигатель 15, оснащенный турбокомпрессором 17, соединен посредством карданного вала с электротормозом 16, балансирная машина которого позволяла создавать и измерять крутящий момент на коленчатом валу двигателя. Скоростной режим двигателя задавали дистанционно управляемым задатчиком 14, представляющим собой электромотор с коромыслом, которое с помощью тяги соединено с регулятором частоты вращения, смонтированном на ТНВД 13. Регулятор конструктивно связан с дозатором газа 2. Дозатор газа имел шкалу и стрелку для определения положения регулирующего конуса (рис. 3.3). Подачу дизельного топлива в ТНВД из бака (на рис. 3.2 не показан) осуществляли через расходомер ДТ 12 фирмы AVL, который измерял расход ДТ и обороты вала двигателя. Газ заправляли через наполнительный вентиль 9 в восемнадцать баллонов 10 (на рис. 3.2 показан только один). Во время проведения испытаний газ через расходный вентиль 8 по трубопроводу высокого давления поступал в подогреватель 7, который представлял собой емкость с моторным маслом, оборудованную электронагревателем. Далее подогретый газ подавался в газовый редуктор высокого давления 6, после чего поступал через электромагнитный клапан 5 и в баллон 11, который использовали для измерения расхода газа. Через электромагнитный клапан 4, используемый для безопасности, газ подавался в двухступенчатый ГРНД 3 марки «САГА», в котором давление газа снижалось до давления близкого к атмосферному. Далее по трубопроводам газ поступал через дозатор газа 2 с переменным проходным сечением в газовоздушный смеситель 18. При всех стендовых испытаниях газодизеля использовали газовоздушный смеситель с площадью воздушного канала AfJ , равной 1269 мм , и площадью камеры смешения Ати, равной 2280 мм2, при площади А-. выходного патрубка воздухоочистителя, равной 4986 мм . При этом газ в смесителе подавался по направлению потока воздуха (рис. 3.4), что создавало дополнительный эжекционный эффект в канале подвода газа как в дизельном, так и в газодизельном цикле. Атмосферная камера ГРНД соединена рукавом подвода разрежения с выходным патрубком воздухоочистителя 1 для компенсации его загрязнения. Разгрузочное устройство газового редуктора низкого давления, предназначенное для прекращения подачи газа в случае остановки двигателя, соединено трубкой с воздушным каналом газовоздушного смесителя. Водяная полость ГРНД подключена к системе охлаждения двигателя.
Основные характеристики ГБА экспериментальной установки показаны в табл. 3.1. Технические показатели базового дизеля ММЗ Д-245.12 размещены в табл. 3.2. Перечень измеряемых параметров с их обозначениями, а также применяемых средств измерения приведен в табл. 3.3.
Первые 15 измеряемых параметров в табл. 3.3 использовались в расчетах, а четыре последние (№№ 16—19) применялись для контроля нормальной работы двигателя.
В системе смазки двигателя использовалось моторное масло М10Г2. При работе двигателя по дизельному циклу и в качестве запального жидкого топлива в газодизельном цикле использовалось дизельное топливо 3 (зимнее) по ГОСТ 305-82. Газовым топливом являлся КПГ по ГОСТ 27577—91.
Управление режимом работы двигателя осуществлялось из пультового помещения, там же размещались измерительные приборы. Для измерения параметров состояния (давления и температуры) воздуха, газа и газовоздушной смеси в узлах СПГВС газодизеля использовали водяные пьезометры и многоканальный измеритель температуры, показанные на рис. 3.5. В качестве датчиков многоканального измерителя температуры использовали хромель-копелевые термопары.
Данные для проверки и корректирования математической модели функционирования СПГВС
Для получения требуемых экспериментальных данных по всему диапазону нагрузок и частот вращения вала двигателя были сняты внешняя и частичные газодизельные характеристики. Частоты вращения холостого хода на этих характеристиках были следующие: 2486, 2300, 2100, 1905, 1701, 1501 и 1309 мин _1. Регулирующий конус дозатора газа был неусеченным на его рабочей поверхности и имел угол ОС наклона образующей, равный 20. Диаметр d отверстия седла регулирующего конуса дозатора был равен 16,2 мм.
Площадь проходного сечения дозатора газа определяли по формуле (2.101), а коэффициент расхода дозатора газа - по формуле (2.77). Полученные экспериментальные данные сведены в приложение 5, а результаты расчетов - в приложение 6. Кроме этого были сняты данные по двум сравнительным точкам в дизельном цикле, которые совпадают по частоте вращения и крутящему моменту с двумя точками характеристики в газодизельном цикле (опыты №№ 9 и 11), причем одна снятая точка соответствует режиму максимальной мощности в газодизельном цикле (опыт № 9). Экспериментальные и расчетные данные по этим точкам сведены в приложения 7 и 8.
На рис. 4.3 представлена внешняя скоростная газодизельная характеристика, полученная при отсутствии доработки конструктивных параметров узлов СПГВС газодизеля. Здесь же для сравнения приведена внешняя характеристика газодизеля в дизельном цикле. Анализ рис. 4.3 показывает неудовлетворительность полученной характеристики двигателя в газодизельном цикле. В частности, двигатель не выдал паспортной номинальной мощности, а коэффициент запаса крутящего момента Км был равен 0,09, хотя по ГОСТ 20000—88 для данного двигателя он должен быть не менее 0,15. Таким образом, для усовершенствования характеристики двигателя в газодизельном цикле необходима оптимизация конструктивных параметров СПГВС газодизеля, выполненная при помощи разработанных расчетно-экспериментальных методов определения конструктивных параметров узлов СПГВС газодизеля.
Также имела место недостаточная (менее 20%) запальная доза дизельного топлива, особенно на малых частотах вращения, которая требовала регулировки.
Экономичность двигателя на регуляторной ветви характеристики при работе по газодизельному циклу несколько хуже, чем при работе по дизельному. На корректорной ветви характеристики экономичность двигателя в газодизельном цикле такая же, как и в дизельном. Поэтому допущение о равенстве КПД газодизеля (параграф 2.1.1.) на одинаковых режимах загрузки в дизельном и газодизельном циклах вполне правомерно на участке характеристики между номинальным режимом и режимом максимального крутящего момента. Для формирования регуляторной ветви, где экономичность газодизельного цикла хуже дизельного, главной является точка номинального режима, в которой принятое допущение правомерно вполне. При расчете согласно этому допущению других точек регуляторной ветви характеристики будет иметь место незначительное и приемлемое изменение крутизны регуляторной ветви. Согласно полученным экспериментальным данным, коэффициент к. в зависимости (2.4) примем равным 1,0. Зависимость температуры газа tyj во входной полости дозатора газа (сечение VI) от расхода газа G представлена на рис. 4.4. Из графика видно, что температура газа мало изменяется на всем диапазоне эксплуатационного расхода газа газодизелем. Поэтому примем температуру газа tyj во входной полости дозатора постоянной и равной 57 С. Тогда, переходя к абсолютной температуре, будем иметь Т =330 К. На рис. 4.5 представлена зависимость коэффициента расхода дозатора газа у от частоты вращения вала двигателя на внешней скоростной характеристике.
