Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ способов перевода транспортных дизелей на сжиженный газ и обзор выполненных исследований 10
1.1 Влияние основных физико-химических и моторных качеств сжиженного нефтяного газа на работу дизелей подвижного состава 15
1.2 Результаты использования сжиженного газа в транспортных дизелях в различных отраслях народного хозяйства 19
1.3 Перспективы применения аккумуляторных систем топливоподачи дизельных транспортных средств 32
1.4 Выводы, формулировка цели и постановка задач исследования 47
2 Устойчивость работы топливной аппаратуры дизеля и оценка воспламеняе мости при использовании в качестве топлива сжиженного нефтяного газа в жидкой фазе 51
2.1 Устойчивость от расслоения смесей сжиженного нефтяного газа с дизельным топливом 51
2.2 Экспериментальная оценка воспламеняемости сжиженного нефтяного газа, его смесей с дизельным топливом и присадками 59
2.3 Разработка расчетно-экспериментальной методики оценки цетанового числа сжиженного нефтяного газа, его смеси с дизельным топливом и присадками...65
2.4 Анализ и формирование основных требований и направление развития топливной аппаратуры дизелей, работающих на сжиженном нефтяном газе в жидкой фазе 70
2.5 Выбор необходимого давления подкачки сжиженного нефтяного газа и его смесей с дизельным топливом в системе топливоподачи дизеля 75
3 Обоснование и выбор метода расчета процесса топливоподачи сжиженного нефтяного газа в жидкой фазе топливной аппаратурой дизеля 6ЧНЗ 1,8/33 теп ловоза ТЭМ -2 86
3.1 Общие теоретические предпосылки методики расчета процесса впрыска сжиженного газа в дизелях 88
3.2 Методика расчета процесса впрыска сжиженного газа в жидкой фазе и его смеси с дизельным топливом 95
3.3 Применение методов теории подобия для модельных исследований работы топливной аппаратуры дизелей на разных сортах жидкого топлива 110
3.4 Выводы 113
4 Реконструкция топливной системы тепловоза ТЭМ-2 для работы дизеля 6ЧНЗ 1,8/33 на сжиженном нефтяном газе в жидкой фазе и его смесях с дизель ным топливом и присадками 115
4.1 Разработка газодизельных систем топливоподготовки и топливоподачи ди зельных двигателей в условиях стенда и тепловоза ТЭМ-2 115
4.2 Аккумуляторная система подачи газодизельного топлива в цилиндры двигателя 120
4.3 Результаты экспериментальных, расчетных и модельных исследований работы топливной аппаратуры дизелей подвижного состава на дизельном топливе, сжиженном нефтяном газе и их смесях 123
4.4 Выводы 135
5 Рабочий процесс дизелей подвижного состава при работе на сжиженном нефтяном газе, дизельном топливе, их смесей с присадками 137
5.1 Показатели работы дизелей с разными способами смесеобразования на сжиженном нефтяном газе и его смесях с дизельным топливом и присадками 137
5.2 Разработка энерго-экологического критерия для комплексной оценки эффективности использования сжиженного нефтяного газа в дизелях 147
5.3 Выводы 152
6 Расчет экономической эффективности применения сжиженного нефтяного газа для дизелей подвижного состава 153
Выводы и заключение 159
Список использованных источников 160
Приложение
- Результаты использования сжиженного газа в транспортных дизелях в различных отраслях народного хозяйства
- Экспериментальная оценка воспламеняемости сжиженного нефтяного газа, его смесей с дизельным топливом и присадками
- Анализ и формирование основных требований и направление развития топливной аппаратуры дизелей, работающих на сжиженном нефтяном газе в жидкой фазе
- Методика расчета процесса впрыска сжиженного газа в жидкой фазе и его смеси с дизельным топливом
Введение к работе
Актуальность исследования. В современных условиях важным направлением научных исследований является повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов. Согласно целевой программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации № 877-р от 17 июня 2008 г., одним из основных направлений развития ОАО «Российские железные дороги» является снижение расходов на топливо.
С учетом постоянного роста цен на энергоносители требуются изыскания новых резервов, которые позволили бы снизить затраты на топливо с одновременным снижением токсичности отработавших газов тепловозов. Одним из направлений решения данной задачи является перевод тепловозов на более дешевое горючее — сжиженный нефтяной газ (СНГ). С экологической точки зрения выхлопные газы при работе на сжиженном газе практически не содержат сажи и окислов серы, а содержание в них диоксида и оксида углерода существенно меньше, чем при использовании стандартного дизельного топлива. Повышение эффективности работы двигателей достигается за счет более низкой цены на сжиженный газ, снижения степени износа деталей цилиндропоршневой группы и интенсивности разжижения моторного масла топливом.
Целью диссертационной работы является разработка методов и средств повышения эффективности работы тепловозов за счет перевода их на сжиженный газ.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: выполнить качественный и количественный анализ возможностей и условий для сохранения на тепловозе смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа; разработать комбинированную систему топливоподачи, обеспечивающую работу тепловозов на дизельном топливе и смесях дизельного топлива со сжиженным нефтяным газом и присадками; предложить технологию использования смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа для дизелей тепловозов, обеспечивающую улучшение эксплуатационных показателей и снижение затрат на топливо; исследовать и определить степень влияния состава топливной смеси на эксплуатационные характеристики дизелей тепловозов; разработать математическую модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на дизельном топливе, сжиженном нефтяном газе и его смесях с дизельным топливом и присадками; обосновать и предложить критерий, оценки эффективности работы дизелей тепловозов на альтернативных видах топлива.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с применением методов теории подобия и анализа размерностей, теории рабочего процесса дизельных двигателей. Процессы топливоподачи в дизелях описывались с помощью дифференциальных уравнений волнового движения жидкости в трубопроводах высокого давления. При обработке экспериментальных данных использовались методы теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Доказана возможность и определены условия для длительного и устойчивого сохранения смеси дизельного топлива и сжиженного газа на тепловозе без существенной модернизации топливной системы.
Предложена математическая модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа;
Разработана методика для комплексной оценки влияния состава используемого топлива на экономические и экологические показатели работы тепловоза.
Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается использованием сертифицированной измерительной аппаратуры и лабораторных установок PVT-8 и ИТ9-3. Проведение экспериментальных исследований на дизеле 7Д6 вместо тепловозного дизеля ПД1М математически обосновано с позиции теории подобия, расхождение составляет не более 7 %.
Практическая ценность диссертации состоит в следующем: разработана система топливоподачи смеси дизельного топлива, сжиженного нефтяного газа и высокооктановой присадки, не требующая существенной модернизации топливной системы тепловоза, на технические решения которой получен патент на полезную модель; предложена технология использования дизельного топлива в смеси с сжиженным нефтяным газом и высокооктановой присадкой, обеспечивающая снижение затрат на топливо в размере 3 — 5 %; предложена расчетная методика, позволяющая определить степень влияния качественного состава топливной смеси на эксплуатационные характеристики дизелей тепловозов.
Основные положения, выносимые на защиту: математическая модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа; результаты оценки воспламеняемости сжиженного нефтяного газа и его смеси с дизельным топливом; аналитическое обоснование устойчивости работы тепловозного дизеля на сжиженном нефтяном газе и его смесях с дизельным топливом; методика для комплексной оценки влияния состава используемого топлива на экономические и экологические показатели работы тепловоза.
Апробация работы. Основные положения, результаты исследований, выводы и рекомендации по переводу тепловозов на перспективное альтернативное топливо - смесь сжиженного нефтяного газа с дизельным топливом и присадками докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (Омск, 2008); на техническом совете службы локомотивного хозяйства Западно-Сибирской железной дороги (Новосибирск, 2008 г.); на научных семинарах кафедры «Локомотивы» ОмГУПСа (Омск, 2008 - 2009 гг.); на научно-техническом семинаре ОмГУПСа «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2009).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано семь печатных работ, в том числе одна — в издании, включенном в перечень ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, библиографического списка, приложений и содержит 178 страниц, 38 рисунков и 8 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы и направления исследования.
В первой главе выполнен анализ способов перевода транспортных дизелей на сжиженный газ, а также обзор исследований, научных и практических разработок по теме диссертации.
Во второй главе содержатся результаты исследований по обеспечению устойчивости работы топливной аппаратуры дизеля при работе на СНГ, устойчивости от расслоения смесей СНГ и дизельного топлива. Разработана расчет-но-экспериментальная методика оценки воспламеняемости (цетанового числа — ЦЧ) как СНГ, так и его смесей с дизельным топливом и присадками, повышающими значение ЦЧ. Расчеты показали, что расхождение при оценке значений ЦЧ топлив и смесей с присадками по предполагаемой методике и моторным методом на установке ИТ9-3 не превышает 7 %.
В третьей главе изложен метод и проведены расчеты процессов топли-воподачи сжиженного газа в топливной аппаратуре тепловозного дизеля ПД1М тепловоза ТЭМ-2.
В результате сравнительного анализа возможностей использования статической и динамической методик расчета процесса впрыска применительно к топливной аппаратуре тепловозного дизеля 6ЧНЗ 1,8/33 при использовании СНГ показана необходимость применения динамической теории впрыска, которая базируется на известном волновом уравнении, и предлагается решать методом характеристик Даламбера для ТНВД и форсунки соответственно. Обосновано использование метода расчета впрыска, используемого в ЦНИДИ, когда процесс у ТНВД разбивается на семь этапов, а процесс у форсунки - на три этапа. Особенностью метода является учет утечек у ТНВД, что обусловлено физико-химическими свойствами СНГ.
На базе методов теории подобия и анализа размерностей для геометрически подобных дизелей и их систем разработана методика для выполнения качественных и количественных модельных исследований процессов топливопода-чи в дизелях при использовании сжиженного нефтяного газа, его смесей с дизельным топливом и инициирующими присадками.
В четвертой главе рассмотрены результаты реконструкции топливной системы тепловоза ТЭМ-2 для работы дизеля 6ЧНЗ1,8/33 на СНГ в жидкой фазе и его смесях с дизельным топливом и присадками.
В пятой главе в первом разделе выполнен анализ результатов экспериментов по определению показателей работы дизелей на СНГ и его смесях с дизельным топливом и высокооктановой присадкой. Для проведения экспериментальных исследований был выбран дизель 7Д6, оборудованный всеми необходимыми приборами и устройствами.
Во втором разделе пятой главы предложена методика для комплексной оценки эффективности использования топлива.
В шестой главе выполнен расчет экономической эффективности применения СНГ для тепловозов ТЭМ-2.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе.
В приложениях диссертации приведены сведения об экспериментальных моторных стендах, аппаратуре, датчиках; тарировочныи график системы по давлению в цилиндре; образцы индикаторных диаграмм; схемы и др.
Результаты использования сжиженного газа в транспортных дизелях в различных отраслях народного хозяйства
Газодизельный процесс известен с конца позапрошлого столетия. Способ воспламенения газового топлива дозой запального жидкого был запатентован Р. Дизелем еще в 1898 г., но практически его стали применять только с 1930 г.
Отделение тепловозов и локомотивного хозяйства ЦНИИ МПС в течение ряда лет исследовало возможность применения газового топлива на тепловозах. Особый интерес представляют работы 1958 — 1960 гг., когда были проведены стендовые испытания двигателя Д50 на сжиженном газе с зажиганием газовоздушной смеси запальной порцией жидкого топлива [24,46].
В результате испытаний было установлено, что при подаче 11 - 15 % запального дизельного топлива можно добиться получения мощности вместо 1000 л.с. не более 900 л.с, а при подаче 21 % - довести ее до 935 л.с. (эффективный КПД был равен 32 %). 3. А. Хандовым [94—96] в Центральном научно-исследовательском институте речного флота (ЦНИИРФ) проведено исследование двигателя на генераторном газе по газожидкостному циклу. На испытаниях двигатель развивал мощность до 125 л.с. при частоте вращения 1275 об/мин, максимальное давление сгорания достигало 6,0 МПа, угол опережения подачи жидкого топлива был установлен 40 угла поворота коленчатого вала до ВМТ при коэффициенте избытка воздуха 1,75. Расход запального топлива составлял 25 - 30 % [46].
В 1950 — 1952 гг. Барнаульский и Свердловский заводы транспортного машиностроения, наладившие серийное производство дизелей 6415/18 (Д6), также разработали метод перевода этих двигателей на газовое топливо по газожидкостному процессу. Этот же двигатель газовой модификации ЗД6ГД устойчиво работал на генераторном газе с подачей 14 - 15 % запального дизельного топлива.
Над переводом двигателей 6415/18 на газовое топливо работают и другие заводы совместно с научно-исследовательскими институтами [107].
Из всех работ особый интерес представляют опыты, проведенные ЦНИИ МПС, Новосибирским институтом инженеров водного транспорта, другими учебными и научно-исследовательскими и производственными организациями [61]. Указанные опыты проводились с учетом имеющихся достижений в области перевода двигателей внутреннего сгорания на газообразное топливо.
В Азербайджанской ССР кроме Политехнического института работами в области перевода дизелей на газовое топливо занимались новаторы Азербайджанской железной дороги и Каспийского пароходства [44-46].
Из имеющихся материалов наибольший интерес представляет работа А. М. Платонова [61]. На основе анализа существующих материалов и собственных исследований автор отмечает, что работа двигателя ЗД6 на природном газе по газожидкостному циклу при є = 18 вполне возможна, и при увеличении степени сжатия от 14 до 18 расход запального топлива снижается до 8,3 %. Было также установлено, что угол опережения подачи запального топлива равен 24 -25 угла поворота коленчатого вала до ВМТ, и при работе на природном газе перегрузочная способность двигателя увеличивается со 150 до 171 л.с. даже при максимальном скоростном режиме (пкв =1500 об/мин). При этом максимальное давление горения доходит до 5,73 МПа, температура отработавших газов — до 440 С, а расход запального топлива составляет 13,3 %.
Вопросами перевода судовых двигателей 6415/18 на сжиженный газ занимались в Каспийском пароходстве, где был разработан типовой проект перевода на сжиженный газ буксира, который был практически осуществлен. Проведены соответствующие приемные испытания [45]. В проекте был принят общеизвестный принцип газожидкостного процесса, что дало возможность авторам использовать накопленный в данной области опыт. Тем не менее данную работу нельзя считать законченной, т.к. не были решены вопросы, связанные с хранением и транспортировкой газового топлива в судовых условиях (оно хранилось в баллонах и его хватало всего на 3 - 4 ч).
По описываемому проекту при всасывании в цилиндр двигателя поступает газовоздушная смесь. Эта смесь сжимается поршнем, и в конце сжатия в нее впрыскивается (через форсунку) небольшое количество жидкого топлива. В конце сжатия температура газовоздушной смеси недостаточно высока для воспламенения газа, но превышает температуру воспламенения жидкого топлива. При впрыске небольшого количества жидкого дизельного топлива в сжатую и нагретую газовоздушную смесь обеспечивает ее воспламенение. При этом зажигание рабочей смеси происходит не в одной точке у холодной стенки камеры сгорания, а сразу в нескольких местах одновременно. Такое зажигание ускоряет процесс сгорания при хорошем однородном составе рабочей смеси, делает его более полным. Важным преимуществом такого зажигания является расширение диапазона работы на бедных смесях.
Однако переоборудование дизелей в чисто газовые двигатели наряду с определенными положительными качествами (наиболее полное использование физико-химических свойств применяемого газа, относительно высокая литровая мощность, понижение коэффициента избытка воздуха и др.) имеет и существенные недостатки [46]. В этом случае для исключения детонации снижается степень сжатия базового дизеля до 8 - 10 единиц. При этом головка блока, или поршни, или и то и другое конструктивно меняются: двигатель оборудуется специальной системой газоподачи и смесеобразования, а серийная топливная аппаратура заменяется комплектом приборов для электрического зажигания. В связи с этим исключается работа такого двигателя на жидком топливе. Хотя этот способ достаточно прост, однако в силу указанных недостатков его нельзя признать наилучшим.
Более предпочтителен газодизельный процесс с впрыском запального жидкого топлива, который позволяет в большинстве случаев сохранить высокую степень сжатия и использовать серийную топливную аппаратуру. Поэтому такой двигатель можно эксплуатировать на одном дизельном топливе, эффектно сжигать сравнительно бедные газовоздушные смеси благодаря наличию мощного источника зажигания запального топливного факела. Но и этот метод имеет свои недостатки: наличие двух топлив в разных агрегатных состояниях, а следовательно, и двух систем питания; значительное потребление дизельного топлива в качестве запального; снижение надежности и ухудшение работы топливной аппаратуры (нестабильность топливоподачи, снижение качества распы-ливания), обусловленное необходимостью ее эксплуатации на малых подачах. Последнее иногда приводит к установке на газодизеле дополнительного топливного насоса с уменьшенными по диаметру плунжерными парами или применению насоса специальной конструкции, который представляет собой два насоса в общем корпусе с малой и большой плунжерными парами.
При работе по газодизельному циклу топливо в цилиндр впрыскивает плунжер малого диаметра; при работе по чисто дизельному циклу топливо в цилиндр подает плунжер большого диаметра. Однако газодизельному циклу присущи недостатки: рабочий процесс двигателя протекает с повышенным нарастанием давления и детонацией двигателя на больших нагрузках. При этом приходится уменьшать степень сжатия базового дизеля.
На кафедре ДВС ОИИМФа [72] была разработана и испытана приставка к каждой секции топливного насоса, обеспечивающая впрыск сжиженного газа в смеси с дизельным топливом в цилиндры дизеля. Эта приставка характерна тем, что при ее использовании не требуется конструктивных изменений дизеля. В этом случае дизель может работать как на сжиженном газе, так и на дизельном топливе, причем переход с дизельного топлива на сжиженный газ осуществляется без остановки дизеля.
Экспериментальная оценка воспламеняемости сжиженного нефтяного газа, его смесей с дизельным топливом и присадками
При оценке качества жидких топлив для дизелей определяются показатели, характеризующие следующие эксплуатационные свойства: прокачивае-мость, испаряемость, воспламеняемость и горючесть, склонность к образованию отложений, совместимость с конструкционными материалами, противоиз-носные, защитные свойства, стабильность при хранении, токсичность. Номенклатура показателей качества дизельных топлив, вырабатываемых в нашей стране, регламентируется ГОСТ 4.25-83.
Полный перечень показателей качества определяется при разработке новых топлив для дизелей и постановке их на производство.
При выработке стандартных топлив на нефтеперерабатывающих заводах определяются показатели, предусмотренные нормативно-технической документацией (ГОСТ или ТУ), а при контроле качества топлива, поступающего потребителям, определяется ограниченное число показателей. При этом перечень показателей, определяемых при контроле качества топлива, устанавливается соответствующими ведомственными инструкциями [17].
Действующими ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное», ГОСТ 1667-68 «Моторные топлива» предусматривается определение следующих показателей качества топлив для быстроходных, средне- и малооборотных дизелей: цетановое число, фракционный состав, кинематическая вязкость при + 20 С (для моторных топлив при +50 С), температура застывания, температура помутнения, температура вспышки в закрытом тигле, предельная температура фильтруемо-сти (при поставке топлив на экспорт), массовая доля серы, содержание сероводорода, испытание на медной пластинке, содержание водорастворимых кислот и щелочей, концентрация фактических смол, йодное число, зольность, коксуемость 10 %-го остатка (для моторных топлив - коксуемость), коэффициент фильтруемости, содержание механических примесей, содержание воды, содержание ванадия (в моторных топливах), плотность при 20 С и цвет (у топлив УФС и поставляемых на экспорт).
Одним из основных квалификационных показателей воспламеняемости топлив для дизелей является цетановое число, определяемое по ГОСТ 3122-67 в специальном предкамерном одноцилиндровом дизельном двигателе ИТ9-3 (ИТ9-ЗМ) или ИТД-69 (d/S = 82,6/114, е = 7 - 23, Vh = 0,61 л) с переменным моментом начала впрыскивания при п = 900 ±10 мин- . Здесь обозначено соответственно: d, S, s, Vh, п — диаметр цилиндра, ход поршня (в мм), степень сжатия, рабочий объем цилиндра, частота вращения коленчатого вала. Наиболее часто используют метод совпадения вспышек, подбирая для испытуемого топлива степень сжатия такую, чтобы момент начала воспламенения был равен 13 градусам поворота коленчатого вала (ПВК).
Сущность метода заключается в сравнении самовоспламеняемости испытуемого топлива в двигателе при различных степенях сжатия с самовоспламеняемостью эталонных топлив с известными цетановыми числами в условиях испытания. Подбирается такая степень сжатия, при которой самовоспламенение испытуемого топлива в камере сгорания происходит в верхней мертвой точке (ВМТ) положения поршня при постоянном угле опережения впрыска, равном 13 до ВМТ. В качестве эталонного топлива используют смеси цетана (нормальный гексадекан - парафиновый индивидуальный углеводород, имеющий общую формулу C16H34), воспламеняемость которого принимается равной 100 цетановых единиц, и а-метилнафталина (ароматический бициклический индивидуальный углеводород, имеющий общую формулу СцНю), воспламеняемость которого принята за нуль.
Определение цетанового числа топлива производится при следующем режиме работы моторной установки: Моменты впрыска и начала воспламенения определяются с помощью двух неоновых безинерционных ламп, присоединенных к датчику впрыска и индикатору воспламенения. Лампы установлены на ободе маховика со сдвигом 13 ПВК. При совпадении вспышек обеих лампочек воспламенение топлива происходит точно в ВМТ. Численное значение цетанового числа соответствует объемному содержанию цетана (6 % по общему) в такой смеси с ос-метилнафталином, которая по воспламеняемости на установке ИТ9-ЗМ или ИТД-69 при стандартных условиях испытания эквивалентна испытуемому топливу. Результаты испытания округляются до целых единиц. Допускаемые расхождения результатов определения цетанового числа одного и того же топлива на одной установке не должны отличаться от их среднего арифметического более чем на ± 1,5 цетановые единицы, на различных установках — не более чем на ± 2 цетановые единицы. Цетановое число при этом пересчитывают по соотношению: где Цх — содержание цетана в смеси с ос-метилнафталином, дающий совпадение вспышек при большей степени сжатия j; Ц2 — содержание цетана в смеси с а-метилнафталином, дающий совпадение вспышек при меньшей степени сжатия s2; є — степень сжатия при работе на испытуемом топливе. Установлено, что наибольшее значение ЦЧ у парафиновых углеводородов и наименьшее - у ароматических. Среди парафиновых наибольшее ЦЧ имеют углеводороды нормального строения. Углеводороды с одной или несколькими боковыми цепями имеют меньшие значения ЦЧ.
Особенно низкими ЦЧ обладают бициклические ароматические углеводороды. Увеличение числа атомов углерода в углеводородной молекуле ведет к росту ЦЧ топлива. Для определения воспламеняемости низкоцетановых углеводородов, входящих в состав товарных бензинов, в ФРГ предложена модификация метода измерения ЦЧ на установке BASF, отличающаяся от стандартного метода подогревом всасываемого воздуха до 200,0 ± 0,5 С. В связи с этим вводят понятие температурной чувствительности углеводородов по характеристике их воспламеняемости и новую шкалу ЦЧ: где ЦЧ200 - цетановое число, определяемое при температуре воздуха t = 200 С для смеси цетана и а-метилнафталина; ЦЧ - цетановое число, из которого исключена величина температурной чувствительности смеси цетана с а-метилнафталином. Известно, что для моторных топлив существует корреляция между ЦЧ и их основными свойствами [31,54,77]. Однако типичный характер взаимосвязи между величиной ЦЧ, фракционным составом, плотностью, вязкостью, углеводородным и элементарными составами и др. может нарушаться в зависимости от группового состава топлива, что определяется, главным образом, месторождением нефти и технологией ее переработки. При отсутствии стандартных моторных установок определяют опытным путем ряд показателей качества топлива и затем пересчитывают ЦЧ. Наиболее часто используют эмпирические соотношения между ЦЧ и плотностью, групповым составом, фракционной разгонкой, анилиновой точкой Ат (температура помутнения раствора испытуемого топлива в анилине в пропорции 1:1 и характеризующая содержание в топливе ароматических углеводородов).
Анализ и формирование основных требований и направление развития топливной аппаратуры дизелей, работающих на сжиженном нефтяном газе в жидкой фазе
Выраженной тенденцией отечественного дизелестроения является форсирование дизелей за счет наддува и снижения расхода топлива на дробных режимах нагрузки. Оба эти направления связываются при этом с повышением надежности и моторесурса двигателей, т.е. условиями, крайне затрудняющими осуществление указанных задач. В ряде случаев поставленные задачи усложняются еще и тем, что некоторым современным двигателям приходится работать на широком ассортименте топлива нефтяного происхождения, включающих кроме дизельного топлива также газойль, керосин, разные сорта бензинов и даже сжиженный пропан-бутановый газ [44-46,51,53,72,73].
Столь разносторонние требования приводят к необходимости организации в дизелях соответствующего рабочего процесса, а следовательно, и процесса топливоподачи, так как последний является одним из основных факторов, влияющих на такие основные параметры рабочего процесса, как максимальное давление сгорания pz, скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала --, индикаторный КПД и ряд других. При использовании в дизелях легкого топлива, особенно сжиженного газа в жидкой фазе, при работе с обычными насосами чаще не удается достичь приемлемых значений величин pz и -±—. Упомянув о топливной аппаратуре для впрыска легкого топлива, включая сжиженный газ в жидкой фазе, нельзя не остановиться на сугубо специфических требованиях, распространяющихся только на эту топливную аппаратуру. Последние сводятся к необходимости организации в подкачивающей системе заметно повышенного по сравнению с обычным давления подкачки топлива; предусмотреть возможности работы при относительно увеличенных геометрических ходах плунжера и выработке мероприятий по устранению утечек топлива в прецизионных парах. В случае, если двигатель предназначается для работы на различных видах топлива, к его топливной аппаратуре предъявляется еще одно требование, которое сводится к необходимости быстрой перерегулировки органа управления максимальной цикловой подачей.
Одним из радикальных путей решения данной проблемы является применение в дизелях более широкого ассортимента топлива нефтяного происхождения, что проявляется в тенденциях создания, так называемых, многотопливных двигателей.
Такие двигатели, по ряду официальных источников, могут использовать примерно до 70 % содержащихся в нефти дистиллятных топлив, в то время как обычные дизели и карбюраторные двигатели, вместе взятые, могут потреблять их только в количестве 50 — 55 %.
Из облегченных фракций, помимо обычных дизельных топлив, реально могут найти применение керосины, лигроины, бензины и пропан-бутановые сжиженные нефтяные газы (СНГ). Последние являются побочным продуктом переработки нефти и представляют собой сравнительно дешевое и качественное моторное топливо.
Наряду с последними достижениями в области теории смесеобразования и сгорания топливовоздушных смесей, развития двигателей, работающих по М-процессу или по принципиально новым термодинамическим циклам, которые обеспечивают в значительной степени решение проблемы многотопливности, самостоятельное и исключительно важное значение применительно к дизелям имеет задача созданная эффективной и надежной топливоподающей системы.
В процессе создания многотопливной аппаратуры следует различать два направления. Первое — создание принципиально новой конструкции топливной системы и второе — приспособление серийной топливной системы дизеля за счет соответствующей ее модернизации для работы на топливах различного фракционного состава, в том числе на СНГ в жидкой фазе.
В практике наибольшее распространение получило второе направление как наиболее простое, экономичное и требующее меньшего времени на доводочные работы.
Методика расчета процесса впрыска сжиженного газа в жидкой фазе и его смеси с дизельным топливом
Современное состояние теории подобия позволяет научно обоснованно обобщать и распространять физические закономерности единичных процессов на группу им подобных. Методы подобия могут служить основой для моделирования процессов впрыска топлива в двигатель.
Подобными следует считать такие процессы впрыска, у которых их искомые относительные характеристики удовлетворяют тождественным системам, определяющим процессы математических уравнений, и системам уравнений условий однозначности, приведенным к безразмерной относительной форме. Таким образом, условия подобия процессов впрыска топлива в дизельный двигатель можно определить из уравнений соответствующего класса физических явлений и уравнений условий однозначности [50,59].
Хотя в настоящее время методика расчета топливоподачи в дизелях разработана с учетом использования ЭВМ [27,34,89,90], применение теории подобия позволяет существенно упростить не только расчеты, но и выполнить качественный сравнительный анализ всех этапов расчета при различных условиях, в том числе облегчает проведение анализа процессов топливоподачи в той же системе при использовании более легкого топлива с другими физическими свойствами (плотность, динамическая вязкость и сжимаемость). Исследования [59] показали, что подобие процессов топливоподачи соблюдается не только для систем с полным геометрическим подобием, но и при значительных отклонениях от него. Оказалось, что геометрически подобные системы имеют одина 110 ковые безразмерные характеристики впрыска, что позволяет прежде всего выполнять качественный анализ процесса топливоподачи при применении разных марок жидкого топлива. Однако в общем случае необходимыми и достаточными условиями подобия процесса впрыска являются тождественность дифференциальных уравнений, описывающих движение жидкости, и граничные условия у насоса и форсунки в безразмерном виде, а также геометрическое подобие систем топливоподачи. Используя общую методологию теории подобия, рассмотрим процессы, протекающие в топливной системе дизельного двигателя. Избыточное давление в форсунке р, подъем иглы и и скорость истечения топлива через сопла соо могут быть выражены через параметры топливной системы и время: с — жесткость пружины форсунки; Мп - приведенная масса пружины форсунки; PQ — давление открытия иглы форсунки; а — коэффициент сжимаемости топлива; р — плотность топлива; t = характеристический промежуток времени, соответствующий уг лу поворота кулачкового вала р. Пользуясь теорией размерностей [50], уравнения (3.59) можно привести к безразмерному виду: Величины Еп, С, Мп и А:8 в уравнениях (3.61) являются критериями подобия. В случае неполного соблюдения геометрического подобия топливных систем (разные значения с, (р и т.д.) критерии подобия могут быть выведены исходя из следующих предпосылок: топливо считается идеальной жидкостью; давление топлива р и его плотность р в любой момент времени t считаются одинаковыми; игла поднимается и опускается на седло мгновенно; изменение усилия форсуночной пружины отсутствует; отсасывающее действие иглы при ее движении не учитывается; момент закрытия нагнетательного клапана совпадает с моментом отсечки топлива. При принятых допущениях закон подачи топлива выражается функцией: Секундный расход топлива через сопло можно записать так: Если разделить последнее уравнение на FncT и приравнять его к уравнению (3.62), то после несложных преобразований получим закон подачи топлива в окончательном виде: 1. Выполненные предварительные расчеты показали, что для получения достоверных результатов расчета впрыска топливной аппаратуры быстроходных дизелей легких сортов жидкого топлива необходимо использование динамической теории впрыска, которая учитывает, что топливо является вязкой жидкостью, а характер ее движения в топливопроводе высокого давления является волновым. 2. На основе принятой динамической теории уточнена методика расчета впрыска сжиженного нефтяного газа и его смеси с дизельным топливом и присадками, принятая в практике проектирования систем топливоподачи быстроходных дизелей. 3. Обосновано использование методов теории подобия и анализа размерностей для модельных исследований процессов топливоподачи у ТНВД и форсунки при использовании маловязких жидких топлив. 4. Предложена методика численного моделирования процессов впрыска у ТНВД и форсунки при использовании в качестве топлива сжиженного нефтяного газа и его смесей с дизельным топливом. 4 Реконструкция топливной системы тепловоза ТЭМ-2 для работы дизеля 6ЧНЗ 1,8/33 на сжиженном нефтяном газе в жидкой фазе и его смесях с дизельным топливом и присадками Известно, что перевод двигателя для работы с дизельного топлива на сжиженный газ сопровождается снижением массовой производительности плунжерного насоса, что объясняется меньшей удельной массой сжиженного газа, большей сжимаемостью, малой вязкостью, высокой испаряемостью и другими специфическими свойствами [2,6,15,46,72]. Сжиженный нефтяной газ, являющийся основой топливной смеси, легко переходит в газообразное состояние при падении давления и в процессе наполнения надплунжерного пространства частично испаряется. В результате испарения надплунжерное пространство заполняется смесью жидкости, находящейся в двухфазном состоянии жидкости и пара. Наличие паровой фазы способствует снижению коэффициента подачи, так как часть активного хода плунжера затрачивается на сжатие ее до давления конденсации [46]. Объем паровой фазы зависит от многих факторов, в том числе от продолжительности впуска, скорости поступления топлива и других. Анализ и результаты исследований отдельных вопросов в этом направлении были описаны нами ранее. Поэтому для возможности детального исследования процессов топливоподготовки и топливоподачи системами низкого и высокого давления сжиженного газа, его смесей с дизельным топливом и присадками на первом этапе разрабатывалась схема газодизельной системы для стендовых условий (рисунок 4.1), конструкция которой учитывала специфические свойства сжиженного газа, особенности его смешения с дизельным топливом и присадками, возможность обеспечения стабильной подачи топлива, ее устойчивость как в системе низкого, так и высокого давления.
