Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблем современного использования природного газа в качестве моторного топлива 12
1.1 Энерго-экологические проблемы автомобильного транспорта 12
1.2 Способы конвертации дизелей на питание природным газом 20
1.3. Сравнительный анализ способов конвертации дизелей на питание природным газом с искровым зажиганием, внешним смесеобразованием и количественным регулированием 24
1.4. Результаты работ, посвященных разработке и применению двигателей питаемых природным газом 29
1.5. Цели и задачи исследования .' 57
Глава 2. Результаты расчетного исследования циклов газового двигателя и выбора системы наддува 59
2.1. Результаты расчетного анализа, направленного на обоснование способа конвертации дизелей на питание природным газом 59
2.2. Результаты расчетного исследования циклов газового двигателя без наддува 63
2.2.1. Расчетное исследование влияния на показатели цикла коэффициента избытка воздуха 63
2.2.2. Расчетное исследование влияния давления во впускном трубопроводе (положения дроссельной заслонки) для двигателя без наддува 67
2.2.3. Расчетное исследование влияния на показатели цикла частоты вращения двигателя без наддува 73
2.2.4. Расчетное исследование влияния угла опережения воспламенения на показатели цикла двигателя без наддува 77
2.3. Результаты расчетного анализа направленного на выбор системы наддува 81
Глава 3 Объекты испытаний, экспериментальная установка и методика проведения эксперимента 84
3.1. Газовые двигатели, разработанные на базе дизеля КАМАЗ 84
3.2: Стендовая установка для проведения испытаний газовых двигателей : 98
3.3. Методика проведения экспериментальных исследований 103
Глава 4: Результаты экспериментальных исследований газового двигателя без наддува 106
4.1. Доработка и стендовые испытания системы управления двигателем 106
4.2. Экспериментальные исследования способов снижения нормируемых вредных веществ с отработавшими газами 112
4.2.1. Исследование влияния рециркуляции отработавших газов на содержание NOx в отработавших газах и показатели газового двигателя 115
4.2.2. Исследование влияния впрыска воды на содержание NOx в отработавших газах и показатели газового двигателя : 121
4.2.3. Результаты исследования систем нейтрализации для газового двигателя без наддува 125
4.3. Разработка и стендовые испытания оригинальной системы питания газового двигателя 131
4.4. Результаты испытаний газового двигателя без наддува по 13-ти ступенчатому циклу 134
4.5. Результаты эксплуатационных испытаний газового двигателя в составе транспортного средства 140
Глава 5. Результаты экспериментальных исследований газового двигателя с регулируемым наддувом 143
5.1. Результаты экспериментальных исследований работы газового двигателя с различными системами наддува 143
5.2. Результаты исследования систем нейтрализации применительно к газовому двигателю с наддувом 154
5.3. Результаты испытаний газового двигателя без наддува по 13-ти ступенчатому циклу ESC 165
Заключение и выводы 170
Литература
- Способы конвертации дизелей на питание природным газом
- Результаты расчетного исследования циклов газового двигателя без наддува
- Стендовая установка для проведения испытаний газовых двигателей
- Исследование влияния рециркуляции отработавших газов на содержание NOx в отработавших газах и показатели газового двигателя
Введение к работе
Актуальность работы: Современные энергетические установки, используемые в различных областях деятельности человека, являются главными потребителями ископаемых энергоресурсов. Постоянный рост числа вводимых в эксплуатацию энергетических установок во многом объясняет высокие темпы использования этих ресурсов, в балансе потребления которых ведущую роль занимают нефть и нефтепродукты.
Ввиду постоянно увеличивающегося потребления нефти, запасы которой далеко не безграничны, возникла необходимость более экономного расходования имеющихся запасов нефти и энергичного поиска замены традиционных топлив нефтяного происхождения альтернативными видами горючего топлива.
Современность перед человечеством выдвинула еще одну важную проблему - это сохранение чистоты среды обитания.
Необходимость решения проблемы «замораживания» роста количества вредных выбросов в атмосферу и последующего его снижения требует поиска новых топлив, видов и схем энергетических установок, использующих экологически чистую энергию и не нарушающих природного равновесия.
Одним из основных потребителей энергетических установок, работающих на топливах нефтяного происхождения, является транспорт, основную часть которого составляют автомобили различного назначения, на которые и приходится значительная доля потребления жидких топлив и выбросов вредных веществ в атмосферу. Малая мобильность существующих в настоящее время экологически чистых энергоустановок тормозит широкое внедрение их на автотранспортные средства. Поэтому, наиболее целесообразным является дальнейшее использование в современных автомобильных транспортных средствах традиционных поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС), имеющих высокую степень совершенства и
работающих на альтернативных топливах с сохранением в существенной степени соответствующего оборудования для их производства и хорошо развитой системой сервиса.
При выборе того или иного вида альтернативного топлива необходимо учитывать следующие факторы:
Запасы ресурсов;
Расположение источников относительно мест потребления;
Эффективность процесса производства топлива;
Простоту транспортировки и хранения;
Прямые затраты на системы распределения и снабжения;
Внесение необходимых изменений в конструкцию ПДВС, связанные с переходом на питание новым видом топлива;
Влияние топлива на характеристики автотранспортного средства (динамические, экономические, экологические, простоту и стоимость обслуживания);
Потребление энергии, выделение вредных выбросов и парниковых газов за жизненный цикл автотранспортного средства.
Перспективными заменителями традиционных топлив нефтяного происхождения считаются метанол, этанол, эфиры, газовый конденсат, различные биотоплива, природный газ, а в перспективе водород.
Наиболее известным и исследованным видом альтернативного топлива для транспорта является природный газ. Уникальные физико-химические свойства природного газа, его значительные естественные запасы, развитая сеть доставки от месторождений во многие регионы страны по магистральным и местным газопроводам и экологические преимущества в сравнении с традиционными видами топлив позволяют рассматривать природный газ как наиболее перспективное и универсальное моторное топливо России в XXI веке [21].
При оптимальном использовании природного газа на автомобиле вредные выбросы ниже, чем в случае применения других альтернативных топлив и даже
7 ниже чем в случае электромобилей, если учитывать всю технологическую цепочку [92]. Природный газ обеспечивает также уменьшение примерно на четверть выбросов С02, играющего важную роль в создании парникового эффекта, если двигатель при работе на природном газе будет иметь экономичность не ниже чем базовый дизель.
По мере расширения применения бензиновых двигателей с 3-х компонентными нейтрализаторами, вредные выбросы с выпускными газами дизелей все в большей мере определяют состояние воздушного бассейна городов. Следует отметить, что разработка газовых двигателей на базе дизелей, приспособленных для надежной работы при высоких давлениях в цилиндре, позволяет в газовой модификации использовать высокие степени сжатия.
Наметились две основные возможности применения природного газа при конвертации дизелей:
с использованием концепции "двигателя, работающего на смеси двух топлив" - газодизель;
конвертация дизеля в чисто газовый двигатель с преимущественно искровым зажиганием.
Масштабы применения природного газа на автомобильном транспорте России совершенно не соответствуют уровню добычи газа и даже состоянию инфраструктуры по заправке газом. Имеющиеся около 220 газонаполнительных станций загружены в недостаточной степени (по различным сведениям не более чем на 10...25% от возможной производительности АГНКС [3].
Одной из причин неудовлетворительного состояния дел с применением природного газа на автомобильном транспорте России является отсутствие соответствующего законодательства, создающего льготные условия для применения природного газа. Следует признать, в то же время, что стимулом к применению природного газа в России является его низкая стоимость. Пример большого числа стран (США, Нидерланды, Канада, Япония, и др.) свидетельствует о необходимости введении налоговых льгот и прямого участия государства на федеральном и местном уровне в финансировании работ,
8 направленных на разработку и расширение применения природного газа, так как это отвечает общенациональным и также глобальным интересам, которые отдельному потребителю и даже отдельной фирме сложно осознать, а по экономическим соображениям практически реализовать [91].
Имеется, однако, и другая причина, сдерживающая применение природного газа на автомобильном транспорте. Это - малая изученность особенностей применения природного газа, преимуществ им обеспечиваемых, применительно к автомобильным двигателям. Недостаточное финансирование НИР и ОКР по применению природного газа на транспорте явилось причиной того, что недостаточное число серьезных исследований посвящено этой проблеме. Как следствие, недостаточно получено результатов, могущих явиться материалом для технической пропаганды и конкретных разработок.
Сказанное свидетельствует об актуальности работ, посвященных применению природного газа на автомобильном транспорте России. -
Опыт разработки автомобильных газовых двигателей без наддува и с наддувом невелик, а информация о- таких разработках в основном^ носит ознакомительный, рекламный характер и не содержит результатов научных исследований и детальных сведений о конкретных разработках.
Этим проблемам посвящена диссертационная работа. В ней предпринята попытка разработки рекомендаций по рациональным путям конвертации дизелей без наддува и с наддувом в газовый двигатель при условии сохранения мощностных показателей базового дизеля и обеспечения выполнения перспективных норм по вредным выбросам.
Цель работы: Разработка и научное обоснование методов конвертации дизелей без наддува и с наддувом, на питание природным газом с обеспечением выполнения норм по токсичности отработавших газов.
Объект исследования: Автомобильный дизель КАМАЗ (S/D=120/120) без наддува, и с наддувом жидкостного охлаждения, работающий на компримированном природном газе.
9 Научную новизну работы представляют:
обоснование необходимости, для сохранения мощности базового дизеля без наддува, существенного снижения' избытка воздуха в газовом двигателе до значений, при которых недопустимо высокими оказываются выбросы оксидов азота;
результаты исследований влияния рециркуляции охлажденных отработавших газов и впрыска тонко распыленной воды во впускной коллектор на выбросы NOx и мощностные показатели газового двигателя без наддува;
результаты исследований возможности обеспечения действующих норм по токсичности при конвертации 2-х рядного дизеля без наддува в газовый двигатель без наддува при использовании разработанной оригинальной системы подачи газа;
результаты расчетно-экспериментальных исследований, показавшие возможность сохранения мощности базового дизеля с наддувом и обеспечения высокого запаса крутящего момента в газовом двигателе, работающем на бедных смесях, выбором управляемой системы наддува;
результаты экспериментальных исследований, показавшие возможность обеспечения действующих норм по токсичности при конвертации дизеля с наддувом в газовый двигатель с наддувом, имеющего мощностные показатели базового дизеля и высокий запас крутящего момента, применением систем нейтрализации отработавших газов с использованием катализатора, способного при температурах ОГ после турбины ТКР обеспечить снижение вредных выбросов, включая метан, который, как и диоксид углерода, является парниковым газом, в том числе, с использованием преднейтрализаторов.
Практическая ценность и реализация результатов исследований: При создании в эксплуатационных предприятиях и на заводах на базе автомобильных дизелей газовых двигателей без наддува и с наддувом, обеспечивающих выполнение норм по вредным выбросам, могут быть использованы рекомендации по выбору степени сжатия, системы зажигания, управления и нейтрализации отработавших газов. Важное значение имеет
10 использование также расчетно-экспериментального метода выбора параметров системы управляемого наддува, так как система наддува базового дизеля не обеспечивает приемлемых характеристик газового двигателя.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) при чтении лекций, курсовом проектировании,выполнении бакалаврских работ, дипломных проектов и диссертаций на звание магистра для студентов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» (140501). Научно-техническая разработка, проведенная при выполнении диссертационной работы по газовому двигателю без наддува, доведена до стадии внедрения при создании опытных образцов автобусов А-4216иЛИАЗ-5256.
Апробация, работ: Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях в МАДН (ГТ.У) (1997...2005г.г.), в МГТУ им. Н.Э. Баумана- (1997г.), на международной конференции по автомобилям, питаемым газом топливом, NGV в городе Yokohama, Япония, в 2000г., на симпозиуме "ROZRUCH SILNICOV SPFLINOWYCH" в городе Szczecin, Польша в 2000 г., на 7"и международной научной конференции "SILNIKI GAZOWE" в городе Czestochow, Польша в 2006 г., на Ги и 2"й международных конференциях «Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов» в городе Москве в 2005 г. и 2006 г.
Публикации результатов исследования: по теме диссертации опубликовано 27 работ, из них в изданиях рекомендованным перечнем ВАК-1, в виде публикаций докладов на международных конференциях 5, в том числе, 3 на иностранных языках, 7 патентов РФ.
На защиту выносятся следующие основные результаты исследования:
- расчетно-экспериментальное обоснование необходимости, для обеспечения мощности базового дизеля без наддува, снижения избытка воздуха
в газовом двигателе до значений, при которых требуется принятие мер по снижению выбросов оксидов азота;
результаты опытов по исследованию влияния охлаждаемой рециркуляции отработавших газов и впрыскивания мелко распыленной воды во впускной коллектор на выбросы оксидов азота и. мощностные показатели газового двигателя без наддува;
система питания V-образного газового * двигателя без наддува для центральной эжекционной подачи газа, обеспечивающая точное поддержание по блокам близкого к стехиометрии состава смеси на режимах холостого хода-и полной нагрузки при существенном обеднении смеси (до а=1,5..Л,6) на остальных режимах работы;
расчетно-экспериментальное обоснование необходимости подбора управляемой системы- наддува для газового двигателя с наддувом, обеспечивающей^работу на-бедных смесях при достижении запаса крутящего, момента ~30%;
экспериментальное обоснование необходимости использования в і нейтрализаторах газовых двигателей палладиевого1 катализатора для эффективного снижения выбросов с отработавшими газами метана;
результаты обеспечения на двигателях без наддува норм ЕВРО-3 и с наддувом норм- ЕВРО-5 (за исключением выбросов метана по которым выполняются нормы ЕВРО-3)..
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 22(Гстраницах, в т.ч. 112 стр. машинописного текста, содержит 57 рисунков и 33 таблицы. Список литературы содержит 97 наименования, в т.ч. 19 на иностранных языках. 37 стр. занимают Приложения.
Способы конвертации дизелей на питание природным газом
При конвертации дизеля на питание природным газом применяются два варианта подачи газа: - под избыточным давлением, - при атмосферных условиях (эжекционным способом).
В первом случае в качестве регулировочного узла используется газовая форсунка. В( ряде случаев используется несколько форсунок, через которые газ подают непосредственно под впускной клапан, так называемаяфаспределенная подача газа (в этом случае число форсунок соответствует числу цилиндров, двигателя) [42]. Форсунки могут быть собранны в единый узел для центральной подачи, при этом» узел может быть установлен как перед компрессором ТКР; так и после промежуточного охладителя.
В случае подачи газа при атмосферных условиях (эжекционным способом) используется газовоздушный1 смеситель, устанавливаемый перед впускными коллекторами в случае двигателя, без наддува, или перед входом в компрессоры ТКР в случае двигателя с наддувом.
Рассмотрим преимущества и недостатки вышеперечисленных вариантов подачи газа. При распределенной системе подача газа осуществляется через импульсные клапаны, длительность открытия которых определяет величину подаваемой порции топлива.
Для обеспечения фазированной (распределенной) подачи газа за период после закрытия выпускных клапанов и до закрытия впускных клапанов, необходимо обеспечить высокое быстродействие клапанов. Так, в случае длительности периода подачи газа 180 угла поворота коленчатого вала, длительность, подачи прип = 2200 мин"1 составляет 13,6 мс. Для» обеспечения точности регулирования подачи газа быстродействие клапанов должно быть не меньше 0,45 мс. Быстродействие же известных конструкций составляет 2...2,5 мс. Нередко время-сечение клапанов при приемлемом быстродействии недостаточно для обеспечения требуемой подачи газа при высоких частотах вращения. Увеличение давления газа перед клапанами для обеспечения требуемой подачи газа неприемлемо, так как в этом.случае снижается запас хода автомобиля.
Для обеспечения равномерной подачи газа по цилиндрам и в последовательных циклах необходимо обеспечить высокую точность изготовления клапанов и стабильность их работы, во времени. В целом при успешном преодолении перечисленных недостатков система подачи оказывается сложной; дорогой и недостаточно надежной; Следует также иметь в виду, что распределенная подача газообразного топлива не имеет основного преимущества: систем распределенной подачи бензина, получивших распространение практически на всех моделях современных/ бензиновых двигателей; а именно - обеспечение равномерного распределения смеси по; цилиндрам (как по величине коэффициента избытка воздуха, так и по фракционному составу топлива, подаваемого в различные цилиндры).
К преимуществам распределенной: фазированной подачи газа по цилиндрам можно отнести полное исключение возможности попадания газа в выпускную систему при наличии продувки камеры сгорания; а также несколько лучшие динамические свойства двигателя. Лучшими могут быть также выбросы при высоком быстродействии системы, обеспечивающем возможность оптимизации; состава смеси на переходных и неустановившихся режимах. Первое. преимущество не проявляется в случае "узких" фаз и отсутствии продувки цилиндра даже на режимах полных нагрузок. Второе преимущество не всегда является таковым, так как; по условиям движения например, автобусов; целесообразно плавное начало движение с места, которое обеспечивается применением соответствующего типа трансмиссии. В этом случае резкое нарастание момента и частоты вращения может даже оказаться вредным.
Наконец, гипотетическая возможность поддержания оптимальным состава смеси на, переходных и неустановившихся режимах может оказаться необходимой лишь, при дальнейшем ужесточении норм на-; вредные-выбросы и включения» в тесты, в; частности, режимов пуска. В то же время; очевидна возможность ухудшения- качества. смесеобразования: Подача; газа непосредственно на впускной клапан в виде струи может вызвать.повышенную; неоднородность смеси в цилиндрах, особенно1 при недостаточно интенсивной турбулентности заряда.
Центральная подача- газа: под избыточным; давлением; через несколько-попеременно-работающих клапанов различного? сечения, или: через; клапан с: регулируемым1 сечением при отсутствиш продувки представляется на» сегодняшний день разумным" по техническим, возможностямг и стоимости решением.
При эжекционной подаче; газа; система питания? имеет газовоздушный смеситель, в котором; установлен диффузора \39\, 64, 67, 85]- Преимуществом системы,является ее простота w малая?: стоимость. Автоматическое: обеспечение; постоянства состава смеси; в; случае эжекционной?системы? питания? возможно при; использовании: изодромной системы; редуцирования газа; при которой давление газа после последней ступени редуцирования; не изменяется при изменении расхода газа. Достигается это в современных условиях за счет включения в систему редуцирования дозаторов с электронным: управлением. Регулировки системы, как показал проведенный расчетный? анализ, существенно изменяются при; изменении температуры окружающей среды и давления в баллонах для хранения1 газа. Є помощью управляемых дозаторов, можно обеспечить постоянство оптимальных по составу смеси регулировок; Система неприменима при широких фазах газораспределения- и наличии продувки камеры сгорания;
Как уже было отмечено;, для сохранения мощности; дизеля- при конвертации- его в; газовый; двигатель необходимо уменьшить, коэффициент избытка воздуха. При внешнем смесеобразовании и эжекционной; подаче газа это связано с уменьшением наполнения цилиндров воздухом и повышением сопротивления впускной системы. Как известно, уменьшение коэффициента избытка воздуха приводит к росту содержания NOx в отработавших газах.
Для того чтобы уменьшить выбросы NOx необходимое принять меры.. Существуют два направления:
Первое - уменьшение коэффициента избытка, воздуха до величины близкой. к 1 на всех режимах работы двигателя. При этом появляется возможность использования; трехкомпонентного нейтрализатора, который обеспечивает уменьшение выбросов GO, ЄН, NOx на 90%;
Второе - применение смесей с коэффициентом избытка, воздухш а = . 1,5...1,7. При таких бедных; смесях выбросы NOx резко сокращаются изтза. уменьшения температур горения.
Каждое изэтих:направлений имеют свои преимущества и недостатки;
При конвертации дизеля пошервому направлению одним; изнеобходимых условий нормальной работы двигателя : является снижение: степени? сжатия-двигателя; При;этом-уменьшается степень,расширения; Отработавшие:газьнна: выходе из; цилиндра имеют более высокую температуру,, чем- в: дизеле вследствие снижения степени сжатия и избытка воздуха. Больше в: отработавших газах содержание 3-х атомных компонентов, что также является причиной снижения; экономичности. Существенно меньший избыток воздуха повышает результирующую по теплообмену температуру заряда в цилиндре и молсет явиться причиной повышения тепловой напряженности деталей двигателя. Высокая- температура отработавших газов может, в частности, являться? причинойг перегрева выпускных клапанов и их седел. Предельная величина степени сжатия ограничивается; детонацией и диссоциацией, т.е. существуют два ограничения на; степень сжатия - сверху и снизу.
Результаты расчетного исследования циклов газового двигателя без наддува
Исследование проведено для: условию S/D=120/120,v n=220Q ман } и значений коэффициента , избытка; воздуха а=1,0 m а 1,6.. Характеристики, тепловыделения задавались по уравнениямЧерняка-Ефремова.ишоїВйбе.
В таблице 2.3 приведены результаты исследования, на рис.2.2 приведены соответствующие зависимости.
Значения оптимального угла опережения воспламенения (0О.В) при представлении характера тепловыделения по Черняку-Ефремову вновь существенно (на 8... 16) больше, чем при использовании уравнений Вибе. Несмотря на это, значения г\\ цикла отличаются в обоих случаях мало (на 2,3...5% при а=1,0 и на 0,09...0,7% при а=1,6).
Уменьшение давления во впускном трубопроводе (прикрытие дроссельной заслонки в связи с уменьшением внешней нагрузки) сопровождается заметным снижением теплоиспользования- на (21,4...23,4% при использовании характера тепловыделения по Черняку-Ефремову и на 21,3...22% при использовании характера тепловыделения по Вибе). Это изменение невозможно объяснить только изменением- длительности тепловыделения. При а=1,0 и использовании-характера тепловыделения. по Черняку-Ефремову длительность тепловыделения (ф2) практически не изменяется. Вто же время, именно этим условиям анализа соответствует максимальное изменение ГІ цикла (23,4%).
Причиной снижения индикаторного КПД цикла, как это следует из расчетного анализа, являются:
1) Заметное увеличение относительных потерь в систему охлаждения (Qw/Qi), при неизменной поверхности теплообмена. В исследованном диапазоне Ps от 0,097 МПа до 0,04 МПа относительные потери теплоты в среду охлаждения возрастают при заданном характере тепловыделения по Черняку-Ефремову с 18,2% до 35,2% (для а=1,0) и с 16,6% до 35,5% (для а=1,6). При задании характера тепловыделения по Вибе соответствующие значения меняются, в пределах 17,6-35,4% (для а=1,0) и 16,4-37,2% (для а=1,6). При дросселировании температуры заряда растут, в том числе, средняя результирующая по теплообмену температура. Происходит это как следствие увеличения относительного количества продуктов сгорания,
оставшихся в цилиндре после предыдущего цикла (увеличение коэффициента остаточных газов). Несмотря на это, абсолютное количество теплоты, теряемой в среду охлаждения, уменьшается из-за уменьшения интенсивности теплоотдачи. Основное влияние на снижение интенсивности теплоотдачи оказывает, очевидно, существенное уменьшение плотности заряда. Сведения, представленные в таблице 2.4, показывают, что при изменении давления во впускном трубопроводе с 0,097 МПа до 0,04 МПа абсолютные потери теплоты в среду охлаждения (Qw) уменьшаются при а=1,0 с 645 Дж до 500 Дж (при заданном характере тепловыделения по Черняку-Ефремову) и с 625 Дж до. 502 Дж (при заданном характере тепловыделения по Вибе). В случае а=1,6 соответствующие диапазоны изменения Qw соответственно 383...334 Дж по Черняку-Ефремову и 378...340 Дж по Вибе. Следовательно, изменение Qw происходит на 24...29% при а=1,0 и на 11...14,6% при а=1,6. В то же время, количество введенной теплоты меняется в существенно большей степени - в 2,5 раза. В результате, относительные потери теплоты изменяются весьма существенно: в 1,93...2 раза при а=1,0 и в 2,13...2,26 раза при а=1,6. Это, естественно, снижает долю теплоты обращенной в работу, т.е. У]\ цикла.
2) Увеличение доли 3-х атомных газов вследствие увеличения количества остаточных продуктов сгорания в заряде.
Увеличение доли 3-х атомных газов и повышение температуры заряда приводят к увеличению теплоемкости заряда и снижению показателя адиабаты. В результате, уменьшается термический КПД (rt), от которого зависит г\[ действительного цикла.
3) Следствием снижения ГІ цикла является большее уменьшение среднего давления цикла по сравнению со снижением цикловой подачи топлива. Исследование проведено для условий: -полное открытие дроссельной заслонки; -состав смеси а=1,0.
Характер тепловыделения задавался по уравнению Черняка-Ефремова. В таблице 2.5 приведены результаты расчетного исследования. На рис.2.3 приведены зависимости ряда параметров от частоты вращения. Параметры во впускном и выпускном трубопроводах определялись по выражениям: Ps=P0-APenk ч2 ( п Y — ,где (2.1) V Пчом ) АРвп к - падение давления на участке от атмосферы до впускного -ь трубопровода на номинальном режиме (при «,,011 =2200 мин" ); ,2 Рт=Р0+АРшпк — ] , где (2.2) V Пном J ЛРвыяк- перепад давления на участке от выпускного трубопровода до атмосферы на номинальном режиме (при пиом =2200 мин"1).
Расчеты проведены для двигателя без наддува в предположении отсутствия нейтрализатора отработавших газов.
При уменьшении частоты вращения среднее значение коэффициента теплоотдачи (сСт ср. Сж-р) уменьшается в 1,45 раза, а среднее значение коэффициента теплоотдачи за цикл (ctxCp. цикл) - в 1,53 раза, уменьшается также результирующая по теплообмену температура (Трез). Несмотря на отмеченные уменьшение параметров, влияющих на теплоперенос заряда, существенно увеличиваются при уменьшении частоты вращения абсолютная и относительная потери теплоты (на -40%), вследствие превалирующего влияния увеличения продолжительности теплообмена.
Стендовая установка для проведения испытаний газовых двигателей
Has рисунке 3;12 представлена- общая; схема; экспериментальной? установки.. ..... . (Собственно экспериментальная установка , для; испытанию двигателей с: наддувом:и.без наддува практически одинаковы; На рис..3; 12:показан»?вариант установки для испытаний;двигателях: наддувом.
Стенд; для проведения испытаний: газового1 двигателя с: наддувом, представляет собой электротормозную установку DS; 1146 - 4K/V мощностью 285 кВт при работе в генераторном режиме. Электротормозная» установка включает в себя: балансирную машину переменного тока 22; пульт управления установкой; весовое устройство для, измерения величины развиваемого двигателем крутящего: момента; электрический тахометр; фиксирующий частоту вращенияї двигателя и преобразователь (на схеме не показаны). Используются два способа замера величины крутящего момента:: с. помощью рычажных весов: со стрелочной: индикацией? значений крутящего момента- и с помощью тензодатчиков с цифровой индикацией значению момента. Правильность показаний весового устройства: контролируется их тарировкой с помощью: рычажной системы, навешиваемой, на, период тарировки? весов; на: балансирную машину и набора калибровочных гирь.
Газовый двигатель закреплён на фундаменте с помощью четырёх, регулируемых по высоте, опор. К опорам двигатель крепится через резиновые подушки.
Соединение двигателя с тормозной установкой выполнено коротким карданным валом с двумя карданными шарнирами. Со стороны двигателя карданный вал крепится к кольцевой компенсирующей муфте. Демпфирующим элементом муфты служат резиновые втулки. Муфта, в свою очередь, крепиться к маховику двигателя через стальной диск, толщиной 20 мм. В пальцевом соединении предусмотрены меры для предотвращения осевых перемещений полумуфты, соединённой с карданом, и выходу её из зацепления. Вал имеет соответствующее ограждение.
Природный газ для питания двигателя подаётся от передвижной системы газоснабжения и хранения сжатого газа. Эта система включает в себя батарею соединённых между собой баллонов, которые составлены в две кассеты, установлены и закреплены на платформе автомобильного прицепа и расположены вне помещения испытательного бокса.
Каждая кассета имеет по 44 баллона из легированной стали ЗОХМА, которые соединены между собой арматурой газобаллонных автомобилей. Объём каждого баллона 50 литров, максимальное давление газа в баллоне 200 бар.
Кассеты имеют по одному расходно-запорному вентилю 15 (см. рис. 3.12) и манометру для контроля давления газа в баллонах.
В период проведения испытаний кассета подключается к газовой магистрали бокса с помощью гибкого шланга. После выработки газа из обеих кассет, заправка кассет осуществляется от передвижной автомобильной газозаправочной станции до максимального давления.
Система редуцирования газа при подаче газа под давлением одноступенчатая, при подаче газа эжекционным способом - трехступенчатая.
Газовый редуктор высокого давления 13 установлен вне бокса. Перед подачей в редуктор высокого давления газ подогревается в специальном подогревателе 14.
Система подогрева газа автономная, установлена в помещении бокса. Она включает в себя бак 17, в который вмонтирован электрический ТЭН, включённый в электрическую сеть. В бак вмонтирован датчик-выключатель 18, который автоматически управляет энергией, подаваемой на ТЭН, и предотвращает закипание воды (при превышении температуры воды выше 90С датчик автоматически отключает электроэнергию, при остывании датчика до 85С подача энергии возобновляется). Система управления ТЭНом выполнена электронной, чтобы повысить точность регулирования и надёжность её работы. Циркуляция воды в подогревателе принудительная. Циркуляцию осуществляет водяная помпа 19, механически связанная с электромотором 20.
После подогревателя 14 газ поступает в газовый редуктор высокого давления 13, где его давление уменьшается с 200 бар до 6...8 бар при работе с эжекционной системой подачи газа и до 4,5...5 бар при работе с подачей газа под давлением.
После редуктора высокого давления 13 газ поступает в газовый счётчик 11 (РС-40). Газовый счётчик 11 помещён внутри барокамеры. Это позволяет выполнять измерение расхода газа при давлении выше атмосферного. Подвод газа осуществляется в барокамеру, а выход - из счётчика. Для расчета массового расхода газа через двигатель измеряются давление манометром 9 и температура газа 10 на входе в счётчик, а также время, за которое происходит изменение показаний счётчика на такое число м3, при котором время измерения больше 60 секунд. Для этого в барокамере выполнены два специальных окна. Одно из них используется для подсветки, второе - для считывания единиц измерения.
Из барокамеры газ, в случае его подачи под давлением, через пусковой
электромагнитный клапан 8 и ресивер 7, поступает непосредственно в клапан 6, регулирующий подачу газа.
При эжекционной подаче газ из барокамеры подводится к двухступенчатому газовому редуктору, где происходит снижение давления с 6...8 бар до 5.. .20 мм НгО, а затем поступает в газовоздушный смеситель.
Воздух во впускную систему двигателя подаётся через ресивер 3, на входе которого установлено нормальное сопло 1. Имеется набор нормальных сопел различного диаметра (38, 60, 80 мм) для измерения с необходимой точностью расхода воздуха на всевозможных режимах.
Для определения расхода воздуха с помощью пьезометра 2 регистрируется перепад давления между пространством за соплом и атмосферой. Температура воздуха измеряется перед соплом с помощью термометра сопротивления. Барометрическое давление и влажность воздуха регистрируются приборами, которые установлены в боксе.
Исследование влияния рециркуляции отработавших газов на содержание NOx в отработавших газах и показатели газового двигателя
Haf рис. 4.4 изображена система рециркуляции отработавших?, тазов-, которая была смонтирована и испытана на газовом двигателе..
На; графиках,, представленных на- рис.4.5, показано? влияние количества перепускаемых отработавших газов 5бг (график а)г на; показатели двигателя на режиме максимального крутящего момента (п=1400 мин"1). Снижение расхода воздуха GB (график б) и газа Gr (график в); при практически неизменных значениях ОС (график г), свидетельствует о замещении части свежего заряда отработавшими газами: Происходит снижение максимальной температуры цикла, а следовательно и выбросов- NOx (график д), одновременным уменьшением; значения максимального крутящего момента Me (график ё). Уменьшение угла опережения зажигания 6У.0.3., приводит к снижению максимальной температуры цикла,; что; также приводит к; снижению выбросов? N0X (график, д); с: одновременным;. уменьшением значения; максимального крутящего момента Мк (график: e)i При этом; полностью газовоздушная смесь в цилиндре сгореть не успевает, и догорание происходит в выпускном коллекторе. Температура отработавших газов при 0у.о.з:= 6 гр.до ВМТ значительно возрастает и на некоторых режимах выпускные коллекторы нагревались до малинового цвета.
На графике а (см. рис.4.5) видно, что открытие клапана перепуска (1) на величину более 2 мм приводит к снижению количества перепускаемых отработавших газов. Причиной- послужил конденсат, скапливавшийся в трубопроводе после клапана перепуска. При этом температура перепускаемых отработавших газов изменялась от 40С до 90С в зависимости от их количества. Следовательно, температуру перепускаемых отработавших газов необходимо поддерживать не менее 100С для того, чтобы избежать образования конденсата.
Исходя из простоты конструкции и управления системой рециркуляции, планировалось использование двухходового5 (открыто-закрыто) клапана перепуска, который должен срабатывать при открытии дроссельной заслонки на 95% и иметь одно постоянное проходное сечение на режимах полной нагрузки максимального крутящего момента.
Выбрав оптимальную высоту подъёма клапана перепуска Пкл=2мм получили:
1) снижение Мк на 6,9% (605 Н м), при этом концентрация NOx упала на 37,5% и составила 2000 чнм;
2) эффективная мощность Ne на номинальной, частоте вращения снизилась на 12,2% (до 121,4 кВт), при этом концентрация NOx упала на 50,8% и составила 1230 чнм.
Следовательно, попытка уменьшить содержание NOx в- отработавших газах на режимах полной нагрузки и максимального крутящего момента влечёт за собой заметное снижение мощностных параметров газового- двигателя. Кроме того, степень снижения концентрации NOx нельзя признать достаточной. Больший перепуск на двигателе без наддува таюке нецелесообразен. Поэтому были проведены опыты по определению концентрации NOx в отработавших газах при снижении полной нагрузки на 12...15% обеднением газовоздушной смеси.
В результате дефорсирования двигателя по мощности обеднением газовоздушной смеси путём уменьшения величины открытия экономайзера в 2 раза, мощность двигателя упала до Ne= 120,95 кВт, а максимальный крутящий момент до Мк=560 Н м. При снижении Мк на 13,8 %, Ne на 12,4 %, концентрация NOx в отработавших газах на режиме максимального момента уменьшилось до 1098 чнм, а на номинальном режиме - до 1219 чнм. На графиках, представленных на рис. 4.6 видно, что у двигателя с системой рециркуляции на оборотах п=1400 чнм и Мк=100% (режим максимального крутящего момента) содержание NOx и максимальный крутящий момент выше, чем у дефорсированного варианта. А на оборотах п=2200 мин"1 и Ne=100% (см. рис.4.6) содержание NOx в отработавших газах, и значение Ne практически одинаковы в обоих случаях.
Анализ результатов экспериментов и расчётов показывает, что использование рециркуляции отработавших газов, для уменьшения содержанию NOx в отработавших газах, практически адекватно дефорсированию двигателя. И в том, и в другом случае происходит снижение полной мощности на 12...13% при практически одинаковом снижении концентрации оксидов азота в отработавших газах. Однако, при использовании рециркуляции ОГ несколько меньше снижение максимального крутящего момента.
