Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Социально - экологические аспекты влияния автотракторных двигателей на окружающую среду 12
1.2. Существующие типы газодизелей 16
1.3. Физико-химические основы образования сажи в дизелях 19
1.3.1. Физико-химические свойства частиц сажи 19
1.3.2. Теории образования твердой сажистой фазы из углеводородов топлива 23
1.3.3. Физико-химический механизм выделения сажи в дизеле 38
1.4. Модели образования и выгорания сажи в цилиндре газодизеля. 54
1.5. Задачи исследования 60
2. Теоретические предпосылки процесса образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на СПГ 63
2.1. Химизм процесса горения метана 63
2.2. Расчет геометрических параметров запальных факелов дизельного топлива 66
2.3. Расчет параметров смесеобразования запальной дозы дизельного топлива с метановоздушной смесью 71
2.4. Моделирование структуры топливного факела 74
2.5. Феноменология процессов образования и выгорания частиц сажи в цилиндре газодизеля 79
2.6. Математическое моделирование процесса образования сажи в цилиндре дизеля при работе на СПГ 86
3. Особенности использования методик в экспериментальных исследованиях. экспериментальные установки, приборы и оборудование 91
3.1. Методика стендовых исследований по улучшению эксплуатационных показателей тракторного дизеля 44 11,0/12,5 путем применения в качестве альтернативного топлива природного газа 91
3.2. Экспериментальные установки. Приборы и оборудование 96
3.2.1. Экспериментальные установки для проведения стендовых исследований. Приборы и оборудование 96
3.2.2. Особенности экспериментальных установок, приборов и оборудования для исследования применения природного газа в тракторном дизеле 44 11,0/12,5 101
3.3. Обработка результатов исследований. Ошибки измерений 104
4. Улучшение эффективных показателей тракторного дизеля 44 11,0/12,5 путем применения природного газа в качестве альтернативного топлива 109
4.1. Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 при изменении установочного угла опережения впрыскивания топлива 109
4.2. Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 114
4.3. Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от функции частоты вращения коленчатого вала 120
4.4. Влияние применения природного газа на токсичность и дым-ность отработавших газов 123
4.4.1. Влияние применения природного газа на показатели токсичности и дымности отработавших газов в зависимости от установочного угла опережения впрыскивания топлива 125
4.4.2. Влияние применения природного газа на показатели токсичности и дымности отработавших газов в зависимости от нагрузки 128
4.4.3. Влияние применения природного газа на показатели токсичности и дымности отработавших газов в зависимости от функции частоты вращения коленчатого вала двигателя 134
4.5. Определение относительного содержания и массовой концен трации сажи в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 136
4.5.1. Определение относительного содержания и массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 на номинальном режиме работы 137
4.5.2. Определение относительного содержания и массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 на режиме максимального крутящего момента 141
4.5.3. Определение относительного содержания и массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочновочного угла опережения впрыскивания топлива 143
4.5.4. Определение относительного содержания и массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 146
4.5.5. Определение относительного содержания и массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения частоты вращения 150
4.6. Математическое моделирование процесса образования сажи в цилиндре дизеля 44 11,0/12,5 при работе на СПГ 153
5. Разработка и создание опытного образца трактора мтз - 80 для работы на сжатом природном газе 160
5.1. Разработка системы питания и регулирования для дизеля 44
11,0/12,5 трактора МТЗ - 80/82, для работы на сжатом природном газе 160
5.2. Разработка и создание опытного образца трактора МТЗ - 80 для работы на сжатом природном газе 163
6. Оценка эффективности использования природного газа в качестве моторного топлива в тракторном дизеле 44 11,0/12,5 167
Выводы 170
Литература
- Физико-химические основы образования сажи в дизелях
- Расчет параметров смесеобразования запальной дозы дизельного топлива с метановоздушной смесью
- Экспериментальные установки. Приборы и оборудование
- Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки
Введение к работе
Двигатели тракторов и автомобилей, представляющие основу мобильного обеспечения сельскохозяйственного производства РФ, являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды и потребителями моторных нефтяных топлив.
В связи с тем, что дизели, кроме определенного экологического преимущества (меньше эквивалентная токсичность в 1,5...2 раза по сравнению с карбюраторными двигателями) имеют высокую топливную экономичность (на 25...30 %), этот тип ДВС необходимо рассматривать как наиболее перспективный практически во всех отраслях хозяйства.
По ориентировочной оценке специалистов суммарная масса выбросов всех дизелей, находящихся в странах СНГ, составляет 14... 18 млн. тонн в год. Причиняемый им суммарный экологический ущерб для окружающей среды оценивается в несколько млрд. рублей в год.
В отработавших газах дизелей содержится несколько сотен различных компонентов, многие из которых токсичны. Они попадают на растения, почву, вдыхаются животными и людьми, снижают урожайность, ухудшают качество сельскохозяйственной продукции, оказываются в организмах животных и людей, в потребляемой ими пище.
Крайне неблагоприятная экологическая обстановка во многих регионах, международные обязательства России по охране окружающей среды определяют важность работ, направленных на ее оздоровление, в первую очередь на снижение загрязнения атмосферного воздуха от вредного выброса транспортных средств.
Вместе с тем весьма актуальным для хозяйств России является проблема экономии нефтяного моторного топлива. Исследование возможности замены его на альтернативные виды топлива не нефтяного происхождения и использование их в двигателях транспортных средств. При этом особый ин-
терес представляют задачи одновременного улучшения экологических и эффективных показателей дизелей транспортных средств.
Анализ передовых направлений научных исследований, проведенных за рубежом и в странах СНГ, посвященных данной проблеме, позволяет сделать вывод, что для практической реализации в двигателях транспортных средств, в первую очередь в дизелях, возможно использование такого альтернативного топлива, как природный газ, который имеет не нефтяное происхождение и может существенно улучшить эксплуатационные и экологические показатели дизелей и при этом расширить ресурсы моторного топлива.
Все это дает основание предполагать, что улучшение экологических показателей дизелей тракторов, предназначенных для эксплуатации в экологически экстремальных условиях, путем снижения токсичности и дымности ОГ, экономии нефтяного моторного топлива за счет применения природного газа, является весьма актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение и включенной в перечень критических технологий федерального уровня.
Целью исследований является снижение дымности отработавших газов тракторного дизеля 44 11,0/12,5 путем применения природного газа.
Объект исследований. Тракторный дизель 44 11,0/12,5 (Д-240) жидкостного охлаждения сельскохозяйственного трактора МТЗ-80/82, альтернативное топливо - природный газ.
Научная новизна работы. Исследование влияния природного газа на процесс образования сажи, характеристики сажевыделения в цилиндре, мощ-ностные, экономические и токсические показатели тракторного дизеля 44 11,0/12,5 с камерой сгорания ЦНИДИ.
Расчет параметров дизельного факела, впрыснутого в цилиндр газодизеля и разработка уточненной модели распространения топливных факелов при впрыскивании запальной дозы дизельного топлива многодырчатой форсункой.
Феноменологическая модель образования и выгорания сажи в цилиндре газодизеля при впрыскивании дизельного топлива (запального) через многодырчатую форсунку, основанная на особенностях смесеобразования и горения метановоздушной среды в цилиндре газодизеля.
Математическая модель содержания сажи в ОГ дизеля в зависимости от среднего эффективного давления.
Химизм процесса горения метана в цилиндре газодизеля.
Конструкция и опытный образец трактора МТЗ-80, работающего на сжатом природном газе с улучшенными экологическими и эффективными показателями, предназначенный для эксплуатации в экологически экстремальных условиях.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Результаты научно-технической разработки, созданной при выполнении диссертационной работы доведены, до стадии создания макетного образца трактора МТЗ-80 и проведения функциональных испытаний. Результаты НИР по созданию макетного образца трактора МТЗ-80 с системой питания, модернизированной для работы на сжатом природном газе (СПГ) переданы НПО СКТ НАТИ (г. Москва) для внедрения в перспективных работах. Макетный образец трактора МТЗ-80, модернизированный для работы на СПГ внедрен в учебно-опытном хозяйстве «Чистые пруды» Вятской ГСХА, чер-тежно-конструкторская документация передана в ООО «Волготрансгаз» Кировского ЛПУ МГ РАО «Газпром». Результаты исследований рекомендованы для перевода сельскохозяйственной техники на природный газ в Республике Татарстан.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской, Нижегородской государственных сельскохозяйственных академиях и Чувашском институте Московского открытого государственного университета.
Экономический эффект от внедрения макетного образца газодизельной модификации трактора МТЗ-80 составляет 40 тыс. руб. в год.
Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР Вятской ГСХА на 2000...2005 г. г. (номер государственной регистрации в ВНТИ Центре 01.2002.06497).
На защиту выносятся следующие положения.
1. Результаты стендовых исследований влияния применения природно
го газа в качестве моторного топлива на процесс сажеобразования, характе
ристики сажевыделения в цилиндре, мощностные экономические и токсиче
ские показатели тракторного дизеля 44 11,0/12,5 с камерой сгорания ЦНИ-
да.
Расчет параметров дизельного факела впрыснутого в цилиндр газодизеля и разработка уточненной модели распространения топливных факелов при впрыскивании запальной дозы дизельного топлива многодырчатой форсункой.
Феноменологическая модель образования и выгорания сажи в цилиндре газодизеля при впрыскивании дизельного топлива через многодырчатую форсунку, основанная на особенностях смесеобразования и горения ме-тановоздушной среды в цилиндре.
Математическая модель содержания сажи в ОГ газодизеля в зависимости от среднего эффективного давления.
Химизм процесса горения метана в цилиндре газодизеля.
Конструкция и опытный образец трактора МТЗ-80 работающего на сжатом природном газе с улучшенными экологическими и эффективными показателями, предназначенный для эксплуатации в экологически экстремальных условиях.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях Вятской государственной сельскохозяйственной академии в 2000...2003 г. г., на 12-ой научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Улучшение экс-
плуатационных показателей мобильной энергетики», 2001 г. (г. Киров), на 9-ой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств», 2002 г. (ВлГУ, г. Владимир), на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», 2002 г. (Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, г. Санкт-Петербург-Пушкин), Международной научно-практической конференции «Здоровье - Питание - Биологические ресурсы», 2002 г. (НИИСХ Северо - Востока, г. Киров), на ВВЦ России, 2002 г. (г. Москва), на научном совете по механизации сельского хозяйства Академии наук Татарстана, 2003 г. (г. Казань).
Результаты работы демонстрировались на Российской агропромышленной выставке «Золотая осень 2002» и отмечены бронзовой медалью и дипломом третьей степени победителя смотра - конкурса «Прогрессивные виды сельскохозяйственной техники и оборудования для АПК» 2002 г., ВВЦ (г. Москва).
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах.
Физико-химические основы образования сажи в дизелях
В энергетическом горении с экономической и экологической точек зрения сажа является нежелательным продуктом. Традиционно большой интерес к вопросам сажеобразования существовал в области технологического горения, где сажа является целевым продуктом процесса.
Несмотря на различный целевой подход в технологическом и энергетическом горении, физические и химические основы процесса во многом идентичны. Поэтому весь большой опыт изучения процесса сажеобразования, накопленный в различных областях науки о горении, может составить единую и надежную теоретическую основу рассмотрения этого сложного многостадийного процесса применительно к условиям сгорания в дизелях.
За последние 30...40 лет было выдвинуто множество точек зрения на механизм образования сажи, детальное обсуждение которых содержится в работах П.А. Теснера, В.Н. Мальцева, А.Г. Гейдона, В.Г. Кнорре, Г.В. Мане-лиса, У. Гардинера, Т. Танзавы, В. Хайнеса, М.В. Страдомского, П.А. Марше, Ф.Г. Бакирова, Н.М. Вихерта, С.А. Батурина, А.Д. Кокурина; В.И. Смайлиса, Н.А. Баранова и др. [21...72].
Литература по образованию сажи обобщена в ряде обзоров [33...36, 46...49, 63...69, 73, 74]. Физико-химические свойства сажи рассмотрены в [38, 42, 58, 63...69, 71, 73, 74]. Количественные данные по образованию сажи в процессах энергетического и технологического горения содержатся в [27, 55, 64]
Изучению физико-химических свойств сажи было посвящено значительное число работ [25, 63...69, 71, 73, 75...83, 86]. Благодаря применению современных методов исследования, таких как электронная микроскопия высокого разрешения, рентгеноскопия и спектроскопия, газовая хромотогра-фия, контактных и оптических методов исследования; за последние десятилетия получено достаточно полное представление о размерах, структуре и физико-химических свойствах сажи.
Внутренняя структура частиц сажи. Рентгеноструктурными исследованиями и с помощью микроскопов с высокой разрешающей способностью установлено, что атомы углерода образуют гексогональную структуру, характерную для кристаллов графита, с расстояниями между атомами 0,142 нм и между слоями 0,345...0,370 нм. Графит имеет плотную упаковку с расстоянием между слоями 0,335 нм.
Два близлежащих слоя образуют пластинку, совокупностью от 2 до 10 пластинок - кристаллитов. Кристаллиты включают примерно 50.. .160 атомов углерода и имеют размер 1...5 нм. Сферическая частица сажи диаметром 20...30 нм содержит 10 ...10 подобных кристаллитов и состоит примерно из миллиона атомов углерода.
В частицах высокотемпературной ацетиленовой сажи кристаллиты располагаются произвольно, образуя так называемую турбостатную структуру. Частицы низкотемпературной сажи, образующейся при температурах процесса Т 1500 К, имеют более упорядоченную структуру. Вблизи поверхности таких частиц графитовые сетки изгибаются, повторяя сферическую форму частицы. Внутри частицы имеются включения аморфного углерода, неупорядоченные кристаллиты, а также области с более или менее регулярным расположением кристаллитов вокруг определенных центров роста. Такая структура связана с коагуляцией и с последующим поверхностным ростом объединившихся частиц на ранней стадии развития процесса сажеоб-разования.
В последнее время удалось установить наличие одиночных связей С - С в кристаллитах. Отмечено большое количество дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. Установлено также, что сравнительно старые частицы содержат меньше водорода и имеют более упорядоченную структуру вследствие явления графитизации. В процессе графитизации происходит перестройка внутренней структуры частиц сажи, уменьшается число дислокации кристаллической решетки за счет удаления части атомов водорода, кристаллиты приобретают пространственную упорядоченную ориентацию, располагаясь послойно по сферическим поверхностям.
Форма и дисперсный состав частиц сажи. Анализ электронных микрофотографий [63...69, 71, 75...77, 79...81, 84, 85] для различных условий горения позволил обнаружить широкий спектр форм частиц сажи: сферические, хлопьевидные, кружевидные, нитевидные и другие структуры.
Размеры частиц в пламенах, не дающих копоти, не превышают 10 нм, а в коптящих пламенах встречаются более крупные частицы 10...200 нм. В процессах энергетического горения при сжигании углеводородных топлив в камерах сгорания ДВС, ГТД и топках ТЭС установлено, что основу структуры частиц сажи составляют сферические частицы с диаметром порядка 20...80 нм [27, 58, 61, 73, 75, 76, 78, 86]. Сложные структуры, как правило, являются вторичными, образовавшимися в результате коагуляции и агломерации первичных сферических частиц.
Удельная поверхность частиц сажи однозначно связана со средним поверхностным размером Dc и плотностью частиц и находится в пределах 40... 120 м /г для различных режимов работы двигателя [50].
Многочисленными исследованиями установлено, что дисперсность сажи повышается при увеличении температуры и давления реакционной смеси, максимальную дисперсность имеет детонационная сажа: уд = 170.. .220 м /г.
Расчет параметров смесеобразования запальной дозы дизельного топлива с метановоздушной смесью
Полусферический объем, занимаемый топливными факелами в камере сгорания, вычисляем по формуле: VT. .=J ZJ-LV (2.25) где Ьф - длина запального факела, мм. При найденном в 2.24 значении Ьф = 17,9 мм полусферический запаль-ный объем V3 = 12 см и составляет 16,1 % от объема камеры ЦНИДИ дизеля Д-240-Укх. = 74,2см3.
Отношение объема камеры сгорания VKX. = 74,2 см к объему цикловой подачи топлива на номинальном режиме работы дизеля Д - 240 - VUT = 75 мм3 примерно равно 103 и незначительно меньше отношения запального объема V3 = 16,2 см к объему запальной дозы дизельного топлива VUT3 = 15 мм . Это косвенно подтверждает правильность расчета длины факела Ьф и принятой полусферической формы запального объема (2.25).
Процесс смесеобразования запальной дозы дизельного топлива с воздухом при работе газодизеля на холостом ходу не должен отличаться от этого процесса в дизеле Д - 240, имеющем на холостом режиме объемно - пленочное смесеобразование. На холостом ходу такая длина топливных факелов Ьф может обеспечить в основном объемный способ смесеобразования в запальном объеме V3=0,218-VKC. (2.26) При этом средний коэффициент избытка воздуха при работе дизеля на номинальном режиме:
Согласно расчетно-экспериментальным данным азх = 1,13 ап, то есть незначительно отличается от равенства азх = ссп, удобного при выделении в камере сгорания запальной зоны 1 (рис. 2.3) и зоны 2 с метановоздушной смесью.
Определим массовые доли содержания воздуха и метана в объеме камеры сгорания по формуле: М ті=-К (2.29) М где Mj - массы отдельных газов; М - масса всей смеси.
Массовая доля вычисленная по выражению 2.29, для метана составляет mM = 0,03, для воздуха соответственно mB = 0,97. Тогда масса воздуха и метана в объеме факелов (Уф = 12 см ) определятся из выражения 2.29 и составит Мм = 2 кг, для воздуха Мв = 64,2 кг при их подаче за один час на номинальном режиме двигателя.
По рассчитанным данным определим средний коэффициент избытка воздуха в зонах 1 и 2 (см. рис 2.3) по формуле 2.27 для общего количества топлива. Тогда для первой зоны коэффициент избытка воздуха составит а = 1,01, для зоны 2 соответственно а = 2,24. Ниже приведены расчеты осред-ненного значения коэффициента избытка воздуха в зависимости от нагрузки, которые представлены рис. 2.4.
По полученным данным, мы видим, что в первой зоне коэффициент избытка воздуха меняется незначительно, в отличии от второй зоны, в зависимости от нагрузки газодизеля, следовательно, можно предположить, что в цилиндре газодизеля образование частиц сажи происходит преимущественно
от неполного сгорания жидкого топлива. Во второй зоне преобладает МВС, углерод образуется в областях относительно высокой температуры, в которых частицы быстро сгорают без образования сажи, при этом, по нашему мнению на малых нагрузках при работе газодизеля рост частиц сажи в ОГ должен быть незначительным. Он должен происходить на режимах близких к номинальной и выше, т.к. на этих нагрузках резко увеличивается подача газообразного топлива, при неизменной подаче ДТ, а следовательно уменьшается а, что приводит к нехватке окислителя и интенсивному образованию сажи.
Согласно [144] топливный факел имеет пять зон, рождаемых из центрального ядра 1 (рис. 2.5). Уровень их дисперсности по размеру частиц не известен, но в устье распылителя должна быть неразрывная струя, а на границе дисперсного факела с дисперсионной метановоздушной средой должны существовать высокодисперсные частицы диаметром 10"7...10"9 м [144, с. 266], переходящие в молекулы.
Если ядро, выдавливаемое из соплового отверстия диаметром d = 3-Ю"4 м, считать исходной дисперсностью, то согласно принятой классификации дисперсных систем [144] топливный факел должен иметь три размерных интервала частиц: 1 - грубодисперсное ядро из частиц размером 10"4... 10"6 м; 2 - тонкодисперсную среднюю зону из частиц размером 10"6... 10"7 м; 3 - высокодисперсную внешнюю зону с размером частиц 10"7... 10"9 м. При этом абсолютная температура на границе с внешней зоной факела должна быть максимальной, а на оси ядра минимальной в устье распылителя.
Гетерогенные системы, в которых одна из фаз находится в высокодисперсном состоянии, принято называть коллоидными.
В зависимости от агрегатного состояния все дисперсные системы делят на восемь типов. Топливный факел как дисперсная жидкая фаза в газообразной (метановоздушной) дисперсионной среде рождает при сгорании дисперсную твердую сажу в отработавших газах, которая относится к аэрозолям соответственно типов Ж/Г и Т/Г.
Высокодисперсные (коллоидные) системы отличаются от обычных гетерогенных систем повышенной ролью таких явлений, как адсорбция и топо-химические реакции, адгезия (слипание разнородных поверхностей) и смачивание. Все эти явления объединяются в группу так называемых поверхностных явлений, причем первые два относятся к химическим поверхностным явлениям, вторые к физическим.
Экспериментальные установки. Приборы и оборудование
Экспериментальные установки по исследованию возможности улучшения экологических и эксплуатационных показателей тракторных дизелей путем применения природного газа создавались в научно-исследовательской лаборатории по испытанию ДВС кафедры тракторов и автомобилей Вятской государственной сельскохозяйственной академии на базе электротормозного стенда SAK-N670 производства Германии с балансирной маятниковой машиной и измерительного комплекса. Общий вид пульта управления представлен на рис. 3.2. Экспериментальная установка тракторного дизеля 44 11,0/12,5 оборудовалась необходимым измерительным оборудованием и приборами, основные из которых представлены в табл. 3.2. Соединение коленчатого вала двигателя установки и вала стенда осуществлялось карданным валом. Частота вращения коленчатого вала дизеля измерялась электронными цифровыми тахометрами ТЦ-1.
Индицирование дизеля производилось электропневматическим индикатором МАИ-5А. Пишущая часть индикатора устанавливалась соосно коленчатому валу дизеля и соединялась с ним гибкой резинометаллической муфтой. Вид на установленный индикатор МАИ-5А показан на рис. 3.3. Датчик отметки ВМТ устанавливался на корпусе маховика дизеля согласно инструкции к индикатору. Учитывая то, что правильность отметки ВМТ в значительной мере влияет на точность обработки индикаторных диаграмм, установка датчика отметки ВМТ корректировалась по положению в ВМТ поршня цилиндра и проверялась по диаграмме сжатия-расширения без подачи топлива. Датчик давления устанавливался во втулке, вмонтированной в головку цилиндра, согласно инструкции к индикатору. Расход топлива опре делялся электронным расходомером топлива АИР-50 массовым способом.
Расход воздуха при работе дизелей определялся с помощью газового счетчика РГ-250, установленного перед впускным ресивером, изготовленным согласно ГОСТу 18509-88, и электронного цифрового тахометра ТЭМП-4. Давление ОГ и разряжение во впускном патрубке измерялось с помощью U-образных водяных манометров. Влажность и барометрическое давление окружающего воздуха измерялись психрометром и барометром-анероидом. Температура окружающего воздуха и температура топлив измерялись термометрами. Полученные результаты приводились к нормальным атмосферным условиям согласно ГОСТу 18509-88. Давление масла в системе измерялось датчиком и манометром. Температура ОГ дизеля замерялась с помощью хромель-алюмелевых термопар. В качестве вторичного прибора применялся логомер М-64. Перед началом испытаний и после их окончания весовой механизм «Рапидо» балансирной маятниковой машины тарировался с помощью эталонных гирь.
Анализ проб ОГ производился на автоматической системе газового анализа АСГА-Т (рис. 3.4). Отбор проб ОГ осуществлялся через установленные, согласно инструкции к АСГА-Т на впускном тракте дизеля, газозабор-ники. Вид на заборники представлен на рис. 3.5. Перед началом газового анализа система прогревалась в течение 1,5...2 часов, после чего производилась калибровка ГИПов поверочными газовыми смесями (ПГС). Дымность ОГ измерялась с помощью сажемера «B01II»-EFAW-68A.
Проверка и регулировка топливного насоса и форсунок осуществлялись на комплексном стенде для испытаний топливной аппаратуры КИ-22205, оборудованном электронной системой измерения угла впрыскивания топлива М 3.558.048.
Экспериментальная установка для исследования работы дизеля 44 11,0/12,5 на природном газе создана на базе измерительно-исследовательского комплекса, описание которого дано в разделе 3.2.1.
В качестве объекта исследований был выбран четырехцилиндровый дизель водяного охлаждения 44 11,0/12,5, устанавливаемый на тракторы МТЗ - 80, - 82, и его модификации. Общий вид дизеля 44 11,0/12,5, установленного на стенде и подготовленного к исследованиям при работе на сжатом природном газе с оптимизированным впускным трубопроводом, представлен нарис. 3.6.
При выполнении исследований при использовании природного газа в качестве топлива на экспериментальном стенде применялась запорная арматура и штатное оборудование газобаллонного автомобиля ЗИЛ-138А. Двухступенчатый редуктор для снижения давления газа монтировался непосредственно рядом со счетчиком расхода газа. Расход газа измерялся счетчиком ГФК-6, модернизированным для работы с электромагнитным счетчиком МЭС-ббрис. 3.7.
Разрежение и давление в системах впуска и выпуска определялись с помощью U-образных манометров. Для экспериментальной установки был выбран вариант смесителя дозатора с тремя регулировочными заслонками: воздушной, газовой и газовоздушной.
Влияние применения природного газа на эффективные показатели дизеля 44 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки
На основании регулировочных характеристик и определенные по ним оптимальные углы опережения впрыскивания топлива, для дизельного и газодизельного процессов, были сняты нагрузочные характеристики двигателя. Для сравнения с дизельным процессом исследования проводились на каждом скоростном режиме на двух углах опережения впрыскивания топлива 23 и 26 градусов п.к.в. [180, 181].
Зависимость мощностных и экономических показателей работы дизеля 44 11,0/12,5 по дизельному и газодизельному процессах на оптимальном для дизельного процесса установочном угле опережения впрыскивания топлива 26 градусов п.к.в. в зависимости от нагрузки представлены на рис. 4.3, а. Из графиков видно, что величина запального (дизельного) топлива уменьшается с увеличением нагрузки. Так при нагрузке 0,11 МПа составляет 3,0 кг/ч или 23 % к расходу при дизельном процессе, а на номинальной нагрузке составляет 2,5 кг/ч или 20 % к расходу при дизельном процессе. На малых нагрузках удельный эффективный расход топлива при газодизельном процессе несколько выше, чем при дизельном процессе, это связано с ухудшением процесса сгорания. При увеличении нагрузки удельный эффективный расход топлива при газодизельном процессе уменьшается и по сравнению с дизельным процессом на номинальной нагрузке на 13 % меньше.
Эффективный коэффициент полезного действия при работе на газе на номинальном нагрузочном режиме составляет ге гд = 0,35, что на 3 % выше, чем для дизельного процесса. Часовой расход топлива на номинальном режиме при работе на газе меньше на 13 %, чем при работе по дизельному процессу. Температура отработавших газов снижается при номинальной нагрузке на 12 % при переходе с дизельного на газодизельный процесс. Расход воздуха на газодизельном процессе несколько ниже, чем на дизельном процессе на всех нагрузочных режимах работы. На номинальной нагрузке газодизель работает на смеси более обедненного состава, а при средних и малых нагрузках обогащенной по отношению к дизельному циклу, хотя в целом метановоздушная смесь остается обедненной и условия ее воспламенения запальным дизельным топливом ухудшаются, чем и объясняется ухудшение ge и rje на малых нагрузках.
Нагрузочная характеристика работы дизеля 44 11,0/12,5 по дизельному и газодизельному процессам на оптимальном для газодизельного процесса установочном угле опережения впрыскивания топлива 23 градуса п.к.в. представлена на рис. 4.3, б.
Из графика видно, общая картина изменения показателей работы дизеля не изменилась, однако эффективный к.п.д. при работе на газе на номинальном нагрузочном режиме выше на 8,3 %, чем для дизельного процесса. Так же эффективный к.п.д. повысился при работе на номинальном режиме по газодизельному процессу до 0,36 против 0,35 при угле опережения впрыскивания топлива 26 градусов п.к.в. Расход запального дизельного топлива остался на том же уровне.
На рис. 4.4, а представлены совмещенные нагрузочные характеристики дизеля 44 11,0/12,5 при работе на СПГ и ДТ и установочном угле опережения впрыскивания топлива 0впр = 23 п.к.в. и частоте вращения коленчатого вала соответствующей режиму максимального крутящего момента двигателя.
Анализ нагрузочной характеристики показывает, что величина запальной дозы дизельного топлива при уменьшении нагрузки незначительно увеличивается с 0,6...1,2 кг/ч, что составляет от 6 до 10 % к расходу дизельного топлива при работе по дизельному процессу. Вероятнее всего данное увеличение запальной дозы дизельного топлива связано с конструктивными особенностями топливного насоса высокого давления.
Основным параметром, оценивающим экономичность работы дизеля, является эффективный расход топлива. Причем, при среднем эффективном давлении в диапазоне изменения нагрузки от 0,15 до 0,43 МПа кривая удельного эффективного расхода топлива при работе на СПГ лежит выше, чем при работе на ДТ и изменяется в пределах от 480 до 230 г/кВт-ч, и от 380 до 230 г/кВт-ч, соответственно, а при среднем эффективном давлении в диапазоне изменения нагрузки от 0,43 до 0,7 МПа кривая удельного эффективного расхода топлива при работе на СПГ лежит ниже, чем при работе на ДТ. Расход воздуха изменяется незначительно.
Температура ОГ при давлениях в диапазоне от 0,15 до 0,43 МПа по газодизельному процессу выше, чем по дизельному, и изменяется от 210 до 310С и от 190 до 310С соответственно, при больших нагрузках температура ОГ уменьшается при работе на СПГ. Это в первую очередь связано с уменьшением количества впрыснутого в цилиндры дизеля.
Эффективный к.п.д. на малых нагрузках при работе на СПГ значительно меньше, чем на ДТ, а на номинальном нагрузочном режиме выше примерно на 2 %.
При повышении среднего эффективного давления Ре 0,52 МПа газодизель работает на смеси более обедненного состава (a = 1,9...2,0), а на средних и малых нагрузках - более обогащенной (a = 2,0...4,2) по отношению к дизельному процессу (а = 2,0...5,6), хотя в целом газовоздушная смесь остается обедненной и условия ее воспламенения запальным дизельным топливом ухудшается, чем и объясняется увеличение удельного эффективного расхода топлива и уменьшение эффективного к.п.д. на малых нагрузках.
