Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследования 14
1.1. Проблемы влияния автомобильных двигателей на окружающую среду и мировую социально-экологическую обстановку 14
1.2. Проблемы и перспективы применения природного газа для автомобильного транспорта 21
1.3. Использование природного газа в качестве альтернативного топлива для дизелей 24
1.3.1. Теории воспламенения и горения МВС в цилиндре дизеля 24
1.3.2. Особенности процесса сгорания в цилиндре газодизеля 47
1.3.3. Особенности процесса тепловыделения в цилиндре газодизеля.. 53
1.4. Эффективные показатели дизелей при работе на КПГ 57
1.5. Задачи исследований 65
2. Разработка уточненных моделей процессов смесеобразования и горения в цилиндре газодизеля с турбонаддувом 67
2.1. Уточненная зонная модель распространения топливных факелов в цилиндре дизеля с турбонаддувом при впрыскивании топлива в МВС через многоструйную форсунку 67
2.2. Уточненная зонная модель воспламенения и горения метановоз-душной среды в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ 72
2.3. Математическая модель турбулентного горения метановоздуш-ной среды в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ 77
3. Особенности используемой программы и методики проведения исследований 89
3.1 Характеристика объекта испытаний и используемых ГСМ 89
3.2. Основы методики исследования рабочего процесса газодизеля... 91
3.3. Комплектация приборов и оборудования для экспериментальной установки 97
3.4. Обработка результатов эксперимента. Оценка ошибок измерений 105
4. Улучшение эффективных показателей дизеля с турбонаддувом4чн 11,0/12,5 путем применения в качестве альтернативного топлива КПГ 109
4.1. Оптимизация параметров системы дозирования 109
4.2. Изменение показателей рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на КПГ в зависимости от установочного угла опережения впрыскивания топлива 110
4.3. Влияние применения природного газа на индикаторные показатели, характеристики процессов сгорания и тепловыделения дизеля с турбонаддувом 4ЧН11,0/12,5 123
4.4. Влияние применения природного газа на показатели работы дизеля с турбонаддувом 4ЧН11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 130
4.4.1. Влияние применения природного газа на характеристики сгорания и тепловыделения дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 130
4.4.2. Влияние применения природного газа на мощностные и экономические показатели работы дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 141
4.4.3. Влияние применения природного газа на экологические пока затели работы дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 148
4.5. Влияние применения природного газа на показатели работы дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 151
4.5.1 Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания и тепловыделения дизеля с турбонаддувом 4ЧН11,0/12,5 в зависимости частоты вращения коленчатого вала 151
4.5.2. Влияние применения природного газа на показатели токсичности дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 154
4.5.3. Влияние применения природного газа на мощностные и экономические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 156
5. Разработка макетного образца автобуса паз-32054-12 с модернизированной системой питания для работы на компримированном природном газе 159
5.1. Разработка системы дозирования и регулирования подачи природного газа в цилиндры дизеля Д-245.12С автобуса ПАЗ-32054-12... 159
5.2. Разработка макетного образца автобуса ПАЗ-32054-12 с системой питания, модернизированной для работы на компримированном природном газе 160
6. Экономическая оценка эффективности использования кпг в качестве моторного топлива в автомобильном дизеле 4чн 11,0/12,5,установленном на автобусе ПАЗ 165
Общие выводы 169
Литература
- Проблемы влияния автомобильных двигателей на окружающую среду и мировую социально-экологическую обстановку
- Уточненная зонная модель распространения топливных факелов в цилиндре дизеля с турбонаддувом при впрыскивании топлива в МВС через многоструйную форсунку
- Характеристика объекта испытаний и используемых ГСМ
- Изменение показателей рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на КПГ в зависимости от установочного угла опережения впрыскивания топлива
Введение к работе
Неуклонный рост и возрастающее значение транспортного комплекса России выдвигают на передний план проблемы улучшения топливно-энергетических и экологических показателей автомобильных двигателей, разработки экологически безопасных видов транспорта, использующих альтернативные виды топлива ненефтяного происхождения.
Вместе с тем немаловажную роль в улучшении экологической обстановки и снижении дефицита топливных ресурсов играет модернизация серийно выпускаемых двигателей, учитывая то, что разработка принципиально нового образца, отвечающего современным экологическим и экономическим показателям, требует проведения длительных исследований и больших материальных затрат. В последнее время предъявляются все более жесткие требования к основным источникам загрязнения атмосферы, постоянно ужесточаются стандарты на выбросы вредных веществ с ОГ автотранспорта ввиду того, что атмосферный воздух является одним из основных жизненно важных элементов окружающей природной среды.
Реальные уровни загрязнения воздуха оксидами азота и углерода, углеводородами и другими вредными веществами на большинстве автомагистралей в 5...10 раз превышают предельно допустимые концентрации. По оценкам специалистов в 2000 г. мировой парк автомобилей достиг примерно 1 млрд. единиц, из которых 83...85 % приходится на легковые автомобили, а 15... 17 % - на грузовые автомобили и автобусы. На каждую тысячу жителей в 2001 г. в среднем приходилось: в США - 534 автомобиля, во Франции -454, в Великобритании - 322, в России - 167 автомашин. При ежегодном увеличении данного показателя для крупных городов характерно превышение предельно допустимой концентрации оксида углерода в 20...30 раз, концентрации оксидов азота в 10... 100 раз. Реальное повышение качества и конкурентоспособности продукции автомобилестроения осуществляется в соот ветствии с требованиями международных стандартов ISO 9000 - система качества, ISO 14000 - система экологического управления, согласно которым экологическая безопасность автомобиля для полного жизненного цикла и его отдельных стадий оценивается по следующим показателям: потребление природных ресурсов; суммарный расход энергии; загрязнение окружающей среды (атмосферы, гидросферы и литосферы).
Экологическая безопасность автомобилей достигается за счет комплекса конструктивных и эксплуатационных мероприятий. Основными направлениями по улучшению экологичности ДВС и экономии моторного топлива являются: оптимизация режимов работы двигателя при помощи электронных систем управления; создание многотопливных автомобилей; повышение коэффициента полезного действия двигателя, совершенствование процесса сгорания, использование альтернативных видов топлива.
Неуклонное сокращение запасов нефти, значительное повышение её цены, энергетические кризисы, растущая зависимость многих стран от импорта этого сырья, ускорение глобального потепления и катастрофическое загрязнение окружающей среды отработавшими газами - вот основные обстоятельства, заставляющие искать возобновляемые источники энергии и нетрадиционные моторные топлива для автомобильных двигателей.
С точки зрения производства топлива газ является наиболее приемлемым альтернативным видом, так как в отличие от нефти не нуждается в какой-либо технологической переработке (кроме сушки). Вместе с тем разведанные запасы природного газа в несколько раз превышают запасы нефти в нашей стране и в мире, что делает его наиболее полноценным видом топлива из всех возможных заменителей жидких нефтяных моторных топлив.
Приоритетность природного газа как наиболее перспективного экологически чистого моторного топлива очевидна для многих стран мира. В Канаде, Новой Зеландии, Аргентине, Италии, Голландии, Франции и других странах успешно действуют национальные программы перевода автотранс порта, в первую очередь городского, на газомоторное топливо. Для этого разработана соответствующая нормативно-законодательная база: ценовая, налоговая, тарифная, кредитная. В результате налицо явный прогресс. В Нидерландах более 50 % всего автотранспорта используют в качестве топлива газ, в Италии - более 20 %, 95 % автобусного парка Вены и 87 % парка Дании работают на газе. В странах Западной Европы для стимулирования газификации автотранспорта предусматривается существенное уменьшение налогов на автомобили, использующие газовое топливо. В среднем, эта разница составляет 1,5...2 раза, кроме того, автовладельцы после конвертации автомобиля освобождаются от налоговых выплат на 3 года. С 1996 года в Великобритании и Франции существенно уменьшены налоги на автомобили, работающие на газовом топливе. В Германии эта разница составляет 1,5 раза, в Нидерландах -1,7 раза.
В настоящее время 50 автомобильных компаний мира продают более 150 модификаций автомобилей, работающих на природном газе. Среди них такие мировые лидеры как, AUDI, BMW, VOLVO, DAIMLER CHRYSLER, IVECO, GENERAL MOTORS, MAN, NEOPLAN, NISSAN, RENO, CITROEN, TOYOTA, FIAT, VOLKSWAGEN, HONDA. Во всем мире в последние годы значительно усиливается интерес к разработке и использованию газовых модификаций автотранспортных средств. В конце 2005 г. в Москве прошла 3-я Международная специализированная выставка по газораспределению и эффективному использованию газа GazSUF, основная тематика которой - переоборудование автомобилей для работы на природном газе. Участниками выставки стали 80 компаний из 14 стран мира: России, Украины, Белоруссии, Армении, Польши, Литвы, Кореи, Австрии, Аргентины, Швеции, Швейцарии, Хорватии, Германии, Японии.
Выбор компримированного природного газа в качестве альтернативы дизельному топливу связан, прежде всего, с относительной простотой перевода дизелей для работы на газообразном топливе без значительных измене ний конструкции базового двигателя и возможностью применения существующего газового оборудования автомобилей.
Работы по переводу дизелей на природный газ велись на различных предприятиях и в институтах бывшего СССР НАМИ, НАТИ, ЦНИИ МПС, ЦНИДИ, МВТУ им. Баумана, Кировском СХИ. Результаты теоретических работ и экспериментальных исследований по использованию альтернативных топлив ненефтяного происхождения в дизелях, влиянию применения природного газа на токсичные, эффективные и экологические показатели двигателей нашли отражение в работах Васильева Ю.Н., Вырубова Д.Н., Генкина К.И., Гайнуллина Ф.Г., Гольдблата И.И., Гуревича Н.А., Долганова К.Е., Зво-нова В.А., Кайдалова А.А., Кеймаха Я.И., Ксенофонтова СИ., Коллерова Л.К., Лебедева С.Е., Лиханова В.А., Ложкина В.Н., Лоскутова А.С., Манс-фельда Г.Г., Мараховского В.П., Мурашева О.Д., Николаенко А.В., Равкинда А.А., Самоля Г.И., Струнге Б.Н., Чудакова Е.А. и других.
Вместе с тем очевидно, что исследования по применению КПГ проводились без комплексного учета взаимосвязи эффективных и экологических показателей дизелей, недостаточно работ по исследованию применения КПГ для автомобильных газодизелей с турбонаддувом, оптимизации процессов сгорания и тепловыделения газодизелей.
В соответствии с вышеизложенным научная задача сформулирована как улучшение эффективных показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем оптимизации процессов сгорания и тепловыделения.
Целью исследований является улучшение эффективных показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем оптимизации процессов сгорания и тепловыделения.
Научная новизна работы.
Результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения природного газа на процессы сгорания и тепловыделе ния, мощностные и экономические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ.
Уточненная зонная модель распространения топливных факелов при впрыскивании дизельного топлива (запального) в метановоздушную среду цилиндра дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ через многоструйную форсунку.
Уточненная зонная модель воспламенения и горения метановоздушной среды в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе.
Математическая модель турбулентного горения метановоздушной среды в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ при работе на природном газе.
Рекомендации по улучшению эффективных показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 путем оптимизации процессов сгорания и тепловыделения при работе на КПГ.
Макетный образец автобуса ПАЗ-32054-12 с системой дозирования и регулирования подачи природного газа в цилиндры дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с турбонаддувом и оптимизированными процессами сгорания и тепловыделения.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.
Научно-техническая разработка, проведенная при выполнении диссертационной работы, доведена до стадии создания макетного образца автобуса ПАЗ-32054-12 с системой питания, модернизированной для работы на КПГ. Результаты НИР (комплект технической и чертежно-конструкторской документации) по переоборудованию для работы на КПГ автобуса ПАЗ-32054-12 передан в филиал ООО «Волготрансгаз» Кировского ЛПУМГ.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий, Чебок сарском институте (филиале) Московского государственного открытого университета при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 311300 (110301) и 150200(190601).
Экономический эффект от внедрения макетного образца газодизельной модификации автобуса ПАЗ-32054-12 составляет около 40 тыс. руб. в год в ценах на 01.04.2006 г. на один автобус при среднем годовом пробеге 60 тыс. км.
Связь с планами научных исследований.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА» на 2000...2005, 2006...2010 г.г. (номер государственной регистрации 01.2002.06497).
На защиту выносятся следующие положения.
1. Результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения природного газа в качестве моторного топлива на процессы сгорания и тепловыделения, мощностные и экономические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ.
2. Уточненная зонная модель распространения топливных факелов при впрыскивании дизельного топлива (запального) в метановоздушную среду цилиндра дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ через многоструйную форсунку.
3. Уточненная зонная модель воспламенения и горения метановоздуш-ной среды в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе.
4. Математическая модель турбулентного горения метановоздушной среды в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ при работе на природном газе.
5. Рекомендации по улучшению эффективных показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 путем оптимизации процессов сгорания и теп ловыделения при работе на КПГ.
6. Макетный образец автобуса ПАЗ-32054-12 с системой дозирования и регулирования подачи природного газа в цилиндры дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с турбонаддувом и оптимизированными процессами сгорания и тепловыделения.
Апробация работы.
Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 51-й, 52-й и 53-й научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, 2004...2006 г.г., г. Киров); 5-й и 6-й городских научных конференциях аспирантов и соискателей (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА г. Киров); XV юбилейной региональной научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Совершенствование конструкции, теории и расчета тракторов, автомобилей и двигателей внутреннего сгорания», (2004 г., ФГОУ ВПО Вятская ГСХА г. Киров); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию Чебоксарского института (филиала) МГОУ «Образование. Наука. Производство. Инновационный аспект», (2005 г. Чебоксарский институт (филиал) МГОУ, г. Чебоксары); IV Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», (2005 г., Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, г. Казань); X Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», (2005 г., ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет», г. Владимир); Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», (2006 г., ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», г. Санкт-Петербург-Пушкин), Всероссийской научно-практической конференции «Роль науки в формировании специалиста», (2006 г., Чебоксарский институт (филиал) МГОУ, г. Чебоксары).
Публикации результатов исследований.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, включая монографию и статьи общим объемом 13 п. л., в том числе в сборниках трудов Международных конференций опубликована 1 статья, в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ, опубликована 1 статья объемом 0,4 п. л. Без соавторов опубликовано 7 статей общим объемом 1,9 п. л.
Автор выражает глубокую признательность аспирантам кафедры ДВС Россохину А.В. и Олейнику М.А., принимавшим участие в выполнении некоторых стендовых испытаний.
Проблемы влияния автомобильных двигателей на окружающую среду и мировую социально-экологическую обстановку
Дальнейшее развитие транспортного комплекса России значительно увеличивает негативное воздействие выбросов двигателей транспортных средств на окружающую среду и непосредственно на человека. Ежегодный рост автомобильного парка происходит в условиях существенного отставания экологических показателей отечественных автотранспортных средств и применяемых моторных топлив от мирового уровня. Очевидно, что разработка транспортных средств, работающих на альтернативных видах моторного топлива ненефтяного происхождения, улучшение качества, топливно-энергетических и экологических показателей ДВС являются на современном этапе одними из основных задач двигателестроения в России [1...10].
В соответствии с основными положениями Экологической доктрины Российской Федерации стратегической целью государственной политики в области экологии является сохранение природных систем, поддержание их целостности и жизнеобеспечивающих функций для устойчивого развития общества, повышения качества жизни, улучшения здоровья населения и демографической ситуации, обеспечения экологической безопасности страны. Основной задачей в указанных сферах является снижение загрязнения окружающей среды выбросами и отходами, а важнейшими мероприятиями являются модернизация и развитие экологически безопасных видов транспорта, транспортных коммуникаций и топлива, переход к экологически безопасному общественному транспорту - основному виду передвижения в крупных городах [2]. Высокие темпы развития производства, увеличение количества используемой автомобильной техники, рост городов, деятельность человека, связанная с освоением природных ресурсов, развитием сельского хозяйства, строительства и других отраслей народного хозяйства страны увеличивают масштабы воздействия человека на окружающую природную среду ежегодно и требуют повышенного внимания к охране атмосферного воздуха.
Известно, что практически все транспортные средства загрязняют атмосферу, однако мощнейшими источниками загрязнения воздушной среды являются двигатели автомобилей и тракторов.
По оценкам специалистов, в настоящее время суммарная установленная мощность находящихся в эксплуатации транспортных двигателей составляет приблизительно 1400 миллионов кВт, что в 5,5 раз превышает установленные мощности всех ТЭЦ, ГЭС и АЭС нашей страны. Парк автомобильной техники в среднесрочной перспективе по прогнозам Минтранса России и Минпромэнерго России возрастет с 29,7 млн. шт. в 2004 г. до 36...39 млн. шт. в 2010 г. [18]. Автотранспорт, являясь одним из основных источников загрязнения воздуха, выделяет около 40 % всех вредных выбросов в России, что превышает аналогичный показатель развитых стран мира более чем в 1,7 раза. Автопарк нашей страны в настоящее время выбрасывает с ОГ более 12 млн. тонн вредных веществ в год, что составляет 45% от общих промышленных выбросов в атмосферу, а в крупных городах до 90 % [20]. Так, в Санкт-Петербурге эта величина составляет 71 %, в Москве - 88 %. В целом по России 60% городского населения проживают в городах с высоким и очень высоким загрязнением воздуха [7]. Вследствие этого резко ухудшаются санитарные условия проживания, особенно в больших городах, увеличивается вредное воздействие ОГ на здоровье людей, усугубляется воздействие на человечество новой проблемы - «парникового эффекта». В настоящее время проблема снижения загрязнения атмосферы приобрела международный характер и стала общей для всех стран мира. В качестве силовых установок в мире находятся в эксплуатации многие сотни миллионов ДВС, которые потребляют для сжигания топлива более 1 миллиарда тонн кислорода, выбрасывая при этом в атмосферу сотни миллионов тонн оксида углерода и десятки миллионов тонн оксидов азота и несгоревших углеводородов [90].
Уточненная зонная модель распространения топливных факелов в цилиндре дизеля с турбонаддувом при впрыскивании топлива в МВС через многоструйную форсунку
Результаты исследований [91... 122] позволяют моделировать смесеобразование в цилиндре газодизеля с турбонаддувом при впрыскивании топлива в МВС через многоструйную форсунку следующим образом.
При впрыскивании топлива в МВС через многоструйную форсунку в цилиндр газодизеля происходит распад одиночных струй и совместное их взаимодействие в КС с образованием характерных зон с различной концентрацией углеводородного топлива и МВС [99].
Зонная модель основывается на предположении, что струи топлива состоят условно из 6 областей (рис. 2.1). Кинетическая энергия первых жидких частиц расходуется на преодоление сопротивления МВС среды и МВБ, что проявляется в увлечении объемов примыкающих к каплям участков МВС и торможении частиц. При этом на границе переобедненной зоны 6 МВС может приобретать скорость частиц менее обедненной зоны 5, а за счет вязкости и действия МВВ увлекаются и прилегающие слои свежей МВС 7.
При этом во фронтальных зонах 8 факелов начинается активное взаимодействие капель жидкого топлива с ядром соседней струи, со стенками КС и с МВС, включающее как силовое взаимодействие, выражающееся в торможении капель топлива, так и тепловое взаимодействие, приводящее к увеличению температуры капель. При вылете факела № II из сопла форсунки (рис. 2.1) образовавшиеся ядро факела и оболочка факела отклоняются под действием закрученного МВВ и часть топлива растекается по стенке КС, другая часть преимущественно зоны с обогащенной и переобогащенной МВС объединяются с зонами топливного факела № III, образуя зону 8. Топливный факел № V также искривляется под действием турбулентно закрученного МВВ, оседает на стенке КС и сливается с факелом № I. При этом образуется зона 8, в которой сосредоточена большая часть переобогащенной МВС и в которой происходит молекулярная диффузия метана на поверхности частиц углеводородного топлива. Данная область, в конечном итоге, будет являться самым мощным источником воспламенения МВС в КС и будет охватывать весь объем КС. При вылете из сопла форсунки факел № IV, в свою очередь, также искривляется под действием МВВ и практически весь испаряется, не доходя до стенок КС с образованием наиболее обедненной концентрации углеводородного топлива в данной части КС. Во фронтальной зоне увеличение температуры капель достигается вследствие полного испарения головной частицы или столкновения последующих частиц с головной. При этом обязательным условием является изменение режима движения частиц - они с огромной скоростью влетают в завихренную МВС, имеющую начальную температуру, что приводит к интенсивному теплообмену, молекулярной диффузии метана на поверхности частицы и торможению частиц.
Вместе с тем при торможении капли жидкого топлива нагреваются поскольку коэффициент теплообмена велик из-за значительных относительных скоростей и малого диаметра капель [105, 106]. В момент достижения каплей температуры начала разгонки топлива - Тни - начинается испарение топлива, и процесс диффузии метана на поверхности капли усиливается [97, 98]. Именно во фронтальной зоне факела происходит сложный процесс взаимодействия МВС и капель жидкого топлива в соответствии с представлениями о капельном тепломассообмене и взаимной диффузии, но с той особенностью, что режим выкипания определяется фракционной функцией топлива. Возможно предположить, что при этом имеют место следующие особенности процесса парообразования топлива: пары срываются с быстролетящих капель, поэтому их отвод не лимитирует процесса парообразования.
При этом через некоторый промежуток времени после начала впрыскивания жидкого топлива в предварительно завихренную МВС в цилиндре (КС) сформируются зоны: оболочка факела 2, зона МВС, переобогащенная ДТ 3 и зона МВС обогащенная ДТ 4 (рис. 2.1).
Характеристика объекта испытаний и используемых ГСМ
В качестве объекта испытаний выбран дизельный двигатель Д-245. 12С с турбонаддувом производства Минского моторного завода, заводской номер №-177 222, год выпуска 2002. В соответствии с задачами исследований требовалось проведение стендовых испытаний для исследования и оптимизации систем использования природного газа в качестве моторного топлива для дизеля Д-245. 12С размерности 4ЧН11,0/12,5.
Исследуемый дизель с турбонаддувом, с камерой сгорания в поршне типа ЦНИДИ и непосредственным впрыскиванием дизельного топлива. Перед началом проведения испытаний двигатель прошел обкатку продолжительностью 60 моточасов на режимах работы, рекомендуемых в технической документации [1]. Техническое обслуживание дизельного двигателя проводилось согласно инструкции завода - изготовителя с установленной периодичностью.
Для проведения стендовых испытаний использовалось дизельное топливо марки Л по ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное. Технические условия», сжатый природный газ по ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия» и масло моторное М-ЮД(м) по ГОСТ 8581-78 «Масла моторные автотракторных дизелей. Технические условия» [2...4].Для транспортировки баллонов со сжатым природным газом применялась передвижная заправочная станция на базе тракторного прицепа 2ПТС-4 и газобаллонного оборудования автомобиля ЗИЛ-138А.
Газовые баллоны для проведения стендовых испытаний заправлялись на АГНКС природным газом Ямбургского месторождения из газопровода «Ямбург-Тула», имеющим состав представленный в табл.1
В соответствии с целью и задачами исследований требовалось проведение стендовых испытаний для исследования и оптимизации системы использования природного газа в качестве моторного топлива для дизеля Д-245.12С размерности 4ЧН11,0/12,5 с турбонаддувом.
При этом особый интерес вызывало влияние совместного применения природного газа и турбонаддува на процесс сгорания в двигателе, «жёсткость работы», характеристики тепловыделения, снижение токсичности и дымности ОГ и на улучшение эффективных показателей двигателя.
За основу предлагаемой нами методики проведения стендовых испытаний был принят сравнительный метод, при этом испытания проводились в несколько этапов. Структурная схема проведения стендовых испытаний приведена на рисунке 3.1.
Первоначально требовалось разработать и оптимизировать систему дозирования и регулирования подачи КПГ в дизельный двигатель Д-245.12С с турбонаддувом, определяя мощностные и экономические показатели работы дизеля на различных режимах при дизельном и газодизельном циклах работы.
После оптимизации системы дозирования и регулирования подачи КПГ ставилась задача экспериментального определения величины оптимального угла опережения впрыскивания топлива при работе двигателя по газодизельному процессу. Для решения этой задачи снимались регулировочные характеристики по установочному углу опережения впрыска топлива, определялся оптимальный угол опережения впрыскивания топлива, расход газа и дизельного топлива.
При снятии нагрузочных и скоростных характеристик фиксировались мощностные и экономические показатели газодизеля, показатели токсичности и дымности ОГ, путем отбора проб ОГ и определения содержания в них токсичных компонентов: окислов азота, углеводородов, угарного газа, а так же содержания сажи.
В дальнейшем, при оптимизированном законе топливоподачи, проводилось индицирование процесса сгорания при дизельном и газодизельном циклах работы двигателя на всех установочных углах опережения впрыскивания топлива с последующей обработкой индикаторных диаграмм. Далее анализировались параметры процесса сгорания, исследовались и оптимизировались характеристики тепловыделения. При этом проводился полный анализ параметров процесса сгорания и тепловыделения, показателей токсичности и дым-ности ОГ. Особое внимание уделялось вопросам изменения показателей процесса сгорания при использовании в качестве топлива КПГ, основу которого составляет метан.
На заключительном этапе производился подробный анализ полученных результатов, оценивалось влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на показатели работы двигателя, такие как «жесткость работы», эффективность и теплонапряженность, дымность и токсичность ОГ и некоторые другие. При этом по результатам проведённого анализа уточнялась феноменологическая модель горения и смесеобразования в цилиндре газодизеля Д-245.12С с турбонаддувом.
Предполагаемые результаты исследований после проведения стендовых испытаний были следующие:
1. Разработка системы регулирования и дозирования подачи КПГ в цилиндры двигателя с применением турбонаддува и определение регулировок топливоподающей аппаратуры, позволяющих сохранить значения основных показателей работы серийного дизеля.
2. Разработка методики оптимизации процесса сгорания и тепловыделения в цилиндре газодизеля с турбонаддувом.
3. Снижение выбросов токсичных компонентов ОГ и содержания сажи в ОГ дизеля Д-245.12С, работающего на КПГ.
4. Сохранение мощностных и экономических показателей газодизеля на уровне дизельного процесса работы двигателя путем оптимизации процесса сгорания и тепловыделения.
Изменение показателей рабочего процесса дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на КПГ в зависимости от установочного угла опережения впрыскивания топлива
В соответствии с разработанной методикой [245] проведения стендовых испытаний по переводу для работы на природном газе дизеля Д-245. 12С были сняты регулировочные характеристики дизеля по установочному углу опережения впрыскивания топлива, как по газодизельному процессу, так и по дизельному процессу. Данные характеристики снимались для определения оптимальных значений регулировочных углов опережения впрыскивания топлива для дизельного и газодизельного процессов при равных значениях средних эффективных давлений [243].
Регулировочные характеристики для мощностных и экономических показателей по установочному углу опережения впрыскивания топлива при работе дизеля 4ЧН 11,0/12,5 по дизельному и газодизельному процессам на частотах вращения 2400 и 1900 мин"1 представлены на рис. 4.1.
Анализируя графики, можно констатировать, что при работе по дизельному процессу установочный угол опережения впрыскивания топлива при частоте вращения 2400 мин"1 по условию наилучшей экономичности равен 14 до в.м.т. Часовой расход топлива при работе по чисто дизельному процессу на указанном установочном угле опережения впрыскивания топлива составляет 18,6 кг/ч при n = 2400 мин"1. Удельный эффективный расход топлива на этом угле составляет 210 г/кВт-ч. При изменении установочного угла опережения впрыскивания топлива как в большую, так и в меньшую сторону с шагом 3п.к.в увеличивается удельный эффективный расход топлива (при 0впр= ПДО в.м.т. ge = 218 г/кВт-ч., при 0впр= 17до в.м.т. ge = 230 г/кВт-ч), наблюдается падение эффективной мощности до 77 кВт для установочных углов опережения впрыскивания топлива 8 и 17 до в.м.т.
Однако заводом-изготовителем устанавливается оптимальный угол опережения впрыскивания топлива 11 до в.м.т. для обеспечения лучших экологических показателей автомобильного двигателя с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5.
При работе по газодизельному процессу установочный угол опережения впрыскивания топлива при частоте вращения 2400 мин"1 по условию наилучшей экономичности равен 14 до в.м.т. Часовой расход топлива составляет 16,8 кг/ч, удельный эффективный расход топлива на этом угле составляет 205 г/кВт-ч. При работе на природном газе для обеспечения качественного процесса сгорания необходимо уменьшить УУОВТ из-за повышения жесткости процесса сгорания и максимального давления в цилиндре. С учетом результатов проведенных исследований оптимальный угол опережения впрыскивания топлива принят 11 до в.м.т. для газодизельного процесса с целью улучшения процесса сгорания и снижения токсичности отработавших газов. При этом несколько увеличивается удельный эффективный расход топлива по сравнению с 0впр= 14 до в.м.т. и составляет 208 г/кВт-ч. против 218 г/кВт-ч. для дизеля, мощность двигателя остается на том же уровне. Часовой расход топлива снижается с 18,6 до 16,8 кг/ч, т.е. на 9,7 % по сравнению с дизельным процессом. При частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту п= 1900 мин"1, сохраняется характер изменения кривых эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива, установленный для номинальной частоты вращения двигателя.
При установочном угле опережения впрыскивания топлива равном 8 градусов до в.м.т. происходит снижение эффективной мощности дизеля и газодизеля до 70 кВт (на 3 % по отношению к оптимальному УУОВТ 0впр= 11до в.м.т.), увеличивается удельный эффективный расход топлива (с 205 до 219 г/кВт-ч. для дизеля и со 195 до 201 г/кВт-ч. для газодизеля) и температура ОГ при работе на ДТ и на КПГ по сравнению со значениями, соответствующими оптимальному 0впр = 11 до в.м.т.
При УУОВТ 14 градусов до в.м.т. мощность двигателя остается на прежнем уровне по отношению к оптимальному УУОВТ 0впр = 11 до в.м.т. (Ne = 72 кВт), вместе с тем уменьшается удельный эффективный расход топлива (на 2,5 % для дизеля и на 1,5 % для газодизеля) при увеличении жесткости процесса сгорания. Оптимальный угол опережения впрыскивания топлива по условиям обеспечения качественного процесса сгорания составляет также 11 градусов до в.м.т. для дизельного и газодизелыюго процессов. При этом ge снижается со 199 до 195 г/кВт-ч, т.е. на 2 % для газодизеля.
Проведенные испытания показали, что дизель устойчиво работает на природном газе при соотношении на номинальном режиме: газа — 80...85 %, запального топлива — 15...20 %. Исследования рабочего процесса [243...252] проводились в дальнейшем именно на таком соотношении для определения зависимостей характеристик сгорания и тепловыделения от изменения УУОВТ.
