Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1. Социально-экологические аспекты влияния автотракторных двигателей на окружающую среду 13
1.2. Существующие типы газодизелей 22
1.3. Состав отработавших газов дизелей 24
1.4. Физико-химические основы образования сажи в дизелях 26
1.4.1. Физико-химические свойства частиц сажи 27
1.4.2, Теории образования твердой сажистой фазы из углеводородов топлива 31
1.5. Модели образования и выгорания сажи в цилиндре газодизеля 42
1.6. Задачи исследования 46
2. Теория процесса образования и выгорания частиц сажи в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4чн 11,0/12,5 при работе на КПГ 48
2.1. Теория процесса сажевыделения в газодизеле с впрыскиванием запального топлива в камеру сгорания типа ЦНИДИ через многострунную форсунку 48
2.2. Уточненная зонная модель образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе 53
2.3. Уточненный химизм образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе 59
2.4. Математическая модель для определения распределения по раз мерам частиц сажи в цилиндре газодизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 72
3. Особенности использования методик в экспериментальных исследованиях. экспериментальные установки, приборы и оборудование 78
3.1. Методика проведения стендовых испытаний по улучшению эксплуатационных и экологических показателей дизеля с турбо наддувом 4ЧН 11,0/12,5 путем применения в качестве топлива природного газа 78
3.2. Экспериментальные установки. Приборы и оборудование 82
3.2.1. Экспериментальные установки для проведения стендовых исследований. Приборы и оборудование 82
3.2.2. Особенности экспериментальных установок, приборов и оборудования для исследования применения природного газа в дизеле с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 87
3.3. Обработка результатов исследований. Ошибки измерений 91
4. Улучшение эксплуатационных и экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4чн 11,0/12,5 путем применения природного газа в качестве моторного топлива 95
4.1. Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 95
4.2. Влияние применения природного газа на экологические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 99
4.3. Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 на различных нагрузочных режимах 103
4.4. Влияние применения природного газа на эксплуатационные и экологические показатели дизеля с турбонаддувом
4ЧН 11,0/12,5 на различных нагрузочных режимах 106
4.4.1. Влияние применения природного газа на эксплуатационные показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 на различных нагрузочных режимах 106
4.4.2. Влияние применения природного газа на экологические показа тели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 на различных на грузочных режимах при работе на КПГ 110
4.5. Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения 113
4.6. Влияние применения природного газа на эксплуатационные и экологические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения 115
4.6.1, Влияние применения природного газа на эксплуатационные показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения 115
4.6.2. Влияние применения природного газа на экологические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения 118
4.7. Влияние применения природного газа на сажесодержание в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 122
4.7.1. Влияние применения природного газа на показатели сажесодержания и температуры в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от угла п.к.в 122
4.7.2. Влияние применения природного газа на показатели сажесодержания и температуры в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ 132
4.7.3. Влияние применения природного газа на показатели сажесодержания и температуры в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки 135
4.7.4. Влияние применения природного газа на показатели сажесодержания и температуры в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения 138
5. Разработка макетного образца автобуса паз- 32054-12 с модернизированной системой пита ния для работы на КПГ 141
5.1. Разработка требований к системе дозирования и регулирования подачи природного газа в цилиндры дизеля с турбонаддувом Д-245.12С автобуса ПАЗ-32054-12 141
5.2. Разработка и создание макетного образца автобуса ПАЗ-32054-12
для работы на компримированном природном газе 142
6. Оценка экономической эффективности использования кпг в качестве моторного топлива в дизеле с турбонаддувом 4чн 11,0/12,5, установ ленном на автобусе паз-32054-12 148
Общие выводы 152
Литература
- Социально-экологические аспекты влияния автотракторных двигателей на окружающую среду
- Теория процесса сажевыделения в газодизеле с впрыскиванием запального топлива в камеру сгорания типа ЦНИДИ через многострунную форсунку
- Методика проведения стендовых испытаний по улучшению эксплуатационных и экологических показателей дизеля с турбо наддувом 4ЧН 11,0/12,5 путем применения в качестве топлива природного газа
- Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ
Введение к работе
На сегодняшний день двигатели внутреннего сгорания являются самым распространенным типом энергетических установок, устанавливаемых на автомобилях и мобильной сельскохозяйственной технике. При этом отмечается постоянный рост доли дизельных двигателей из-за их большей экономичности по сравнению с бензиновыми двигателями. В ОГ ДВС содержится несколько сотен различных веществ, в том числе и вредных для окружающей среды и человека.
Одним из наиболее токсичных компонентов ОГ дизелей является сажа, образующаяся при сгорании топлива в дизелях. Попадая в атмосферу, она создает ощущение загрязненности воздуха, проникает в легкие и оседает в них, вызывая различные заболевания. Поэтому задача снижения содержания сажи в ОГ дизелей является актуальной и на сегодняшний день далеко не решенной.
Вопросами сажеобразования в дизелях в разное время занимались Баки-ров Ф.Г., Батурин С.А., Блох А.Г., Вагнер В.А., Кокурин А.Д., Лавров Н.В., Кузьмин В.А., Ложкин В.Н., Лоскутов А.С, Мальцев В.И., Новоселов А.Л., Страдомский М.В., Таран Э.Н., Теснер П.А., Эфрос В.В., Николаенко А.В., Звонов В.А., Разлейцев Н.Ф., Баранов Н.А., Кнорре В.Г., Смайлис В.И., Махов В.З., Дьяченко Н.Х., Smith O.J., Dent J.C., Hiroyasu H и др.
Снижения содержания сажи в ОГ дизелей можно добиться установкой в системе выпуска ОГ сажевых фильтров, которые позволяют снизить сажесо-держание в ОГ на 55...65 %, однако они имеют небольшой ресурс и достаточно дороги в производстве. Другим способом снижения содержания сажи является применение антидымных присадок к топливу, которые, по мнению некоторых исследователей, позволяют снизить сажесодержание в ОГ дизелей до 45 %. Но выпускаемые в настоящее время присадки имеют высокую стоимость и могут вызывать нагарообразование и повышенный износ деталей двигателя. К тому же в их состав входят токсичные компоненты.
Определенного снижения содержания сажи в ОГ дизелей можно дос-
8 тигнуть путем оптимизации и совершенствования рабочего процесса дизеля и внесения серьезных конструктивных изменений. Однако это не позволит снизить содержание сажи до уровня требований, действующих в странах Евросоюза и вводимых в России, к тому же это очень длительный и дорогостоящий процесс.
С другой стороны, все более остро ставится проблема дефицита топлива нефтяного происхождения и поиска альтернативных топлив для ДВС. Запасы нефти при существующем росте темпов их добычи могут быть исчерпаны в течение нескольких ближайших десятилетий. Поэтому специалисты многих стран занимаются вопросами перевода дизелей на топлива ненефтяного происхождения. Самым доступным и дешевым альтернативным топливом, по мнению специалистов, в настоящее время является компримированный природный газ, который в основном состоит из метана СН4.
Вопросами использования в качестве моторного топлива природного газа занимались такие ученые, как Генкин К.И., Долганов К.Е., Лиханов В.А., Михеев В.П., Равкинд А.А., Матиевский Д.Д., Макаров В.В. и др.
Углубленный анализ результатов научных исследований показывает, что зарубежными учеными и отечественными исследователями разработаны предпосылки, проведены глубокие экспериментальные работы на базе высококачественной измерительной техники по вопросу использования природного газа в ДВС. Имеются также работы по исследованию возможности использования природного газа в дизелях.
Вместе с тем необходимо отметить, что исследования по применению природного газа проводились без должного учета взаимосвязи экологических и эксплуатационных: показателей дизелей, практически нет работ по применению природного газа в быстроходных автотракторных дизелях рабочим объемом до 5 литров с турбонаддувом и работ, посвященных вопросам сажеобра-зования в дизелях при работе на природном газе. Мало работ, заканчивающихся созданием макетных образцов и проведением эксплуатационных испытаний.
Все это дает основание предполагать, что улучшение экологических показателей дизелей при работе на природном газе путем снижения дымности ОГ является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение и включенной Правительством РФ в приоритетные направления развития автотранспортного комплекса РФ на период до 2020 г.
В связи с вышеизложенным, научная задача сформулирована как улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения дымности отработавших газов.
Целью исследований является улучшение экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения дымности отработавших газов.
Научная новизна работы. Результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения природного газа на процессы образования и сгорания сажи, экологические показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ.
Уточненный химизм процесса образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе.
Уточненная зонная модель образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе при впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку.
Уточненная математическая модель расчета массовой и относительной концентрации сажи, количества частиц сажи в единице объема и распределения частиц сажи по размерам в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе.
Результаты расчета показателей сажесодержания в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе.
Рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 путем снижения дымности ОГ при переводе дизеля на природный газ.
Макетный образец автобуса ПАЗ-32054-12 с системой питания, модер-
10 низированной для работы на компримированном природном газе и пониженным содержанием сажи в ОГ.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Результаты научно-технической разработки, созданной при выполнении диссертационной работы, доведены до стадии создания макетного образца автобуса ПАЗ-32054-12 с системой питания, модернизированной для работы на природном газе и пониженным содержанием сажи в ОГ. Комплект научно-технической и чертежно-конструкторской документации по переоборудованию для работы на КПГ автобуса ПАЗ-32054-12 передан для внедрения в производство в Кировский филиал ОАО «Газпром» ООО «Волготрансгаз» ЛПУМГ.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академиях, Чебоксарском институте (филиале) Московского государственного открытого университета при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 311300 (110301), 150200 (190601) и 230100 (190603).
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 гг. (номер государственной регистрации 01.2002.06497).
На защиту выносятся следующие положения.
1. Результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения природного газа на процессы образования и сгорания сажи, экологические, показатели дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ,
Уточненный химизм процесса образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе.
Уточненная зонная модель образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе при впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку.
Уточненная математическая модель расчета массовой и относительной концентрации сажи, количества частиц сажи в единице объема и распределения частиц сажи по размерам в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧЫ 11,0/12,5 при работе на природном газе.
Результаты расчета показателей сажесодержания в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе.
Рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 путем снижения дымности ОГ при переводе дизеля на природный газ.
Макетный образец автобуса ПАЗ-32054-12 с системой питания, модернизированной для работы на компримированном природном газе и пониженным содержанием сажи в ОГ.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 52-й и 53-й научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Вятской ГСХА, 2005...2006 г.г. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); 4-й, 5-й и 6-й городских научных конференциях аспирантов и соискателей, 2004...2006 г.г. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г, Киров); 14-й научно-практической конференции вузов Приволжья и Предуралья «Улучшение технико-эксплуатационных показателей мобильной техники», 2003 г, (ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, г. Ижевск); Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство ~ технологии - экология», 2004 г. (ВятГУ, г. Киров); X Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств», 2004 г. (ГОУ ВПО Владимирский ГУ, г. Владимир); XV юбилейной региональной на-
12 учно-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 ГУ, г. Владимир); XVI региональной научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники», 2005 г. (ФГОУ ВПО Пензенская ГСХА, г. Пенза); 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 20 печатных работах, включая монографию объемом 7,75 п.л., 1 статью в центральном журнале, входящем в перечень ВАК РФ и статьи общим объемом 5,25 п.л., в т.ч. в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций опубликовано 3 статьи, в том числе 1 на иностранном языке. Без соавторов опубликовано 9 статей объемом 2,88 п.л.
Автор выражает глубокую признательность аспирантам кафедры ДВС Вятской ГСХА Рудакову JIB, и Олейнику М.А., принимавших участие при выполнении некоторых разделов стендовых испытаний.
Социально-экологические аспекты влияния автотракторных двигателей на окружающую среду
Автомобильный парк России насчитывает сегодня более 27 млн. автотранспортных средств и растет темпами по 3... 4 процента в год [79].
По прогнозам Минтранса России и Минпромэнерго России парк автомобильной техники может возрасти к 2010 г. до 36...39 млн. шт. При этом постоянно увеличивается и доля автомобилей с дизельными двигателями. К 2010 г. она может достичь 30 % от общего количества автомобилей.
Социально-экологические проблемы использования автотранспортных средств заключаются в том, что автомобильный транспорт является одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды и потребителем нефтяных то плив.
Если говорить обо всех техногенных источниках загрязнений атмосферы в России в целом, то доля автотранспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ составляет в среднем 45 %, а в крупных городах - до 80...90 % [123]. Наряду с загрязнением воздуха исследователями отмечается рост загрязнения земель и вод отходами от автотранспортной деятельности, а также увеличение шумового воздействия на окружающую среду. Кроме того, автомобильный транспорт является одним из главных потребителей невосполнимых топливно-энергетических ресурсов [34].
По самым осторожным оценкам, величина ежегодного экологического ущерба от функционирования автотранспортного комплекса Российской Федерации оценивается в 4...5 млрд. долл. США. При сохранении существующих тенденций, по прогнозам специалистов, к 2010 г. этот ущерб увеличится ещё на 30...40% [79].
Мировое сообщество уже достаточно давно осознало экологическую угрозу, которую несет автомобиль. Развитые страны и на национальном, и на международном уровне принимают ряд системных мер, направленных на решение экологических проблем автотранспорта.
В развитых странах сложилась тенденция устойчивого снижения общего объема вредных выбросов даже в условиях постоянного роста объема перевозок и пробега автомобилей. В большинстве стран Европы абсолютные объёмы вредных выбросов от автотранспорта сократились за последнее десятилетие на 70...90 % [79]. Сейчас проблему вредных выбросов автотранспорта в Западной Европе можно считать в значительной степени решённой. В то же время форсируются также разработки, направленные на применение альтернативных источников энергии на автомобильном транспорте, и это уже ответ на более отдаленную проблему исчерпания запасов нефти.
По прогнозам специалистов при существующем росте темпов добычи природных энергоносителей запасов нефти в мире, особенно в странах Евросоюза, хватит на очень непродолжительный период. Поэтому поиск альтернативных топлив для автотранспорта является актуальным направлением научных исследований на сегодняшний день. Самым перспективным топливом в ближайшем будущем специалисты называют природный газ, запасы которого превышают запасы нефти в несколько раз (см. рис. 1.1) [96].
Более того, дефицит нефти и нефтяных топлив ощущается уже сегодня во многих странах мира. По данным Международного энергетического агентства уровень автомобилизации, потребность в нефти и ее добыча в последние годы неуклонно возрастают. Если на сегодняшний день уровень автомобилизации в мире составляет 122 автомобиля на 1000 человек (рис.1.2), то к 2025 году по прогнозу ожидается уже 150 автомобилей. Серьезно отличаются друг от друга объемы потребности и добычи нефти в мире. Так, в 2005 году мировая потребность в нефти и ее добыча по прогнозам специалистов составляла 85 и 81 млн. баррелей в день, соответственно [96].
Теория процесса сажевыделения в газодизеле с впрыскиванием запального топлива в камеру сгорания типа ЦНИДИ через многострунную форсунку
Для определения количества образующейся при сгорании топлива сажи пользуются понятиями массовая концентрация С сажи, относительная концентрация г сажи и количество N частиц сажи в единице объема в цилиндре дизеля.
На основании закона Бугера - Беера действительная массовая концентрация С при сером характере излучения может быть выражена через относительную концентрацию С - г/М, где М - число Бугера, для условий эксперимента M-const. Поэтому относительная концентрация г всегда пропорциональна действительной массовой С и определяется только степенью ослабления луча в цилиндре дизеля, т.е. г = МС = 1п(10/1е), где 1о и 1е - интенсивности луча начальная и после его прохождения через цилиндр. Таким образом, параметр г характеризует качественное изменение действительной концентрации, вызванное образованием сажи, ее выгоранием и изменением объема цилиндра.
Для оценки изменения сажесодержания, вызванного только объемным процессом сажевыделения, необходимо исключить влияние переменного объема цилиндра на результирующую концентрацию сажи. При известных концентрациях Сиг массовое сажесодержание в цилиндре в некоторый момент времени, которому соответствует объем цилиндра Vj, определится как rVi = MCVj. Выбирая в качестве объема приведения некоторый единичный объем Vo, получим r = MN, где r = C(V./V0) - относительное сажесодержание в цилиндре при условно постоянном объеме УЦ=У0; г = C(Vj /V0) - абсолютное сажесодержание в цилиндре при условно постоянном объеме Уц = Vo.
Для зависимостей C = f(cp) и г = ґ(ф) характерно непрерывное увеличение концентрации до максимального значения и последующее снижение до значений, определяющих дымность ОГ. Каждому характерному участку зависимости С, г = f (ф) соответствует свой максимум скорости. Время достижения максимальной концентрации сажи в дизелях составляет 4...5 мс. Специфика рабочего процесса газодизеля и связанное с этим изменение физических условий в КС сопровождаются соответствующим изменением абсолютных значений максимальной концентрации Стах, сажесодержания к началу выпуска Свып и скорости массового выгорания сажи от Сшах до Свып. С точки зрения конечных результатов процесса сажевыделения концентрация Свып и дымность ОГ в значительной степени определяются интенсивностью массового выгорания сажи на участке после Cmsx, которая зависит как от скорости процесса, так и от располагаемого времени. Причем временной фактор играет определяющую роль в снижении дымности ОГ дизелей, значительно различающихся по степени быстроходности. В несколько раз большее располагаемое время выгорания сажи в цилиндре среднеоборотного дизеля по сравнению с быстроходным обеспечивает выгорание более 80 % образовавшейся сажи и практически ее отсутствие в ОГ. В быстроходных дизелях по оценке ряда исследователей к началу выпуска успевает выгореть только 50...65 % от Стах [6].
Весь накопленный многочисленный экспериментальный материал по влиянию различных факторов на динамику сажевыделения в дизелях свидетельствует о тесной связи процесса сажевыделения с показателями процесса сгорания и, прежде всего, с динамикой тепловыделения в цикле. Сопоставляя изменение основных показателей процесса сгорания с изменением результирующего сажевыделения, видим, что во всех случаях концентрация сажевых частиц в цилиндре достигает максимального значения почти одновременно с максимальной скоростью тепловыделения на участке диффузионного сгорания. Начало сажевыделения всегда совпадает с началом видимого сгорания и началом активного тепловыделения. Это означает, что сажа в цилиндре дизеля образуется сразу же, как только появляется устойчивый фронт пламени. Интенсивность процессов образования и выгорания сажи, косвенно характеризуемая значениями Спш и Свьш, также связана с характеристикой тепловыделения в цикле. Зависимости и имеют линейный характер.
Существенное снижение дымности ОГ и концентрации сажи в течение всего цикла получается при увеличении значения количества теплоты, выделяемой при гомогенном сгорании топливовоздушнои смеси, подготовленной за ПЗВ и одновременном снижении скорости тепловыделения в основной фазе сгорания, т.е. увеличении количества топлива, сгорающего в первой фазе видимого сгорания, и уменьшении количества топлива, сгорающего в диффузионной фазе. Именно аналогичный характер протекания кривой тепловыделения характерен для газодизеля. Следует иметь в виду, что такое перераспределение топлива между фазами приводит к возрастанию жесткости процесса сгорания.
Методика проведения стендовых испытаний по улучшению эксплуатационных и экологических показателей дизеля с турбо наддувом 4ЧН 11,0/12,5 путем применения в качестве топлива природного газа
В основу методики проведения испытаний положен сравнительный метод. Исследования проводились в несколько этапов.
На первом этапе предусматривалось определение оптимальных регулировочных параметров, снятие эффективных показателей дизеля, индици-рование рабочего процесса с целью определения его параметров, определение токсичности и дымности ОГ на различных нагрузочных и скоростных режимах при работе по дизельному процессу,
На втором этапе предусматривался расчет, разработка, изготовление и оптимизация системы дозирования и регулирования подачи природного газа, определение оптимальных регулировок, получение эффективных показателей, определение параметров рабочего процесса путем индицирования, определение токсичности и дымности ОГ на различных нагрузочных и скоростных режимах при работе двигателя по газодизельному процессу.
Для определения соответствия исследуемого дизеля европейским нормам содержания токсичных компонентов в отработавших газах проводился европейский цикл испытаний в установившихся режимах (ESC) согласно ГОСТу Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН № 49).
Общая структурная схема проведения стендовых исследований дизеля при использовании компримированного природного газа в качестве топлива представлена на рис. 3.1. При стендовых испытаниях двигателя использовалось дизельное топливо марки Л-05 (ГОСТ 305-82), моторное масло М-10Д(м) (ГОСТ 8581-78) и КПГ месторождения «Ямбургское» из газопровода «Ямбург - Тула», состав которого представлен в табл. 3.1 и соответствующий
ГОСТу 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия». Плотность природного газа в нормальных условиях составила 0,673 кг/м", средняя удельная теплота сгорания 33,4 МДж/м3.
Разработка модификации дизеля, работающего на КПТ, предусматривает сохранение мощностных показателей, присущих серийному двигателю. Определялись параметры газового смесителя-дозатора, который должен обеспечивать подачу газа в цилиндры дизеля в объеме, эквивалентном по теплоте сгорания дизельному топливу.
Количество газа, поступающего в цилиндры двигателя, регулировалось специальной газовой заслонкой, установленной перед смесителем, а максимальное количество газа, поступающего в цилиндры, ограничивалось проходным сечением кольцевой щели диффузора дозатора, которое определялось экспериментально. При этом изучалась и минимизировалась неравномерность распределения газовоздушной смеси по цилиндрам. Минимальная запальная порция дизельного топлива подбиралась из условия отсутствия пропусков воспламенения в цилиндрах двигателя и устойчивой работы на холостом ходу.
При индицировании рабочего процесса дизеля с различным соотношением газовоздушной смеси необходимым условием являлось сохранение одинаковых значений ре для каждого исследуемого скоростного и нагрузочного режимов. Это же условие выполнялось и при снятии скоростных характеристик, т. е. на всех фиксируемых частотах вращения коленчатого вала поддерживалось одинаковое значение ре при работе на ДТ и природном газе. Величина ре определялась из показаний весового механизма нагрузочного устройства. Все характеристики снимались при оптимальных значениях установочного угла опережения впрыскивания топлива. Одновременно со снятием характеристик проводилось индицирование и газовый анализ, а также отбор проб для определения дымности ОГ.
При монтаже оборудования и приборов, проведении исследований стабильности и стендовых испытаний, газовом анализе учитывались требования ГОСТа 14846-81, ГОСТа 17.2.2.01-84, ГОСТа Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН №49), ГОСТа 27577-2000, а при анализе результатов требований ГОСТа 17.2.1.01-76, ГОСТа 17.2.1.02-76, ГОСТа 17.2.1.03-84, ГОСТа 17.2.1.04-77. Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля при работе на различных режимах осуществлялось с помощью ЭВМ по методике ЦНИДИ-ЦНИИМ.
Отбор и анализ проб ОГ производился на автоматической системе газового анализа АСГА-Т с соблюдением требований инструкции к установке. Дымность ОГ проводилась с помощью дымомера Bosch EFAW-68A.
Перед началом проведения испытаний двигатель прогревался до температуры масла в поддоне в пределах 85...95С. Температура окружающего воздуха и топлива во время опытов не превышала значений, указанных в технической документации завода-изготовителя. Техническое обслуживание дизеля проводилась в соответствии с инструкцией завод а-из готовите ля.
Значения мощности двигателя, крутящего момента, среднего эффективного давления и расходы топлива на различных скоростных режимах приводились к стандартным атмосферным условиям, температуре и плотности топлива согласно ГОСТу 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний».
Влияние применения природного газа на показатели процесса сгорания дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного УОВТ
В соответствии с методикой стендовых испытаний, изложенной в гл. 3 и структурной схемой (см. рис. 3.1) нами были проведены испытания дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 по исследованию влияния применения природного газа на показатели процесса сгорания при различных значениях установочного УОВТ. Необходимо отметить, что заводом-изготовителем для двигателя установлен оптимальный установочный УОВТ равный 11 п.к.в.
Показатели процесса сгорания дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения значения установочного УОВТ при номинальной частоте вращения п - 2400 мин" и нагрузке ре - 0,84 МПа представлены на рис. 4.1,а.
На основании анализа полученных данных можно сделать следующие выводы. При изменении значения установочного УОВТ с 5 до 17 п.к.в. при работе по дизельному процессу максимальная температура Тшх цикла возрастает с 1730 до 2250 К, т.е. на 30,1 %. При этом максимальное давление Pz ma цикла возрастает от 9,2 до 11,8 МПа, т.е. на 28,3 %. Соответственно воз растает и максимальная скорость нарастания давления (dp/d(p)max в цилиндре. Если при @впр = 5 п.к.в. (dp/dcp)max = 0,65 МПа/градус, то при @шр = 17 п.к.в. (dp/d(p)maK составляет уже 1,25 МПа/градус, т.е. возрастает в 1,9 раза. Угол (pi, соответствующий ПЗВ, при этом снижается с 16 до 14 градусов, т.е. на 12,5 %.
При работе по газодизельному процессу показатели процесса сгорания рассматривались нами при изменении ввлр от 5 до 14 п.к.в. При больших значениях впр недопустимо возрастает (dp/d(p)max, что делает работу двигателя невозможной. При изменении впр от 5 до 14 п.к.в. максимальная температура Ттах цикла возрастает с 2270 до 2600 К, т.е. на 14,5 %, pzmax возрастает от 9,8 до 12,0 МПа, т.е. на 22,4%, (dp/dcp)max возрастает с 0,76 до 1,12 МПа/градус, т.е. в 1,5 раза. При этом угол (р; снижается с 19 до 14 градусов, т.е. на 26,3 %.
Заводом-изготовителем установлено, что максимальная жесткость процесса сгорания не должна превышать 0,95 МПа/градус. Таким образом, установочный УОВТ 11 п.к.в. является оптимальным для дизельного и газодизельного процессов при частоте вращения n = 2400 мин"1. При этом значении установочного УОВТ максимальная жесткость процесса сгорания при работе по газодизельному процессу составляет 0,9 МПа/градус, что находится в допустимых пределах для данного двигателя.
При переходе с дизельного на газодизельный процесс при значении установочного УОВТ ВПр = 1Г п.к.в. и п = 2400 мин"1, при ре = 0,84 МПа максимальная температура Ттах цикла возрастает с 2100 до 2500 К (на 19%), максимальное давление ргТШ газов в цилиндре повышается с 10,2 до 11,2 МПа, т.е. рост составляет 9,8 %, максимальная жесткость (dp/dq )max процесса сгорания при этом возрастает с 0,8 до 0,9 МПа/градус (на 12,5 %), угол фі, соответствующий ПЗВ возрастает с 15 до 17 градусов (на 13,3 %).
Такое изменение показателей процесса сгорания связано с тем, что природный газ имеет более высокую теплоту сгорания, чем ДТ, а также более высокую скорость сгорания в связи с тем, что в цилиндре газодизеля его рает более гомогенная смесь, чем при сжигании ДТ.
На рис. 4,1,6 представлены показатели процесса сгорания дизеля с тур-бонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при частоте вращения п = 1900 мин"1 и ре = 0,92 МПа для дизельного процесса и ре = 0,84 МПа для газодизельного, соответствующей режиму максимального крутящего момента при работе на ДТ и при работе на природном газе.
На основании анализа полученных данных можно сделать следующие выводы. При изменении значения установочного УОВТ с 5 до 17 п.к.в. при работе по дизельному процессу максимальная температура Ттах цикла возрастает с 1880 до 2360 К, т.е. на 25,5 %. При этом максимальное давление Pzmax газов в цилиндре возрастает от 9,4 до 12,1 МПа, т.е. на 28,7 %. Соответственно возрастает и (dp/dtp)max. Если при @впр = 5 п.к.в. значение (dp/dcp)max = 0,59 МПа/градус, то при @вгтр = 17 п.к.в. значение (dp/dq))max равняется уже 1,2 МПа/градус, т.е. возрастает в 2,03 раза. Угол q ;, соответствующий ПЗВ при этом снижается с 16 до 14 градусов, т.е. на 12,5 %.
При работе по газодизеяьному процессу показатели процесса сгорания рассматривались нами при изменении вБПр от 5 до 14 п.к.в. При больших значениях 0впр (dp/dq )max превышает допустимые значения, что делает работу двигателя невозможной. При изменении значения 0впр от 5 до 14 п.к.в. максимальная температура Ттах цикла возрастает с 2090 до 2690 К, т.е. на 28,7 %, pzmax возрастает от 9,9 до 12,2 МПа, т.е. на 23,2 %, (dp/d p)IT]ax возрастает с 0,7 до 1,2 МПа/градус, т.е, на 71,4 %. При этом угол р; снижается с 20 до 15 градусов, т.е. на 25 %.
