Сравнительный анализ циклов газового и газодизельного двигателей большой размерности

щ

Научные разработки и исследов

Сравнительный анализ циклов газового и газодизельного двигателей большой размерности

А.С. Хачиян, профессор МАДИ, к.т.н.,

И.Г. Шишлов, старший научный сотрудник МАДИ, к.т.н.,

Д.М. Карпов, инженер МАДИ

Представлены результаты расчетных исследований циклов газового и газодизельного двигателей, созданных на базе дизеля большой размерности для тепловозов. Показано преимущество конвертации среднеоборотного дизеля в газовый двигатель с внешним смесеобразованием и воспламенением газовоздушной смеси от минимизированной мелко распыленной запальной порции дизельного топлива по сравнению с конвертацией в газовый двигатель с внешним смесеобразованием и искровой системой зажигания. Отмечена более высокая экономичность, обеспеченная благодаря применению в газодизеле высокой степени сжатия и работе на более бедных смесях.

Ключевые слова: газовый двигатель, газодизель, природный газ, показатели цикла, степень сжатия, способ смесеобразования.

При решении задачи по созданию на базе большеразмер-ного дизеля средней оборотности двигателя, питаемого природным газом, важным является выбор варианта конвертации. Способы смесеобразования и воспламенения газовоздушной смеси оказывают безусловное влияние на эксплуатационную экономичность газовых модификаций дизеля.

В Московском автомобильно-дорожном техническом университете (МАДИ) проведены расчеты показателей цикла двигателя, питаемого природным газом и разрабатываемого на базе большеразмерного дизеля средней оборотности для разных вариантов конвертации. Расчеты выполнены с использованием методик, созданных на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» [1].

Рассмотрены следующие варианты конвертации дизелей:

• конвертация дизеля в газовый двигатель с внешним и внутренним смесеобразованием и воспламенением газовоздушной смеси от искрового разряда;

• конвертация дизеля в газовый двигатель (газодизель) с внешним смесеобразованием и воспламенением газовоздушной смеси от минимизированной мелко распыленной запальной порции дизельного топлива.

Первый вариант требует доработки поршней для снижения

степени сжатия при внешнем смесеобразовании и головок цилиндров для установки вместо форсунок свечей зажигания, а также применения микропроцессорной системы управления подачей искрового разряда и дозированной подачи природного газа.

Основной недостаток этого способа связан с необходимостью снижения степени сжатия при внешнем смесеобразовании и применения количественного регулирования. Надо также иметь в виду, что

Таблица 1

Октановое число Степень сжатия s для двигателей размерностью Разность

D/S=120/130 D/S=265/310

105 9,57 5,99 3,76

110 11,05 6,46 4,59

115 12,76 7,01 5,75

120 15,10 7,66 7,44

125 18,47 8,44 10,03

Среднее значение 13,39 7,11 6,28

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (32), апрель 2013 г.

е разработки и исследования

с учетом возможной неравномерности состава газовоздушной смеси в цилиндрах, связанной с различием цикловых подач природного газа, поступающего в отдельные цилиндры, которые зависят от индивидуальных расходных характеристик газовых форсунок, при выборе коэффициента избытка воздуха необходимо ограничиваться а=1,5...1,7. В то время как в газодизеле избыток воздуха может быть больше.

При наддуве газовый двигатель с внутренним смесеобразованием и воспламенением газовоздушной смеси от искрового разряда не имеет существенных преимуществ по сравнению с газодизелем,

имеющим внешнее смесеобразование и воспламенение газовоздушной смеси от минимизированной мелко распыленной запальной порции дизельного топлива. В то же время способ создания чистого газового двигателя с внутренним смесеобразованием требует существенно больших затрат.

Степень сжатия газового двигателя может быть определена двумя способами.

1. Расчет температуры адиабатного сжатия от начального давления цикла до максимального в цилиндре, условно называемой температурой детонации, которая для природного газа не должна превышать 1050 К:

к-1

Т =т (?Ак дет а \р3) '

где Гдет - температура детонации; Та

- начальная температура адиабатного сжатия; ра - начальное давление в цилиндре; р2 - максимальное давление в цилиндре, к - показатель адиабаты.

2. Расчет по эмпирическому уравнению Д.М. Аронова [2]

04 = 125,4 - — + 0,183£),

£

где ОЧ - октановое число природного газа; £ - степень сжатия; й

- диаметр цилиндра, мм.

Для определения степени сжатия по способу 1 с использованием методик и программ расчета циклов двигателей были выполнены серии

Таблица 2

Параметр Двигатель

Газовый е=7,11 Газодизель е=14,0

Давление перед выпускным клапаном, МПа 0,25 0,32

Коэффициент избытка воздуха 1,5 2,0

Среднее давление газообмена, МПа -0,028 -0,035

Коэффициент наполнения 0,866 0,904

Коэффициент остаточных газов 0,0604 0,0628

Давление в цилиндре в конце впуска, МПа 0,2697 0,3455

Температура в цилиндре в конце впуска, К 417,30 368,47

Среднее индикаторное давление, МПа 1,763 2,239

Индикаторный КПД 0,405 0,492

Удельный индикаторный расход топлива, г/кВтч 179,89 148,07

Максимальная скорость нарастания давления, МПа/°ПКВ 0,6289 0,9648

Максимальное давление сгорания, МПа 9,448 18,535

Максимальная температура сгорания, К 2314,1 2057,6

Теплота, подведенная к циклу, Дж 68458,8 69580,9

Потери теплоты в стенки, Дж 4256,7 4370,3

Средний коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К 348,62 537,59

Средняя температура цикла, К 1026,00 872,94

Средняя результирующая по теплообмену температура, К 1185 1027

Примечание. Для газодизеля допустимое максимальное давление цикла ограничено величиной 18,5 МПа, поэтом показатели цикла получены при неоптимальном моменте начала воспламенения.

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (32), апрель 2013 г.

11^ АН| ИШГ I мтШ| Т1Р1Г тгп п°1"ПТГПТГИШШИШ

т

Научные разработки и исследов

р, МПа

£ ? 14 II 11 11 II 14 17 ЗА 19 10

/103, м3

Рис. 1. Изменение давления в цилиндре двигателей в процессе сжатия, сгорания и расширения

расчетов при среднем для состава заряда показателе адиабаты

к = i^bH = 1)37.

Для газового варианта степень сжатия £=11.

При этом значении степени сжатия температура детонации была определена по формуле (1).

1,37-1

Т - Q4Q Q А5.525Л 1-37 _

1 дет - 007,0 ^ Q 25 J

= 1034,5 К.

Полученное значение близко к 1050 К.

Следует принять во внимание, что способ 1 не учитывает того, что при большом диаметре цилиндра продолжительность развития фронта пламени до наиболее удаленных слоев заряда в камере сгорания увеличивается, поэтому необходимо выбирать еще меньшую степень сжатия, чтобы избежать детонации.

При определении степени сжатия по способу 2 расчеты выполнены для ряда значений ОЧ (табл. 1), так как в различных источниках этот показатель природного газа оценивается в диапазоне 105...125.

Проведенные ранее экспериментальные исследования двигателей размерностью D/S =120/130

показали, что работа двигателя на природном газе с £=13, близкой к оценочному значению £=13,39, не сопровождалась детонацией. Поэтому для двигателя размерностью D/S = 265/310 в соответствии с результатом, представленным в табл. 1, можно назначить степень сжатия £=7,11.

Для номинального режима (п=1000 мин-1) среднеоборотного дизеля размерностью D/S=265/310 выполнены расчеты показателей циклов при его работе в газовом и газодизельном вариантах (табл. 2).

Коэффициент избытка воздуха для газового варианта принят а=1,5, для газодизельного а=2,0. С учетом этого различия давление наддува для газодизельного варианта выбрано 0,42 МПа вместо 0,25 МПа для газового варианта.

Степень сжатия в газодизельном варианте соответствует степени сжатия дизельного £=14,0, в газовом принята £=7,11.

Результаты расчетов показателей циклов представлены на рис. 1-3.

Анализ результатов расчетного исследования показал следующее:

• в газодизеле выше механические нагрузки на детали двигателя;

• экономичность цикла в газодизеле оказалась выше на 21,5 %;

• при равенстве средней скорости поршня, потерь на газообмен и большем значении среднего индикаторного давления можно предположить, что механический КПД будет выше в газодизеле, и поэтому различия в эффективном КПД будут больше, чем в индикаторном.

Следует отметить, что газодизель имеет и другие преимущества, в частности, большую унификацию с базовым дизелем.

Q, Дж/°ПКВ еда

-<н>

«00

зм

JW

JM

J0C

100

-  ruej г-; шо] шла ыЛ ™

у

У

16? ]-0 Г* 1№ 18? 190 НУ :м

Рис. 2. Интегральные характеристики подвода теплоты к циклу

на

Ф, °ПКВ

»ЮПФйяЯЭ!

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (32), апрель 2013 г.

е разработки и исследования

liííQbl

Qw, Дж/°ПКВ UQ

i:o im за fú ю

о

-д.

- ч Г * г р a lj Jíi

И

SO 40

J:Ü 150

до

ф, °ПКВ

Рис. 3. Интегральные характеристики потерь теплоты в стенки цилиндра

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы.

Для тепловозных дизелей средней оборотности нецелесообразно использовать способ конвертации в чисто газовый двигатель с искровым зажиганием, так как

Наиболее целесообразно применение газодизельного способа конвертации с внешним смесеобразованием и воспламенением от минимизированной тонко распыленной запальной порции дизельного топлива, впрыскиваемого аккумуляторной топливной системой с электрогидравлическими форсунками.

При работе газодизеля только по двухтопливной схеме для впрыска минимизированной запальной порции дизельного топлива можно применить серийно выпускаемые автомобильные аккумуляторные топливные системы.

необходимо существенно снижать степень сжатия с целью предотвращения детонации. На эксплуатационную экономичность, естественно, повлияет также уменьшение механического КПД и количественное регулирование.

Литература

1. Хачиян А.С., Синявский В.В. Расчеты четырехтактного газового двигателя. - М.: МАДИ, 2001.

2. Аронов Д.М., Малявинский Л.В.

Антидетонационные качества автомобильных двигателей. Тр. НИИАТ, вып. 2. - М.: изд-во НИИАТ, 1961.

Насосы и насосные агрегаты Corken Z2000

произво^тельность - 220 п/мйн • максимальное дифференциальной давление - 1.03 М Па • максимальная потребляемая мощность - 7,5 кВт  лазерная центровка насосных агрегатов  постоянное наличие на складе в Санкт-Петербурге * цена - 118 тыс. руб-

F4S CORHBN ijXTK

(4У5) Ш 0577 . (812) 335 4950 - 318 75Й0 . COMPRESSOR^FAS.SU -1 JGK@FAS.5U

WWW.FAS.SU

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (32), апрель 2013 г.

l^ffHiUlf I шттпТГГГи Т1Г1Г Т^П^ПТГТШИВВ!>1%-