Результаты экспериментального исследования рабочего процесса газового двигателя

УДК 621.43

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Р.Т. Хакимов1

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),

191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7

Проведены экспериментальные исследования по определению параметров газового двигателя при различных установочных углах опережения зажигания и вариантах подачи газа. Показано, что возможен перевод дизеля на газовый рабочий процесс при сохранении его мощности, без ухудшения показателей экономичности и существенного повышения нагрузок на детали кривошипношатунного механизма.

Ключевые слова: газовый двигатель; параметры рабочего цикла; расход воздуха и газа; принудительное воспламенение; КПД; внешняя скоростная характеристика

Согласно задачам экспериментального исследования, были проведены следующие этапы:

1. Определение параметров газового двигателя (ГД) при различных установочных углах опережения зажигания. В процессе экспериментальных исследований были получены данные для различных установочных углов опережения зажигания (УОЗ) при работе двигателя 8ГЧ12/12 в газовом рабочем режиме. Так, были исследованы режимы при УОЗ 9 = -19° и 12° до ВМТ при п = 1400 мин-1, при УОЗ 9 = -19° и 12° до ВМТ при п =2200 об/мин, а также УОЗ 9 = 16° до ВМТ при п =2200 об/мин с степенью сжатия 8 =12.

2. Определение параметров ГД при постоянном установочном угле опережения зажигания и различных вариантах подачи газа. Для оценки влияния подачи топлива были выбраны установочные углы опережения зажигания в =12° до ВМТ - 8ГЧ12/12 и 9 =21...22° до ВМТ - 12ГЧН18/20, при котором были получены серии данных при работе ГД на режиме номинальной мощности. В довершение были получены внешние скоростные характеристики ГД для оценки влияния способов регулирования мощности.

При обработке данных эксперимента были получены интегральные ха-

рактеристики, параметры рабочего цикла и динамика тепловыделения газовых модификаций дизелей, представленные ниже.

В схеме установки предусмотрена возможность раздельного регулирования расходов воздуха и газа, что позволяет оценить влияние коэффициента избытка воздуха на параметры двигателя и выбрать рациональные составы смеси на режимах внешней скоростной характеристики, [1].

850

и 750

и

650

550

450

350

250

150

1

— X

^;

,Х' 1^ г у**** уовл*''*с,С1

I

г

[Vі

1000

1200

1400

1600

1800

2000

~™о™~^г+ Gв, кг/ч при Удр=60-65% 0 Gг+Gв, кг/ч, при Удр=30%

— х— Gг+Gв, кг/ч, при Удр=10%

2200 п, об/мин.

Рисунок 1 - Расход воздуха и газа при работе по внешней скоростной характеристике с различными положениями дроссельной заслонки и постоянном установочном угле опережения зажигания -12° ПКВ

При открытой дроссельной заслонке наблюдается практически линейное увеличение расхода воздуха с ростом

частоты вращения (рис. 1). Отношение расхода газа к расходу воздуха по мере снижения частоты вращения уменьшается, так при работе по внешней скоростной характеристики меньшим частотам соответствуют меньшие мощности (происходит обеднение смеси).

п, об/мин.

“—О— Удр=60-65% —— Удр=30% - -Л- - Открыта

Рисунок 2 - Расход газового топлива при работе по внешней скоростной характеристике с различными положениями дроссельной заслонки и постоянном установочном угле опережения зажигания -12° ПКВ

При закрытии дроссельной заслонки общая тенденция сохраняется, но наклон кривых уменьшается, так как влияние дросселирования на впуске более заметно при высоких частотах вращения.

Изменение расхода газа отражает работу газового дозатора от частоты вращения КВ при работе по внешней скоростной характеристике с различными положениями газовоздушной заслонки. При заданной частоте вращения, при неизменном эффективном КПД - расход теплоты, подведенной с газом, должен быть постоянным. Кривые, приведенные на (рис. 2), указывают на различие расходов газа при одних и тех же частотах вращения, следовательно, должен различаться и эффективный КПД.

Коэффициент избытка воздуха является одним из основных параметров, определяющих условия сгорания, в двигателях с принудительным воспламенением. В двигателях с принудительным воспламенением увеличение коэффициента избытка воздуха уменьшает скорость распространения пламени, способствуя затягиванию процесса сгорания с соответствующим ухудшением КПД. Зависимость коэффициента избытка воздуха в газовоздушной смеси от частоты вращения при работе по внешней скоростной характеристике показана на рис. 3.

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 п, об./мин.

—й-Удр , % при а=1 -а— Удр, % при а=1, -х-Удр, % при а=1,3

—а^Ь, при а=1 _o_Gb, при а=1,2 -х^Ь, при а=1,3

Рисунок 3 - Расход воздуха при различных коэффициентов избытка воздуха в газовоздушной смеси с различными положениями дроссельной заслонки и постоянных установочном угле опережения зажигания -12° ПКВ

Очевидным результатом является увеличение коэффициента избытка воздуха с уменьшением частоты вращения. При минимальных скоростях вращения и нагрузках коэффициент избытка воздуха достигает значений 1,3 - 1,35, т.е. приближается к пределу воспламеняемости смеси. С помощью дросселирования на впуске удается снизить коэффициенты избытка воздуха, что положительно сказывается на величинах КПД.

Фов, град. до ВМТ

Общая тенденция к снижению КПД по мере перехода к малым частотам вращения определяется относительным увеличением механических потерь, поскольку зависимость момента потерь от частоты вращения - линейная, а эффективного момента - квадратичная. Поэтому судить здесь о влиянии состава смеси на КПД можно лишь по точкам, соответствующим постоянным значениям частоты вращения.

Рисунок 4 - Коэффициенты избытка воздуха при различных углах опережения зажигания ГД 8ГЧ12/12 и постоянной частоте вращения коленчатого вала п=2200 об/мин

Следует обратить внимание на то, что при принятых условиях эксперимента связь между КПД и коэффициентом избытка воздуха взаимна: рост избытка воздуха снижает КПД, при этом увеличивается расход газа, влияющий на избыток воздуха в обратном направлении. Этот факт иллюстрируется (рис. 4), где показана зависимость коэффициента избытка воздуха от фактического угла опережения зажигания. Наблюдаемое здесь уменьшение избытка воздуха при малых углах опережения определяется тем, что при практически постоянном расходе воздуха увеличивается расход газа, необходимый для сохранения мощности. Эта совокупность факторов должна учитываться при оценке причин влияния различных факторов на КПД двигателя.

Эффективный КПД определяется протеканием рабочего процесса и механическими потерями. При прочих равных условиях, протекание рабочего процесса в поршневом двигателе зависит, главным образом, от состава смеси.

Поэтому на (рис. 5) значения КПД при работе по внешней скоростной характеристике нанесены в функции коэффициента избытка воздуха.

Закр. на 60 град. —с^Закр. на 45 град. -^^Закр. на 30 град.

- Закр. на 15 град. -О— Открыта---- 12ГЧН18/20;------8ГЧ12/12

Рисунок 5 - Зависимость эффективного КПД от коэффициента избытка воздуха при различных положениях газовоздушной заслонки в условиях работы газовых двигателей по внешней скоростной характеристике с постоянными установочном угле опережения: 12ГЧН18/20 - фоз=21...22° ПКВ, А-1500 мин-1, В - 1300 мин-1, С - 1150 мин-1, 57 кВт, Д - 1000 мин-1); (8ГЧ12/12 -фоз=12° ПКВ, А - 2200 мин-1, В - 1800 мин-1, С - 1500 мин-1, 57 кВт, Д - 1200 мин-1

Сравнение кривых позволяет сделать вывод, что максимум эффективного КПД, на различных участках скоростной характеристики, соответствует разным положениям газовоздушной заслонки. Так, при малых частотах вращения максимум КПД соответствует закрытому положению заслонки, по мере приближения к номинальному режиму работы максимум КПД смещается в область открытого положения заслонки. Очевидной причиной является уменьшение скорости распространения пламени при больших из-

а

бытках воздуха. Согласно этому, можно сделать вывод о необходимости смешанного качественно-количественного регулирования для обеспечения максимального эффективного КПД во всем диапазоне частот вращения двигателя.

На основании приведенных данных можно утверждать, что с этой точки зрения предпочтительными являются режимы меньших углов опережения зажигания, поскольку среднее эффективное давление достигается при меньших расходах газа. Рост эффективного КПД при увеличении угла опережения зажигания для газового режима хорошо согласуется с теоретическими предпосылками [2]. При сравнении эффективного КПД для газового режима обращает внимание на себя тот факт, что работа по газовому рабочему циклу при углах опережения зажигания менее -19 градусов до ВМТ приводит к снижению КПД. Различный характер влияния угла опережения на КПД объясняется различными механизмами сгорания в газовом двигателе.

Температуры отработавших газов газового двигателя при больших углах опережения уменьшается. С уменьшением фактического угла опережения зажигания температуры для газового двигателя возрастает быстрее, (рис. 6). Это вполне согласуется с соответствующими данными по коэффициенту избытка воздуха.

Выводы

1. Перевод дизеля на газовый рабочий процесс обеспечивает возможность сохранения мощности базового двигателя без ухудшения показателей экономичности и существенного повышения нагрузок на детали КШМ.

2. Основными факторами, влияющими на протекание рабочего процесса, мощностные, экономические и экологические показатели газового двигателя являются, применения смешанного регулирования газовоздушной дополнительный информационно измерительный канал системы электронного управления ГД, угол опережения зажигания, а также коэффициент избытка воздуха. Последний фактор играет решающую роль в изменении параметров двигателя при работе по нагрузочной характеристике.

Tt, С° 800 750 700 650 600 550 500 450 400

10 12 14 16 18 20 22 24

Фоз , град. до ВМТ

----8ГЧ12/12 - n =2200 об/мин

_ _ - 12ГЧН18/20 - n =1500 об/мин

Рисунок 6 - Температура отработавших газов в зависимости от угла опережения зажигания при постоянных оборотах КВ

3. Данные, полученные при исследовании влияния дросселирования газовоздушной смеси на эффективный КПД позволяют делать выводы о предпочтительности смешанного регулирования.

Литература

1. Николаенко А.В., Хакимов Р.Т. Математическое моделирование и расчет рабочего процесса газовой модификации дизеля. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей / Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2006. - С. 363 -387.

2. Петриченко Р.М Физические основы внутри-цилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания. Учеб. Пособие. - Л.: Ленинград. Ун-тет,1983 - 244с.

1 Хакимов Рамиль Тагирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автосервис» СПбГУСЭ, тел.:8(906)2622858, е-таИ: haki7@mail.ru