Регулирование дизеля изменением физико - химических свойств топлива

__Известия вузов. МАШИНОСТРОЕНИЕ_43_

№ 6 2008

ТРАНСПОРТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИН О СТР ОЕНИЕ

621,436.038,001

РЕГУЛИРОВАНИЕ ДИЗЕЛЯ ИЗМЕНЕНИЕМ ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИХСВОЙСТВ ТОПЛИВА

Д-р техн. наук, проф. К Я ПАТРАХАЛЬЦЕВ, канд. техн. наук В. Л. КАЗНАЧЕВСКИЙ,

магистр техн. и технологий Е. Л\ СИЛИН

Приводятся результаты исследования дизеля 8413/14 при регулировании его изменением свойств топлива путём добавки к основному дизельному топливу сжю/сенного нефтяного газа или легко воспламеняющейся жидкости. Добавка вводится в основное топливо в максимальной близости к штатной форсунке по мере необходимости, а полученное таким образом смесевое топливо в очередных циклах топливоподачи впрыскивается в цилиндр.

Для поддержания заданных режимов работы дизеля или изменения их по заданному закону применяется регулятор частоты вращения (угловой скорости (со)) коленчатого вала. Поддержание или изменение со обычно происходит смещением рейки топливного насоса высокого давления (hp). Ограничение максимального смещения рейки, а следовательно и максимального повышения развиваемого крутящего момента дизеля, определяется появлением чрезмерной дымности отработавших газов (ОГ), которая не должна превышать установленный для данного дизеля предел дымления. Уровень дымности ОГ существенно зависит от физико - химических свойств топлива. Известно, например, что добавка к дизельному топливу жидкой фазы сжиженного нефтяного газа (ГСН) существенно снижает дымность ОГ, благодаря чему появляется возможность форсировать рабочий процесс дизеля по составу смеси (а), а следовательно и по мощности [1, 2]. Благодаря такому регулированию, т.е. регулированию дизеля изменением физико - химических свойств топлива («физико - химическое регулирование» -ФХР [3, 4]), можно изменить форму внешней скоростной характеристики (ВСХ), скорректировать ВСХ или другую характеристику. А следовательно можно достигнуть повышения коэффициента приспособляемости, как отношения максимального крутящего момента к номинальному

_ амс аме

(Км=Ме max/Me ном), фактора устойчивости (Гд =---) и т.д., что благоприятно ска-

^ дп дп

№6

2008

жется не только на процессе регулирования, но и на улучшении динамических характеристик двигателя и установки в целом.

На рис. 1 приведена функциональная схема системы автоматического регулирования (САР) дизеля, реализующей метод ФХР. Как и в традиционной САР, регулируемым параметром является со - выходная координата двигателя, являющаяся входной координатой регулятора. Его выходной координатой является положение ъ муфты, связанной с чувствительным элемен-

________________том. Перемещение

<2 ' ~

Топливный насос высокого давления

Топливная аппаратура

Линия высокого р давления

Форсунка

муфты г определяет положение регулирующего органа Ьр ТНВД, выходной координатой которого является производительность <3н насоса.

Рис. 1. Функциональная схема системы автоматического регулирования дизеля с использованием изменения свойств топлива.

С учётом переходных процессов в топливной аппаратуре [5] дизеля, входной координатой дизеля является производительность форсунки входной координатой которой служит расход топлива из линии высокого давления (ЛВД), служащей как бы аккумулятором

топлива. «Зарядка» этого аккумулятора на величину порядка происходит от источника добавки, входной координатой которого является параметр и, отражающий изменение регулируемого параметра ш двигателя. Входными координатами двигателя являются также нагрузка N и настройка у регулятора. Зарядка ЛВД вводом добавки (например, ГСН) происходит за время между циклами топливоподачи, причём, благодаря сжимаемости топлив, а следовательно повышению начального давления (Рнач.) топлива. Координата это, по существу, цикловая подача форсункой смесевого топлива, дизельного и добавки (ДТ+ГСН).

Итак, по сигналу достижения заданной со происходит подача сигнала и на включение добавки. Такой процесс может быть реализован с использованием системы, конструктивная схема которой показана на рис. 2.

№ 6 2008

Рис. 2. Конструктивная схема системы топливо-подачи с вводом в линию высокого давления добавки к основному топливу: 1-ТНВД; 2-нагнетательный клапан ТНВД; 3-линия высокого давления; 4-ограничительхода клапана; 5-клапан ввода добавки и регулирования начального давления; 6-подвод электропитания; 7-ввод добавки; 8-фильтр; 9-вентили; 10-линия подвода добавки; 11-электромагнитная катушка; 12-шток; 13-магнитная пластина; 14-седло клапана 5; 15-хвостовик клапана 5; 16-ёмкости с добавками; 17-форсунка; 18-дизсль.

Работа системы происходит следующим образом. Если на электромагнитную катушку 11 подано электропитание, то пластина 12 притягивается к магниту и за шток 12 удерживает клапан 5 в закрытом состоянии. Система работает обычным порядком, дизель работает на дизельном топливе. Если отключить электропитание катушки 11, то клапан 5 находится в закрытом состоянии только под действием возвратной пружины. При отсечке подачи топлива насосом 1, когда нагнетательный клапан 2 своим разгрузочным пояском формирует в ЛВД 3 волну разрежения (пониженного давления), клапан 5 открывается под действием перепада давления на нём и добавка из одного из баллонов 16 вводится в ЛВД 3 вблизи форсунки 17. В очередном цикле топливоподачи полученное таким образом смесевое топливо впрыскивается в цилиндр дизеля 18 обычным порядком. Добавка ГСН к основному топливу увеличивает производительность системы, дизель развивает повышенный момент, со возрастает, регулятор уменьшает подачу топлива, смещая рейку ТНВД, для стабилизации скоростного режима. В очередных циклах работы доля добавки возрастает до стабилизации концентрации ГСН в смесевом топливе. Если под действием повышенной нагрузки частота продолжает падать, то регулятор смещает рейку в сторону увеличения подачи, стабилизируя режим дизеля на повышенной мощности, достигнутой благодаря вводу добавки ГСН.

Не трудно видеть, что метод ФХР может быть реализован и другим путём. Например, если выходной координатой двигателя является не только со, но и дымность ОГ, которая будет в этом случае служить входной координатой для источника добавки. Подача последней будет включаться по сигналу повышенной дымности ОГ.

В проведённой для обеспечения эффективности протекания режимов пуска - разгона дизеля из «холодного» состояния в качестве дополнительной добавки к ДТ использована пусковая легко воспламеняющаяся жидкость (ЛВЖ). Анализ состава и свойств смесевых топлив на базе ДТ с ГСН или с ЛВЖ показал, что относительное увеличение удельного теплосодержания горючей смеси (смесевое топливо - воздух) при изменении коэффициента избытка воздуха

46_ Известия вузов. МАШИНОСТРОЕНИЕ__

№ б 2008

а в диапазоне от 1,6 до 1,0 составляет около 37%. Добавка ГСН или ЛВЖ в количестве до 30% приводит соответственно к снижению и возрастанию цетанового числа смесевого топлива на 4 - 8%. Изменение теплоты сгорания смесевого топлива составляет в этом случае не более 4% , а теплоты сгорания горючей смеси при том же а - не более 0,2%. Т. е. форсирование по Ме достигается благодаря возможности форсирования рабочего процесса по а без превышения предела дымления.

Экспериментальные исследования метода ФХР проведены на дизеле 8413/14 в условиях экспериментального стенда. При этом получены внешние и корректорные характеристики дизеля и дизеля с добавкой к топливу ГСН (и/или легко воспламеняющейся жидкости -ЛВЖ), т.е. по существу газодизеля (ГД) с внутренним смесеобразованием. Для численного исследования динамических режимов работы дизеля с потребителем (длительных неустановившихся режимов - НУР) целесообразно воспользоваться методом представления скоростных характеристик двигателя и потребителя в виде аппроксимирующих полиномиальных зависимостей видов

Ме=А + В-п + С-п2 + 0'П3 +Е-П4; Мс =Р + 0-п + Н- п2,(рис. 3),

которые используются в уравнении движения системы двигатель - потребитель. Тогда, задавая шаг расчёта А^ изменение частоты вращения вала при разгонах или приёмах нагрузки определим по соотношению:

П1 = 4-1 + ^ • —{[А + В • пм + С  (пм )2 + и • (пм )3 +

1 71

+ Е • (пм )4 ] - [Б + О  (пм) + Н • (пм )2 ]}.

Адекватность применённой математической модели подтверждена сравнением результатов моделирования с экспериментальными, т.е. многократными реализациями того же режима, обработанными сташстически с определением достоверной характеристики.

Рис. 3. Сглаженные полиномиальной аппроксимацией внешние скоростные характеристики дизеля 8413/14 в штатном исполнении (Мед, Ир« 100%), газодизеля малодымного (Мс г;,, 1^=82%), газодизеля форсированного (Мегдф* Ьр=95%), газодизеля форсированного с корректором по рейке на участке от п, до п3 или (Мсгдфкор, Ьр=уаг=82~95%), то же с добавкой ЛВЖ (Мс ;|ЙЖ.кор).

ЗУмин.

1000

ЙЛ^жкор.

гдфкор.

150 350 550 750 950 11501350 155017501950 2150

№ б 2008

Повышение и стабилизация начального давления топлива позволили снизить минимальную стабильную частоту вращения с 700 до 550 мин"1. ВСХ всех характеристик на участках от Ппуск. до Пщш получены обработкой результатов экспериментальных разгонов, т.е. по существу представляют собой динамические ВСХ, Характеристика Ме.гд. =f(n) получена при условии сохранения номинального момента дизеля в штатной регулировке. При этом дымность ОГ снизилась с 35 до 30% по Хартриджу. Благодаря добавке ГСН hp составило 82% от номинального. Характеристика форсированного газодизеля Ме гдф. =f(n) получена при условии сохранения на номинальном скоростном режиме исходной дымности ОГ штатного дизеля (Н=35%). Положение рейки составило 95% и двигатель при пном., а также и при п^п был форсирован по моменту на 13-14%. Корректорные (кор.) характеристики получены изменением hp от 82% вблизи номинальной частоты вращения до 95% при изменении п от ni до п2 или до Пз = пм,. Форсирование двигателя по максимальному моменту достигает около 4%, что при сохранении неизменного Ме повышает коэффициент приспособляемости с 1,13 для исходного дизеля до 1,17.

Изменением вида ВСХ и её корректированием можно до 40% повысить фактор устойчивости Fö режима работы двигателя с потребителем (электрогенератором), в зависимости от скоростного режима и вида регулирования двигателя (таблица 1).

Таблица L

д ГДФ.Кор. ЛВЖ.Кор.

Fd на режиме п„ом. 8,3 8,46 8,54

Fd на режиме п = 1750 мин 1 5,85 6,33 6,81

Численный эксперимент показал, что выигрыши (At) во времени выполнения операций разгонов с постоянной нагрузкой, например, около 40% от номинальной, в диапазоне скоростных режимов от 550 до 1350 мин"1 составляют 12 ~ 19%, в зависимости от метода форсирования (таблица 2). (Здесь ta и Цхр - времена приёмистости tnp. дизеля и двигателя, реализующего ФХР).

Таблица 2.

д гд гдф гдфкор лвж.кор.

tflp.j С» 9,6 8,42 8,01 8,01 7,82

AH1-Wtft>100% 12,5 16,7 16,7 18,8

При полной номинальной нагрузке, изменяющейся по генераторной характеристике, выигрыш во времени выполнения операции разгона от пт1П=550 мин"1 до 0,95птм. достигает 16%.

Особый интерес могут представлять возможности преодоления с помощью ФХР кратковременных перегрузок двигателя, особенно на режимах пониженных частот вращения, где форсирование и стабилизация режимов достигается добавкой как ГСН, так и ЛВЖ. На рис. 4 показано, что на режиме п = 550 мин 1 при нагрузке дизеля около 600 Нм произошёл наброс дополнительной нагрузки (перегрузка до 700 нм).

48 Известия вузов. МАШИНОСТРОЕНИЕ____

2008

Рис. 4. Характеристики наброса нагрузки, превышающей полную для дизеля, и приём перегрузки, благодаря подаче добавки ЛВЖ: Ъ - время запаздывания включения подачи добавки; tn.ii. - время переходного процесса стабилизации концентрации добавки в смесевом топливе.

Дизель из-за перегрузки начинает совершать выбег. С задержкой срабатывания 13 =0,5 с. включается подача добавки в ДТ. В ЛВД вблизи форсунки в течение времени 1ап. происходит переходный процесс стабилизации концентрации добавки в топливе. В зависимости от этого времени выбег прекращается и начинается разгон двигателя до восстановления исходного режима или до стабилизации на новом режиме.

Проведённое исследование позволило сделать следующие выводы.

1. Выполнено определение возможностей улучшения протекания характеристик автотракторного дизеля типа 8413/14 воздействием на процессы топливоподачи, путём регулирования начального давления в топливной системе и изменения физико - химических свойств топлива, что достигается оперативным, во время работы дизеля, включением - выключением подачи добавок к дизельному топливу, таких, как сжиженный нефтяной газ и легко воспламеняющаяся жидкость.

2. Показаны возможности повышения развиваемого двигателем момента при по внешней скоростной характеристике (ВСХ) и по динамической ВСХ на величину порядка б — 14%, сокращения времени приёмистости при реализации режимов разгонов и набросов нагрузки, снижения дымности или не превышения уровня предела дымления, свойственного дизелю при на дизельном топливе.

3. Для реализации предложенного метода проведена модернизация системы топливоподачи элементами регулирования начального давления, а также элементами включения — выключения подачи добавки (сжиженного нефтяного газа и/или легко воспламеняющейся жидкости).

4. Показано, что в разных вариантах регулирования дизеля изменением физико — химических свойств топлива возможные резервы повышения динамических качеств установок могут достигать 15% и более без превышения заградительного показателя дымности отработавших газов.

№6

№ 6 2008

5. Выполненные исследования позволяют сделать вывод о целесообразности и

технической возможности регулирования рабочего процесса дизеля изменением физико - химических свойств топлива.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патрахальцев Н. Н., Виноградский В, Л. и Л. Аастра. Корректирование скоростных характеристик дизеля добавлением в топливо сжиженного нефтяного газа. // Строительные и дорожные машины, 2002, № 4. С. 22 - 23.

2. Патрахальцев H.H., Гусаков С. В., Медведев Е. В. Возможности организации газодизельного процесса с внутренним смесеобразованием на базе дизеля 8413/14. // Дви-гателестроение, 2004, № 3. С. 10 - 12.

3. Сомов В. А., Лесников А. П. Физико - химическое регулирование процесса сгорания в дизеле путём оптимизации состава топлива. // Тезисы докладов Всесоюзн. науч. техн. конфер. «Перспективы развития комбинир. дв. вн. сг. и двигателей новых схем и топлива М. 1980. С. 75 - 76.

4. Патрахальцев Н. Н. Регулирование рабочего процесса дизеля. // Грузовик, автобус..., 1998, №2. С, 21 -24.

5. Патрахальцев Н. Н., Царитов А. 3., Костиков А. В. Переходные процессы в топливной аппаратуре дизеля и его динамические качества. // Автомобильная промышленность, 2001, № 1. СЛ 1 - 13.