Исследование рабочего процесса двигателя 1ч 6,8/5,4 при работе с добавками генераторного газа

УДК 621.43.057

С.А. Плотников, А.С. Зубакин

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВИГАТЕЛЯ 1Ч 6,8/5,4 ПРИ РАБОТЕ С ДОБАВКАМИ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА

Вятский государственный университет, г. Киров

Альтернативная энергетика набирает обороты. Генераторный газ - перспективное альтернативное топливо, но работа ДВС на генераторном газе сопровождается снижением развиваемой мощности. Решение данной проблемы - добавление бензина к генераторному газу. Изучение процессов сгорания, определение оптимального угла опережения зажигания, анализ характеристик - цель данной работы. Среди поставленных задач - модернизация испытательного стенда для работы ДВС на генераторном газе.

Методика проведения экспериментов выбиралась с учетом специфики работы ДВС для привода электрогенератора на генераторном газе. Результатом работы является определение оптимальных регулировочных характеристик при работе на разных видах топлива. Полученные оптимальные углы опережения зажигания составляют: на генераторном газе - 400, для смеси генераторного газа и бензина -330.

Ключевые слова: генераторный газ, индикаторные показатели, характеристики на генераторном газе, сгорание в ДВС, индикаторная диаграмма, смесь генераторный газ+бензин.

Доля альтернативной энергетики в мировой экономике ежегодно увеличивается. Интерес к ней проявляют всё больше и в России. Энергия биомассы является одним из перспективных видов. Анализ способов преобразования биомассы в энергию выявил процесс газификации, как наиболее перспективный [1, 2]. Получаемый при этом генераторный газ (далее ГГ) целесообразно использовать как топливо для ДВС.

Применение ГГ как топлива известно уже более века, но широкому применению мешало технологическое несовершенство оборудования и недостаточная изученность процесса сгорания генераторного газа в ДВС. Массовое применение такого топлива позволило бы снизить или полностью исключить использование бензина в отдалённых районах страны или при чрезвычайных ситуациях.

Целью данной работы является изучение процессов сгорания, анализ характеристик искрового двигателя на ГГ, смесях генераторного газа и бензина (далее ГГ + Б). Для достижения этой цели были поставлены задачи: определить оптимальный угол опережения зажигания при работе на ГГ и ГГ + Б, снять скоростные и регулировочные характеристики, снять индикаторные диаграммы для последующего анализа.

Анализ литературных источников об использовании ГГ как топлива выявил теоретическое падение развиваемой мощности на 10-15% даже при модернизации двигателя (установка оптимального угла опережения зажигания (УОЗ), повышение степени сжатия, установка системы зажигания с высокой энергией, применение системы управления двигателем [3] и т.д.). В противном случае наблюдается фактическое падение мощности до 50%.

На оптимальный угол опережения зажигания влияют многие факторы, но наибольшее значение имеет химический состав топлива. При работе газового генератора химический состав изменяется в зависимости от многих условий, в первую очередь, от вида топлива. При снятии характеристик в качестве топлива использовался древесный уголь.

Для компенсации падения мощности двигателя при работе ГГ было выдвинуто предположение о необходимости добавки бензина к ГГ.

Для получения индикаторных диаграмм и снятия характеристик была разработана установка на базе моторного стенда КИ-541СТЭ-7 и искрового бензинового двигателя 1Ч 6,8/5,4 в стандартном исполнении. Созданная лабораторная установка позволяет снять основные характеристики двигателя, записать индикаторные диаграммы для последующего анализа процесса сгорания (рис. 1) [4].

© Плотников С.А., Зубакин А.С., 2017.

Для повышения надёжности воспламенения топливной смеси, на двигатель была установлена электронная система зажигания высокой мощности (рис. 2, а). Данная система позволяет во время работы двигателя регулировать УОЗ в пределах ±400 относительно первоначальной установки.

Рис. 1. Общий вид лабораторной установки

Для получения индикаторных диаграмм в головку блока цилиндров двигателя был установлен датчик индикаторного давления (рис. 2, б). Для преобразования давления в графическое изображение процесса сгорания использовалось программное обеспечение Diamag 2 (рис. 3).

а) б)

Рис. 2. Датчик индикаторного давления (а) и система изменения УОЗ (б):

1 - датчик индикаторного давления с холодильником; 2 - датчик ВМТ; 3 - датчик зажигания; 4 - место отбора ОГ

Снятие индикаторных диаграмм производилось при частоте вращения коленчатого вала 3000 мин-1 и одинаковой развиваемой мощности при работе на разных видах топлива [5].

Полученные при снятии характеристик индикаторные диаграммы для различных УОЗ представлены на рис. 4. Индикаторная диаграмма работы на бензине показывает оптимальный угол опережения зажигания равный 0з=26° до ВМТ. При этом угле нарастание давления происходит менее интенсивно и достигает максимума через 11-130 после ВМТ. Максимальное давление снижается до 3,68 МПа, падение давления Рг незначительно по сравнению с углом 0з, равным 280 (3,87 МПа). Уменьшение УОЗ до 0з=24° приводит к ещё большему падению давления Рг до 3,27 МПа с одновременным ростом температуры ОГ, при данном УОЗ пик максимального давления Рг достигается при 170 после ВМТ. Полученные данные подтверждают теоретические выкладки по сгоранию бензина в камере сгорания.

Анализ диаграммы работы двигателя на генераторном газе (рис. 4, б) показывает увеличение продолжительности горения по сравнению с работой на бензине на 76%. Снижение индикаторного давления обусловлено низкой теплотой сгорания и химическим составом генераторного газа. При УОЗ, равном ©з=40 , пик максимального давления Рг (2,23 МПа) приходится на 13-150 после ВМТ, что является оптимальным. При других УОЗ (0з=43° и 0з=37°) давление Рг, соответственно 2,36 МПа и 18,2 МПа, при этом пик давления находится в ВМТ или при 200 после ВМТ, что не оптимально с точки зрения совершаемой работы.

Файл Сервис Окна Помощь Порядок работы цчлинщров ^^ 1

Осциллограф Система зажигания II Сравнение цилиндров I Эффективность работы цилиндров II Анализ давления в цилиндре II Электропитание

Рис. 3. Индикаторная диаграмма, записанная с помощью программы Diamag 2

Индикаторная диаграмма работы испытуемого двигателя на смеси бензина и ГГ (рис. 4, в) показывает снижение Рг относительно работы на бензине, при этом значение выше относительно работы на генераторном газе. Оптимальная скорость сгорания смеси наблюдается при 0з=330. Максимальное давление Рг (3,27 МПа) немного ниже, чем при 0з=350 (3,61 МПа), но выше, чем при 0з=310 (2,76 МПа). При этом пик давления Рг находится на линии сжатия, что вызывает противодавление движению поршня, совершая отрицательную работу и, соответственно понижается КПД двигателя (рис. 5). При позднем УОЗ (0з=310) основная работа сгорания происходит на линии расширения, что также снижает мощность и, следовательно,

КПД. Анализ иностранных источников [6] выявил аналогичные зависимости и показатели при работе ДВС на генераторном газе.

Я!

10

а) Р, МПа

/ .Г *

Г 4 ; 1 I г \\_ /Л 7 ' \\ 1 8 Ы й. VI Ш N И

11 * У ' V с V %

/ > £ ч т Ч

9г«37< N =¿-1

1з чй

-60 -40 - 2С 0 4С 50 Цн

б)

-40 -20 0 20 40 60 <Р,градПКВ в)

Рис. 4. Индикаторные диаграммы работы двигателя при работе:

а - на бензине; б - на генераторном газе; в - на смеси ГГ + Б

При использовании генераторного газа как топлива наблюдается значительное падение мощности - на 45% (рис. 5), в то же время падение мощности при использовании смеси ГГ +Б составляет всего 15%.

Помимо падения мощности, при работе на ГГ наблюдается рост удельного расхода топлива с 275 до 468 г/кВт^ч, по сравнению с работой на бензине. Удельный расход смеси

ГГ + Б составляет 319 г/кВт^ч. Часовой расход при работе на различных видах топлива находится в пределах 1,0-1,15 кг/ч.

При работе на генераторном газе наблюдается рост температуры ОГ, что связано с увеличением продолжительности горения газа. Вместе с увеличением УОЗ температура ОГ снижается с 645 до 625 С. При работе ДВС на бензине температура ОГ снижается с 5610С при 0з=160 до 5480С при 0з=320. При работе на смеси ГГ+Б наблюдаются соответственно значения температуры ОГ, равные 5810С при 0з=250 и 5680С при 0з=340

Рис. 5. Регулировочные характеристики двигателя 1Ч 6,8/5,4

при я=3000 мин-1

Характерной особенностью сгорания ГГ является необходимость подачи большего количества воздуха в рабочей смеси, чем при работе на бензине (а =1,45 и а = 1,0 соответственно при проведении экспериментов). При работе на смеси ГГ+Б коэффициент избытка воздуха равен а=1,2.

При работе на ГГ наблюдается значение эффективного КПД, равное 14%, что ниже в 2 раза, чем на бензине (29%), при работе на смеси ГГ+Б значение эффективного КПД составляет п=23%. При этом максимум эффективного КПД достигается при оптимальном УОЗ.

Значение УОЗ напрямую влияет и на показатели токсичности (рис. 5). При увеличении УОЗ выбросы суммарных оксидов азота NOx повышаются, а выбросы несгоревших углеводородов СН снижаются. УОЗ также влияет на показатели выбросов углекислого газа CO2. При работе двигателя на смеси ГГ+Б наблюдается рост СО2 и СО при определенных значениях углов 0з. Полученные результаты требуют дальнейшего изучения с целью определения природы данного явления.

Проведённые экспериментальные исследования выявили возможность использования смеси ГГ и бензина для искровых ДВС и позволили сформулировать следующие выводы:

1. Использование генераторного газа как моторного топлива в чистом виде вызывает ухудшение эффективных показателей работы двигателя. Целесообразно использовать смесь генераторного газа и бензина.

2. Работа двигателя на чистом генераторном газе вызывает снижение эффективной мощности на 40-45%, при работе на смеси генераторного газа и бензина это снижение составляет 10-15%.

3. Работа двигателя на чистом генераторном газе вызывает увеличение продолжительности процесса сгорания по сравнению с работой на бензине и снижение максимального давления цикла.

4. Оптимальное значение угла опережения зажигания при работе на генераторном газе для данного двигателя составляет 400, а для смеси генераторного газа и бензина 330.

Библиографический список

1. Палицын, А.В. Современное состояние и перспективы развития газификации биомассы как направления альтернативной энергетики / А.В. Палицын, А.С. Зубакин, В.М. Механиков // Вузовская наука - региону: мат. XI Всеросс. науч.-техн. конф. - 2013. - С. 201-204.

2. Плотников, С.А. Улучшение эксплуатационных показателей дизелей путем создания новых альтернативных топлив и совершенствования топливоподающей аппаратуры: дисс. ... в 2 ч.; Ч. 1 / Плотников С.А.; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2011.

3. Пат. РФ № 2605870, МКИ7 F02B43/08. Система питания ДВС генераторным газом / Плотников С.А., Острецов В.Н., Киприянов Ф.А., Палицын А.В., Зубакин А.С., Коротков А.Н.

4. Плотников, С.А. Исследование электростанции, работающей на альтернативном топливе / С.А. Плотников, А.С. Зубакин, А.Н. Коротков // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: по матер. IX Международной научно - практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение». - Киров, 2016. - Вып. 17. - С. 220-224.

5. Плотников, С.А. Некоторые результаты применения альтернативных топлив для снижения токсичности ДВС. ОБЩЕСТВО, НАУКА, ИННОВАЦИИ. (НПК-2016) [Электронный ресурс] С.А.Плотников, А.С. Зубакин // Всерос. ежегод. науч.-практ. конф.: сб. статей, 18-29 апреля 2016 г. / Вят. гос. ун-т. - Киров, 2016. - С. 1352-1357.

6. Sridhar, G. Biomass derived producer gas as a reciprocating engine fuel-an experimental analysis / G. Sridhar, P.J. Paul, H.S. Mukunda // Biomass and Bioenergy, 2001. - № 21. - Р. 61-72.

Дата поступления в редакцию 22.08.2017

S.A. Plotnikov, A.S. Zubakin

INVESTIGATION OF THE ENGINE WORKING PROCESS USING GENERATOR GAS ADDITIVES

Vyatka State University

Subject: Generator gas is a promising alternative fuel. But the operation of the ICE on the generator gas is accompanied by a decrease in the developed power. The solution to this problem is the addition of gasoline to the generator gas.

Purpose: The study of combustion processes, the determination of the optimal ignition timing, the analysis of characteristics - the purpose of this work.

Objectives: Among the tasks set is the modernization of the test stand for the operation of the internal combustion engine on the generator gas.

Methodology: The procedure for conducting the experiments was selected taking into account the specific features of the ICE for driving the generator on the generator gas.

Results: The result of the work is the determination of optimal control characteristics when working on different types of fuel. The obtained optimal ignition timing is: on the generator gas - 400, for a mixture of generator gas and gasoline -330.

Key words: Gas generator, display indicators, specifications on generator gas, combustion in internal combustion engines, indicator diagram.