Расчет процесса сгорания биогаза в газовом двигателе с искровым зажиганием, конвертированном из дизеля с наддувом

УДК 628.336.6:621.43 Л. Б. Ларионов, М. К. Бураев

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ БИОГАЗА В ГАЗОВОМ ДВИГАТЕЛЕ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ, КОНВЕРТИРОВАННОМ ИЗ ДИЗЕЛЯ С НАДДУВОМ

Биогаз является альтернативным источником энергии, в настоящее время его также можно использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Рассмотрен биогаз, полученный путем переработки навоза крупного рогатого скота. Полученный биогаз был обогащен и компримирован до уровня природного газа.

Представлена методика расчета процесса сгорания биогаза в газовом двигателе с искровым зажиганием, конвертированном из дизеля с наддувом.

В предлагаемой математической модели процесса сгорания применяются некоторые допущения: топливовоздушная смесь делится бесконечно тонким фронтом пламени на зоны, давление в обеих зонах одинаково, рабочее тело в обеих зонах является идеальным газом. Характеристики тепловыделения при сгорании биогаза, индикаторные и эффективные показатели конвертированного газового двигателя определяются по методике И. И. Вибе. Получение уравнений переменного показателя характера и продолжительности сгорания биогаза основывалось на результатах предварительно проведенных экспериментальных исследований на конвертированном газовом двигателе ЯМЗ-236. После обработки экспериментальных данных была получена эмпирическая зависимость, описывающая влияние содержания СО2 в биогазе на переменный показатель сгорания. Показатели токсичности продуктов сгорания биогаза рассчитывались с помощью методики В. А. Звонова. Выполнена экспериментальная верификация математической модели процесса сгорания биогаза.

Ключевые слова: биогаз, конвертированный газовый двигатель, процесс сгорания, характеристика тепловыделения, искровое зажигание, турбонаддув, токсичность, эмпирическое уравнение, биогазовая технология, крутящий момент.

L. B. Larionov, M. V. Buraev

Calculation of Process of Combustion of Biogaz in the Gas Engine With Spark Ignition Converted from the Diesel With Pressurization

Abstract.Biogas is an alternative energy source, now it can also be used as motor fuel for internal combustion engines with spark ignition. In this article the biogas received by way of processing of manure of cattle is considered. The received biogas was enriched and compressed to the level of natural gas.

The method of calculation of process of combustion of biogas in the gas engine with spark ignition converted from the diesel with pressurization is presented.

In the offered mathematical model of process of combustion some assumptions are applied: fuel-air mix shares infinitely thin front of a flame on zones, pressure in both zones is identical, the working body in both zones is ideal gas. Characteristics of a thermal emission at biogas combustion, indicator and effective indicators of the converted gas engine are determined by I. I. Vibe's technique. Receiving the equations of a variable indicator of nature of combustion and duration of combustion of biogas was based on results of previously conducted pilot studies on the converted gas YaMZ-236 engine. After processing of experimental data the empirical dependence describing influence of the maintenance of CO2 in biogas on a variable indicator of combustion was received. Indicators of toxicity of products of combustion of biogas paid off with the help of a technique of V. A. Zvonov. Experimental verification of mathematical model of process of combustion of biogas is executed.

Key words: biogas, the converted gas engine, combustion process, the characteristic of a thermal emission, spark ignition, a turbo-supercharging, toxicity, the empirical equation, biogas technology, a torque

ЛАРИОНОВ Леонид Борисович - зав. лабораторией технической эксплуатации силовых агрегатов и трансмиссий СВФУ им. М. К. Аммосова. E-mail : Larionov_LB@mail.ru

LARIONOV Leonid Borisovich - the Head of the laboratory «Technical operation of power units and transmissions»

of M. K. Ammosov North-Eastern Federal University. E-mail : Larionov_LB@mail.ru

БУРАЕВ Михаил Кондратьевич - д. т. н., профессор Иркутской государственной сельскохозяйственной академии.

BURAYEV Mikhail Kondratyevich - Professor Dr.-Ing. of Irkutsk state agricultural academy.

Введение

Нормальное функционирование автомобильного транспорта сельскохозяйственной техники в Республике Саха (Якутия) в значительной степени зависит от поставок топлива. Истощение запасов нефти и традиционных энергоресурсов, рост цен на них и обострение экологических проблем обусловили глобальный интерес к разработке и использованию биогазовой технологии. В отличие от отраслей промышленности сельскохозяйственное производство имеет достаточные возможности по извлечению дополнительного вида топлива из органических отходов в виде биогаза.

В сельской местности основным потребителем жидкого топлива нефтяного происхождения являются грузовые автомобили и сельскохозяйственная техника - тракторы, комбайны и т. п. Основным типом двигателя для таких машин является дизель.

Ввиду большого разнообразия моделей дизелей, находящихся в эксплуатации, при их конвертации в газовый двигатель с искровым зажиганием и переводе на биогаз, становится актуальным вопрос выбора их оптимальных конструктивных и регулировочных параметров.

Математическое моделирование процесса сгорания значительно облегчает и ускоряет данный процесс, снижая количество экспериментальных исследований, что обуславливает актуальность данной работы.

Анализ публикаций

Вопросам расчета характеристики тепловыделения в газовых двигателях посвящены публикации [1-3], в том числе для газовых ДВС, созданных из дизелей [4]. Как правило, для выполнения данной задачи используется методика И. И. Вибе.

Однако, как показывает исследование [5], они не применимы к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), работающим на биогазе, вследствие наличия в топливе большого количества двуокиси углерода СО2.

В [5] получены эмпирические зависимости для основных характеристик процесса сгорания (т, ф) в соответствии с методикой И. И. Вибе. Однако [4] зависимости, полученные для малолитражных ДВС, не применимы к ДВС с большим диаметром цилиндра.

Цель и постановка задачи

Таким образом, целью данной работы стала адаптация математической модели процесса сгорания топлива, основанной на теории И. И. Вибе, к процессу сгорания биогаза в газовом двигателе с искровым зажиганием, конвертированном из дизеля с наддувом.

Математическая модель процесса сгорания биогаза

В предлагаемой математической модели процесса сгорания предполагаются следующие допущения:

- топливовоздушная смесь делится бесконечно

тонким фронтом пламени на зону сгоревшей смеси и на зону несгоревшей смеси;

- рабочее тело в обеих зонах является идеальным газом;

- химический состав рабочего тела в зонах отличается, поэтому отличаются и его теплофизичес-кие характеристики;

- давление в обеих зонах одинаково;

- в пределах каждой зоны отсутствуют градиенты параметров рабочего тела по координатам, однако температуры между зонами отличаются;

- характеристика тепловыделения рассчитывается с использованием зависимости И. И. Вибе;

- индикаторные и эффективные показатели двигателя определяются по методике И. И. Вибе с учетом переменного показателя характера сгорания и продолжительности сгорания топлива;

- показатели токсичности рассчитываются с помощью методики В. А. Звонова [5-6].

Одной из наиболее распространённых и наиболее точно описывающих характеристику тепловыделения математических моделей является модель процесса сгорания И. И. Вибе, которая получила наибольшее распространение.

Основным допущением, на котором построена математическая модель процесса сгорания И. И. Вибе, является усреднение температур в цилиндре двигателя, что, в свою очередь, снижает точность расчета показателей токсичности. Повысить точность и эффективность использования данного математического инструмента возможно за счет внедрения двухзонной модели расчета процесса сгорания, которая позволяет достаточно точно оценить показатели токсичности ОГ [23-24].

В работе используется двухзонная модель процесса сгорания, в которой для определения характеристики тепловыделения и продолжительности сгорания используется модель И. И. Вибе. Также выполняется адаптация данных моделей расчета для исследования процесса сгорания в биогазовом двигателе с искровым зажиганием на дизельном двигателе.

Расчетная схема используемой двухзонной математической модели процесса сгорания представлена на рис. 1.

Масса рабочего тела в надпоршневом пространстве,

кг

М = Ми + Мъ,

где М - масса несгоревшей смеси, кг,

Мь - масса сгоревшей смеси, кг.

Объём рабочего тела в надпоршневом пространстве [7], м3

V = V + vb,

Рис. 1. Схема двухзонной математической модели процесса сгорания

где V - объём несгоревшей смеси, м3, Уь - объём сгоревшей смеси, м3.

Температуры сгоревшей и несгоревшей зон определяются исходя из термодинамических зависимостей, базирующихся на изменении массы, давления и состава смеси в них. Так, увеличение температуры рабочей смеси в несгоревшей зоне объясняется адиабатным сжатием, поэтому данная величина находится согласно выражению [7], К

Т = т

( \

Рх+1 { Рх

где Ти - температура несгоревшей смеси смеси.

Температура сгоревшей зоны определяется следующим образом [7], К

рУ. - MR Т

Т _ * г г и и \ г ;

( г \ т+1л

х = 1 - ехр -6.908 Ф - Фо

V V ф2 ) )

ф - продолжительность сгорания, град. п. к. в., m - постоянный показатель характера сгорания И. И. Вибе.

Как показано в работе [1], постоянный показатель характера сгорания т изменяется в процессе сгорания, для повышения точности расчета данный фактор необходимо учитывать при моделировании характеристики тепловыделения [1, 5]. В работе [8] приведены уравнения для расчета переменного показателя характера сгорания m и продолжительности сгорания ф для газового двигателя средней мощности 6ГЧН13/14 с турбонаддувом.

,„ _ е +18 , ААА(У,^ 0,005-Пу + 0,005 п +1100 туаг ; = 10,639-ф; —+ 0,00025)-----гтт^—х...

40

0,01

3000

где Ть - температура сгоревшей смеси, К,

V - объём в надпоршневом пространстве, м3, х - доля выгоревшего топлива,

ЯRь - газовые постоянные несгоревшей и сгоревшей смеси соответственно, Дж/(кгК).

Классическое уравнение И. И. Вибе для расчёта характеристики тепловыделения имеет вид

где ф0 - угол начала сгорания, град. п. к. в.;

ф - текущий угол поворота коленчатого вала, град. п. к. в.,

...х4 + 0'5°01 +(-28,025-ф? + 98,045-ф? -156,86-ф4 + 86,88-ф5);

' (6) Ф г = 28,25-(0,812 -а- 0,045 -9 +13,223-10-4 • п -...

... - 0,1258-пУ - 0,576\пк -1) + 0,512),

где ф/ - относительный угол сгорания, ф/ = 0...1,

0 - угол опережения зажигания, град. п. к. в. до ВМТ, а - коэффициент избытка воздуха, ^ - коэффициент наполнения, п - частота вращения коленчатого вала двигателя,

мин ,

%к - степень повышения давления при наддуве.

Сравнение характеристик тепловыделения, рассчитанных с помощью уравнений (6) и (7), с экспериментальными показало их применимость только для расчёта процесса сгорания компримирован-ного природного газа и биометана. При использовании в качестве топлива биогаза с различным содержанием СО2 данные уравнения приводят к

к. -1

к

Таблица 1

Диапазон изменения регулировочных параметров конвертированного дизеля ЯМЗ-236 при выводе зависимостей

для переменного показателя характера туш. и продолжительности сгорания фг

6, град. п. к. в. до ВМТ а п, мин-1 рк г С02

5...45 1,0.1,6 800.2100 1.1,45 0.0,4

высокой погрешности определения индикаторных и эффективных показателей ДВС (более 15 %).

Это объясняется тем, что наличие в топливе двуокиси углерода приводит к снижению скорости фронта пламени и температуры горения. Данный фактор необходимо учитывать при расчёте характеристики тепловыделения в двигателе, работающем на биогазе. В этой связи возникает необходимость корректировки уравнений (6) и (7), лежащих в основе математической модели процесса сгорания биогаза.

Эмпирические зависимости для расчета характеристики тепловыделения в конвертированном дизеле

Получение откорректированных уравнений переменного показателя характера сгорания биогаза туаг и продолжительности сгорания фх основывалось на результатах предварительно проведенных экспериментальных исследований на газовом двигателе с искровым зажиганием, конвертированном из дизеля с наддувом ЯМЗ-236. Исследования проводились во всем диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя, а также при разных составах биогаза. В предлагаемых уравнениях учтено влияние гС02 на характер изменения т и ф.

уаг т х

Для обработки индикаторных диаграмм использовалась методика, разработанная на кафедре ДВС ХНАДУ [7].

Для получения значения переменного показателя

характера сгорания т из экспериментальной характеристики тепловыделения использовано выражение, предложенное А. Н. Кабановым [1]

= -1 -

-6,908 1п

где х - доля выгоревшего топлива на данном расчётном шаге,

ф - относительное время сгорания (ф = 0 соответствует началу сгорания, ф = 1 - его окончанию).

В ходе проведения экспериментальных исследований газового двигателя на базе ЯМЗ-236 были получены данные, которые в дальнейшем использовались при выводе зависимостей переменного показателя характера т и продолжительности ф сгорания биогаза. Стендовые испытания исследуемого ДВС проводились на номинальном и частичных режимах его работы, а также на режиме максимального крутящего момента. Диапазон изменения регулировочных параметров (табл. 1) выбирался исходя из наилучших показателей мощности и топливной экономичности.

При получении зависимости для т использовалась методика, описанная в [5].

На рис. 2 приведены экспериментальные зависимости для переменного показателя сгорания т для режима со следующими параметрами: п = 1500 мин-1; П = 0,74; а = 1,3; р = 1,2; 0 = 36 град. п. к. в. до ВМТ. В качестве топлива использовались биогазы с разной

Рис. 2. Зависимость показателя сгорания туаг от относительного времени сгорания при изменении содержания СО2 в биогазе для конвертированного дизеля ЯМЗ-236

фх,

град. пкв до ВМТ 60

55

50

45

40

35

30

0 0,1 0,2 0,3 гсо2, %

Рис. 3. Зависимость продолжительности сгорания фх от содержания СО2 в биогазе для конвертированного дизеля ЯМЗ-236

степенью очистки (соответственно, с разным значе-

нием ГС02).

Обработка экспериментальных данных показала, что влияние содержания СО2 в биогазе на переменный показатель сгорания можно выразить следующим эмпирическим уравнением:

+11,2 -ф- гс

С02

где гС02 - объёмная доля СО2 в биогазе;

т „ - значение т , полученное с помощью

уаг0 уаг^ ^

зависимости (4).

На рис. 3 приведены экспериментальные зависимости продолжительности сгорания биогаза от гС02 в исследуемом двигателе на 3-х режимах с разными частотами вращения коленчатого вала.

1 - п = 2100 мин-1; п = 0,42; а = 1,4; р = 1,1; 0 = 45 град. п. к. в. до ВМТ;

2 - п = 1500 мин-1; п = 0,74; а = 1,3; р = 1,1; 0 = 36 град. п. к. в. до ВМТ;

3 - п = 1100 мин-1; п = 0,82; а = 1,1; р = 1,2;

> 1у > > > > К > >

0 = 28 град. п. к. в. до ВМТ.

Путём линейной аппроксимации экспериментальных данных фх, полученных при разных значениях гС02, было выведено уравнение для расчёта продолжительности сгорания фх биогаза в конвертированном дизеле

=Фг0 + 38 ' ГС

где фх0 - значение фх, полученное с помощью зависимости (6).

Верификация математической модели процесса сгорания биогаза

Верификация разработанной математической модели процесса сгорания биогаза осуществлялась сравнением расчетных и экспериментальных характеристик тепловыделения и графиков зависимостей переменного показателя характера сгорания от относительной продолжительности процесса сгорания. Проверка математической модели осуществлялась на двадцати режимах работы ДВС по скоростной и нагрузочной характеристикам в диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала от 1000 до 2100 мин-1. При этом оценивались индикаторные показатели рабочего цикла и эффективные показатели исследуемого ДВС.

На рис. 4 представлены зависимости расчетных и экспериментальных значений туаг и х, полученные для одного из режимов работы ДВС с параметрами: 0 = 30 град. п. к. в. до ВМТ, а = 1,12, п = 1200 мин-1, р = 1,07, ф = 40 %, N = 47,6 кВт.

к ' ' т др > е >

Таким образом, выполненное исследование показало, что для определения показателей характера туаг и продолжительности сгорания фх биогаза в газовом двигателе с искровым зажиганием, конвертированном из дизеля с наддувом ЯМЗ-236, можно использовать уравнения (6) и (7), дополненные уравнениями (9) и (10).

Выводы

1. Предложена математическая модель процесса сгорания биогаза, основанная на теории И. И. Вибе, дополненная уточненными зависимостями переменного показателя характера сгорания туаг и продолжител-

m 12 10

0

V /

xexp // / / - /1 1 1 ~

xmo d// // Г '

/ / !

mexp // ш / -

< m mod // / _

___- 'У -

х 1,0

0,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ср,

Риь 4. Изменение показателей характера сгорания и характеристик тепловыделения И. И. Вибе: m , x - эксперимент, m _ x , - математическое моделирование

ep exp i 3 mod mod ^

4

ьности сгорания ppz от содержания двуокиси углерода в биогазе.

2. Разработана методика расчёта характеристики тепловыделения в газовом двигателе с искровым зажиганием, конвертированным из дизеля с наддувом, которая учитывает наличие балластных примесей в газовом топливе в виде СО2. Также данная методика учитывает влияние степени повышения давления при наддуве на процесс сгорания топлива.

3. Верификация полученной математической модели процесса сгорания биогаза показала, что погрешность расчета индикаторных показателей рабочего цикла и эффективных показателей ДВС составляет менее 5 %.

Л и т е р а т у р а

1. Абрамчук Ф. И. Расчёт процесса сгорания газового двигателя с высокоэнергетической системой зажигания / Абрамчук Ф. И., Кабанов А. Н., Салдаев С. В. // Автомобильный транспорт. - 2006. - № 18. - С. 116-119.

2. Bade Shrestha S. O. A Predictive Model for Gas Fueled Spark Ignition Engine Applications / Bade Shrestha S.O., Karim G. A. - Calgary, CA: Univercity of Calgary, 1999. - 18 p. - (Preprint / Univercity of Calgary: SAE 1999-01-3482).

3. Кабанов А. Н. Методика расчёта характеристики тепловыделения в газовых двигателях с искровым зажиганием / Кабанов А. Н. // Науюж нотатки. - 2012. - № 36. - С. 122-125.

4. Абрамчук Ф. И. Выбор степени сжатия и давления

наддува газового двигателя средней мощности с искровым зажиганием / Абрамчук Ф. И., Кабанов А. Н., Липинский М. С. // Двигатели внутреннего сгорания. - 2012. - № 2.

- С. 8-13.

5. Петров Н. В. Обеспечение работоспособности бензиновых двигателей внутреннего сгорания сельскохозяйственной техники при переводе на биогаз корректированием регулировочных параметров двигателя: автореф. дисс. на соискание научн. степени канд. техн. наук: спец. 05.20.03 «Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве» / Петров Н. В. -Улан-Удэ, 2013. - 20 с.

6. Звонов В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. Учеб. пособие для ВУЗов / Звонов В. А.- 2-е изд., перераб. и дополн.: - М.: «Машиностроение», 1981. - 154 с.

7. Абрамчук Ф. И. Методика расчета температур сгоревшей и несгоревшей смеси в цилиндре газового двигателя с высокоэнергетической системой зажигания / Абрамчук Ф. И., Кабанов А. Н., Муратов В. Н., Кузьменко А. П., Майстренко Г. В. // Науюж нотатки. - 2010. - № 28.

- С. 4-8.

8. Маамри Р. Выбор и обоснование регулировочных параметров газового двигателя с наддувом, конвертированного из дизеля / Маамри Р., Абрамчук Ф., Кабанов А., Липинский М. [и др.] // Вюник НТУ «ХП1»: сб. наук. тр.

- 2011. - № 54. - С. 18-26.

R e f e г e П c e s

1. АЬгатсЫк F. I. Raschjot processa sgoramja gazovogo

dvigatelja s vysokojenergeticheskoj sistemoj zazhiganija / Abramchuk F. I., Kabanov A. N., Saldaev S. V. // Avtomobil'nyj transport. - 2006. - № 18. - S. 116-119.

2. Bade Shrestha S. O. A Predictive Model for Gas Fueled Spark Ignition Engine Applications / Bade Shrestha S. O., Karim G. A. - Calgary, CA: Univercity of Calgary, 1999. - 18 p. -(Preprint / Univercity of Calgary: SAE 1999-01-3482).

3. Kabanov A. N. Metodika raschjota harakteristiki teplovydele-nija v gazovyh dvigateljah s iskrovym zazhiganiem / Kabanov A. N. // Naukovi notatki. - 2012. - № 36. - S. 122-125.

4. Abramchuk F. I. Vybor stepeni szhatija i davlenija nadduva gazovogo dvigatelja srednej moshhnosti s iskrovym zazhiganiem / Abramchuk F. I., Kabanov A. N., Lipinskij M. S. // Dvigateli vnutrennego sgoranija. - 2012. - № 2. - S. 8-13.

5. Petrov N. V. Obespechenie rabotosposobnosti benzinovyh dvi-gatelej vnutrennego sgoranija sel'skohozjajstvennoj tehniki pri perevode na biogaz korrektirovaniem regulirovochnyh parametrov

dvigatelja: avtoref. diss. na soiskanie nauchn. stepeni kand. tehn. nauk: spec. 05.20.03 «Tehnologii i sredstva tehnicheskogo obsluzhivanija v sel'skom hozjajstve» / Petrov N. V. -Ulan-Udje, 2013. - 20 s.

6. Zvonov V. A. Toksichnost' dvigatelej vnutrennego sgoranija. Ucheb. posobie dlja VUZov / Zvonov V. A. - 2-e izd., pererab. i dopoln.: - M.: «Mashinostroenie», 1981. - 154 s.

7. Abramchuk F. I. Metodika rascheta temperatur sgorevshej i ne-sgorevshej smesi v cilindre gazovogo dvigatelja s vysokojenergeticheskoj sistemoj zazhiganija / Abramchuk F. I., Kabanov A. N., Muratov V. N., Kuz'menko A. P., Majstrenko G. V. // Naukovi notatki. - 2010. - № 28. - S. 4-8.

8. Maamri R. Vybor i obosnovanie regulirovochnyh parametrov gazovogo dvigatelja s nadduvom, konvertirovannogo iz dizelja / Maamri R., Abramchuk F., Kabanov A., Lipinskij M. [i dr.] // Visnik NTU «HPI»: sb. nauk. tr. - 2011. - № 54. - S. 18-26.

^MSMSr

УДК 550.822.5

А М. Сальва

МЕТОД РУЧНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН ПРИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЯХ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ

Из истории ручного бурения известно, что еще в Древнем Египте вращательное бурение (сверление) применялось при строительстве пирамид. Некоторые из этих скважин даже имеют подписи с указанием даты сооружения. Древние египтяне производили бурение скважин на воду. Найдены инструменты, имеющие возраст 5000 лет. Первоначально египтяне использовали грубые каменные (кремневые) долота, прикрепленные к деревянному шесту. С развитием металлургии на замену каменному долоту пришло металлическое сверло-зубило.

Рассматривается метод ручного бурения в условиях вечной мерзлоты Якутии, который с незапамятных времен применялся в геологии и продолжает использоваться в настоящее время. Сегодня в связи с трудностями финансирования инженерно-геологических изысканий использование ручного метода бурения, в отличие от механизированного, становится довольно частым. Кроме этого, ручной метод является более мобильным и возможным к применению в практически любой точке местности независимо от рельефа.

Цель работы - всесторонне изучить метод ручного бурения и показать трудности технологии бурения в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов.

Ключевые слова: метод ручного бурения, буровой инструмент: ложка, штанга, замок, Центральная Якутия.

САЛЬВА Андрей Михайлович - к. г.-м. н,, доцент

кафедры защиты в чрезвычайных ситуациях Горного института СВФУ им. М. К. Аммосова. E-mail: salvaam@mail.ru

SALVA Andrej Mihailovich - Candidate of geological-mineralogical Sciences, Associate Professor of the Department of Defense in emergency situations the Mining Institute of the M. K. Ammosov North-Eastern Federal University. E-mail: salvaam@mail.ru