Результаты экспериментального исследования автомобильного биогазового ДВС

УДК 621.43.052

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО БИОГАЗОВОГО ДВС

Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., А.Н. Кабанов, доцент, к.т.н., А.А. Приходкин, аспирант, ХНАДУ, В.П. Друзьянова, доцент, к.т.н., Н.В. Петров, ассистент, Северо-Восточный федеральный университет, г. Якутск, Россия

Аннотация. Приведены результаты экспериментального исследования автомобильного ДВС, работающего на биогазе с разным объёмным содержанием CO2. Приведены рекомендации по выбору значений коэффициентов избытка воздуха и углов опережения зажигания для различных режимов работы автомобильного биогазового двигателя в зависимости от химического состава топлива.

Ключевые слова: биогаз, ДВС, экспериментальный стенд, нагрузочная характеристика.

РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ АВТОМОБІЛЬНОГО БІОГАЗОВОГО ДВЗ

Ф.І. Абрамчук, професор, д.т.н., О.М. Кабанов, доцент, к.т.н., О.О. Приходкін, аспірант, ХНАДУ, В.П. Друзьянова, доцент, к.т.н., М.В. Петров, асистент, Північно-Східний федеральний університет, м. Якутськ, Росія

Анотація. Наведено результати експериментального дослідження автомобільного ДВЗ, що працює на біогазі з різним об ’ємним вмістом вуглекислого газу. Наведено рекомендації з вибору значень коефіцієнтів надлишку повітря і кутів випередження запалювання для різних режимів роботи автомобільного біогазового двигуна залежно від хімічного складу палива.

Ключові слова: біогаз, ДВЗ, експериментальний стенд, навантажувальна характеристика.

RESULTS OF AUTOMOBILE BIOGAS ENGINE EXPERIMENTAL INVESTIGATION

F. Abramchuk, Professor, Doctor of Technical Science, O. Kabanov, Associate Professor, Candidate of Technical Science, O. Prikhodkin, Postgraduate, KhNAHU,

V. Druzyanova, Associate Professor, Candidate of Technical Science, N. Petrov, Assistant, North-East Federal University, Yakutsk, Russia

Abstract. The results of experimental study of automotive ICE running using biogas with different volume content of CO2 are presented. Recommendations for choosing the values of air-fuel ratios and ignition timings for different operating modes of the automotive biogas engine depending on fuel chemical composition are given.

Key words: biogas, ICE, test bench, load characteristic.

Введение районов России, добраться в которые можно

только в зимний период.

Использование альтернативного топлива в

автомобильных ДВС является особенно ак- Например, на территории Якутии на 2013 г.

туальной задачей для отдалённых северных имеется 297 труднодоступных населенных

пунктов, где проживает 300500 тыс. чел. [1].

Использование биогаза в качестве моторного топлива в таких районах позволит увеличить автономность этих районов, снизить нагрузку на транспорт, уменьшить ущерб в случае срывов поставок топлива либо преждевременного исчерпания его локальных запасов.

Установка на легковой автомобиль биогазо-вой топливной аппаратуры без изменения ряда конструктивных и регулировочных параметров приводит к увеличению расхода топлива, что нерационально в условиях, когда его локальные запасы ограничены. Кроме того, отработавшие газы автомобилей наносят вред экосистеме отдалённых северных районов, поэтому снижение выбросов токсичных компонентов автомобильного биога-зового двигателя также является актуальной задачей.

Анализ публикаций

В мире широко ведутся работы по использованию биогаза на автомобильных ДВС [2, 3]. Особенно активные работы ведутся в регионах, имеющих проблемы с поставками ископаемого газового либо нефтяного топлива: Сирии [2], Судане [3] и др.

В [2] выполнены исследования по оценке расхода биогазового топлива автомобилем ВАЗ 2103 в различных дорожных условиях. В [3] приведены рекомендации по использованию биогаза в газодизеле, а также предложены рекомендации по максимально целесообразной степени очистки биогаза от С02.

В большинстве подобных работ главный акцент сделан на необходимости очистки биогаза от примесей, а также учёта их наличия при оценке расхода топлива биогазовым автомобилем.

Анализ научных публикаций показывает, что одной из основных проблем использования биогаза в качестве моторного топлива является его очистка. Вследствие этого биогазо-вый автомобиль часто заправляется топливом с разным содержанием С02 в нём [3].

Цель и постановка задачи

Исходя из вышесказанного, целью данной работы стала разработка рекомендаций по выбору регулировочных параметров малолитражного автомобильного двигателя, рабо-

тающего на биогазе, в зависимости от содержания С02 в топливе.

Описание биогазового ДВС

Для проведения экспериментального исследования был выбран серийно выпускаемый в настоящее время ГРП «АвтоЗАЗ-Мотор» ЗАО «ЗАЗ» и устанавливаемый на автомобили «ZAZ Sens» двигатель MeM3-307, переделанный для работы на биогазе. Данный двигатель имеет следующие конструктивные параметры: диаметр цилиндра - 75 мм; ход поршня - 73,5 мм. При переводе двигателя на биогаз степень сжатия была увеличена с в = 9,8 до в = 13,5. Для надёжного воспламенения биогазового топлива на двигатель установлена многоискровая система зажигания высокой энергии. Также на двигателе установлена топливная аппаратура с распределённым впрыском биогазового топлива.

Данный двигатель был установлен на моторный стенд, оборудованный всеми необходимыми приборами для определения как эффективных, так и индикаторных показателей мощности и экономичности, а также токсичности отработавших газов. На рис. 1 приведен общий вид данного экспериментального стенда.

Рис. 1. Экспериментальный стенд с малолитражным автомобильным биогазовым ДВС

Влияние объёмной доли С02 в топливе на показатели мощности биогазового двигателя

На рис. 2 показано влияние объёмной доли С02 в биогазе (гС02) на эффективную мощность двигателя Ые при разных углах открытия дроссельной заслонки фдр. При этом а оставалось неизменным (а « 1).

50 /'со2, %

Рис. 2. Влияние гС02 на N на различных режимах:

---------без компенсаторного механизма;

- - - - с компенсаторным механизмом

Из рис. 2 видно, что мощность двигателя при увеличении гС02 снижается пропорционально увеличению последней величины, что вызвано снижением низшей теплоты сгорания топлива.

Данное обстоятельство компенсируется увеличением подачи топлива по команде блока управления двигателем через форсунки пропорционально увеличению ГС02.

Для компенсации потерь мощности в данном случае предложено использовать следующий компенсаторный механизм.

Расчёт количества подаваемого топлива при этом предложено выполнять с помощью зависимости

«цО

т=-,— 1 -

где тц - цикловая подача топлива с учётом содержания С02 в нём; тц0 - потребная цикловая подача чистого метана, г.

Зависимость (1) предложено использовать в блоке управления двигателем, программируя его при каждой заправке биогазом на определённое гС02. Содержание С02 в биогазе на заправке можно определить с помощью газоанализатора-хроматографа типа АМТ-03, определяющего объёмную долю СН4 в биогазе.

механизма приведены на рис. 2. Из данного рисунка видно, что падение мощности по сравнению с природным газом в данном случае составляет 6-10 %, в зависимости от режима.

Влияние содержания С02 в топливе на показатели экономичности биогазового ДВС

На рис. 3 и 4 приведены графики изменения показателей экономичности биогазового ДВС по внешней скоростной характеристике двигателя (ВСХД) с использованием компенсаторного механизма и без него соответственно.

Рис. 3. ВСХД биогазового ДВС без использования компенсаторного механизма:

-----------г С02 = 0;

- - - - ГС02 = 0,15;

- . - . - - . гс02 = 0,30;

----------- г С02 = 0,50

Анализ данных характеристик показывает, что в качестве критерия экономичности биогазового ДВС следует брать эффективный КПД двигателя ^е. Это вызвано тем, что удельный эффективный расход топлива ge не может быть объективным показателем, так как при увеличении гС02 расход биогазового топлива будет увеличиваться.

Результаты испытания биогазового ДВС с использованием данного компенсаторного

Если при анализе экономичности биогазового ДВС отдельно проанализировать удель-

ный эффективный расход метана ge(CH4), содержащегося в биогазе, то, как видно из рис. 4, отличие данного показателя для чистого метана и биогаза будет незначительным.

обстоятельство также приводит к ухудшению условий сгорания топлива (увеличиваются выбросы несгоревших углеводородов) и снижению максимальной температуры данного процесса (снижаются выбросы N0,^).

л

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 П, МИН

Рис. 4. ВСХД биогазового ДВС с использованием компенсаторного механизма

---------природный газ (гС02 = 0);

-------- биогаз

Небольшое ухудшение экономичности при использовании компенсаторного механизма обусловлено поступлением с топливом в цилиндр большого количества С02 и, как следствие, отклонением фактического значения коэффициента избытка воздуха а от оптимального с точки зрения экономичности значения в сторону увеличения.

Таким образом, очевидной становится необходимость автоматической корректировки а на всех режимах работы биогазового ДВС при увеличении гС02.

Влияние содержания С02 в топливе на показатели токсичности биогазового ДВС

Влияние гС02 на показатели токсичности биогазового ДВС без использования компенсаторного механизма и с его использованием приведено соответственно на рис. 5 и 6.

Из рис. 5 видно, что уменьшение содержания метана в топливе при сохранении его цикловой подачи приводит к снижению выбросов СО на режимах максимальных нагрузок, что является следствием увеличения количества кислорода, приходящегося на 1 кмоль метана, в цилиндре биогазового ДВС. Последнее

'^С0

0,4

0,3

0 0,25 0,50 0,75 1,0 Ме

Рис. 5. Нагрузочная характеристика биогазового ДВС (п = 2500 мин"1), полученная без компенсаторного механизма:

-----------Гс02 = 0; ------ Гс02 = 0,15;

- . - . - - гс02 = 0,30;------ ГС02 = 0,50

-

— _

0 0,25 (150 0.75 1,0 Шл

Рис. 6. Нагрузочная характеристика биогазового ДВС (п = 2500 мин-1), полученная с компенсаторным механизмом:

----------природный газ (гС02 = 0);

---------- биогаз (гС02 = 0,50).

Применение компенсаторного механизма (рис. 6) приводит к тому, что выбросы СО

при использовании данного механизма и без него практически не отличаются. Появление в камере сгорания большого количества С02 приводит к ухудшению условий сгорания, немного увеличивая выбросы СН и снижая выбросы N0,,.

Корректировка угла опережения зажигания в зависимости от объёмной доли С02 в биогазе

Изменение а, а также гС02 приводит к необходимости адаптации угла опережения зажигания 0, град. п.к.в. до ВМТ. Значение данной величины выбиралось исходя из обеспечения максимума ^е на режиме. С использованием экспериментальных данных был получен массив данных для значений 0 в зависимости от гС02 во всём диапазоне рабочих режимов двигателя. Анализ данного массива позволил получить следующую эмпирическую зависимость

(

9 = 0П +18,6

Л

-1

где 00 - угол опережения зажигания, град. п.к.в. до ВМТ, при гС02 = 0.

Формулу (2), наряду с зависимостью (1), предлагается использовать в системе управления биогазовым двигателем для коррекции регулировочных параметров при изменении химического состава топлива.

Выводы

вого ДВС, в сравнении с работой на природном газе, составляет не более 10 %.

Приведены результаты экспериментального исследования биогазового ДВС при различных значениях гС02. Показано, что механизм компенсации наличия С02 в биогазе позволяет компенсировать ухудшение показателей экономичности и токсичности, возникающее вследствие увеличения ГС02.

Получена эмпирическая зависимость для системы управления автомобильным биогазовым ДВС, позволяющая данной системе автоматически подбирать, в зависимости от содержания С02 в биогазе, оптимальное, с точки зрения экономичности, значение угла опережения зажигания.

Литература

1. http://www.nvpress.ru.

2. Диб Рамадан. Исследование работы легко-

вого автомобиля на биогазе (на примере ВАЗ-2103): автореф. дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук: спец. 05.22.10 «Эксплуатация и ремонт автомобильного транспорта» / Р. Диб. - X., 1997. - 28 с.

3. Имад С. Разработка мероприятий по по-

вышению эффективности использования биогаза в условиях Республики Судан: дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук: спец. 05.20.01 «Технологии и средства механизации сельского хозяйства» / С. Имад. - М., 2007. -188 с.

Предложен механизм компенсации потери мощности биогазовым ДВС при увеличении объёмной доли С02 в топливе за счёт увеличения цикловой подачи биогаза. Экспериментально установлено, что при использовании данного механизма при гС02 < 0,5 снижение эффективной мощности биогазо-

Рецензент: А.Н. Врублевский, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 01 июня 2013 г.