Экспериментальная установка для исследования двухфазного смесеобразования с введением биогаза

УДК 621.436

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВУХФАЗНОГО СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ С ВВЕДЕНИЕМ БИОГАЗА

А.В. Ткаченко, А.А. Яблуновский, В.А. Ткаченко

Приводится описание экспериментальной установки с двухфазным смесеобразованием, где в качестве добавочного топлива, замещающего основное, употребляется имитатор биогаза, вырабатываемого в биогазовой установке. Дается описание схемы и приборов измерения для исследования рабочего процесса в дизеле.

The article represents the description of experimental plant using biogas simulator as auxiliary fuel produced in biogas device. The description of schema and devices for investigation of working process in the diesel is given.

Газодизельные двигатели с подачей запальной дозы дизельного топлива разработаны для судовых, дизель-генераторных и транспортных установок, а также для использования на газоперекачивающих станциях и т. д. [1]. В частности, такие газодизельные двигатели созданы в ряде организаций (НАМИ, ЦНИДИ, КАДИ, ВНИИГАЗ, СЗПИ и др.) на базе транспортных дизелей ЯМЗ-236, дизелей ЯМЗ-240, карьерных самосвалов БелАЗ-584, дизелей 6Ч 12,1/15, Икарус-260 и др. Автомобильной промышленностью разработаны и внедрены в производство газовые дизели «КамАЗ» моделей 744 и 749 для автомобилей-тягачей. В них предусмотрена установка во впускном трубопроводе смесителя дозатора, который подает газовое топливо в воздух и управляет количеством поступающей в дизель рабочей смеси, т. е. осуществляется количественное регулирование мощности. Порция запального топлива на всех режимах остается неизменной и составляет 20% от общего расхода топлива. В режиме холостого хода двигатели работают только на дизельном топливе.

В дизеле ЯМЗ-236 (6Ч 13/14), переоборудованном в газодизель, применяется качественное регулирование мощности путем изменения подачи газообразного топлива с помощью дозатора газа при нерегулируемом поступлении воздуха. Такая схема газодизельного двигателя является одной из наиболее распространенных.

Газовое топливо обычно подается через редуктор к смесителю из баллонов с газом, сжатым до давления 20 МПа. По такой схеме работает система питания газодизельного двигателя ЯМЗ-240Н ГД для карьерных самосвалов БелАЗ, разработанная институтом газа АН Украины. В этой системе природный газ , сжатый до указанного давления, хранится в стальных баллонах. Газовый смеситель выполнен с газовой и воздушной заслонками. В системе топливоподачи применен модифицированный регулятор частоты вращения. Если в качестве газообразного топлива использовать биогаз, то принципиального отличия в подаче дополнительного топлива-биогаза от приведенных способов нет - изменится только суть процесса сгорания вследствие существенного отличия природного газа от биогаза, в наибольшей степени определяющегося наличием диоксида углерода. Биогаз является продуктом отходов сельскохозяйственного производства и представляет собой смесь газов, основными компонентами которого являются метан СН4 (40-80%), углекислый газ СО2 (20-55%), сероводород ffiS (до 3%), пары воды (до 2%), азот и водород (менее 1%). Теплота сгорания биогаза составляет 15-25 МДж/кг. Сложившийся в настоящее время уровень техники в этой области таков, что биогазовая технология используется довольно редко по причине недостаточной выработки биогаза для полного обеспечения энергетических нужд фермерских хозяйств или малых сельскохозяйственных производств. Зачастую биогазовые установки используют только для получения удобрений, а биогаз сжигают или сбрасывают в атмосферу. По этой причине целесообразно использовать биогаз в качестве дополнительного, а не основного энергоносителя. Тогда реализуется возможность полного использования получаемого биогаза даже в случае его неравномерного производства и в любых количествах.

Применительно к дизельным электростанциям такое использование биогаза возможно с применением двухфазного смесеобразования [2]. Отличие цикла с двухфазным смесеобразованием заключается в том, что дизельное топливо является основным, а не служит запальной дозой. Обедненная газовоздушная смесь определенной концентрации обеспечит предотвращение детонации в течение такта сжатия, а впрыскиваемое в конце такта дизельное топливо окажется в более благоприятных для самовоспламенения условиях (температура и давление), в результате чего

сокращается период задержки самовоспламенения топлива, увеличивается индикаторный КПД, наблюдается прирост среднего индикаторного давления.

Важным преимуществом двухфазного цикла от перечисленных является то, что не требуется дополнительных, усложняющих конструкцию дизеля устройств для зажигания от постороннего источника питания. Кроме того, не нужны модернизация самого дизеля и понижение степени сжатия. Подающая система жидкого топлива остается без изменений, поэтому дизель в случае необходимости может работать только на жидком топливе.

В предыдущие годы идея двухфазного смесеобразования не нашла широкого применения вследствие относительной дешевизны в то время дизельного топлива, достаточно сложной конструкции для подачи жидкого топлива в газообразном виде во всасывающй коллектор дизеля, необходимости обеспечения емкостей для хранения газообразного топлива и транспортировки газов. В настоящее время у ведущих дизелестроительных фирм вновь возрождается интерес к такому способу смесеобразования в связи с необходимостью экономии топлива и снижения токсичности выпускных газов. Если в качестве газообразного топлива для дизелей будет рассматриваться биогаз, вырабатываемый из отходов фермерского хозяйства в биогазовой установке, то применение двухфазного смесеобразования в дизелях обеспечит экономию топлива за счет замены части жидкого топлива на газообразное и улучшения процесса сгорания топлива.

Объектом экспериментального исследования является судовой дизель 2Ч 8,5/11, установленный на моторном катере и работающий на генератор. К основным техническим характеристикам двигателя относятся:

Номинальная мощность Смесеобразование Число цилиндров Диаметр цилиндра Ход поршня Степень сжатия Удельный расход топлива Частота вращения

7.5 кВт

Вихрекамерное

2

8.5 мм 110 мм 17

0,3 кг/(кВт • ч) 1500 об/мин

Двигатель оборудован раздельными топливными насосами высокого давления со штифтовыми форсунками. На рисунке представлена схема экспериментальной установки.

Схема экспериментальной установки по исследованию влияния биогаза на показатели рабочего процесса двигателя: 1 - двигатель 2Ч8,5/11; 2 - генератор; 3 - замер расхода воздуха; 4 - замер температуры воздуха на входе в ресивер; 5 - замер влажности воздуха; 6 - замер барометрического давления; 7 - замер давления в выпускном коллекторе;

8, 9 - замер температуры газов по цилиндрам; 10 - замер температуры газов в выпускном коллекторе;

11 - отбор газов на газоанализатор; 12 - топливный бак; 14 - баллон с биогазом; 15 - газовый фильтр;

16 - регулятор нулевого давления; 17 - двойной отсечной клапан; 18 - газовый расходомер; 19 - смеситель;

20 - система измерения и обработки внутренних параметров цилиндра БЕРЛБ

Система подачи газа имеет следующий принцип действия. Имитатор биогаза, представляющий собой смесь природного и углекислого газов в различных пропорциях в баллоне под давлением до 12 МПа, поступает в газовую магистраль, в состав которой входят фильтр, регулятор нулевого давления и двойной отсечной клапан. Проходя через фильтр, газ очищается от твердых загрязняющих веществ, которые могут содержаться в газовом потоке. Регулятор нулевого давления, корректируя расход газа, поддерживает заданное (нулевое избыточное) давление на выходе. При изменении величины разрежения во впускной трубе двигателя регулятор нулевого давления увеличивает или уменьшает поток газа таким образом, чтобы поддерживать установленное давление на выходе. Электромагнитный двухступенчатый клапан осуществляет ввод и вывод из действия газовой системы. При подаче сигнала с пульта управления напряжением 12/24 В постоянного тока клапан первой ступени открывается мгновенно, а клапан второй ступени - медленно (около 30 с). Это позволяет системе поддерживать стабильность работы двигателя в процессе перехода к двухтопливному режиму. При отмене сигнала обе ступени ДМК закрываются мгновенно и двигатель немедленно переходит в режим потребления только дизельного топлива. Далее газ поступает к газовоздушному смесителю, где перемешивается с воздухом, а затем по впускному коллектору поступает в цилиндры двигателя. Поскольку система основана на эффекте эжекции, работа возможна только с низкими давлениями газа. Это прибор «равного сопротивления», в конструкции которого нет подвижных элементов. Он устанавливается перед воздушным ресивером. Воздух, поступающий в газовоздушный смеситель, обтекает секцию диффузора, образуя турбулентную область низкого давления, которая втягивает газ в диффузор. Через структуру радиальных каналов, выполненных с высокой точностью в выходной части сопла, газ подается в турбулентный воздушный поток сразу за диффузором. Смеситель обеспечивает высокую степень перемешивания двух сред при минимальном возмущении воздушного потока.

Для более точного регулирования подачи газа используется измеритель расхода газа. Особенность измерения в данной системе заключается в том, что объемный расход газа составляет 3-15 м3/ч. Данные значения далеки от минимального предела измерения большинства устройств. Расходомеры «Rosemount» на базе компактных диафрагм способны измерять расход газа начиная от 0,063 м3/ч, поэтому их целесообразно использовать в этой схеме. Принцип действия расходомеров основан на измерении расхода среды (жидкости, газа, пара) методом переменного перепада давления. Расходомеры состоят из компактной диафрагмы «Rosemount 405» и датчика перепада давлений «Rosemount 3051S». Компактная диафрагма «Rosemount 405» представляет собой жесткую неразборную конструкцию, состоящую из собственно измерительной диафрагмы с угловым отбором давления, кольцевой монтажной секции вокруг измерительной диафрагмы, зажимаемой между фланцами измерительного трубопровода.

Основной этап работы включает исследование влияния количества и качества биогаза на параметры рабочего процесса двигателя. В этой связи необходимо:

- выяснить влияние состава и количества топливовоздушного заряда на изменение показателей двигателя в зависимости от нагрузочного режима;

- определить оптимальные регулировки двигателя по углу опережения впрыска основного топлива и по составу топливовоздушного заряда;

- установить оптимальный состав топливовоздушного заряда в зависимости от нагрузочного режима двигателя.

При проведении экспериментальных исследований принимаются следующие методики испытаний:

- рабочий процесс двигателя экспериментально исследуется на основе методики индици-рования полости цилиндра № 1, при этом нагрузка по цилиндрам считается равномерно распределенной;

- зависимость эффективных показателей це, g6, а также показателей рабочего процесса двигателя Рг, dP/dф, AP/Дф и т. д. находится как функция от качества биогаза и состава топливовоздушного заряда при сохранении постоянной мощности, частоты вращения, угла опережения впрыска топлива;

- в связи с тем, что изменение общего коэффициента избытка воздуха в пределах 3% при изменении состава топливовоздушного заряда оказывает незначительное влияние на рабочий процесс двигателя, при построении характеристик по составу топливовоздушного заряда для каждой нагрузки принимается а£ = const;

- основной критерий исследования агвз определяется по отношению агвз = Ьв/ОгЬг, расход воздуха двигателем - с помощью мерительной шайбы.

В соответствии с ГОСТ 14846-69 двигатель для исследования оснащается оборудованием и приборами, позволяющими измерять основные параметры при работе по нагрузочным характеристикам. Измерение мощности осуществляется вольтметром и амперметром при работе на активную нагрузку. Температуры масла и воды внутреннего контура поддерживаются постоянными и определяются штатными манометрическими термометрами. Для измерения температуры выпускных газов предусматриваются две термопары, установленные в выпускных патрубках каждого цилиндра, и одна термопара, установленная в общем выпускном коллекторе. Измерение расхода топлива осуществляется весовым способом (используются весы марки ВТЦ-10 типа ВНШ с ценой деления 10 г). Во время работы двигателя контролируются температура, барометрическое давление и влажность окружающего воздуха. Температура и влажность воздуха измеряются аспирационным психрометром марки ШВ-4М. Атмосферное давление регистрируется барометром-анероидом БАММ (ГОСТ 6466-63). Расход воздуха двигателем измеряется дроссельной шайбой с дифференциальным манометром.

Базовым диагностическим параметром, определяемым всеми системами мониторинга рабочего процесса, является давление газов в цилиндре Р(ф). Эту величину в большинстве случаев определяют с помощью специальных датчиков давления, устанавливаемых на индикаторный кран [2]. Поскольку использование нештатной измерительной аппаратуры в топливной системе высокого давления является дорогостоящим, актуальным является метод виброакустического анализа, применяемый в системе ББРА8 Б4.0И. С помощью вибродатчика У8-20ш фиксируются геометрические и действительные фазы топливоподачи, а также характер движения иглы форсунки. Параметры работы механизма газораспределения во время работы двигателя не определяются ни одной из известных диагностических систем. В данном случае использование в системах Б4.0И методов виброакустического анализа позволяет определить фазы газораспределения по виброимпульсам при закрытии клапанов и производить оценку их технического состояния по форме вибродиаграмм.

Модуль реального времени системы Б4.0И предназначен для непосредственной записи данных рабочего процесса и предварительного расчета трех ключевых параметров (тактность двигателя определяется автоматически):

- Р^(Ршах) - максимальное давление сгорания в цилиндре (среднее, минимальное и максимальное значения за несколько рабочих циклов);

- ЯРЫ - частота вращения коленчатого вала дизеля;

- Р1 - среднее давление в цилиндре.

Автоматическое определение тактности двигателя позволяет проводить мониторинг без предварительной настройки на тип дизеля. Данные индицирования отдельных цилиндров передаются из модуля Б4.0И в компьютер по интерфейсу Я8-232.

Программное обеспечение производит расчет следующих параметров:

Среднее индикаторное давление Индикаторная мощность цилиндра Частота вращения коленчатого вала Максимальное давление сгорания в цилиндре

Максимальное давление сжатия Давление на линии расширения

Максимальная скорость повышения давления

Степень повышения давления Давление в начале сгорания

Действительные и геометрические фазы топливоподачи а, а°, ф^, фаш

Период и угол задержки самовоспламенения топлива тв, фтв

Pi III MIP Ni II Pi PPM

pz, pr(9Pz )ii

Pmax, PZ, Pr(9PmJ

Pcomp

Р

ехр

x =

Ap

Лф

P max

P comP

pC^p»

Фазы газораспределения

Анализ технического состояния ТА и МГР

Давление в любой точке диаграммы

Рх

Специфической особенностью данного двигателя является наличие вихревой камеры и канала, в котором устанавливается свеча накаливания для облегчения запуска двигателя. Этот канал используется с некоторым усовершенствованием для установки в нем датчика давления системы ББРА8 Б4.0Н. Указанное усовершенствование позволяет с учетом установки специального вытеснителя устранить такое нежелательное явление при установке датчиков давления, как увеличение объема канала между мембраной датчика и камерой сгорания (в нашем случае - вихревой камерой).

Представленные данные по элементам экспериментальной установки позволяют сделать вывод о возможности проведения широкомасштабных экспериментов на базе указанной установки и получения достаточно достоверных знаний в этой области исследований.

1. Работа дизелей на нетрадиционных топливах // В.А. Марков, А.И. Гайворонский, Л.В. Грехов, Н.А. Иващенко. - М.: Легион-Автодата, 2008. - 464 с.

2. Пат. 65044. Биоэнергокомплекс // Ткаченко В.А., Ткаченко А.В.

3. Варбанец Р.А., Ивановский В.Г., Кучеренко Ю.Н. ББРА8 3.1 НаМу-система мониторинга рабочего процесса судовых дизелей // Рос. судостроение и судоходство на мировом рынке «Нева-2003»: Материалы 7-й междунар. конф. - СПб., 2003. - С. 114-115.

Литература