Повышение эффективности использования газового топлива в газодизельных двигателях

Актуальность темы

.

Расширение использования природного газа в качестве моторного топлива и расширение парка автомобилей работающих на газовом топливе является важной задачей для ОАО «Газпром». В настоящее время отечественный «автопром» серийно не выпускает газодизельные автомобили из-за недостаточной развитости газозаправочной сети, хотя на ближайшие 8−12 лет для России целесообразно применение такого типа двигателей, учитывая их экологические и экономические характеристики.

Зарубежный опыт эксплуатации автобусов, оснащенных газодизелями Mersedes, RABA, Caterpillar, показал, что расход дизельного топлива составляет от 62 до 45% от его расхода в дизеле, для эффективного использования это неприемлемо.

Поэтому обоснование путей повышения эффективности использования газового топлива в газодизельных двигателях, без ухудшения его эксплуатационных характеристик, является актуальной задачей исследований.

Цель диссертационной работы.

Повышение эффективности использования газового топлива в газодизельном рабочем процессе с обеспечением высоких энергетических и экологических показателей во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов с ограничением работы двигателя на дизельном топливе.

Основные задачи работы.

Разработать математическую модель рабочего процесса газодизельного двигателя, учитывающую его основные особенности.

Создать на экспериментальный стенд с газодизелем для идентификации математической модели.

Разработать систему топливоподачи для серийного двигателя ЯМЗ — 236НЕ конвертированного в газодизель, обеспечивающую возможность работы как на дизельном топливе, так и на газе с использованием дизельного топлива для инициирования зажигания.

Определить параметры рабочего процесса газодизельного двигателя, при которых технические и экологические показатели сохраняются на уровне базового дизельного двигателя.

Научная новизна.

Разработана математическая модель газодизельного двигателя, на основе которой составлен алгоритм расчета действительных процессов в цилиндрах и системе наддува многоцилиндрового газодизельного двигателя. Алгоритм реализован в программе для ЭВМ.

Создана оригинальная топливная аппаратура для подачи запального топлива, обеспечивающая стабильную работу двигателя на всех эксплуатационных режимах.

Изменение фаз газораспределения и величины минимальной цикловой подачи запального топлива для получения эксплуатационных характеристик газодизельного двигателя не хуже дизельного прототипа.

Защищаемые положения.

Математическая модель оценки показателей рабочего процесса дизеля, конвертированного для работы по газодизелыюму циклу.

Оригинальные конструктивные решения по модернизации топливной аппаратуры.

Обоснование уменьшения перекрытия клапанов и изменения фазы закрытия впускного клапана, а так же применения цикла Миллера и поиска опережения угла впрыска запальной дозы дизельного топлива для достижения высоких эксплуатационных характеристик рабочего процесса.

Практическая значимость.

Экспериментальный образец двигателя может послужить основой для создания промышленной конструкции газодизельного двигателя.

Технические решения по модернизации топливной аппаратуры могут быть использованы при конвертировании для работы на природном газе находящихся в эксплуатации автомобилей комплектуемых дизельными двигателями.

Разработанная методика расчёта газодизельного рабочего процесса может быть использована в учебном процессе при подготовке специалистов по двигателям внутреннего сгорания.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались:

Заседании научно-технического совета ООО «Газпром трансгаз Ставрополь», март 2009 г.

Седьмой конференции молодых работников ООО «Кавказтрансгаз», май 2008 год, г. Георгиевск.

Заседании ученого совета ООО «ВНИИГАЗ».

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе 1 в журнале входящем в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий», ВАК Минобрнауки РФ.

Структура работы.

Диссертационная работа состоит четырех глав и содержит 4 таблицы, 52 рисунка, список литературы из 82 наименований. Общий объем — 149 страниц.

Проблема экономии жидких топлив остается одной из самых острых в обеспечении народного хозяйства топливно-энергетическими ресурсами. Увеличение потребления жидкого топлива сопровождается истощением освоенных и удобно расположенных нефтяных месторождений, вследствие чего приходится осваивать новые месторождения, расположенные в труднодоступных районах. Это приводит к удорожанию как сырой нефти, так и получаемых из нее нефтепродуктов. Между тем имеется достаточно большие запасы высококачественного моторного топлива, не требующего для использования в двигателях никакой химической переработки. Одним из таких моторных топлив является газовое топливо, основными видами которого, получившими практическое и достаточно широкое распространение, являются сжатый и сжиженный природный газ.

Как моторное топливо, природный газ в натуральном виде превосходит нефтяное топливо. При использовании его в ДВС обеспечиваются высокие технико-экономические показатели, так как природный газ имеет высокие антидетонационные качества, благоприятные условия смесеобразования и широкие пределы воспламенения в смеси с воздухом. Мировой опыт применения газовых двигателей и энергетических установок на транспорте и в качестве мотор-генераторов дает основание для широкомасштабного внедрения их в различные сферы энергетики. Особая роль принадлежит в этом смысле газовой промышленности, которая осуществляет добычу и транспортировку газа. Естественно, что покрытие своих потребностей должно осуществляться за счет газообразного топлива. Современное состояние двигателестроепия и газовой промышленности, в частности, Единой системы газоснабжения, позволяет разрабатывать новые типы газовых поршневых двигателей, максимально использующих преимущества газа, как моторного топлива.

Перевод современных двигателей на газообразное топливо является процессом достаточно длительным и трудоемким. Практически речь идет о создании нового двигателя. Замена жидкого топлива (в особенности дизельного) на газообразное предъявляет ряд принципиальных требований:

— создание и отработка рабочего процесса, имеющего существенные отличия из-за специфики топлива;

— изменение конструкции цилиндрово-поршневой группы, связанное с изменением степени сжатия и особенностями сгорания с учетом термических напряжений ЦПГ;

— полная замена топливной аппаратуры;

— разработка новой системы подготовки топлива, в частности, фильтрации, удаления конденсата, влаги и др.;

— разработка системы регулирования с учетом специфики топлива и особенностей газовой аппаратуры;

— учет требований техники безопасности при применении газообразного топлива и условий, в которых работает агрегат с газовым двигателем.

В двухтопливном двигателе это возможно либо созданием специальных систем для каждого из видов топлива, либо применением топливной аппаратуры, управляющей составом смеси путем изменения количества подаваемого воздуха.

При конвертировании существующих двигателей на газообразное топливо его воспламенение осуществляется от источника зажигания, в качестве которого используются либо свечи зажигания, либо запальная доза жидкого дизельного топлива. До настоящего времени в газовых двигателях не нашел применения метод воспламенения от сжатия, используемый в дизелях, хотя попытки осуществить такой процесс делались. Основным затруднением при осуществлении цикла с воспламенением от сжатия на газовом топливе является высокая температура самовоспламенения для природного газа (650−700 С), значительно превышающая температуру самовоспламенения дизельных топлив (320−380 С). В качестве значительного приближения к такому процессу можно рассматривать впрыск газового топлива в цилиндр в конце процесса сжатия и его воспламенение запальной дозой топлива, количество которой не превышает 1520%, что позволяет использовать дизели без изменения степени сжатия.

В виду низкой плотности газообразного топлива и низкой объемной теплоты сгорания при его использовании все большее применение получают криогенные способы его хранения, что требует разработки специальной системы подготовки и подачи топлива.

Разработка высокоэффективных способов организации рабочих процессов при сжигании природного газа, находящегося в сжатом или криогеином состоянии, в цилиндрах поршневых двигателей внутреннего сгорания и определение путей дальнейшего уменьшения токсичных выбросов, повышения топливной экономичности и надежности в перспективных газовых двигателях является актуальной задачей.

При применении запального жидкого топлива для воспламенения газовоздушной смеси может использоваться либо штатная топливная аппаратура дизеля, обеспечивающая возможность работы двигателя на двух топливах, но при этом расход жидкого топлива не может быть ниже расхода на холостом ходу и низких нагрузках, на которых осуществляется работа на жидком топливе, либо специально спроектированная топливная аппаратура, обеспечивающая подачу минимальной дозы запального топлива в пределах 7-И0%. Кроме того, при переводе дизелей на газообразное топливо осложняется регулирование нагрузки, т.к. чисто качественное регулирование, имеющее место в дизелях, в данном случае невозможно, особенно в двигателях с наддувом, и требуется применение устройств, регулирующих количество подаваемой газовоздушной смеси.

При создании двигателей, работающих по газодизельному процессу возникают трудности с организацией подачи двух видов топлива в цилиндр, причем необходимо при уменьшении цикловой дозы запального топлива до минимально возможной обеспечить гарантированное воспламенение топливо-воздушной смеси без пропусков зажигания. Наиболее отлаженный путь, применяемый в существующих в настоящее время газодизельных двигателяхподача запальной дозы топлива через штатную форсунку в количестве, необходимом для работы двигателя на холостом ходу, около 15−20% от подачи топлива на номинальном режиме. При впрыскивании сверхмалых объёмов топлива для любой системы топливоподачи с распылителями закрытого типа характерным является очень незначительный перепад давлений на сопловых отверстиях независимо от давления топлива перед распылителем. Вероятность воспламенения топлива в таких условиях уменьшается, и теоретически возможны пропуски воспламенения в цилиндрах. Для дизеля пропуски вспышек на холостом ходу не опасны. Для газодизеля же малая цикловая подача жидкого топлива не является признаком холостого хода, так как он при этом может работать • с высокой нагрузкой. При отсутствии вспышки в цилиндре в этом случае произойдёт выброс несгоревшей газовоздушной смеси в выпускной коллектор, что может привести к аварийной ситуации. Поэтому одним из важных условий нормального функционирования такого двигателя должно быть гарантированное воспламенение заряда в цилиндре на газодизельных режимах. Работа штатной топливной аппаратуры двигателя с малыми цикловыми подачами, как правило, неудовлетворительна. Это связано с нестабильностью цикловой подачи по цилиндрам, от цикла к циклу и с уменьшением давления распыливания, ухудшением охлаждения распылителей форсунок, их перегревом и закоксовыванием, зависанием иглы форсунки. Совокупность перечисленных факторов приводит к ухудшению воспламенения и сгорания газового топлива. Использование штатной топливной аппаратуры, отрегулированной на обеспечение равномерной по цилиндрам номинальной цикловой подачи, приводит к тому, что по мере уменьшения нагрузки неравномерность подачи по цилиндрам растет, достигая своего экстремума на минимальных оборотах холостого хода, что связано с уменьшением активного хода плунжера топливного насоса, снижением и нестабильностью начального давления в нагнетательной магистрали. Дальнейшее уменьшение цикловой подачи вызывает пропуски в подаче топлива в отдельные цилиндры, приводящие к неустойчивой работе двигателя. Для большинства двигателей минимальная величина цикловой подачи, при которой обеспечивается необходимое качество распыливания топлива и равномерность ее распределения по цилиндрам, ограничена 20% от номинальной.

Проблема заключается также в том, что присутствие газа препятствует самовоспламенению дизельного топлива, поэтому необходимо, чтобы при малой запальной дозе дизельного топлива создать достаточную его концентрацию в одной точке, где после самовоспламенения дизельного топлива выделится достаточное количество энергии для сгорания газо-воздушной смеси и дальнейшего распространения пламени.

Рассматривается возможность впрыскивания газа и запальной дозы дизельного топлива непосредственно в цилиндр под высоким давлением. Так как в этом случае процесс сгорания носит в основном диффузионный характер, то нет ограничений связанных с детонацией газа. Для начала процесса сгорания достаточно запальной дозы в 5%. Однако необходимость подачи газа под высоким давлением свыше 30 МПа требует применения дорогого оборудования, обеспечивающего безопасность работы, и отбирает до 4% мощности двигателя. До настоящего времени еще нет ясности в вопросах, связанных с процессами подачи газового топлива в цилиндр, впрыскивания запальной дозы топлива, смесеобразованием и сжиганием топливо-воздушной смеси. Изучение физических явлений, протекающих от момента ввода топлива в камеру сгорания до воспламенения последнего элемента рассматриваемой порции топлива, процессов макрораспределения элементарных объемов топлива в объеме, занимаемым окислителем, дальнейшего микросмешения — обеспечение контакта между молекулами обоих компонентов, необходимого для протекания реакции сгорания.

Работа двигателей на газовом топливе обеспечивает лучшее смесеобразование, значительно, на 30−50% повышается ресурс двигателей, увеличивается срок службы масла. В виду постоянного ужесточения норм токсичности газовое топливо рассматривается как наиболее приемлемое, однако требуется разработка более эффективных способов его сжигания с подбором способов подачи газа во впускной трубопровод или непосредственно в цилиндр,.

10 а также решение ряда конструкторских задач, обусловленных использованием в виде топлива газа с широким диапазоном избыточного давления: от 200−400 мм вод. ст. (шахтного газа) до 25 МПа и более (из магистралей высокого давления), разного агрегатного состояния.

Для всех двигателей, имеющих наддув, существуют особенности ввода газового топлива: либо во впускную магистраль, причем возможна подача как перед компрессором, так и после него, либо непосредственно в цилиндр в начале сжатия после закрытия впускных органов, когда давление в цилиндре еще невелико. Эффективность того или иного способа ввода газового топлива в достаточной степени еще не исследована.

Настоящая работа посвящена изучению действительных процессов форсированных транспортных газодизельных двигателей, а также разработке методов математического моделирования и оптимизации действительных процессов в цилиндрах, системах газовоздушного тракта, топливоподачи и газоподачи. Предусмотрена проверка математической модели полноразвернутого двигателя с использованием экспериментальных данных. В рамках работы предполагается создать макетный образец газодизельного двигателя, позволяющий проводить исследования различных систем смесеобразования и управления, отрабатывать схемы газоподачи при использовании различных видов моторных топлив, получаемых на основе природного газа.

Выводы.

1. Разработана система подачи жидкого топлива и реализована работа газодизельного двигателя с уменьшенной до 15% -=- 20% от номинальной подачи запальной дозы дизельного топлива. Разработана система питания газодизеля ЯМЗ-2Э6НЕ природным газом.

2. Создан макетный образец газодизельного двигателя на базе дизеля ЯМЗ-236НЕ, который может быть использован для комплектования следующих типов автобусов и автомобилей: автобусов МАЗ-104, производства республики Беларусь, ЛИАЗ, «Волжанин», грузовые автомобили МАЗ, КРАЗ.

3. В газодизеле получены величины номинальной мощности и максимального крутящего момента, такие же как и в базовом дизеле ЯМЗ-236НЕ: №&bdquo-ом=164 кВт при 2100 мин" 1- Ме=880Н*м при 1300 мин" 1. Расчетные максимальные давления и температура цикла в газодизельном двигателе не превышают их значения в дизеле и составляют Рмах=10,7 МПа, Тмах=1864 К.

4. Проведены стендовые испытания газодизельного двигателя, технико-экономические характеристики которого совпадают с характеристиками базового дизеля, что позволяет конвертировать дизели типа ЯМЗ-236НЕ на газовое топливо без каких-либо ухудшений их эксплуатационных показателей.

5. Создана оригинальная топливная аппаратура для подачи минимальной дозы запального топлива обеспечивающая стабильную работу двигателя вплоть до минимальной частоты вращения.

6. Полученные характеристики содержания токсичных компонентов в выпускных газах практически соответствуют нормам ЕВРО-2, а с нейтрализатором выпускных газов возможно достижение характеристик токсичности, соответствующих нормам ЕВРО-3.

7. В результате стендовых испытаний выявлены направления совершенствования топливной аппаратуры с целью повышения экономичности и снижения токсичности выпускных газов. В частности за счет уменьшения диаметра отверстий распылителя и регулировки угла опережения впрыска топлива.

8. Разработана математическая модель многоцилиндрового газового и газодизельного двигателя, учитывающая большое число конструктивных и режимных параметров, позволяющая проводить численную оптимизацию конструкции отдельных систем двигателя, выбирать схемы наддува, порядок работы цилиндров, оптимизировать фазы газораспределения, проверять различные схемы воспламенения газового топлива, включая искровое зажигание, форкамерно-факельное воспламенение и газодизельный процесс.

9. Расчетным путем определены основные параметры газодизеля ЯМЗ-2Э6НЕ, а также регулировочные величины, обеспечивающие получение оптимальных эффективных и экологических характеристик.