авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Повышение эффективности использования газового топлива в газодизельных двигателях

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Лисицын Евгений Борисович

Повышение эффективности использования

газового топлива в газодизельных двигателях

Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы в нефтяной и газовой промышленности

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – Газпром ВНИИГАЗ» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ»)

Научный руководитель - доктор технических наук

Козлов Сергей Иванович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Огнев Владимир Васильевич;

кандидат технических наук

Шотиди Константин Харлампиевич.

Ведущее предприятие - ООО «Газпром трансгаз Кубань», г. Краснодар.

Защита состоится «____»____________ 2010 г. в 12.30 час. на заседании диссертационного совета Д511.001.02 при ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, поселок Развилка.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

Автореферат разослан «____»____________20____г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук И.Н. Курганова

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Расширение газомоторного бизнеса является одной из актуальных задач для ОАО «Газпром». В настоящее время отечественная автомобильная промышленность серийно не выпускает газодизельные автомобили. В ближайшие 8 – 10 лет применение газодизельных двигателей особенно целесообразно для России из-за больших расстояний перевозок и недостаточно развитой сети АГНКС.

Зарубежный опыт эксплуатации автобусов (Mersedes, RABA, Caterpillar), оснащенных газодизелями показал, что расход запального дизельного топлива для них составляет от 62 до 45% от его расхода в дизеле, что снижает их экономическую привлекательность и не обеспечивает перспективных норм по токсичности выпускных газов.

Поэтому снижение доли запального топлива является актуальной задачей исследований.

Цель диссертационной работы

Повышение эффективности использования газового топлива в газодизельном рабочем процессе с обеспечением перспективных норм токсичности выпускных газов и сохранением эксплуатационных показателей во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов.

Основные задачи работы

Разработка математической модели рабочего процесса газодизельного двигателя, учитывающей его основные конструктивные особенности.

Создание экспериментального стенда с газодизелем для идентификации математической модели.

Разработка системы топливоподачи для серийного двигателя ЯМЗ – 236НЕ, конвертированного в газодизель.

Проведение расчетных и экспериментальных исследований рабочего процесса газодизельного двигателя с целью минимизации цикловой подачи запальной дозы топлива и обеспечением эксплуатационных характеристик на уровне дизельного прототипа.

Научная новизна





Впервые разработана математическая модель рабочего процесса многоцилиндрового газодизельного двигателя со свободным турбокомпрессором.

На основе результатов экспериментальных исследований предложена новая формула определения доли выгоревшего топлива в газодизельном рабочем процессе.

Расчетно-экспериментальными исследованиями установлено и обосновано изменение фаз газораспределения и величины минимальной цикловой подачи запального топлива для получения эксплуатационных характеристик газодизельного двигателя, соответствующих дизельному прототипу.

Защищаемые положения

Математическая модель газодизельного рабочего процесса.

Методика проведения экспериментального исследования газодизельного рабочего процесса.

Рекомендации по изменению топливной аппаратуры, фаз газораспределения, угла впрыска запальной дозы дизельного топлива, а также применения цикла Миллера для обеспечения эксплуатационных характеристик двигателя и перспективных норм токсичности отработавших газов.

Практическая значимость

Научно обоснованные и экспериментально подтвержденные рекомендации по конструктивным изменениям топливной аппаратуры дизельных двигателей типа ЯМЗ, конвертируемых для работы по газодизельному циклу, целесообразно использовать в организациях, специализирующихся на проектировании транспортных двигателей.

Разработанные методики расчёта и экспериментального исследования, а также результаты исследования газодизельного рабочего процесса целесообразно использовать при подготовке специалистов по двигателям внутреннего сгорания.

Двигатель ЯМЗ – 236НЕ, конвертированный для работы на природном газе по газодизельному циклу с использованием результатов диссертационной работы установлен на автомобиле КРАЗ и эксплуатируется в Георгиевском ЛПУМГ ООО «Газпром трансгаз Ставрополь» с 2008г.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на:

  • 7-ой конференции молодых работников ООО «Газпром трансгаз Ставрополь» (Георгиевск, 2008);
  • заседании научно-технического совета ООО «Газпром трансгаз Ставрополь» (Ставрополь, март 2009);
  • заседании секции «Транспорт газа и промышленная безопасность» Ученого Совета ООО «Газпром 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 из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы, 52 рисунка. Библиографический список состоит из 82 наименований.

Содержание работы

Во введении: освещены проблемы, связанные с использованием нефтяных топлив, и преимущества использования природного газа в качестве моторного топлива; изложены особенности конвертирования двигателей для работы на природном газе; обоснована актуальность; определена структура работы.

В первой главе рассмотрено использование природного газа в качестве моторного топлива. Проанализированы существующие системы топливоподачи, регулирования состава и воспламенение рабочей смеси, газодизельный процесс сгорания, методы математического моделирования действительных процессов в двигателе и его системах. Сделаны выводы и определены задачи исследования.

Вопросам конвертирования дизельных двигателей на использование природного газа посвящены работы Багдасарова И.Г., Гайворонского А.И., Козлова С.И., Савельева Г.С., Хачияна А.С. В работах этих авторов отмечено, что воспламенение газового топлива от искры приводит к потере до 15% мощности двигателя в газовом варианте из-за снижения степени сжатия. Надежность работы двигателя при таком режиме требует повышения работоспособности свечей зажигания. При высоких степенях сжатия плотность заряда в момент прохождения искры оказывается настолько высокой, что пробивное напряжение на электродах свечи превосходит допустимые пределы 25-30 кВ. При таких напряжениях и в условиях повышенных температур заряда в цилиндре надежность изоляторов свечей зажигания заметно снижается и повышается эрозия электродов. Бездетонационная работа обеспечивается снижением степени сжатия.



Газодизельный процесс имеет потенциальные преимущества по сравнению с процессом с искровым зажиганием. Эффективный коэффициент полезного действия (к.п.д.) дизельного двигателя составляет более 38%, а соответствующий к.п.д. двигателя с искровым зажиганием – около 30%, что обеспечивает меньшее потребление топлива - газовое плюс дизельное, в двигателях равной мощности. Возможность работы на двух топливах и быстрый переход с одного вида топлива на другой, что увеличивает радиус действия транспортного средства. Высокая надежность источника воспламенения газо-воздушной смеси факелом впрыснутого дизельного топлива.

Однако, для реализации потенциальных возможностей, заложенных в термодинамическом цикле газодизеля, двигатель получает дополнительную систему газоподачи, включающую системы хранения газового топлива, устройства подготовки газовоздушной смеси, системы управления и регулирования, а так же требуется организация нового рабочего процесса.

В газодизеле мощность источника зажигания значительно больше, чем в двигателе с искровым зажиганием, кроме того, рабочая смесь поджигается не в одной точке у холодной стенки, а в центре заряда. Благодаря этому одной из важных особенностей газодизельного процесса является расширение границ возможного обеднения рабочей смеси. Однако при уменьшении нагрузки резко снижается эффективность процесса, значительно уменьшается полнота сгорания и наблюдается большое недогорание топлива. Проведенный анализ показал, что на характер газодизельного процесса существенное влияние оказывает доля тепла, вводимого с запальной дозой топлива, а также способ смесеобразования и угол опережения впрыска. Как правило, для газодизельного цикла характерно два пика скорости тепловыделения. Первый пик соответствует неуправляемому процессу сгорания запальной дозы жидкого топлива, второй – горению газового. По мере снижения дозы жидкого топлива и увеличения дозы газа первый пик уменьшается, а второй возрастает и при достижении определенного соотношения доз первый пик может практически исчезнуть.

Для осуществления подобного рабочего процесса газодизельного двигателя требуется применение новой газотопливной аппаратуры с малыми цикловыми подачами запального жидкого топлива (топливный насос высокого давления с диаметром плунжера 6 7 мм) и введение устройств, позволяющих для улучшения экологических характеристик регулировать угол опережения впрыска запального дизельного топлива как по частоте вращения, так и по нагрузке.

Анализ опубликованных расчетных исследований показал, что использование подобной газотопливной аппаратуры позволяет заметно изменить соотношение расходов в сторону большего использования газового топлива. Для городского цикла эксплуатации двигателя это соотношение составляет 75% газового топлива на 25% процентов дизельного топлива, а при движении за городом соответственно 90% на 10%.

Немаловажную роль играет моторное топливо в определении экологических характеристик двигателей. Основными токсическими веществами, определяющими загрязнение атмосферы отработавшими газами дизельных двигателей, являются окись углерода СО, оксиды азота NОх и несгоревшие углеводороды CnHm, канцерогенные полициклические углеводороды, сажа. При горении газовых видов топлива образование этих компонентов характеризуется рядом особенностей, как правило, снижающих токсичность выхлопных газов. Пределы воспламенения газовоздушных смесей по сравнению с бензиновыми при оптимальной регулировке двигателя смещены в сторону обеднения, что обеспечивает не только значительное снижение выбросов СО, но и экономию топлива. Это важнейшее преимущество газодизельных автомобилей особенно актуально для крупных городов.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Продвижение газового топлива для повышения эффективности его использования в двигателях, связано с необходимостью разработки новых рабочих процессов и технологий. Учитывая опыт создания газовых и газодизельных двигателей в качестве перспективных технологий использования газа, следует рассматривать для транспортных двигателей в первую очередь газодизельный процесс с уменьшенной цикловой запальной дозой жидкого топлива.

2. Обеспечение высоких технико-экономических и экологических характеристик газодизельных двигателей требует организации нового рабочего процесса и создания топливной аппаратуры, позволяющих получить впрыск 15 20% запальной дозы с повышенными, по сравнению с традиционной топливной аппаратурой, давлением впрыска и его равномерностью как от цикла к циклу, так и по цилиндрам двигателя.

3. Учитывая большую стоимость и сложность проведения экспериментов по доводке рабочих процессов, предлагается проводить предварительные расчеты на математических моделях газовых двигателей, которые позволяют определить направление доводочных работ и значительно сократить их количество.

4. В настоящее время в России не нашли широкого применения электронные системы управления газодизельными двигателями, разработка которых находится пока в стадии опытных образцов. Не разработаны алгоритмы управления газодизельными двигателями, нет достаточно надежных электронных компонентов. Поэтому учитывая опыт эксплуатации газодизельных двигателей в РФ и ближайшем зарубежье, наиболее приемлемыми являются системы с механическим приводом от регулятора топливного насоса высокого давления (ТНВД). В данном случае обеспечивается хорошая ремонтопригодность системы и упрощается ее обслуживание.

Во второй главе представлена методика математического моделирования газодизельного рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Представлен алгоритм и программа для ЭВМ, проведена проверка адекватности модели с использованием полученных экспериментальных данных.

Математическая модель газодизельного рабочего процесса позволяет проводить численные эксперименты для сужения области натурных испытаний и исследовать режимы работы двигателя, в случае, когда получить экспериментальные данные невозможно, например, из-за ограничений по прочности конструкции.

Моделирование процессов, происходящих в цилиндре и системе надду­ва, основано на реше­нии дифференциальных уравнений методами численно­го интегрирования. В рамках этих моделей любой объем систе­мы наддува рассматривается как ресивер конечного объема и считается, что термодинамические параметры рабочего тела во всех точках рассматриваемого объема одинаковы, а в качестве рабочего тела рассматривается смесь идеальных газов. Общие приемы решения подобных задач квазистационарными методами изложены в работах А. С. Орлина, А. Э. Симсона, Н. М. Глаголева, М. С. Ховаха. Основным преимуществом этих мо­делей является простота алгоритма, позволяющая без особых трудностей использовать их для численного моделирования про­цессов на ЭВМ.

Предложенная математическая модель основана на численном решении методом Эйлера системы дифференциальных уравнений первого закона термодинамики, баланса массы и уравнения состояния в газовоздушном тракте, цилиндрах двигателя, компрессорах наддува и в воздухоохладителях.

Математическая модель реализована в программном комплексе расчета действительных процессов в цилиндрах и сис­теме наддува многоцилиндрового газодизельного двигателя.

Программный комплекс для ЭВМ представляет собой открытую систему, построенную по модульному принципу, и позволяет пристыковывать к ней дополнительные модули для расширения возможностей решения различных задач.

Исходные данные, используемые при моделировании газодизельного двигателя, учитывают:

  • особенности конструкции двигателя: схему наддува, эффек­тивные проходные сечения клапанов, число цилиндров и тактность, ход поршня и диаметр цилиндра, степень сжатия и фазы газораспределения, размеры тепловоспринимающих поверхностей;
  • граничные условия: температуры поверхностей днища поршня, крышки, тарелок впускных и выпускных клапанов, стенок впуск­ных и выпускных трубопроводов;
  • параметры, определяющие режим работы: угол опережения впрыскивания топлива, частоту вращения коленчатого вала, ко­эффициент избытка воздуха, цикловую подачу топлива;
  • теплофизические свойства рабочих тел: параметры окружаю­щей среды, состав и низшую теплоту сгорания топлива, зависи­мость теплоемкости рабочей смеси газов от температуры;
  • параметры, определяющие условия расчета: шаг интегрирова­ния, угол расположения кривошипа, соответствующий началу расчета, число расчетных циклов, условия окончания расчета.

Оценка достоверности разработанной математической моде­ли проводилась с использованием экспериментальных данных, полученных как на отечественных, так и на зарубежных двига­телях: дизелях ЧН15/16, ЧН12/12, ЧН21/21, ЧН26/26, ЧН10.5/12, газодизельных двигателях ЧН13/14, ЧН11/12.5, газовом двигателе с форкамерно-факельным зажиганием ЧН16,5/18,5. Расчетные и экспериментальные параметры двигателей приведены в таблице 1. Из которой видно хорошее совпадение экспериментальных и расчетных параметров (максимальная погрешность составила 3,5%).

Таким образом, разработанная математическая модель позволяет с достаточной степенью достоверности проводить расчетные исследования по разработке и доводке тепловых поршневых двигателей, анализу эффективности отдель­ных процессов и силовой установки в целом, осуществлять оптимизацию параметров рабочего процесса в цилиндре и смежных системах при использовании традиционных жидких топлив: бензина и дизельного топлива, а также газовых топлив.

Таблица 1

Основные расчетные и экспериментальные параметры двигателей



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.