Пути улучшения рабочего процесса среднеоборотных

Рабочие процессы в ДВС
УДК 621. 431. 74
Горбань А.И., канд. техн. наук, Литвин С.Н., канд. техн. наук,
Кинжалов О.С., канд. техн. наук, Грабовенко А.И, инж.
ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ
НА ГАЗЕ
Постановка проблемы
во с требованием сохранения номинальной мощно-
Общеизвестно, что использование в двигателях
сти обычно ставится задача добиться параметров
внутреннего сгорания газообразного топлива позво-
рабочего процесса (в первую очередь максимальных
ляет снизить затраты на топливо в несколько раз
давлений сгорания и температур газов в цилиндрах)
почти пропорционально соотношению цен на ис-
близких к параметрам
пользуемый топливный газ и дизельное топливо.
обеспечило бы надежную работу деталей цилиндро-
Поэтому понятно стремление владельцев ста-
дизельного двигателя, что
поршневой группы и турбокомпрессора.
ционарных энергетических установок с дизельными
Такая постановка задачи требует комплексного
двигателями внутреннего сгорания конвертировать
решения вопросов организации рабочего процесса.
их на газообразное топливо, чаще всего на природ-
Однако на практике часто предпринимаются попыт-
ный газ, подвод которого к двигателю не представ-
ки выполнить эту задачу решением частных вопро-
ляет собой технических трудностей и, как правило,
сов.
зависит от расстояния до близлежащего газопровода.
Однако при конвертировании приходится стал-
Цель статьи
киваться с целым рядом проблем в реализации рабо-
Выполнить анализ конкретных работ из прак-
чего процесса, обеспечивающего получение таких же
тики двигателестроения, связанных с переводом ди-
параметров, как и при работе на жидком топливе.
зельных двигателей для работы на газообразном то-
Главные из проблем – высокие температуры на вы-
пливе. Дать предложения по улучшению рабочего
пуске газов из цилиндров и перед турбиной, что зна-
процесса среднеоборотных двигателей, работающих
чительно снижает моторесурс двигателя, и неустой-
на газе.
чивость рабочего процесса от цикла к циклу, что связано со сложностью дозирования газообразного топ-
Результаты исследований
Для примера рассмотрим результаты испыта-
лива.
При конвертировании обычно используют два
ний при конвертировании на газовое топливо ди-
варианта организации рабочего цикла. По первому
зельных двигателей типа ЧН 25/34, проведенных на
газообразное топливо воспламеняется от запальной
предприятии АООТ «Первомайскдизельмаш».
порции дизельного топлива, подаваемого в цилиндр
В качестве базового варианта для сравнения и
(газодизельный цикл). По второму газообразное то-
анализа приняты параметры рабочего процесса но-
пливо воспламеняется от искры свечи зажигания
минального режима работы дизеля 6ЧН25/34 (смот-
(газовый цикл).
ри колонку 1, табл.1).
Топливный газ, как в первом, так и во втором
Для всех рассматриваемых вариантов работы
случаях подается либо на вход турбокомпрессора,
двигателя на природном газе коэффициент избытка
либо во всасывающие патрубки крышек цилиндров.
воздуха поддерживался на уровне 1,6 - 1,8. [3]с. 227.
При переводе двигателя на газообразное топлиДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2006
57
Рабочие процессы в ДВС
Таблица 1. Параметры двигателя 6ЧН 25/34 при работе на дизельном и газообразном топливах
№
Наименование
Дизельный
Газодизель
п/п
параметра
двигатель
Номер колонки
1
2
3
1
Нагрузка на генератор, кВт
500
500
500
2
Частота вращения коленчатого вала,
мин-1
500
500
500
2
9,9
8,6
9
390
460
440
4
5
6
Максимальное давление сгорания,
МПа
Средняя температура газов по цилиндрам, 0С
Температура газов перед ТК, 0С
Температура газов после ТК, 0С
Степень сжатия
485
370
12,5
560
460
12,5
540
430
12,5
7
Способ воспламенения
Само
воспламенение
8
Способ подачи газа
Запальная
порция дизельного топлива
На вход ТК
Запальная
порция
дизельного
топлива
Через газовпускной клапан во
всасывающий
коллектор
3
Продолжение табл. 1
№
п/п
Газовый двигатель
Номер колонки
Наименование
параметра
4
6
7
1
Нагрузка на генератор, кВт
500
(417)
480
(400)
400
(333,3)
400
(333,3)
2
Частота вращения коленчатого вала, мин-1
600
600
600
600
2
Максимальное давление
сгорания, МПа
Средняя температура газов
по цилиндрам, 0С
7,4
7,7
6,3
6,8
547
500
538
523
3
58
5
4
Температура газов перед
ТК, 0С
600
560
585
570
5
550
500
530
520
6
Температура газов после
ТК, 0С
Степень сжатия
10,5
10,5
10,5
10,5
7
Способ воспламенения
Одна центральная
свеча
Одна центральная
свеча
Одна центральная
свеча
Две свечи:
центральная
и боковая
8
Способ подачи газа
Через газовпу- На вход ТК
скной клапан
во всасывающий коллектор
На вход ТК
На вход ТК
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2006
Рабочие процессы в ДВС
В колонке 2 приведены результаты испытаний
двигателя по газодизельному циклу с подачей газа на
вход турбокомпрессора.
20-30 0С, то есть процесс сгорания улучшился благодаря увеличению скорости потока на впуске.
В следующих вариантах испытывался газовый
В двигателе сохранены поршни с камерой Гес-
двигатель с воспламенением горючей смеси от ис-
сельман и степень сжатия 12,5. Газ подавался на
кры свечи зажигания. В данном двигателе поршни с
вход турбокомпрессора, где смешивался с воздухом
камерой Гессельман были заменены на поршни со
и поступал по впускному коллектору в цилиндры.
сковородообразной формой днища. Свеча зажигания
Давление газа на входе в турбокомпрессор равнялось
устанавливалась в центре крышки рабочего цилинд-
атмосферному, а его расход определялся разрежени-
ра. Для повышения мощности искрового разряда
ем на входе компрессора турбокомпрессора.
использовалась электронная система зажигания. При
Запальная доза дизельного топлива составила
степени сжатия 12,5 на ряде режимов проявилась
12,8 г/(кВт·ч) или 6 % от удельного расхода дизель-
детонация, во избежание которой степень сжатия
ного двигателя. Часовой расход природного газа на
была снижена до 10,5. Так как при снижении степе-
3
номинальном режиме составил 148 нм /ч.
ни сжатия нельзя было добиться требуемой мощно-
При таком варианте, несмотря на качественное
сти форсировкой рабочего процесса, частота враще-
смесеобразование, снизилось максимальное давле-
ния коленчатого вала была повышена до 600 мин-1.
ние сгорания до 8,6 МПа, а температуры по цилинд-
Результаты испытаний приведены в колонке 4. В
0
рам, перед ТК и после него выросли на 70 - 90 С,
строке 1 в скобках указана мощность, приведенная к
что свидетельствует о снижении скорости сгорания
частоте вращения 500 мин-1.
топлива и переносе процесса сгорания на линию
При воспламенении искрой свечи зажигания из-
расширения. Если учесть, что в газодизеле в процесс
за снижения степени сжатия и увеличения частоты
сгорания вступает почти 100% цикловой подачи газа,
вращения коленчатого вала, уменьшающей продол-
охваченной факелами дизельного топлива, а в ди-
жительность времени на процесс сгорания, макси-
зельном только 35-40% (лишь топливо, поданное за
мальное давление сгорания на номинальном режиме
период задержки самовоспламенения, практически
уменьшилось до 7,4 МПа. При этом значительно вы-
определяющее максимальное давление сгорания), то
росли температуры газов на выпуске по цилиндрам и
снижение скорости сгорания в газодизеле является
достигли 547 0С, свидетельствуя, что процесс сгора-
существенным.
ния еще больше замедляется по отношению к газо-
В следующем варианте (колонка 3) подача газа
дизельному циклу. Это связано как со способом вос-
была перенесена во впускной канал цилиндровой
пламенения смеси (искровым зажиганием), так и с
крышки. Газ подавался через специальный управ-
сокращением времени цикла.
ляемый клапан. Избыточное давление газа перед
В следующем варианте (колонка 5) подача газа
газоподающим клапаном поддерживалось на уровне
была перенесена во впускной канал цилиндровой
0,16 МПа, что позволило получить относительно
крышки через управляемый газоподающий клапан.
высокие скорости впуска газа в цилиндры двигателя.
Избыточное давление газа перед
Запальная доза дизельного топлива не изменялась.
клапаном поддерживалось на уровне 0,175 МПа, что
газоподающим
В данном варианте максимальное давление сго-
позволило увеличить скорость газа во впускном ка-
рания повысилось до 9 МПа, а температуры отрабо-
нале двигателя. Как следует, из приведенных данных
тавших газов на выходе из цилиндров снизились на
параметры работы двигателя по сравнению с вариан-
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2006
59
Рабочие процессы в ДВС
том 4 улучшились: максимальное давление сгорания
400-450 0С, подвергаются также росту объема, яв-
повысилось до 7,7 МПа, а температуры газа снизи-
ляющегося следствием процессов разрыхления чугу-
0
лись на 47 С.
на из-за его окисления, выделения графита и газов из
Для оценки влияния количества очагов воспла-
твёрдого раствора. Повышение температуры нагрева
менения на процесс сгорания были проведены экс-
и особенно многократное прохождение критического
перименты с одной и двумя свечами зажигания сме-
интервала температур резко увеличивает «рост» чу-
си. Одна свеча устанавливалась в центре крышки
гуна. Эти явления усиливаются отклонениями в ка-
цилиндра, другая (по техническим возможностям) -
честве изготовления: неплотность материала, значи-
на периферии крышки. При этом электрод свечи на-
тельные графитовые включения, скопление газов в
ходился от донышка поршня (при положении его в
металле и так далее [1] с. 196.
ВМТ) на расстоянии 25 мм.
В колонках 6 и 7 приведены результаты испытаний. При двух свечах зажигания не удалось достичь номинальной мощности из-за появившейся детонации при нагрузке 430 кВт. Поэтому все данные
приведены на нагрузках, при которых детонация отсутствует. Причиной детонации явился перегрев
поршня в зоне расположения второй свечи.
Таким образом, процесс сгорания улучшается
при увеличении количества источников воспламенения. При установке двух свечей зажигания максимальное давление сгорания увеличилось до 6,8 МПа
Рис.1. Изменение механических свойств серого легированного чугуна в зависимости от температуры
(вместо 6,3 МПа при одной свече) и на 150С снизилась температура газов по цилиндрам.
Например, температура чугунных поршней ди-
Анализируя результаты испытаний (варианты 1
зелей ЧН25/34 с цилиндровой мощностью 90 кВт
– 7), можно констатировать, что при переходе на
(колонка 1 в табл.1) при струйном охлаждении
газодизельный цикл температура газов по цилиндрам
поршней маслом уже имеют температуру около
увеличилась по сравнению с дизельным циклом на
400 0С.
50-70 0С, при переходе на газовый цикл – на 110-
При создании на их базе газодизельных и чисто
1570С. Это обстоятельство естественно повлияло на
газовых двигателей при указанном выше увеличении
такие показатели надежности двигателя как безот-
температур по цилиндрам воздействие высоких тем-
казность и долговечность, так как чугунные детали,
ператур и окислительной атмосферы приводит к по-
образующие камеру сгорания двигателя, теряют ра-
явлению поверхностных трещин и последующему
ботоспособность при таком увеличении температур.
разрушению поршней. Аварии газовых двигателей
Об этом свидетельствует резкое падение меха-
6ГЧН25/34 с разрушением поршней и втулок цилин-
нических свойств серых легированных чугунов в
дров в эксплуатации у потребителей являются тому
интервале температур 400 - 5000С, показанное на
подтверждением.
рисунке. Чугунные детали, образующие камеру сго-
Таким образом, при конвертировании дизелей
рания и работающие в условиях температур выше
на газ проблемы перевода возникают из-за несовер-
60
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2006
Рабочие процессы в ДВС
шенства процессов смесеобразования, воспламене-
счет применения поршней с вытесняющим эффектом
ния и сгорания топлива.
(камера Гессельман, камера в поршне ЦНИДИ и др.).
Известно, что качество процесса смесеобразо-
С точки зрения создания вихревых течений камеры
вания и скорость сгорания в цилиндре двигателя за-
сгорания со сковородообразной формой донышка
висят от суммарной кинетической энергии состав-
являются неприемлемыми;
ляющих - воздуха и топлива, то есть, от турбулент-
-
использование для воспламенения газовой
ности смеси. Турбулентность в цилиндре может соз-
смеси
впрыска жидкого топлива (газодизельный
даваться как естественным путем, так и искусствен-
цикл), поскольку топливные факелы обеспечивают
но. Естественный путь – турбулизация, вызываемая
не только объемное воспламенение смеси, но и тур-
мгновенным фазовым переходом капельного топлива
булизуют смесь, увеличивая скорость сгорания и
в газообразное, что характерно для бензиновых дви-
уменьшая возможность детонации.
гателей, и искусственный путь – применение раз-
При искровом зажигании происходит локаль-
личного рода завихрителей, предкамер, вихревых
ное воспламенение смеси с распространением удар-
камер, повышение энергии впрыска топлива форсун-
ной волны и волны распространения пламени, что
ками, где присутствует турбулизация, как от впры-
увеличивает время сгорания и в ряде случаев приво-
ска, так и от фазового перехода и др. В дизельных
дит к детонации.
двигателях, конвертируемых на газ, турбулизация
При реализации газодизельного цикла в кон-
смеси резко уменьшается (нет впрыска, нет фазовых
вертируемых двигателях стремятся запальную дозу
переходов), что приводит к замедлению скорости
топлива довести до 3 – 6 % от цикловой подачи но-
сгорания топлива, т.е. переносу процесса сгорания на
минального режима. Целесообразность данного ре-
линию расширения.
шения является спорной. Запальную дозу необходимо не минимизировать, а оптимизировать, создавая
Выводы и рекомендации
Из вышеизложенного можно сделать опреде-
наилучшие условия для сгорания топлива – вихревые
течения и объемное воспламенение.
ленные выводы, в частности, о том, что при конвер-
Для уменьшения объема конструктивных пере-
тировании дизельных двигателей на газ целесооб-
делок двигателя и, учитывая необходимость перево-
разным является:
да двигателя с газодизельного цикла в дизельный и
- реализация газодизельного цикла с подачей
обратно, топливную аппаратуру иногда оставляют
газа во всасывающий патрубок крышки цилиндра
без изменений. В некоторых случаях незначительно
непосредственно над впускной клапан;
уменьшают диаметры сопловых отверстий форсунок,
- конструктивное обеспечение вихревой за-
но при этом уменьшается и дальнобойность топлив-
крутки, как газа, так и воздуха для обеспечения тур-
ного факела, поэтому сохранить параметры номи-
булизации смеси в момент ее воспламенения с целью
нального режима в дизельном варианте будет невоз-
повышения энергии смесеобразования. Практически
можно. Сама мысль впрыснуть запальную порцию
это осуществимо
применением вихрекамерного и
дизельного топлива в 3 – 6 % от номинальной цикло-
предкамерного способов смесеобразования, различ-
вой подачи штатной топливной аппаратурой являет-
ных завихрителей во впускных каналах и на клапа-
ся абсурдной, поскольку характеристики плунжер-
нах, повышением скоростей газа и воздуха на впус-
ных пар при такой подаче только по технологиче-
ке, обеспечением вихревых течений в цилиндре за
ским возможностям изготовления будут отличаться
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2006
61
Рабочие процессы в ДВС
между собой настолько, что не будет обеспечена
пальной порции дизельного топлива менее 5…7 %.
нормальная работа двигателя по газодизельному
Для этого требуется замена штатной топливной ап-
циклу (пропуски вспышек, неравномерная нагрузка
паратуры на другую, обеспечивающую малые цик-
по цилиндрам вплоть до перегрузки отдельных ци-
ловые подачи, качественное распыливание топлива,
линдров и появления детонации), либо потребуется
дальнобойность факела, соответствующую парамет-
сложная селективная подборка плунжерных пар
рам камеры сгорания.
ТНВД. Расходные характеристики распылителей
Целесообразно для подачи запальной порции
форсунок, рассчитанные на номинальную цикловую
дизельного топлива применить завоевавшую в по-
подачу топлива для дизельного варианта, также не
следние годы всеобщее признание и широко распро-
обеспечат оптимальные параметры впрыска топлива
страненную на автомобильных дизельных двигате-
при такой малой порции, и получить качественный
лях аккумуляторною систему впрыска с электрон-
распыл и дальнобойность факела при этом будет не-
ным
возможно.
цикловой подачи топлива обеспечивать давления
Поэтому для реализации рационального газоди-
управлением, позволяющую независимо от
впрыска до 160 МПа.
зельного цикла и обеспечения устойчивой работы
двигателя в зависимости от требований, предъявляе-
Список литературы:
мых к работе газодизеля по дизельному циклу, воз-
1. Андриевский Н.А., Баранов С.М. и др. Под общей
можны два пути:
редакцией Ваншейдта В.А. Дизели. Справочное по-
1. При требовании обеспечения бесперебойной
собие конструктора. - М - Л.: ГНТИМЛ, 1957. – 442
работы двигателя и работы по дизельному циклу на
с. 2. Генкин К.И. Газовые двигатели. - М.: Машино-
номинальной нагрузке необходимо обеспечение за-
строение, 1977. 3. Ефимов С.И., Иващенко Н.А. и др.
пальной порции на уровне устойчивой цикловой по-
Под общей редакцией Орлина А.С., Круглова М.Г.
дачи, что для существующих конструкций ТНВД
Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршне-
составляет 15…20 % от номинальной цикловой по-
вых и комбинированных двигателей. - М.: Машино-
дачи. [3] с. 229
строение, 1985. – 455 с.
2. При требовании обеспечения выработки дешевой энергии и отсутствии необходимости работы
по дизельному циклу необходимо обеспечение за-
62
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2006