Результаты моделирования рабочего процесса поршневого двигателя 8Ч 9,2/8,0 при его работе на бензине и метане. Математическое моделирование рабочего процесса выполнялось в программном комплексе Дизель-РК. Проведен анализ влияния величины коэффициента избытка воздуха на основные показатели двигателя: мощность, удельный расход топлива, выбросы токсичных веществ, максимальные температуру и давление цикла и др. Показано, что перевод поршневого двигателя на метан с последующей настройкой рабочего процесса позволяет снизить удельный эффективный расход топлива (до 10%) и улучшить экологические показатели (до 2 раз) на номинальном режиме работы.
Введение
На сегодняшний день проблемы снижения потребления природных ресурсов и улучшения экологических показателей окружающей среды становятся все более острыми. Автомобильный парк страны стремительно растет. Поэтому основные требования к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) – это улучшение их экономичности и экологичности [1, 2]. В связи с этим в последнее время инженеры и ученые стали уделять особое внимание двигателям, работающих на газообразном топливе. Одним из таких видов топлива является метан. Метановое топливо имеет более высокое октановое число (110-125) и удельную теплоту сгорания, чем нефтяное топливо или сжиженные углеводородные газы и не меняет физико-химические свойства при низких температурах. Метан также имеет меньшую пожароопасность, чем бензин. При этом он является более экологичным видом топлива и удовлетворяет многим современным экологическим стандартам.
Несмотря описанные выше преимущества, существует несколько проблем, характерных для двигателей, работающих на метане [3, 4]. Среди них выделяют следующие: 1) потери мощности двигателя; 2) прогорание выпускных клапанов двигателя вследствие увеличения средней температуры цикла. Для решения этих проблем необходимо производить настройку рабочего процесса газопоршневого двигателя с целью сохранения его технико-экономических показателей [5, 6].
В данной статье приводятся результаты настройки рабочего процесса бензинового двигателя 8Ч 9,2/8,0 путем изменения коэффициента избытка воздуха после его перевода на газовое топливо (метан) с целью улучшения его эффективности.
Постановка задачи исследования
Математическое моделирование проводилось на основе программного комплекса Дизель-РК, разработанного в МГТУ имени Н.Э. Баумана. В качестве базового ДВС выбран бензиновый двигатель ЗМЗ-523 (стандартное обозначение 8Ч 9,2/8,0). Это V-образный 8-цилиндровый двигатель с диаметром цилиндра 92 мм и ходом поршня – 80 мм. Номинальная мощность Ne составляет 88,3 кВт при частоте вращения коленчатого вала n = 3200 мин-1.
Основной задачей было исследовать влияние коэффициента избытка воздуха на основные показатели двигателя после его перевода на метане (обозначение топлива в Дизель-РК – 95% Methane). Исходное бензиновое топливо (обозначение в Дизель-РК – Petrol (regular)) имело следующий химический состав (в процентных долях): С = 0,855, Н = 0,145, О = 0. Низшая теплота сгорания составляла 44 МДж/кг, плотность топлива – 720 кг/м3. Газообразное топливо (95% Methane) на 95% состояло из метана (СН4) и на 5% из этанола (С2Н6) и имело следующий химический состав: С = 0,7533, Н = 0,2468, О = 0. Низшая теплота сгорания составляла 49,74 МДж/кг, плотность топлива – 0,7483 кг/м3.
Для проведения исследований была разработана математическая модель базового бензинового ДВС в программе Дизель-РК, основные параметры которой были верифицированы по данным руководства по эксплуатации на рассматриваемый двигатель. Отличия между эксплуатационными данными и результатами моделирования по большинству параметров не превышали 5-7%. После чего была произведена замена топлива с бензина на метан. Моделирование выполнялось для частот вращения коленчатого вала от 600 до 3200 мин-1. Коэффициент избытка воздуха α для газообразного топлива менялся в пределах 0,9-1,2. Для бензинового топлива коэффициент α оставался постоянным и был равен единице.
Результаты физико-математического моделирования
Расчетные зависимости технико-экономических показателей двигателей, работающих на двух видах топлива бензин (Petrol (regular)) и метан (95% Methane) при различных показателях коэффициента избытка воздуха представлены на рис. 1.
Рис. 1. Зависимости мощности Nе и удельного расхода топлива ge двигателя от частоты вращения коленвала n при разных коэффициентах избытка воздуха α: 1 – α = 0,9 (метан); 2 – α = 1 (метан); 3 – α = 1,2 (метан); 4 – α = 1 (бензин)
Из рис. 1 видно, что после перевода бензинового двигателя на газообразное топливо (метан) при сохранении коэффициента избытка воздуха (α = 1) номинальная мощность двигателя снизилась примерно на 7,5%, при этом удельный расход топлива также уменьшился на 10,2%. Однако, при работе двигателя на метане при α = 0,9 наблюдался уже прирост мощности на 1,5% на номинальном режиме при одновременном уменьшился расход топлива на 8,5% по сравнению с базовым бензиновым ДВС. При работе двигателя на метане на бедной смеси (α = 1,2) мощность падала уже на 19,4% при уменьшении ge на 14%. Следует отметить, что средний удельный расход топлива двигателем, работающем на метане, показал наилучшую экономичность по сравнению с бензиновым ДВС при всех значения α и во всем исследуемом диапазоне режимов работы.
Экологические показатели двигателей, работающих на газообразном и бензиновом топливах, при различных показателях коэффициента избытка воздуха представлены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость эмиссии NOх приведенной к NO в отработавших газах ДВС от частоты вращения коленвала n при разных коэффициентах избытка воздуха α: 1 – α = 0,9 (метан); 2 – α = 1 (метан); 3 – α = 1,2 (метан); 4 – α = 1 (бензин)
Из рис. 2 видно, что экологические показатели двигателя, работающего на метановом топливе, значительно лучше по сравнению с бензиновым двигателем, что характерно для всех исследуемых значений коэффициента избытка воздуха α и режимов работы. Так, после перевода бензинового двигателя на метан (при сохранении α = 1) наблюдалось улучшение экологических показателей на 78,4% на номинальном режиме. Это связано с рядом причин: 1) при использовании газообразных топливо имеет место более полное сгорание за счет более однородного перемешивания воздуха и топлива; 2) снижением средней температуры цикла вследствие падения мощности (см. выше); 3) лучшими экологическими свойствами газообразных топлив по сравнению с бензинами.
Для того, чтобы оценить механические и температурные нагрузки, возникающие в двигателе после его перевода на газообразное топливо, были получены данные о максимальных давлении и температуре цикла (рис. 3), а также о средних за цикл температурах отработавших газов и температуре огневого днища поршня (рис. 4).
Рис. 3. Зависимости максимальной температуры цикла Tz и максимального давления цикла рz от частоты вращения коленвала n при разных α: 1 – α = 0,9 (метан); 2 – α = 1 (метан); 3 – α = 1,2 (метан); 4 – α = 1 (бензин)
Рис. 4. Зависимости температуры отработавших газов Tог и температуры огневого днища поршня Тп от частоты вращения коленвала n при разных α: 1 – α = 0,9 (метан); 2 – α = 1 (метан); 3 – α = 1,2 (метан); 4 – α = 1 (бензин)
Из рис. 3 видно, смена топлива с бензина на метан (при α = 1) приводит к небольшому уменьшению максимальной температуры цикла (около 1%). Увеличение α до 1,2 вызывает более существенное снижение Tz вплоть до 5% по сравнению с базовым двигателем. При этом, при использовании богатого, метанового топлива (α = 0,9) максимальная температура цикла выше, чем у бензинового топлива примерно на 2,5% на номинальном режиме работы двигателя.
Следует отметить, что наибольший показатель максимального давления цикла является у двигателя, работающего на бензиновом топливе, что характерно для всех исследуемых α и n (рис. 3). Например, даже при использовании метанового топлива с α = 0,9 максимальное давление цикла ниже на 4,6% по сравнению с базовым ДВС.
Из рис. 4 видно, что перевод бензинового двигателя на метан (при α = 1) приводит к снижению температуры отработавших газов ниже на 11%, а температура огневого днища поршня уменьшается на 1,6%.
Снижение коэффициента избытка воздуха α до 0,9 в двигателе, работающем на метане, вызывает увеличение температуры отработавших газов на 2%, а температура огневого днища поршня ростет примерно на 1,5% по сравнению с базовым ДВС.
Заключение
На основании проведенного исследования можно сделать следующие основные выводы:
– разработаны математические модели поршневых двигателей, работающих на бензине и метане;
– перевод двигателя 8Ч 9,2/8,0 на газообразное топливо приводит к существенному (почти в 2 раза) снижению количества эмиссии NOх в отработавших газах;
– путем уменьшения коэффициента избытка воздуха до 0,9-0,95 можно повысить мощность двигателя, работающего на метане, до уровня базового, бензинового ДВС;
– перевод бензинового двигателя на газообразное топливо (метан) не вызывает увеличения тепловых и механических нагрузок на основные детали ДВС.
Таким образом, перевод бензинового двигателя 8Ч 9,2/8,0 на метан улучшает его экологические и экономические показатели, а путем изменения состава топливно-воздушной смеси (коэффициента α) можно значительно повышать эффективность рассматриваемого ДВС.
Авторы:
Осипов Леонид Евгеньевич, магистр каф. «Турбины и двигатели», УрФУ, Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.
Плотников Леонид Валерьевич, канд. техн. наук, доцент каф. «Турбины и двигатели», УрФУ
Козубский Андрей Михайлович, канд. техн. наук, главный конструктор по гидравлическим экскаваторам, ПАО «Уралмашзавод»; инженер кафедры «Подъемно-транспортные машины и роботы», УрФУ
Максименко Александр Григорьевич, директор, ООО «Элитгаз», Россия, 620137, г. Екатеринбург, ул. Шефская, 3а.
Библиография:
1. Дашков В.Н. Возобновляемые источники энергии в ресурсосберегающих технологиях АПК: монография. Барановичи: РУПП «Баранов, укрупн. Тип». 2003. 184 с.
2. Генкин К.И. Газовые двигатели. Москва: Машиностроение. 1977. 196 с.
3. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Марков А.В., Суслов В.А. Результаты стендовых испытаний газопоршневой мини-тэц на базе двигателя ЯМЗ-240 // Теплоэнергетика. 2008. № 11. С. 64-66.
4. Залманов Л.Р., Крышина Т.М. Перевод дизельных электростанций на газ // Энергетик. 2014. № 1. С. 45-48.
5. Скоробогатый К.В. Перевод дизельных двигателей на газовое топливо для работы в условиях Сибири // Автотранспортное предприятие. 2012. № 8. С. 24-26.
6. Плотников Л.В., Козубский А.М., Максименко А.Г., Осипов Л.Е. Оценка топливной экономичности поршневых двигателей после их перевода на газомоторное топливо // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2019. № 2. С. 70-73.
Оригинал статьи: Влияние коэффициента избытка воздуха на основные показатели поршневого двигателя (размерности 9,2/8,0) после его перевода на газообразное топливо (394 Кб, PDF)
Источник: Материалы конференции молодых ученых – 2019 УралЭНИН, ФГАОУ ВО «УрФУ»
