Результаты сравнительного анализа температурных напряжений основных деталей и узлов для поршневых двигателей, работающих на разных видах топлива (бензин и метан). Исследования проводились на основе физико-математического моделирования в программном комплексе Дизель-РК. В статье описаны основные характеристики исследуемых двигателей и параметры моделирования. Показано, что перевод бензинового двигателя на метан не вызывает увеличения тепловых напряжений в основных деталях и узлах. Установлено, что повышение степени сжатия газопоршневого двигателя с 7,6 до 15 приводит к увеличению тепловой и механической напряженности основных деталей поршневой группы и коленчатого вала на 30-55%.
Введение
На сегодняшний день применение газомоторного топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) становится все актуальнее ввиду ряда преимуществ двигателей, работающих на газе. Основные положительные эффекты газопоршневых двигателей перед традиционными (бензиновыми или дизельными) заключаются в их лучшей экологичности и экономичности [1-3]. Большинство специалистов основное внимание уделяют исследованию рабочих процессов газопоршневых двигателей, совершенствованию процессов сгорания, настройке систем управления, улучшению их экологичности и т.д.
[4-6]. Однако, довольно мало публикаций посвящено оценке температурных и механических нагрузок ДВС при их работе на газомоторном топливе [7, 8]. При этом, можно предположить, что теплонапряженность газопоршневого двигателя будет существенно отличаться от традиционных ДВС ввиду того, что газомоторное топливо имеет другие физико-химические свойства (в частности, более высокую теплоту сгорания) по сравнению с бензинами.
Основная цель данной статьи состоит в сравнительном анализе температурных напряжений основных деталей и узлов поршневого ДВС (бензин) после его перевода на газомоторное топливо (метан) на основе физико-математического моделирования рабочих процессов.
Постановка задачи исследования
Исследования проводились с помощью программного комплекса Дизель-РК (НИУ МГТУ имени Н.Э. Баумана). Выполнялось физико-математическое моделирование рабочего цикла двигателя 8Ч 9,2/8,8, работающего на разных видах топлива (бензине и метане). Исследуемый ДВС – это 8-ицилиндровый, V-образный, 4-хтактный, карбюраторный, двигатель без наддува со следующими основными характеристиками:
– номинальная мощность Ne – 91,2 кВт при 3200-3400 мин-1;
– максимальный крутящий момент Me – 298 Н•м при 1600-2000 мин-1.
Сначала была проведена настройка математической модели базового двигателя, работающего на бензине, по следующим параметрам: фазы газораспределения, конфигурация газовоздушной системы, процесс сгорания, конструктивные особенности цилиндропоршневой группы и т.д. В результате были сопоставлены скоростные характеристики (по мощности, крутящему моменту и расходу топлива) двигателя-прототипа (данные из руководства по эксплуатации) и базового двигателя (данные Дизель-РК), отличия в которых не превышали 5-7%.
Далее в математической модели осуществлялась замена бензина на метан. Химический состав (в процентных долях) бензина был следующим:
С = 0,855, Н = 0,145 при низшей теплоте сгорания Hu равной 44 МДж/кг. Химический состав метана: СН4 = 0,95, С2Н6 = 0,05 и Hu = 49,74 МДж/кг.
Исследования проводились в диапазоне частот коленчатого вала n от 1000 до 3400 мин-1 при стандартных атмосферных условиях. Ключевыми параметрами, на основании которых производился анализ теплонапряженного состояния двигателей являлись средняя температура отработавших газов Тог, средняя температура стенки выпускного коллектора Твып.к, максимальные давление рz и температура Тz, средняя температура огневого днища поршня Тп и средняя температура огневой поверхности головки блока Тг.
Таким образом, сравнительный анализ теплонапряженности осуществлялся для трех двигателей: 1) базовый ДВС (бензин, степень сжатия ε = 7,6); 2) поршневой ДВС, переведенный на газомоторное топливо (метан, ε = 7,6);
3) газопоршневой ДВС (метан, ε = 15).
Газопоршневой двигатель, работающий на метане со степенью сжатия 15, был выбран для сравнения на основе предыдущих исследований [6]. Этот двигатель показал наилучшие результаты по технико-экономическим показателям. Поэтому было целесообразно дополнительно оценить его теплонапряженность.
Результаты физико-математического моделирования
На рис. 1 представлены зависимости средних температур отработавших газов и стенки выпускного коллектора для трех рассматриваемых двигателей.
Рис. 1. Зависимости средней температуры отработавших газов Тог (а) и средней температуры стенки выпускного коллектора Твып.к (б) от частоты вращения коленчатого вала n для разных двигателей: 1 – бензиновый ДВС (ε = 7,6); 2 – газовый ДВС (ε = 7,6); 3 – газовый ДВС (ε = 15)
Из рис. 1 видно, что после перевода бензинового двигателя на газомоторное топливо температуры отработавших газов и стенки выпускного коллектора фактически не изменяются (отличия в температурах не превышают 1%, что сопоставимо с погрешность математической модели). При этом, следует отметить, что повышение степени сжатия газопоршневого двигателя с 7,6 до 15 приводит к существенному снижению температуры отработавших газов и стенки выпускного коллектора, которое может достигать 21% по сравнению с базовым двигателем (бензин).
На рис. 2 показаны зависимости максимальных давлений и температуры циклов для трех исследуемых двигателей.
Рис. 2. Зависимости максимальных давления рz (а) и температуры Тz (б) цикла от частоты вращения коленвала n для разных двигателей: 1 – бензиновый ДВС (ε = 7,6); 2 – газовый ДВС
(ε = 7,6); 3 – газовый ДВС (ε = 15)
Из рис. 2 видно, что после перевода бензинового двигателя на метан происходит снижение максимального давления цикла в диапазоне 6-8%. При этом наблюдается незначительное увеличение максимальной температуры цикла двигателя, переведенного на метан (в пределах 1-2%). Некоторое снижение максимального давления цикла рz у ДВС, работающего на метане, может быть связано с тем, что после перевода двигателя на газ наблюдалось некоторое снижение номинальной мощности (до 12%) [6]. Существенный рост давления рz происходит при увеличении степени сжатия до 15 у газопоршневого двигателя (до 80%, т.е. почти в два раза). Предварительные расчеты по методике [9], показывают, что увеличение давления рz приводит к пропорциональному росту касательных напряжений в верхней перемычке поршня и увеличению примерно на 55% эквивалентных напряжений в поршне. Более того, можно предположить, что повышенные напряжения будут на всех деталях поршневой группы и коленчатом валу. Таким образом, можно предположить, что увеличение степени сжатия в газовом двигателе, хоть и вызывает улучшение его технико-экономических показателей, однако, может вызвать недопустимое снижение коэффициента запаса прочности поршня и других деталей. Соответственно, это может привести к более быстрому выходу двигателя из строя.
На рис. 3 представлены зависимости температур огневого днища поршня и огневой поверхности головки блока для трех рассматриваемых двигателей.
Рис. 3. Зависимости средней температуры огневого днища поршня Тп (а) и средней температуры огневой поверхности головки блока Тг (б) от частоты вращения коленвала n для разных ДВС: 1 – бензиновый ДВС (ε = 7,6); 2 – газовый ДВС (ε = 7,6); 3 – газовый ДВС (ε = 15)
Из рис. 3 видно, что перевод бензинового двигателя на метан приводит к незначительному снижению температур поршня и головки блока (в пределах 1-2%). При этом, увеличение степени сжатия газопоршневого двигателя до 15 приводит к незначительному увеличению температур поверхностей поршня и головки блока на величину до 6% по сравнению с базовым ДВС.
Заключение
На основании проведенного исследования можно сделать следующие основные выводы:
– в программе Дизель-РК разработаны математические модели поршневых двигателей, работающих на разных видах топлива (бензин и метан), а также проведена их настройка;
– показано, что перевод бензинового двигателя на газомоторное топливо (метан) не вызывает увеличения тепловых напряжений в основных деталях и узлах ДВС, а наоборот, в большинстве случаев происходит некоторое снижение температур (в диапазоне 1-2%);
– установлено, что повышение степени сжатия газопоршневого двигателя с 7,6 до 15 приводит к снижению удельного расхода топлива вплоть до 30% [6] при значительном увеличении тепловой и механической напряженности основных деталей поршневой группы и коленчатого вала (на 30-55%), вызванной ростом максимального давления цикла до 80% (по сравнению с базовым двигателем).
Таким образом, перевод бензинового двигателя на газомоторное топливо (метан) не вызывает роста теплонапряженности его основных деталей и узлов. При этом, улучшение технико-экономических показателей газопоршневых двигателей за счет увеличения степени сжатия требует внимательной оценки прочности основных деталей 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
Библиография:
1. Кавтарадзе Р.З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород. Монография. Москва: Изд-во МГТУ имени Н.Э. Баумана. 2011. 240 с.
2. Лукшо В.А. О повышении топливной экономичности автотранспортных средств с газовыми двигателями // Труды НАМИ. 2014. № 257. С. 124-138.
3. Разинькова А.В. Газовый двигатель как веление времени // Твердые бытовые отходы. 2014. № 11 (101). С. 24-25.
4. Захарчук В.И., Козачук И.С., Захарчук О.В. Эколого-экономическое обоснование целесообразности переоборудования дизелей в газовые двигатели с искровым зажиганием // АвтоГазоЗаправочный комплекс + Альтернативное топливо. 2008. № 2 (38). С. 28-30.
5. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Голосов А.С., Шибанов А.В. Влияние формы полуразделенной камеры сгорания на образование оксидов азота в газовом двигателе // Транспорт на альтернативном топливе. 2016. № 5 (53). С. 31-39.
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. 85-89.
7. Паничкин А.В., Голубенко Н.В. Оценка ресурса двигателя автобусов, работающих на газовом топливе, эксплуатируемых в режиме городских перевозок пассажиров // Мир транспорта и технологических машин. 2015. № 3 (50). С. 123-129.
8. Скоробогатый К.В. Перевод дизельных двигателей на газовое топливо для работы в условиях Сибири // Автотранспортное предприятие. 2012. № 8. С. 24-26.
9. Карасик А.Б. Конструирование и оценка прочности основных деталей двигателей внутреннего сгорания: учебное пособие. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2003. 265 с.
Оригинал статьи: Оценка тепловой напряженности поршневого двигателя (размерности 9,2/8,8) после его перевода газомоторное топливо (docx, 288 Кб)
