CC BY
124
УДК 621.436.038.001
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ГАЗОДИЗЕЛЯ С ВНУТРЕННИМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ
А. А. Савастенко, С. А. Казаков, В. В. Харитонов
Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
Приводятся результаты экспериментального исследования топливной аппаратуры дизелей, конвертируемых на работу по газодизельному циклу с внутренним смесеобразованием. В этих условиях в цилиндры газодизеля подается смесевое топливо, состоящее из основного дизельного и добавки - сжиженного пропана - бутана.
В связи с прогнозируемым истощением ресурсов нефти как сырья для производства жидких топлив актуальной проблемой современности является поиск альтернативных топлив, способных заменить жидкие традиционные. К таким топливам всё в большей степени относят газовые и прежде всего природный газ. К решению проблемы использования газовых топлив подталкивает также проблема снижения токсичности и дымности выбросов двигателей внутреннего сгорания. В период перехода от жидких топлив к газовым (а его продолжительность может составить порядка 20 лет) целесообразно использование сжиженного нефтяного газа - сжиженного пропана-бутана топливного (СПБТ), ресурсы которого в региональных масштабах достаточно велики. Кроме того, в настоящее время большое внимание уделяется экологически достаточно чистому топливу - диметиловому эфиру (ДМЭ) [1], физико-химические свойства которого весьма близки к свойствам СПБТ, но отличаются в положительную сторону величиной цетанового числа (ЦЧ). (ЦЧ ДМЭ достигает 55 ед, в то время, как ЦЧ СПБТ лишь 22 ед.). Широкому использованию ДМЭ может способствовать опыт применения в дизелях СПБТ, поскольку отсутствие в настоящее время достаточного объёма производства ДМЭ вынуждает исследователей имитировать ДМЭ применением СПБТ [2].
Исследования, проведенные на топливной аппаратуре дизеля Д-240 (насос УТН-5 с форсункой ФД-22), показали существенность влияния повышенной сжимаемости СПБТ и его смесей с дизельным топливом (ДТ) на показатели топливоподачи, когда смесевое топливо или чистый сжиженный газ подаются насосом высокого давления. Как показано на рис.1, увеличение производительности насоса на данном скоростном режиме приводит к росту давления впрыскивания Рт, а также продолжительности подачи топлива. При этом с ростом доли сжиженного газа в смесевом топливе качественная картина не меняется, а количественные показатели меняются существенно. Так, максимальное давление впрыскивания дизельного топлива составляет 37,1 МПа, а переход на СПБТ снижает это давление до 31,2 МПа, т. е. Рт уменьшается на 16%. Меняется также и продолжительность впрыскивания 6(р, которая возрастает с переходом на СПБТ с 10,7 до 14,7 град. п. к. в., т.е. увеличивается на 37%.
Поскольку газодизельный процесс реализуется путём добавки СПБТ к основному дизельному топливу, то представляет интерес изменение тех же показателей двигателя при его работе на смеси топлив, например, при содержании СПБТ в смесевом топливе порядка 40%. В этом случае снижение давления впрыскивания топлива составляет около 8 %, а возрастание продолжительности - 15 %. Очевидно, что из-за повышенной сжимаемости смесевого топлива происходит и запаздывание начала впрыскивания топливной смеси, которое достигает 2 - 2,5 град. п. к. в.
Изменение производительности топливной системы при работе на смесевом топливе происходит не только из-за повышенной сжимаемости подаваемого топлива, но и из-за изменения условий наполнения надплунжерного пространства. Высокое давление насыщенных паров топлива (СПБТ) требует высокого давления подкачки на линии низкого давления.
В противном случае нарушается процесс подачи топлива, топливный насос резко снижает производительность, вплоть до полного отключения. На рис. 2 показано, что для нормализации процесса топливоподачи при впрыскивании смесевого топлива требуется повышение давления подкачки.
Чц том
Ч ц, %
Рис. 1. Изменение давления впрыскивания топлива (Рг) и продолжительности впрыскивания (8пр) при изменении состава топлива (СПБТ, СПБТ+ДТ, ДТ) при разных цикловых подачах топлива, выраженных в единицах введенного в цилиндр тепла (дц)
Рис. 2. Влияние содержания сжиженного газа (СПБТ) в цикловой подаче смесевого топлива на изменение коэффициента подачи топливного насоса и величину цикловой подачи топлива
Так, если для дизельного топлива достаточно иметь Рподк на уровне 15-16 кПа, при содержании СПБТ в смесевом топливе в количестве 40% давление подкачки нужно повысить до 18 - 19 кПа, а при подаче 100% СПБТ давление подкачки должно составлять более 30 кПа. Даже после оптимизации величины Рпода. производительность системы ^ и коэффициент подачи топливного насоса (т|н) изменяются весьма существенно, что определяется не только параметрами сжимаемости, но и наличием повышенных утечек в плунжерной паре и в форсунке.
Сжимаемость топлива сказывается на производительности системы и на других показателях топливоподачи тем значительнее, чем больший объём занимает топливо (особенно смесевое) в линии высокого давления (ЛВД). Действительно, изменение объёмной производительности системы (АУт) можно оценить по соотношению:
АУц = ат ■ • У Дв^ , где ат; Рт; Улв^ - соответственно сжимаемость топлива,
давление впрыскивания и объём линии высокого давления (ЛВД).
Для уменьшения влияния испаряемости топлива в ТНВД предложено использовать клапан регулирования начального давления (РНД) для ввода СПБТ в ЛВД [3]. Клапан РНД представляет собой по существу обратный клапан, установленный между источником СПБТ и ЛВД. Подача СПБТ в дизельное топливо происходит между циклами топливоподачи, когда после отсечки подачи насосом нагнетательный клапан ТНВД садится в седло и своим разгрузочным объёмом формирует в ЛВД волновой процесс. Возникшие волны пониженного давления открывают клапан РНД, и порции СПБТ многократно за время между циклами топливоподачи входят в ЛВД и там перемешиваются с ДТ. Образованное таким образом смесевое топливо накапливается в ЛВД и наконец в очередных циклах подачи топлива впрыскивается в цилиндр дизеля. Такое выполнение позволяет избежать сложности подачи насосом высокого давления маловязкого смесевого топлива, а также образования паровых пробок в ТНВД и в ЛВД. Для уменьшения влияния сжимаемости смесевого топлива ввод СПБТ целесообразно проводить вблизи форсунки, уменьшая объём ЛВД, заполненный сме-севым топливом, а также сокращая задержку по времени, необходимую для подачи образо-
ванной смеси в цилиндр.
Рис. 3. Скоростные характеристики расхода сжиженного газа (г) в газодизельном процессе (гд) и относительной доли СПБТ в смесевом топливе при разных положениям рейки топливного насоса
Система такого вида была исследована на топливном стенде и на дизеле 44 11/12,5. Схема стенда для испытаний газодизельного варианта топливной аппаратуры приведена в работе [4]. Основной сложностью при исследованиях является определение расхода СПБТ в жидкой фазе, для чего применялся специально разработанный объёмный переносной расходомер, способный работать до давлений порядка 4 МПа. При впрыскивании смесевого топлива форсункой в мерную ёмкость происходит интенсивное испарение СПБТ, который отводился в атмосферу вне помещения. Некоторые результаты исследования приведены на рис. 3.
Производительность системы по количеству вводимого в дизельное топливо сжиженного газа зависит в данном случае от характеристики изменения остаточного давления, свойственной данной топливной аппаратуре. Для исследованной аппаратуры характерно некоторое увеличение остаточного давления со снижением частоты вращения и затем резкое его уменьшение. Кроме того, с уменьшением производительности системы происходит значительное уменьшение остаточного давления, вплоть до получения остаточных разряжений в ЛВД. В результате уменьшение производительности системы приводит к росту абсолютных значений подач сжиженного газа (Сггд) в топливо в ЛВД. Так, на номинальном скоростном режиме уменьшение
нагрузки от 100 до 25% сопровождается ростом расхода СПБТ на 40%. При частотах вращения 1000 - 1300 мин'1 подача СПБТ возрастает вдвое. Такой закон изменения добавки СПБТ к ДТ является нежелательным, так как со снижением теплового состояния двигателя при уменьшении частоты и нагрузки увеличиваются проблемы со стабильностью самовоспламенения смесевого топлива. Ещё более неприятным является то, что доля СПБТ в смесе-вом топливе также возрастает со снижением нагрузочного режима. Так, при полной нагрузке она составляет 15 - 18%, а при 25% нагрузки растёт уже до 45% и более. Если добавка примерно 20% СПБТ к ДТ снижает цетановое число смесевого топлива с 47 ед. лишь до 42 ед., то 45% СПБТ в смесевом топливе приводят к снижению ЦЧ до 33 ед. При пониженном тепловом состоянии дизеля или низких температурах окружающего воздуха это может приводить к нестабильности процессов самовоспламенения. В перспективе, при применении диметилового эфира такая проблема отпадёт. При применении СПБТ необходимо обеспечивать регулирование подачи добавки СПБТ в основное топливо, что особенно желательно, если ставится задача экономии жидкого дизельного топлива путём замещения его сжиженным газом. Действительно, увеличить расход СПБТ на номинальном режиме и полных нагрузках не представляет труда, достаточно повысить давление СПБТ на входе в клапан РИД с помощью источника повышенного давления нейтрального газа или сжатого природного газа. Однако при этом также возрастёт расход СПБТ на других режимах, что нежелательно. Другим методом оптимизации расхода СПБТ может быть метод регулирования мощности двигателя путём отключения части цилиндров. В этом случае работающие цилиндры несут повышенную нагрузку, подача СПБТ соответствует этой нагрузке, работающие цилиндры имеют повышенное тепловое состояние, работа газодизеля оптимизируется.
Проведённое исследование позволяет сделать следующие выводы.
Представляется перспективным применение для подачи СПБТ клапана РИД с вводом сжиженного газа вблизи форсунки.
Целесообразна разработка систем подачи СПБТ в количествах, регулируемых в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горбунов В. В., Пономарёв М. Н., Шпаликова В. П. О целесообразности и возможностях применения в существующих дизелях диметилэфира, как добавки к основному топливу // Вестник РУДН. 2003, № 1. - С. 26-28.
2. Голубков Л. Н., Померанцев Е. М. Метод гидродинамического расчёта топливной аппаратуры дизеля, использующего в качестве топлива сжиженный газ (диметилэфир) // Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе: 3-я международная научно -техническая конференция. М., МАДИ, 1990. - С. 156 - 157.
3. Патрахапъцев H. Н. Аппаратура для газодизельного процесса //Автомобильная промышленность. 1986, № 7. - С. 16-18.
4. Горбунов В. В., Олесов И. Ю., Крылов А. В. Топливный стенд для испытания топливной аппаратуры дизеля при работе на смеси дизельного топлива с добавлением сжиженного газа // Вестник РУДН, 1996. - № 1. - С. 24 - 29.
UDC 621.436.038.001
SPECIAL FEATURES OF FUNCTION OF GASDIESEL WITH INTERNAL FORMATION OF MIXTURE
A. A. Savastenko, S. A. Kazakov, V. V. Haritonov
Department of Internai Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University Miklukho - Maklaya st., 6, 117198, Moscow, Russia
There was done results of experimental investigation of fuel system of diesels, converted on fonction as gas-diesel with internai formation of mixture. In this conditions into cylinders there are injected fuel as mixture of diesel fuel and liquid propan - butan.
