CC BY
47
УДК 621.43
С.П.Кулманаков, С.С.Кулманаков
ГОУВПО «Алтайский государственный технический университет им.И.И.Пожзунова», Россия
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОПОРШНЕВЫХ МИНИ-ТЭЦ С ПЕРСПЕКТИВНОЙ СИСТЕМОЙ ПИТАНИЯ
В данной статье рассмотрена возможность повышения энергоэффективности газопоршневых двигателей на частичных режимах за счет отключения части цилиндров. Данная возможность достигается благодаря оснащению двигателя индивидуальными газовыми форсунками с электронным управлением. Описана теоретическая возможность достижения поставленной задачи. Приведены результаты расчета мощности и расхода топлива при отключенных цилиндрах на режимах частичной мощности. В качестве объекта исследования выступает газопоршневой рядный двигатель 1Г6 производства ОАО ХК «Бар-наултрансмаш».
Ключевые слова: газопоршневой двигатель,
Введение
В последнее время, все большее распространение получают газовые топлива для ДВС. В качестве источников энергии могут быть использованы различные виды газов: природный, нефтяной, синтез-газ, биогаз. Для России этот путь наиболее актуален за счет обширных запасов природного газа, разветвленной сети транспортировки, удобства использования.
В настоящее время парк двигатель-генераторных установок России насчитывает около 50 тыс. шт. единичной мощностью от 4 до 1000 кВт. Утилизация «вторичной» теплоты поршневых ДВС позволяет использовать эти установки в качестве автономных когенера-ционных источников электрической и тепловой энергии для энергоснабжения отдельных объектов (зданий), а при их параллельной работе с суммарной мощностью до 1,5-5 МВт -для энергоснабжения малых предприятий и небольших поселков. За счет утилизации «вторичной» бросовой теплоты двигателей к.п.д. таких установок оценивается до 85-90%.
Поршневые электрические и электротепловые модули выпускаются рядом предприятий России, имеющих собственное моторостроительное производство или осуществляющих конверсию ДВС на газовое топливо и сборку из комплектующих. В качестве основы газопоршневых ДВС обычно используют дизельные двигатели, что связано с большим литражом дизельных двигателей и, соответственно, большей получаемой мощностью конвертированных ДВС.
На кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» Алтайского государственного технического университета совместно с ООО «АБИТ» была разработана система питания газопоршневого дви-
отключение цилиндров.
гателя. В качестве базового двигателя выбран газопоршневой двигатель Г6 производства ОАО ХК «БарнаулТрансмаш». Отличием данной системы является оснащение двигателя индивидуальными газовыми форсунками с электронным управлением для обеспечения фазированного впрыска газа [2].
Применение индивидуальных газовых форсунок совместно с электронным блоком управления позволит обеспечивать равномерность состава топливовоздушной смеси в каждом цилиндре, и снизить теплонапряженность клапанной и ци-линдро-поршневой группы и головки цилиндров. Повышенное давление подачи газа (до 0,4 МПа) способно обеспечить большую цикловую порцию, что весьма важно для двигателей с большим рабочим объемом цилиндра, а дополнительное использование турбокомпрессора позволит увеличить мощность двигателя. Одновременно с этим электронный блок управления возможно запрограммировать на использование различных типов газа (природный, нефтяной, биогаз), что позволит использовать широкий спектр топлив. Контроль за теплонапряженностью двигателя осуществляется с помощью датчика температуры отработавших газов, размещенных в выпускном коллекторе индивидуально для каждого цилиндра. При этом оперативное управление параметрами топливоподачи и зажигания позволит регулировать процесс сгорания для обеспечения максимального КПД двигателя. Также данная система питания позволяет осуществить отключение части цилиндров, при снижении нагрузки, что позволит повысить в работающих цилиндрах, эффективное давление, что обеспечивает повышение КПД двигателя и снижение расхода топлива.
Экономичность поршневых двигателей в значительной степени зависит от режимов их рабо-
© С.П.Кулманаков, С.С.Кулманаков, 2011
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
ты. Если на номинальном или близком к нему режимах экономические показатели обыгано достигают оптимальных или близких к ним значений, то на частичных нагрузках и холостом ходу (XX) топливная экономичность работы ДВС может заметно ухудшаться.
1. Теоретическая часть
В последнее время в нашей стране и за рубежом возрос интерес к такому направлению улучшения экономических показателей двигателей, в особенности для автомобильных двигателей, как отключение части цилиндров (отключение подачи топлива) на режимах холостого хода и частичных нагрузках.
Метод отключения части цилиндров (отключение топливоподачи) также используют на сравнительно крупных дизелях (тепловозных, судовых, дизелях строительныгх и дорожных машин, тракторов, большегрузных автомобилей и т. д.).
Но для газопоршневыгх двигателей, особенно для двигателей, работающих в составе стационарных установок (генераторные установки, мини-ТЭЦ) и имеющих значительный рабочий объем цилиндров, такие решения на сегодня не известны. Это связано с особенностью применяемых видов газовых топливныгх систем, обыгано имеющих общий смеситель для питания всех цилиндров. Предложенная газовая топливная система с индивидуальными фазированными инжекторами, управляемыми электронным блоком, позволяет решить задачу отключения отдельных цилиндров.
Однако технологии применения метода отключения части цилиндров для газопоршневых двигателей большого литража нет ни в России, ни в мире. Для создания данной методики необходимо решить следующие задачи:
1. Рассмотреть теоретические и практические положения экономии топлива при работе газопоршневого двигателя при отключении подачи топлива для отдельных цилиндров.
2. Провести качественную и количественную оценку влияния отключения различного числа цилиндров на экономичность и расход топлива газопоршневого двигателя.
3. Рассмотреть влияние различных схем отключения на неравномерность работы двигателя и изменение крутящего момента.
4. Определить для выйранных режимов отключения оптимальные регулировочные параметры систем топливоподачи, зажигания.
5. Разработать программный комплекс подготовки полученных регулировочных данных для отключения отдельных цилиндров для программы электронного блока управления газопоршневого двигателя.
У двигателей внутреннего сгорания при отключении подачи топлива в часть цилиндров, когда оставшиеся работающие цилиндры совер-
шают большую работу, возрастают цикловые подачи топлива в этих цилиндрах. Это благоприятно сказытается на индикаторном КПД и других показателях работы двигателя.
Таким образом, использование способа отключения только топливоподачи в двигателях, на режимах частичныгх нагрузок для повышения топливной экономичности требует разработки расчетных методов определения и обоснования количества отключаемых цилиндров, режимов работы ДВС, на которых это отключение эффективно. Не изучен вопрос о режимах последующего включения цилиндров при увеличении мощности и возможном влиянии этого переходного режима на работу машин.
Критерием эффективности отключения топ-ливоподачи части цилиндров двигателя выбран часовой расход топлива 0т .
Двигатель внутреннего сгорания может развивать одинаковое постоянное значение мощности при различном соотношении параметров ее определяющих. Последние вытекают из общего выражения для мощности
^е = а • Ле , где 0т — часовой расход топлива, ^е — эффективный КПД, а — постоянный коэффициент.
Для чего после формального его преобразования и допущения постоянства мощности, выразив расход топлива через частоту вращения коленчатого вала, цикловую подачу топлива дт, число работающих цилиндров (или двигателей в энергетическом блоке) 1, получим
Не = Ь •
Чш • и • I Т
•це = евтХ,
(1)
где Ь и т — постоянный коэффициент и так-тность двигателя.
Как видим из выражения (1) одинаковые (равные) значения мощности можно получить при различном сочетании значений цикловой подачи, частоты вращения, числа цилиндров (или двигателей) и эффективного КПД. При этом, для двигателей, работающих на генератор, частота вращения должна быть постоянна, поэтому предпочтительнее вариант сочетаний подачи дт и числа цилиндров г, при котором эффективный принимает большее значение, что позволит получить заданную мощность при меньшем расходе топлива.
В практике двигателестроения находят использование такие варианты сочетаний изменения параметров в противоположных направлениях: увеличение цикловой подачи дт и уменьшение числа работающих цилиндров (или двигателей).
Каждый из вариантов сочетаний имеет свою область использования по назначению двигателя, по диапазону мощности в котором целесообразно поддерживать ее постоянной, свою эф-
фективность, свои способы реализации, преимущества и недостатки.
Мотивация всех вариантов одна и та же: повышение топливной экономичности, снижение токсичности, увеличение надежности работы двигателя и его систем.
2. Анализ повышения экономичности
В последние годы разработан и реализован в виде опытных образцов ряда двигателей со схемами, обеспечивающими регулирование Vh (рабочего объема двигателя). В публикациях, касающихся этих схем, практически не содержатся сведения о результатах расчетных исследований и обосновании выбора принятой концепции силового механизма.
Эффективность регулирования Vh зависит от типа (бензиновый, дизельный) и от режима работы (полная или частичная нагрузка, холостой ход) двигателя. Возможность достоверного расчета прогнозируемого эффекта от применения регулирования Vh по характеристикам базового стандартного двигателя - актуальная научная задача.
В материалах данной статьи подробнее рассмотрим вариант, когда уменьшение мощности двигателя обеспечивается согласованным изменением цикловой подачи топлива и числа цилиндров, то есть, по сути, реализуется уменьшение рабочего объема цилиндров и соответствующее увеличение среднего эффективного давления, позволяющее обеспечить более экономичный режим работы.
Область использования — современные многофункциональные энерготехнологические комплексы в системах автономного энергообеспечения, создаваемые на базе энергоустановок и объединяющих газопоршневой двигатель, электрогенератор с различного рода теплообменниками, использующими тепловую составляющую работы ДВС. В таких комплексах (мини-ТЭЦ), удается довести КПД до 85-90%. В качестве объекта исследования выступает газопоршневой рядный двигатель 1Г6 производства ОАО ХК «Барнаул-трансмаш». Размерность двигателя: диаметр — 150 мм, ход поршня — 180 мм, рабочий объем двигателя — 19,1 литра, мощность — до 150 кВт.
Основная цель: на стационарных режимах частичной загрузки двигателя достичь снижения эффективного расхода топлива при отключении части цилиндров по сравнению с расходом при той же частоте вращения и такой же мощности двигателя со всеми работающими цилиндрами.
Определение условий получения высоких значений КПД, диапазона мощностей, в котором при поддержании Ne = const можно снизить расход топлива; при которой для каждого уровня мощности снижение расхода топлива оказывается наибольшим; установление зависимости оптимального (по максимуму е) количества отключаемых цилиндров от величины мощности Ne осуществляется анализом и синтезом нагрузочных характерис-
тик. Методические подходы к проведению анализа и синтеза характеристик в определенной степени универсальны, а поэтому могут быть использованы как для исследования показателей в составе ДГУ в многофункциональных энергетических комплексах, так и для транспортных двигателей.
600 550 | 500 £ 450 400
-i— - —
50 75
- Ne6 - Ne4 -
100 -Ne3-1
125 ■ Ne2
Ne, ®
50 75 100
— Ne6^-Ne4^-Ne3-
125 Ne2
Рис. 1. Экономичность и часовой расход топлива для двигателя 1Г6 при работе с частью отключенных цилиндров.
Определение диапазона мощностей, в котором целесообразно поддержание равного значения мощности двигателя при частично отключенных цилиндрах с получением эффекта снижения удельного расхода топлива, можно проследить по нагрузочным характеристикам. Как видно из графиков нагрузочных характеристик на рисунке 1 такую задачу можно решать во всем диапазоне уменьшения нагрузки (мощности), начиная со значения № = 0,6*Кном, так как в нем значения наименьшего расхода, лежащие на огибающей кривой, условно проведенной по минимумам gе для разных уровней мощности меньше, чем расход gе, соответствующий нагрузочным режимам с номинальной частотой пн=1500 мин-1 при работе с 6 цилиндрами. Наиболее ощутимый эффект снижения расхода топлива gе наблюдается со значения мощности около 85 кВт, составляющего 60% от номинального. На рисунке: №6 — 6 работающих цилиндров; №4 — 4 работающих цилиндра; №3 — 3 работающих цилиндра; №2 — 2 работающих цилиндра.
Установление диапазона изменения мощностей (Кп...Кк), в котором можно поддерживать заданное значение мощности при отключении части цилиндров для улучшения экономичности и снижении расхода топлива составляет:
650
350
300
0
25
150
60
50
40
30
20
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 125 -
уровень 150 — 85 кВт — 6 работающих цилиндров;
уровень 85 — 55 кВт — 4 работающих цилиндра;
уровень 55 — 25 кВт — 3 работающих цилиндра;
холостой ход — 2 работающих цилиндра.
Расчеты показали, что перевод двигателя в режим отключения части цилиндров при обеспечении той же мощности позволяет сократить часовой расход топлива до 30% по сравнению с работой на всех работающих цилиндрах (при частичный режимах).
Модернизация программы управления электронным блоком должна обеспечить расширение поля возможных режимов работы путем «сдвига» ветви экономичной работы в область меньших мощностей за счет отключения части цилиндров, что позволит обеспечить характеристику более экономичной работы в поле возможных режимов работы двигателя.
Управляющим параметром отключения соответствующих цилиндров для получения максимальной экономичности в диапазоне мощностей (Nn...Nk) является крутящий момент двигателя.
Более глубокий и детальный анализ причин, оказывающих влияние на изменение экономичности или КПД ^е по нагрузочной характеристике при сохранении уровня мощности при отключении части цилиндров, а соответственно и большую конкретизацию мероприятий по ее улучшению можно провести с помощью методик [1, 3].
Заключение
Несомненно, предпочтительными являются мероприятия, позволяющие оптимизировать условия получения более высоких значений КПД ^е во всем диапазоне изменения мощности Ne. Именно оптимизацией подобного рода в совре-
менном двигателестроении достигнуты высокие эксплуатационные показатели по расходу топлива и снижению вредности отработавших газов.
Перечень ссылок
1. Ефремов И.Ф. Метод анализа топливной экономичности поршневых ДВС / И.Ф.Ефремов, ДД.Матиевский // Двигателестроение. 1986.-№7.-С.3-6
2. Кулманаков С.П., Кулманаков С.С., Шарапов В.К., Казанцев В.А., Шихов Н.С. Система топливоподачи современного газопоршневого двигателя / Вестник академии военных наук, 2011.-№ 2 (35).-С.221-227
3. Матиевский Д.Д. Разработка и использование методологии анализа индикаторного КПД для снижения расхода традиционного топлива, дымности и токсичности тракторных дизелей: автореф. докт. дис. / Д.Д. Матиевский. - Л.: ЛПИ. - 1987. - 40 с.
4. Технические и экономические критерии выбора мощности мини-ТЭЦ на промышленных предприятиях (Часть 1) / Г.Я.Вагин, А.Б.Лос-кутов, А.М.Мамонов и др. //- Промышленная энергетика №4, 2006. - С.38-43.
5. Кулманаков С.П., Кулманаков С.С., Шарапов В.К., Казанцев В.А. Проблемы и пути их решения для современных газопоршневых двигателей / Сборник научных трудов международной конференции Двигатель-2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана // Под редакцией Н.А. Иващенко, В.А. Вагнера, Л.В. Грехова — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - С.395-340.
6. Решение о выдаче патента на полезную модель «ГАЗОПОРШНЕВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА» № 2011107902/06(011270) от 6 апреля 2011 г.
Поступила в редакцию 31.05.2011
С.П.Кулманаков, С.С.Кулманаков. Пщвищення енергоефективносп газопоршневих мЫ-тец з перспективним системою харчування
У данш cmammi розглянута можливсть тдвищення енергоефективност1 газопоршневих двигушв на часткових режимах за рахунок вiдключення частини цилiндрiв. Дана мож-ливсть досягаеться завдяки оснащенню двигуна iндивiдуaльними газовими форсунками з електронним управлшням. Описана теоретична можливсть досягнення поставленого зав-дання. Приведет результати розрахунку поmужноcmi i витрат палива при вiдключених цилшдрах на режимах частковог поmужноcmi. В якоcmi об'екта до^дження виступае газопоршневийрядний двигун 1Г6 виробництва ОАО ХК«Барнаултрансмаш».
Ключов1 слова: газопоршневий двигун, вiдключення цилiндрiв.
S.P.Kulmanakov, S.S.Kulmanakov. Improving the efficiency gas piston chp with promising power supply
This article discusses the possibility of increasing efficiency gas engines on partial modes by turning off the cylinder. This capability is achieved by equipping the engine with individual gas burners with an electronic control. Described the theoretical possibility of achieving the task. Shows the results of calculation power and fuel consumption when disabled cylinders at part power conditions. The object of investigation serves gas piston in-line engine 1G6production of JSC HC «Barnaultransmash».
Keywords: gas-piston engine, cylinder shutdown.
