CC BY
122
УДК 629.02
РОЗРОБКА СИСТЕМИ ЖИВЛЕННЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО ДИЗЕЛЯ
ДЛЯ РОБОТИ НА Б1ОГАЗ1
О.М. Пилипенко, проф., д.т.н., 1.А. Шльончак, доц., к.т.н., Черкаський державний технолопчний ун1верситет
Анотаця. Проведено анал1з сучасного стану використання газопод1бних палив у двигунах вну-тршнього згоряння. Наведено ефективт способи використання газу в дизелях. Запропоновано здешевлену систему живлення дизеля б1огазом. Визначено витрати дизельного та газодизельного палива тд час роботи двигуна DONG FENG залежно в1д швидкост1 руху транспортного засобу.
Ключов1 слова: дизель, б1огаз, газодизельна система живлення, конвертащя дизеля.
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО ДИЗЕЛЯ
ДЛЯ РАБОТЫ НА БИОГАЗЕ
А.М. Пилипенко, проф., д.т.н., И.А. Шленчак, доц., к.т.н., Черкасский государственный технологический университет
Аннотация. Проведен анализ современного состояния использования газообразных топлив в двигателях внутреннего сгорания. Приведены эффективные способы использования газа в дизелях. Предложена удешевленная система питания дизеля биогазом. Определен расход дизельного и газодизельного топлива во время работы двигателя DONG FENG в зависимости от скорости движения транспортного средства.
Ключевые слова: дизель, биогаз, газодизельная система питания, конвертация дизеля.
DEVELOPMENT OF THE FUEL SUPPLY SYSTEM OF A PERSPECTIVE DIESEL ENGINE OPERATING ON BIOGAS
А. Pilipenko, Prof., D. Sc. (Eng.), I. Shlenchak, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), Cherkasy State Technological University
Abstract. Analysis of the current status of using gaseous fuels in internal combustion engines is carried out. Efficient ways of using gas in diesel engines are given. A ^ fuel supply system of the diesel engine, which can operate using biogas, was proposed. Consumption of diesel and diesel-gas fuel in conditions of real exploitation of the DONG FENG engine, depending on the speed of the vehicle was determined.
Key words: diesel, biogas, gas and diesel fuel system, diesel engine conversion.
Вступ
Двигуни внутршнього згоряння (ДВЗ) набу-ли широкого поширення у свт. I серед них значне мюце займають дизеле Перспектива використання дизелiв зумовлюе актуальнють дослщжень, присвячених проблемi використання в них альтернативних палив. Необхщ-нють впровадження альтернативних палив викликана двома глобальними проблемами:
свгговим дефщитом нафтового палива та за-брудненням навколишнього середовища.
Так, в Укра1ш ДВЗ щорiчно споживають бшьше 13 млн т палива. Для задоволення потреб нашо! держави в ПММ по^бно 2530 млн т нафти на рш. Щорiчне видобування нафти становить близько 4 млн т - це 10-12 % потрiбноl кшькосп [1]. Ось чому ращональне використання паливно-мастильних матерiа-
лiв, eKOHOMiH паливно-енергетичних ресуршв i пошук нових альтернативних джерел енер-rii - це завдання державного значення. При цьому автомобшьний транспорт е одним з основних споживачiв нафтопродyктiв i за-лишиться таким на перюд до 2040-2050 рр. У найближчш перспективi очiкyеться збшь-шення споживання нафтопродyктiв за пос-тiйних обсягiв 1х виробництва, що може при-звести до дефщиту моторних палив. Частковим вирiшенням розглянутих вище проблем е впровадження та використання y ДВЗ альтернативних палив, зокрема бюгазу.
ÄHani3 публiкацiй
Використання газоподiбних палив у тепло-вих двигунах мае давню iсторiю. Перший промисловий зразок ДВЗ, що працював на свггильному газi, був сконструйований ще в 1860 рощ французьким мехашком Ж. Ленуа-ром [2]. У силу рiзних факторiв iнтерес до таких двигушв то зникав, то з'являвся знову. Так, у 60-т роки минулого сторiччя, у зв'язку iз впровадженням дешевших високо-октанових бензишв, використання газоподь бних палив було практично повнютю зупи-нено. Надалi сyспiльна потреба в економп нафтових ресуршв та необхiднiсть покра-щення повiтряного середовища великих мiст привели до збшьшення кiлькостi енергетич-них установок, що працювали на газоподiб-них паливах.
Серед рiзноманiтних видiв газiв велике прак-тичне використання як моторш палива знай-шли сyмiшi газоподiбних вyглеводнiв, якi отримують iз природного та нафтового газiв.
Значний внесок у дослщження та покращен-ня показниюв транспортних засобiв, якi пра-цюють на газовому паливi, зробили таю вь домi вченi: Ю.Ф. Гутаревич, М.1. Дикий, Ф.1. Абрамчук, В.П. Матейчик, А.Г. Говорун, А.О. Корпач, О.М. Кабанов, В.Н. Луканш,
A.С. Хачiян, А.1. Гайворонський, К.1. Генкiн,
B.А. Лiханов, В.1. Срохов, Г.С. Савельев та iн.
Одним з ефективних напрямiв розширення використання газового палива на автотранспорт е замiна дизелiв на двигуни, як пра-цюють на скрапленому природному газi (СПГ), що розглядаеться як ефективний спо-сiб покращення еколопчно! обстановки, особливо у великих мютах. Конструктивно це здшснюеться переобладнанням (конверта-
цieю) дизелiв на живлення СПГ за допомо-гою незначних доробок двигуна [3].
Створення провщними фiрмами свiту газо-вих двигушв, як задовольняють найбiльш жорстким вимогам щодо шкiдливих викидiв, свщчить про переваги конвертацп дизелiв у газовi двигуни.
Використання у двигунах газових палив вщ-рiзняeться великою рiзноманiтнiстю способiв оргашзацп робочих процешв i конструкцiй. 1х можна класифшувати за типом газового палива, особливостями оргашзацп процесiв сумiшоутворення, займання i згоряння, а та-кож за принципом регулювання потужностi
[3, 4].
Одшею з основних ознак класифшацп газових двигунiв е спосiб займання газового палива. Газовi двигуни зазвичай створюються на базi серiйних рщкопаливних двигунiв. При цьому використання газоподiбних палив можливе як у двигунах iз примусовим займанням конвер-тованих (переведених) з бензину для роботи на газовому палив^ так i у двигунах iз запалюван-ням вщ стиску (дизелях) [4].
Досить поширеним е спосiб використання газу у великовантажних автомобiлях з газодизелями великого лггражу. У газодизельних модифшащях здiйснюеться одночасне живлення двигуна дизельним паливом i СПГ. Обсяг замщення дизельного палива газом становить вщ 50 до 90 %, залежно вщ реаль зованих конструктивних ршень i режимiв роботи двигуна [5].
Газодизельш двигуни створенi в таких орга-нiзацiях, як Науковий автомоторний шститут (м. Москва, Росiя), Центральний науково-дослiдний iнститут (м. Ки1в), Нащональний транспортний унiверситет (м. Ки1в), Все-союзний науково-дослiдний iнститут природ-них газiв (м. Москва, Росiя), Ившчно-захiдний полiтехнiчний iнститут (м. Санкт-Петербург, Роая) та iн., на базi транспортних дизельних двигушв типу ЯМЗ-236, ЯМЗ-240, БелАЗ-584, дизелiв 6412,1/15 та iн. У зазначених двигунах забезпечувалась робота як за дизельним, так i за газодизельним циклами на СПГ.
У газодизелi ЯМЗ-236 (6413/14) застосову-еться якiсне регулювання потужносп шляхом змiни подачi газового палива за допомо-
гою дозатора газу, причому подача повпря не регулюеться [5].
Газодизельш двигуни встановлюються i в пасажирських автобусах, наприклад «1карус-260», «1карус-280», ЛАЗ-695НГ, ЛАЗ-42024, Л1АЗ-52564 та iн. Горкiвський автомобшь-ний завод сво! автомобiлi ГАЗ-4301 обладнуе газодизельними двигунами, створеними на базi дизеля ГАЗ-542.10 [6].
Суттевою перевагою газодизеля перед дизелем, з точки зору екологи, е зниження вики-дiв твердих часток - в 1,5-2 рази, а викиди NOx залишаються приблизно такими самими, як i при роботi дизеля. При цьому значно збшьшуються викиди СО i СтНт - це можна пояснити неповним згорянням метану при бщних газоповiтряних сумiшах, як надхо-дять у двигун на режимах середшх та малих навантажень [5].
Однак надшнють роботи газодизеля нижча, шж дизеля. Це пов'язано з використанням одночасно двох систем живлення, що приз-водить до ускладнення керування двигуном, а також закоксування розпилювачiв форсунок через суттеве зменшення охолоджуваль-ного ефекту вщ потоку дизельного палива через форсунку [5].
Всебiчний аналiз газодизеля i власне газового двигуна на базi дизеля [7] показуе, що кращi економiчнi, екологiчнi та вартюш по-казники мае двигун, конвертований з дизеля для роботи тiльки на газ^
Тому ще одним досить щкавим напрямом у процесi збшьшення використання СПГ як моторних палив рухомого складу автомобь льного транспорту е створення на базi транспортних дизелiв суто газових двигушв з iскровим запалюванням [8]. Це може покра-щити екологiчну ситуащю i збiльшити обся-ги використання газового палива на автомо-бiлях та автобусах [9].
З наведеного аналiзу видно, що переоблад-нання в газовi двигуни з юкровим запалюванням для роботи на природному газi здшс-нювалось переважно з автомобшьних дизелiв. При цьому вносились суттевi змiни в конструкщю двигунiв. Зниження ступеня стиску газових модифшацш досягалось роз-точуванням камер згоряння в поршнях, тобто здiйснювалась незворотна конвертащя. На таке переобладнання потрiбно отримувати
дозвiл заводу-виробника двигуна. На переоб-ладнаних з дизелiв газових двигунах переважно встановлеш складш електроннi системи керування паливоподачею та запалюванням, що тдвищуе вартiсть переобладнання.
Мета i постановка завдання
Метою роботи е розробка здешевлено! системи живлення дизеля для його роботи на бiогазi як альтернативний шлях конвертацп дизелiв. У дослщженнях пропонуеться кон-вертацiю дизеля DONG FENG в газодизель виконати без ютотних змш у конструкцп двигуна. Переобладнання повинно зводитись до оснащення транспортного засобу газоба-лонною установкою i системою подачi газу у впускну систему дизеля. При цьому очшу-еться, що штатна система паливоподачi кон-вертованого дизеля мае забезпечувати подачу в камеру згоряння запалювально! дози рiдкого палива.
Система живлення дизеля бюгазом
Розроблена система живлення двигуна забез-печуе можливють його роботи як за дизель-ним, так i за газодизельним циклами (рис. 1). Передбачено, що бюгаз буде збертатись у сталевих балонах 1. Контроль запасу газу здшснюеться за показаннями манометра 4 високого тиску ДУ 50. Заправка балошв бюгазом здшснюеться через спещальний при-стрiй. При вщкритп витратного вентиля 2 газ iз балонiв по стальному паливопроводу над-ходить до редуктора високого тиску 5, щоб по^м потрапити у впускний колектор 11.
Робота двигуна за газодизельним циклом здшснюеться наступним чином: вщкриваеть-ся електромагштний клапан 7 газово! палив-но! магiстралi для подачi газу до редуктора, де тиск газу знижуеться до робочого тиску 0,2 МПа та поступае до газового змшувача. Дозована подача газу через змшувач надхо-дить до впускного колектора, тсля чого над-ходить до цилiндрiв двигуна. У кшщ такту стискання у цилiндр двигуна впорскуеться запалювальна доза дизельного палива, яка займаеться i пiдпалюе газоповггряний заряд.
Стендовi випробування розроблено! системи проводились у лаборатори № 2 кафедри «Автомобш та технологи !х експлуатацп» Черкаського державного технологiчного уш-верситету. Стенд складаеться з навантажува-льно! частини та вимiрювального блока.
Рис. 1. Принципова схема подачi газу газодизельно! системи живлення: 1 - балони для бюгазу; 2 - витратний вентиль; 3 - наповнювальний вентиль; 4 - манометр високого тиску; 5 -штуцер тдводу газу до редуктора; 6 - газовий редуктор; 7 - електромагштний клапан; 8 -манометр редуктора; 9 - турбша; 10 - кшьюсний регулятор подачi газу; 11 - впускний ко-лектор двигуна
Вимiрювання положення рейки паливного насоса високого тиску здшснювалося за до-помогою повзункового реостата, закршлено-го пластиною з двома гвинтами на його кор-пуш. Рухомий стержень реостата був жорстко з'еднаний з рейкою насоса. Фшсащя положення рейки здшснювалася за допомо-гою омметра моделi DT-830В. Конкретному положенню рейки вiдповiдае конкретне значення опору реостата Rp (рис. 2).
воподачею використовувалася проградуйо-вана шкала з кутом повороту регулювально-го органа вщ 0 до 100 % (рис. 3).
Рис. 2. Залежнють опору вщ положення рейки паливного насоса високого тиску
На основi отриманих закономiрностей положення рейки вiд опору був побудований та-рувальний графш залежностi опору вiд положення рейки паливного насоса. 1з графша видно, що зазначена взаемодiя мае прямо пропорцшну залежнiсть.
Наступним кроком була розробка процесу керування паливоподачею. Так, для вимiрю-вання кута повороту важеля керування пали-
Рис. 3. Шкала положення кута повороту ва-желя паливоподачi паливного насоса високого тиску
Положення дросельно! заслiнки для подачi бюгазу визначалось за допомогою програду-йовано! шкали вiд 0 до 100 %, встановлено! безпосередньо на дросельну заслшку (рис. 4).
Для керування паливоподачею було розроб-лено ручний важiль, за допомогою якого за-безпечувалось перемiщення рейки паливного насоса високого тиску (рис. 5). Витрата бюгазу здшснювалась за допомогою сершного газового лiчильника «Вiзар» моделi 199ж.
Рис. 4. Шкала положения дросельно! за-слшки у градусах, вщ 0 до 100
Рис. 5. Керування важелями иаливоиодач1 в газодизельному режим1
З метою перев1рки працездатносп розроблено! системи в робот було використано перс-пективний дизель DONG FENG модел1 CY4102BZLQ. На дизел1 був встановлений сершний паливний насос ZEXEL105118-7541 з вщцентровим мехашчним всережимним регулятором. Необхщно зазначити, що до початку дослщжень дизель вщпрацював не менше 110 годин.
Головний чинник, який спонукае до конвертацп дизеля в газодизель, - це очшування економ1чного ефекту. Останнш досягаеться за рахунок замши ДП на бшьш дешеве пали-во - бюгаз. Сьогодш вартють ДП становить у середньому 18 грн/л, при вартосп бюгазу -7-8 грн/м3.
На рис. 6 подано витрати ДП та газодизельного тд час руху траисиортиого засобу на п'ятш передач!.
З рисунка видно, що витрати газодизельного палива значно менш1, шж витрати ДП. Необхщно зазначити, що максимальна розб1ж-нють м1ж витратами ДП та газопод1бного палива становить майже 20 л.
Рис. 6. Витрати дизельного та газодизельного палива тд час роботи двигуна залежно вщ швидкосп руху транспортного засобу на 5-й передачi
Для встановлення запропоновано! системи живлення необхiдно швестувати близько 30 тис. грн на 11 виготовлення. За попередш-ми пщрахунками термiн окупностi розроблено! системи живлення для роботи дизеля на бiогазi залежить вщ пробку транспортного засобу. Так, для випадку, коли добовий про-бiг становить 150 км, розрахунковий термш окупносп дорiвнюe 4 мiсяцi.
Висновки
У результат! проведено! роботи можна зро-бити таю висновки:
- розроблено економiчно вигщну систему живлення дизеля бюгазом;
- розроблено принципову схему подачi газу в системi живлення перспективного дизеля бюгазом;
- визначено витрати дизельного палива та газодизельного i встановлено максимальну та мшмальну розбiжнiсть мiж ними.
Л1тература
1. Девянин С.Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельних двигателей / С.Н. Девянин, В.А. Марков, В.Г. Семенов. - Х.: Новое слово, 2007. -452 с.
2. Николаева Н. Альтернативные источники энергии для автомобилей / Н. Николаева // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. - 2002. - № 3. - С. 43-47.
3. Галышев Ю.В. Перспективы применения газовых топлив в ДВС / Ю.В. Галышев, Л.Е. Магидович // Двигателестрое-ние. - 2001. - № 3. - С. 31-352.
4. Гайворонский А.И. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях / А.И. Гайворонский, В.А. Марков, Ю.В. Илатовский. - ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 480 с.
5. Льотко В. Применение альтернативных топлив в ДВС / В. Льотко, В.Н. Луканин, А С. Хачиян. - М.: МАДИ (ТУ), 2000. -331 с.
6. Тимонин Е.Д. Газобаллоные ГАЗы / Е.Д. Тимонин, А.Е. Ульянцев // Автомобильная промышленность. - 1995. -№ 7. - С. 4-5.
7. Гутаревич Ю.Ф. Еколопчш показники вантажного автомобшя при робот на бензиш i природному газi / Ю.Ф. Гутаревич, В.1. Задорожнш, В.П. Матейчик, О.А. Клименко // Автошляховик Укра1-ни. - 1997. - № 4. - С. 14-15.
8. Захарчук О.В. Газовый двигатель с искровым зажиганием на базе дизеля / О.В. Захарчук // Двигатели внутреннего сгорания: Реферативный журнал. - 1995. - № 1. - С. 24.
9. Панов Ю.В. Опыт эксплуатации автобусов, работающих на газовом топливе в г. Москве / Ю.В. Панов, Ю.А. Бакиров,
B.Н. Прохоров // Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе: тезисы докладов 4-й Междунар. научно-технической конф. - М.: МАДИ(ТУ) НИИАТ ФГУП НАМИ - 2000. -
C.111-112.
Рецензент: Ф.1. Абрамчук, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакци 30 квггня 2016 р.
