CC BY
19Сравнительная оценка динамических характеристик энергетических установок с газодизельным циклом на газомоторном топливе
Халиуллин Фарит Ханафиевич,
к.т.н., доцент кафедры тракторы, автомобили и энергетические установки Каз. ГАУ, [email protected]
Медведев Владимир Михайлович,
к.т.н., доцент кафедры эксплуатация и ремонт машин Каз. ГАУ, г. Казань;
Матяшин Александр Владимирович,
к.т.н., доцент кафедры эксплуатация и ремонт машин Каз. ГАУ
Вахрамеев Дмитрий Александрович,
к.т.н., доцент кафедры тракторы, автомобили и сельскохозяйственные машины ИГСХА
В настоящее время перевод энергетических установок машин различного эксплуатационного назначения является актуальной задачей. Созданы программы государственной поддержки на федеральном и региональном уровне для решения технических, технологических, организационных и хозяйственных вопросов, возникающих при решении данной задачи. Перевод энергетических установок на газомоторное топливо позволит решить не только вопросы снижения себестоимости их эффективного использования, но и улучшить показатели рабочих процессов как в самих энергетических установках, так и в машинах в целом. Одним из путей решения данной задачи для существующих энергетических установок с дизельным циклом является перевод их на газодизельный цикл работы. Для оценки экономической эффективности перехода на газомоторное топливо существуют различные показатели, которые в зависимости от выбранного аспекта, показывают целесообразность такой замены. В статье дается сравнительная количественная оценка рабочих процессов двигателя Д-243 с газодизельным циклом работы трактора МТЗ-82 при переводе на газомоторное топливо.
Ключевые слова: газомоторное топливо, переходный процесс, двигатель внутреннего сгорания.
Введение. Перевод энергетических установок транспортных и транспортно-технологических машин различного назначения на газомоторное топливо в настоящее время переходит от стадии пожеланий и планирования к стадии активной реализации. Приняты программы государственной поддержки на федеральном и региональном уровне для решения технических, технологических, организационных и хозяйственных вопросов, возникающих при решении данной задачи [11]. Перевод энергетических установок на газомоторное топливо позволит решить не только вопросы снижения себестоимости их эффективного использования, но и улучшить показатели рабочих процессов, как в самих энергетических установках, так и в машинах в целом [2, 7, 9].
Состояние вопроса. Перевод существующего парка транспортных и транспортно-технологических машин на газомоторное топливо требует значительных вложений, как на переоборудование самих энергетических установок, также и в создание необходимой инфраструктуры [6]. Одним из вариантов решения данной проблемы, на наш взгляд, является переход на газодизельный цикл работы. По результатам исследований ряда авторов [8, 10], при этом получается ощутимое преимущество: снижение расхода топлива находится в диапазоне 35-55% от предыдущих затрат на дизельное топливо.
В настоящее время существуют два варианта применения газодизельного цикла на дизельных энергетических установках (рисунок 1).
Перевода дизельной энергетической установки для работы на газовоздушной смеси путем воспламенения от искры связана с ее конвертацией и сопровождается с существенными изменениями ее конструкции. При таком способе необходимо, в первую очередь, снизить степень сжатия до принятых для искрового цикла 11-13 единиц, демонтировать имеющуюся традиционную дизельную топливную аппаратуру,
0 55 I» £
55 т П
установить систему зажигания и требуемое газобаллонное оборудование.
О ы
а
а
«
а б
Рисунок 1 - Способы перевода дизельных двигателей на газовое топливо
После выполнения операции конвертации, энергетическая установка работает только на газовом топливе, обратный перевод на жидкое топливо практически невозможен. Мощностные и экономические показатели конвертированных энергетических установок имеют примерно одинаковый уровень по сравнению с исходным вариантом, а состав отработавших газов по своим экологическим показателям улучшится.
В варианте с газодизельным циклом энергетическая установка потребляет два вида топлива: жидкое дизельное (в гораздо меньшем количестве, чем в базовом) и газовое топливо (для замещения). Подаваемое жидкое топливо играет роль «запальной» дозы для воспламенения газовоздушной топливной смеси. Параметры и дозы замещения зависят от технических, технологических и конструктивных факторов, и могут варьироваться в достаточно широких пределах. При этом необходимо отметить, что важным моментом при использовании газодизельного режима является факт возможности перехода на исходный дизельный режим в любой момент времени. Как правило, для этого достаточно выбрать переключателем режим работы энергетической установки.
Для работы в газодизельном режиме обычно используют пропан, как сжиженный нефтяной газ - СНГ, или метан, как природный газ - ПГ. У каждого вида из этих газовых топлив имеются свои преимущества и недостатки.
Использование сжиженного нефтяного га-за(СНГ) в качестве топлива для энергетических установок дает следующие преимущества:
- достаточно большая сеть существующих газовых заправок;
- применяемые газовые баллоны компактны и, как правило, имеют невысокую стоимость;
- быстрая окупаемость затрат на установку газобаллонного оборудования.
Недостатком использования СНГ для газодизельного режима обычно относят вопросы фи-
нансовой эффективности от полученной экономии (после окончания периода окупаемости первоначальных затрат,) который находится на достаточно невысоком уровне и составляет от 11% до 16% в расчете от предыдущих затрат на дизельное топливо.
Исходя из вышесказанного, в настоящее время считается, что для энергетических установок, работающих по газодизельному циклу, наиболее подходящим газомоторным топливом является сжатый (компримированный) природный газ (КПГ).
Для реализации варианта использования метана в качестве газомоторного топлива существуют два способа, отличающиеся, в основном, фазовым состоянием запаса применяемого газа. Применение метана (КПГ), хранящегося в сжатом состоянии в баллонах под высоким давлением (до 20 МПа) дает преимущество в высокой финансовой эффективности от экономии (после периода окупаемости вложенных первоначальных затрат). В зависимости от условий эксплуатации она составляет от 35 до 55% в расчете от предыдущих затрат на жидкое дизельное топливо.
При этом имеются и недостатки применения КПГ для газодизельного цикла, к которым относятся:
- малая плотность сети заправок, которая накладывает определенные ограничения на маршрут движения;
- недостаточно большая продолжительность работы энергетической установки на одной заправки;
- большие габаритные размеры используемых газовых баллонов;
- необходимость доработки топливного насоса высокого давления (ТНВД) при использовании КПГ;
- относительно высокие первоначальные затраты, которые увеличивают срок окупаемости конвертации.
Если использовать метан в сниженном состоянии (СПГ), то необходимо использовать специальные криогенные баллоны (давление 16 МПа) и температура около -155Со. Данный способ хранения и использования дает следующие преимущества:
- компактные газовые баллоны, которые занимают мало места;
- относительно низкая стоимость газобаллонного оборудования, что снижает срок окупаемости;
- достаточно привлекательная финансовая эффективность от экономии, которая составляет от 20 до 30% в расчете от предыдущих затрат на дизельное топливо.
При этом необходимо отметить и имеющиеся недостатки использования СПГ в качестве газомоторного топлива:
- очень малое количество имеющихся заправок для СПГ, что делает маршрут сильно зависимым от необходимой инфраструктуры;
- высокая стоимость применяемых криогенных баллонов;
- вероятность выброса газообразной фазы из баллонов для предотвращения чрезмерного повышения давления, что требует особых мер предосторожности при хранении и парковки с такими системами.
Опыт эксплуатации газодизельных автотранспортных средств позволяют утверждать о наличии следующих их преимуществ:
- уменьшение потребления жидкого дизельного топлива до 75-80% топлива за счет замещения его газом;
- снижение выброса твердых частиц в 1,5-2 раза и сажи в 2-3 раза;
- увеличение срока службы моторного масла в 1,5 раза;
- снижение уровня шума на 3-4 дБ(А);
- уменьшение износа цилиндро - поршневой группы в 1,5 раза.
В настоящее время имеется и другая точка зрения, в соответствии с которой преимущества газодизельного цикла ставятся под сомнение. В связи с этим, нам хотелось бы поделиться результатами лабораторных испытаний двигателя с дизельным Д-243 и газодизельными Д-243Г циклами работы [1].
Описания изменения показателей работы энергетических установок в условиях реальной эксплуатации является достаточно сложной задачей. Если их рассматривать как динамических объектов со стационарными характеристиками, то можно использовать методы идентификации динамических систем. Изменения количественных показателей оценки рабочих процессов в этом случае, можно описать решениями дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Применение принципа суперпозиции позволяет аппроксимировать любые законы нагружения энергетической установки комбинацией этих решений.
В нашем случае для вариантов сброса и на-броса нагрузки мы получили дифференциальные уравнения первого и второго порядка:
- для корректорной ветви регуляторной характеристики
Т^+М^ДМс. (1)
от
- для регуляторной ветви:
(2)
Ш Ш
В качестве оценочных характеристик энергетических установок были выбраны коэффициен-
ты дифференциальных уравнений, которые определялись по параметрам переходных функций при набросе и сбросе нагрузки [3, 4, 5].
Реакция показателей двигателей с дизельным циклом Д-243 и газодизельным циклом Д-243Г приведены на рисунках 2 -7.
V _
\ ' А / / / Л"'"
\ \ V; / ■ >7 ' и
\/ Л ч
/ ?ч\
1 1 1 \/ / \ ' \
_______
■ теоретичесие -
- Д- 243_
_Д - 243Г
Рисунок 2 - График изменения частоты вращения коленчатого вала при сбросе и набросе нагрузки
1 V / 1 . 1/1
\ /1 \(
Л / \1 Т\
4 ^ ч
--------- "X
Рисунок 3 - График изменения цикловой подачи топлива при сбросе и набросе нагрузки
О 55 I» £
55 т П
Рисунок 4 - График изменения расхода топлива при сбросе и набросе нагрузки
о ы
а
а
«
а б
----теоретичесие------------Д - 243_Д - 243Г
Рисунок 5 - График изменения крутящего момента коленчатого вала при сбросе и набросе нагрузки
\ 1 : ' у
\ 1 ': 1 1 1 \ \ /> / /
\ Л \ X 1 '
1 1 1 1 / г\
/ / 1 / ' и \ 1 \ ' V , \
\
----теоретичесие------------Д - 243_Д - 243Г
Рисунок 6 - График изменения мощности энергетической установки при сбросе и набросе нагрузки
\.....
Л 1 Л ; \ ! Т'
: : /
■ \ !\ \ vi / / у л/ ч/4-*
1 1 \ II / 11
\ 4 / ] \
/ / { ■ \
\Ч \ \
V т.л4
В таблице 1 представлены значения времени задержки начала переходного процесса по частоте вращения коленчатого вала и расходу топлива.
Таблица 1
Вид энергетической установки Время задержки для данного параметра т, с
частота вращения коленчатого вала цикловая подача топлива расход газа
Наброс нагрузки
Д-243Г 0,6 0,7 0,7
Д-243 0,7 0,8 -
Сброс нагрузки
Д-243Г 0,5 0,6 0,7
Д-243 0,6 0,7 -
В таблицы 2 приведены значения динамических характеристик различных систем топливо-подачи двигателя.
Таблица 2
Значения динамических характеристик двигателя для
Вид энергетической установки Динамические характеристики по показателям Т , с
частоты вращения коленчатого вала двигателя цикловой подача топлива расхода газа
наброс нагрузки
Д-243Г 2,58 2,36 1,94
Д-243 2,64 2,48 -
сброс нагрузки
Д-243Г 2,67 2,42 2,15
Д-243 2,79 2,53 -
Анализ результатов исследований. Сравнительные характеристики двигателей с дизельным и газодизельными циклами работы на лабораторных испытаниях по эффективным показателям работы приведены в таблице 3.
Таблица 3
Влияние неустановившегося характера нагрузки на пока-
Двигатель Относительные текущие отклонения от эталонных показателей,%
Расход топлива Крутящий момент Мощность Удельный расход топлива
Д-243Г 5,4-6,3 7,5-8,4 8,2-9,1 7,6-8,3
Д-243 11,5-12,7 12,1-13,2 13,5-14,1 12,6-13,4
Рисунок 7 - График изменения удельного расхода топлива при сбросе и набросе нагрузки
По выбранному количественному показателю можно утверждать:
1. имеется некоторое увеличение (0,1- 0,2 с) времени задержки изменения исследуемого показателя на сбросе и наброс нагрузки на дизельном режиме, чем на газодизельном;
2. усредненное значение времени задержки изменения переходного процесса при лабораторных исследованиях составляет 0,7...0,9 с.
Выводы. Проведенные лабораторные исследования энергетических установок показывают,
что при переводе их на газодизельную систему топливоподачи рассогласованность показателей рабочих процессов уменьшаются на 5,1...7,3%.
Литература
1. Медведев, В.М. Повышение эффективности функционирования машинно-тракторного агрегата с газодизельной системой подачи топлива./ В.М.Медведев// Диссертация кандидата технических наук. Уфа 2015 г.-169 с.
2. Вахрамеев, Д.А.Изменение инертности МТА как способ снижения динамических потерь. / Д.А.Вахрамеев, Р.Р. Шакиров // Сборник материалов Международной научно-практической конференции. - 2004. - С. 257-259
3. Халиуллин Ф. Х. Операторная форма решения уравнений для модели энергетических установок мобильных машин / Ф. Х. Халиуллин, В.М. Медведев // Вестник Казанского государственного аграрного университета. Казань. - 2014. - №2 - С. 7
4. Халиуллин Ф.Х. Влияние условий функционирования автомобилей КамАЗ на их экономичность с учетом динамических характеристик двигателя./ Автореферат дисс. на соискание уч. степени к. т. н.// Казань, 1992-16с.
5. Халиуллин Ф.Х., Медведев В.М., Ширияз-данов Р.Р. Математическая модель определения эксплуатационных показателей энергетических установок мобильных машин в неустановившихся режимах работы // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2015. Т. 10. № 1. С. 71-74.
6. Халиуллин Ф.Х., Галиев И.Г. Учет условий эксплуатации автотранспортных средств при определении нормативов технической эксплуа-тации//Вестник Казанского государственного аграрного университета.- 2011.- № 2 (20).- С.106-108.
7. Матяшин А.В. Обоснование параметров и режимов работы смесителя кормов периодического действия. / Автореферат дис. на соискание уч. степени к. т. н. // Казань, 1998-16с.
8. Medvedev, V.M. Operating conditions of the D-240 Engine based dual fuel gas-diesel engine of the agricultural tractjr/ Medvedev V.M., Ah-metzyanov I.R., Shiriyazdanov R.R., Khaliullin F.K/ «European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences» Proceedings of the 2nd International scientific conference (May 12, 2014). «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH. Vienna.2014.
9. . Khaliullin, F.K., Approaches for numerical simulation of mobile machines in actual operating conditions /Khaliullin F.K., Shiriyazdanov R.R., Ah-metzyanov I.R., Medvedev V.M./ International Conference «Global Science and Innovation»/ - USA. Chicago, may 21-22, 2014.
10. Ott T, Onder C, Guzzella L. Hybrid-Electric Vehicle with Natural Gas-Diesel Engine. Energies. 6(7): p. 3571-3592 2013 г.
11. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13 мая 2013 г. N 767-р «О расширении использования природного газа в качестве моторного топлива» г. Москва.
Comparative evaluation of dynamic characteristics of power
plants with a gas diesel cycle on a gas-motor fuel Khariullin F.Kh., Medvedev V.M., Matyashin A.V., Vak-hrameev D.A.
Kazan State Agrarian University
Currently, the translation of power plants of machines for various operational purposes is an urgent task. State support programs have been created at the federal and regional levels to solve technical, technological, organizational and economic issues arising in the process of solving this task. The conversion of power plants to gas engine fuel will allow to solve not only the issues of reducing the cost of their effective use, but also to improve the performance of work processes both in the power plants themselves and in the machines as a whole. One of the ways to solve this problem for existing power plants with a diesel cycle is to convert them to a gas-diesel cycle. To assess the economic efficiency of the transition to gas fuel there are various indicators that, depending on the selected aspect, show the feasibility of such a replacement. The article provides a comparative quantitative assessment of the working processes of the D-243 engine with a gas-diesel cycle of operation of the MTZ-82 tractor when converted to gas-engine fuel. Key words: gas engine fuel, transient, internal combustion engine.
References
1. Medvedev, V.M. Increase of efficiency of functioning of the machine-tractor unit with gas-diesel fuel supply system. / V.M.Medvedev // Thesis of a Cand.Tech.Sci. Ufa 2015 - 169 p.
2. Vakhrameev, D.A. Change of MTA inertia as a way to reduce
dynamic losses. / D.A. Vakhrameev, R.R. Shakirov // Collection of materials of the International Scientific and Practical Conference. - 2004. - p. 257-259
3. Khaliullin F. Kh. Operator form for solving equations for a
model of power plants of mobile machines / F. Kh. Khaliullin, VM Medvedev // Bulletin of Kazan State Agrarian University. Kazan - 2014. - №2 - p. 7
4. Khaliullin F.Kh. The influence of the operating conditions of
KamAZ vehicles on their efficiency, taking into account the dynamic characteristics of the engine. on competition uch. Degree KTT. N. Kazan, 1992-16c.
5. Khaliullin F.Kh., Medvedev V.M., Shiriyazdanov R.R. Mathematical model for determining performance indicators of power plants of mobile machines in unsteady operation modes // Bulletin of Kazan State Agrarian University. 2015. Vol. 10. No. 1. P. 71-74.
6. Khaliullin F.Kh., Galiev I.G. Consideration of the conditions of
operation of vehicles in determining the standards of technical operation // Bulletin of Kazan State Agrarian University.- 2011.- № 2 (20) .- P.106-108.
7. Matyashin A.V. Justification of the parameters and modes of
operation of the batch feed mixer. / Abstract dis. on competition uch. Degree Candidate // Kazan, 1998-16c.
8. Medvedev, V.M. D-240 Engine-Based Gasoline-Diesel Engine
/ Gasoline / Diesel Engine VM, Ahmetzyanov IR, Shiriyazdanov RR, Khaliullin FK / RD (May 12, 2014). "East West" Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH. Vienna.2014.
9. . Khaliullin, F.K., Approaching for Numerical Simulation, R.K.,
Ahmetzyanov I.R., Medvedev V.M. / International Conference "Global Science and Innovation" / - USA. Chicago, may 21-22, 2014.
10. Ott T, Onder C, Guzzella L. Hybrid-Electric Vehicle with Natural Gas-Diesel Engine. Energies. 6 (7): p. 3571-3592 2013
11. Order of the Government of the Russian Federation of May 13, 2013 N 767-p "On the expansion of the use of natural gas as a motor fuel", Moscow.
О R U
£
R
n
