Улучшение эффективных показателей дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем совершенствования процессов сгорания и тепловыделения Гребнев Алексей Владимирович

Содержание к диссертации

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 7

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 11

1. Перспективы применения природного газа в дизелях 11

2. Особенности применения природного газа в качестве 23 моторного топлива для дизелей

3. Особенности процессов воспламенения и горения природного 31 газа в дизелях

4. Модели горения и воспламенения метана в цилиндре дизеля 40

5. Влияние природного газа на показатели рабочего процесса 45 в дизелях

6. Влияние природного газа на показатели рабочего процесса 45 безнаддувного дизеля

7. Влияние природного газа на показатели рабочего процесса 50 дизеля с турбонаддувом

8. Влияние промежуточного охлаждения наддувочного воздуха 55 на показатели рабочего процесса дизелей

1.6. Цели и задачи исследований 57

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО 59
ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ 4ЧН 11,0/12,5 С ПОНВ ПРИ РАБОТЕ

НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ

9. Модель горения запального ДТ в цилиндре дизеля 59 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на природном газе

10. Модель воспламенения МВС в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 69 с ПОНВ при работе на природном газе

11. Расчет периода задержки воспламенения при работе дизеля 75 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на природном газе

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 83

12. Объект испытаний 83

13. Методика стендовых исследований работы дизеля 84 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на природном газе

3. Особенности экспериментальной установки, приборов и 89 оборудования, применяемых для исследования рабочего процесса дизеля при работе на природном газе

4. Методика расчета выбросов вредных газообразных веществ 101

5. Методика обработки результатов исследований 102

4. УЛУЧШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ 105

4ЧН 11,0/12,5 С ПОНВ ПРИ РАБОТЕ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СГОРАНИЯ И ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ

4.1. Влияние применения природного газа на эффективные, 105
токсические показатели и показатели рабочего процесса дизеля
4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения
установочного УОВТ

1. Влияние применения природного газа на эффективные 105 показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ

2. Влияние применения природного газа на токсические 108 показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ

3. Влияние применения природного газа на индикаторные 113 показатели, показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от

изменения установочного УОВТ

4.2. Влияние применения природного газа на индикаторные 136
показатели и характеристики тепловыделения дизеля

4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от угла поворота коленчатого вала

4.3. Влияние применения природного газа на показатели процесса 143
сгорания и характеристики тепловыделения дизеля

4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ

4.3.1. Влияние применения природного газа на показатели процесса 143
сгорания и характеристики тепловыделения дизеля

4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения нагрузки

4.3.2. Влияние применения природного газа на показатели процесса 153
сгорания и характеристики тепловыделения дизеля

4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала

Влияние применения природного газа на эффективные 159

показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ

1. Влияние применения природного газа на эффективные 159
показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ

в зависимости от изменения нагрузки

2. Влияние применения природного газа на эффективные 166
показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от
изменения частоты вращения коленчатого вала

Влияние применения природного газа на токсические 170

показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ

1. Влияние применения природного газа на токсические 170 показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения нагрузки

2. Влияние применения природного газа на токсические 175 показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 179

ПРИРОДНОГО ГАЗА В КАЧЕСТВЕ МОТОРНОГО ТОПЛИВА В АВТОМОБИЛЬНОМ ДИЗЕЛЕ 4ЧН 11,0/12,5 С ПОНВ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 184

ЛИТЕРАТУРА 187

ПРИЛОЖЕНИЯ 205

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

3. п - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин"¹

4. р_е - среднее эффективное давление, МПа

5. N_e — эффективная мощность дизеля, кВт

6. М_к- крутящий момент дизеля, Н-м

7. G_B- часовой расход воздуха, кг/ч

8. _4v - коэффициент наполнения

9. Gt - часовой расход топлива, кг/ч

10. G_T s - суммарный часовой расход топлива, кг/ч

11. g_e - эффективный удельный расход топлива, г/(кВт-ч)

Ю. g_es - суммарный эффективный удельный расход топлива, г/(кВт-ч)

11. а - коэффициент избытка воздуха

12. А, - степень повышения давления

13. л_е - эффективный коэффициент полезного действия

14. t_r - температура отработавших газов, С

15. Р_к — давление наддува, МПа

16. tn - температура во впускном трубопроводе на выходе из турбокомпрессора, С

17. t_oxn- температура во впускном трубопроводе на выходе из охладителя, С

18. 0_впр - установочный угол опережения впрыскивания топлива, градус

19. впрд> впргд - установочный угол опережения впрыскивания дизельного топлива и запальной порции дизельного топлива при работе на природном газе, соответственно, градус

20. Т - осредненная температура газов в цилиндре, К

21. р - давление в цилиндре, МПа

22. р_с— давление в конце сжатия, МПа

23. Тщах - максимальная осредненная температура газов в цилиндре, К

24. p_{z max} - максимальное давление сгорания в цилиндре, МПа

25. dp/dcp — скорость нарастания давления газов в цилиндре дизеля, МПа/градус

26. (dp/d(p)_max - максимальная скорость нарастания давления газов в цилиндре дизеля, МПа/градус

27. фі - угол поворота коленчатого вала, соответствующий периоду задержки воспламенения, градус

28. ф - угол поворота коленчатого вала относительно верхней мертвой точки, градус

29. фтпмх ^— угол поворота коленчатого вала относительно верхней мертвой точки, соответствующий достижению в цилиндре максимальной осредненной температуры газов, градус

30. ф₂ - угол поворота коленчатого вала относительно верхней мертвой точки, соответствующий достижению в цилиндре максимального давления сгорания, градус

31. ф_с - угол поворота коленчатого вала относительно верхней мертвой точки, соответствующий началу видимого сгорания, градус

32. % — относительное тепловыделение от сгорания топлива

33. % - активное тепловыделение

34. d%/ckp — скорость относительного тепловыделения, 1/град

35. (dx/ckp)_max - максимальная скорость относительного тепловыделения, 1/град

36. XiTmax — активное выделение теплоты, соответствующее максимальной температуре

37. Xip_Zmax — активное выделение теплоты, соответствующее максимальному давлению сгорания

38. С - дымность, ед. по шкале Bosch

39. NO_x - объемное содержание оксида азота, ррт

40. СО - объемное содержание оксида углерода, %

41. СО2 - объемное содержание диоксида углерода, %

42. СН_Х - объемное содержание суммарных углеводородов, %

43. ПОНВ — промежуточное охлаждение наддувочного воздуха

44. УОВТ — угол опережения впрыскивания топлива, градус

45. ПЗВ - период задержки воспламенения

46. ЦПГ - цилиндро-поршневая группа

47. ДТ - дизельное топливо

48. ПГ — природный газ

49. МТ - моторное топливо

50. ОГ - отработавшие газы

51. КС - камера сгорания

52. п.к.в. — поворот коленчатого вала

53. ВМТ — верхняя мертвая точка

54. НМТ - нижняя мертвая точка

55. МВС - метано-воздушная смесь

56. АТС — автотранспортное средство

57. ДВС - двигатель внутреннего сгорания

58. КПД - коэффициент полезного действия

Введение к работе

В настоящее время в мировом двигателестроении существует тенденция повышения эффективной мощности ДВС путем форсирования по среднему эффективному давлению. Применительно к дизелям для этой цели широко используют турбонаддув, а также промежуточное охлаждение наддувочного воздуха. Вместе с тем, возможность использования в таких дизелях вместо традиционного, дизельного топлива, альтернативных видов топлива еще недостаточно изучена и является важной задачей для научных исследований. Применение альтернативных видов топлива в настоящее время также продиктовано Концепцией развития отечественного автомобилестроения на период до 2010 г., одобренной Правительством Российской Федерации.

Среди всех альтернативных топлив важнейшее место занимает ком-примированный природный газ (метан). Его преимуществами являются высокая теплотворная способность, высокая полнота сгорания, вследствие простоты химической формулы и хорошей перемешиваемости с воздухом, низкое содержание токсичных компонентов в ОГ при сгорании в цилиндре дизеля. Природный газ также обладает низкой стоимостью (50 % от стоимости бензина АИ-80), а сеть газовых заправок в настоящее время расширяется.

Цель исследований. Улучшение эффективных показателей дизеля с ПОНВ 4ЧН 11,0/12,5 при работе на ПГ путем совершенствования процессов сгорания и тепловыделения.

Объект исследований. Дизель 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245.7) с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ, работающий на альтернативном топливе - компри-мированном ПГ - по газодизельному процессу.

Научная новизна работы.

1. Результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ПГ на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, мощностные, экономические и токсические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ.

2. Модель горения запального ДТ в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с

ПОНВ при работе на ПГ.

3. Модель воспламенения МВС в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ.

4. Расчет ПЗВ при работе дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ПГ.

5. Рекомендации по применению ПГ в качестве МТ в дизеле 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований. Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской и Нижегородской государственных сельскохозяйственных академий, Чебоксарском институте (филиале) Московского государственного открытого университета, Сыктывкарском лесном институте (филиале) Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии при чтении лекций, на лабораторных занятиях, курсовом и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специальностям 311300 (110301) и 150200 (190601).

Экономическая эффективность. При работе дизеля на ПГ суммарные массовые выбросы токсичных веществ в атмосферу снижаются на 25 %, а экономическая эффективность от снижения ущерба, наносимого токсичными компонентами, выбрасываемыми в атмосферу с ОГ составляет 42535 руб. в год. Годовой экономический эффект от экономии ДТ составляет 27930 руб. (в ценах на 1.03.2008 г.).

Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 24 плана НИР ФГОУ ВПО Вятская ГСХА (г. Киров) на 2006...2010 гг. (номер государственной регистрации 01.2.006-0989 Г).

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения ПГ на процесс сгорания, характеристики тепловыделения, мощностные, экономические и токсические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ.

2. Модель горения запального ДТ в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с

ПОНВ при работе на ПГ.

6. Модель воспламенения МВС в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ПГ.

7. Расчет ПЗВ при работе дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на ПГ.

8. Рекомендации по применению ПГ в качестве МТ в дизеле 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ с камерой сгорания ЦНИДИ.

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 52-й и 53-й научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов инженерного факультета Вятской ГСХА, 2005, 2006 гг. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); 5-й, 6-й, 7-й и 8-й городских научных конференциях аспирантов и соискателей «Науке нового века - знания молодых», 2005...2008 гг. (Вятская ГСХА, г. Киров); Всероссийской научно-практической конференции «Роль науки в формировании специалиста», Региональной научно-практической конференции вузов приволжского региона «Инновации в образовательном процессе», 2006 г. (Чебоксарский институт (филиал) МГОУ, г. Чебоксары); Научно-практической конференции «Совершенствование технологии и средств механизации производства продукции растениеводства и животноводства», 2006 г. (НИИСХ Северо-Востока, г. Киров); 17-й научно-практической конференции кафедр «Тракторы и автомобили» вузов Поволжья и Предуралья «Повышение технико-экономических и экологических показателей двигателей, тракторов, автомобилей в сельскохозяйственном производстве», 2007 г. (ФГОУ ВПО Нижегородская ГСХА, г. Н. Новгород); 1-й и П-й Всероссийских научно-практических конференциях «Наука -Технология - Ресурсосбережение», 2007, 2008 гг. (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров); ІХ-й и Х-й Международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». Мосоловские чтения, 2007, 2008 гг. (ГОУ ВПО «Марийский ГУ», г. Йошкар-Ола); Международной научной конферен-

10 ции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, докторантов и аспирантов, 2008 г. (ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», г. Санкт-Петербург-Пушкин).

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 25 печатных работах, включая монографию объемом 9,69 п.л., 2 статьи в центральном журнале, входящем в перечень ВАК РФ, и статьи общим объемом 8,2 п.л., в т.ч. в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций опубликовано 9 статей. Без соавторов опубликовано 11 статей общим объемом 3,6 п.л.

Похожие диссертации на Улучшение эффективных показателей дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем совершенствования процессов сгорания и тепловыделения

Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газахСкрябин Максим Леонидович

Улучшение эффективных показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем оптимизации процессов сгорания и тепловыделенияРудаков Леонид Викторович

Улучшение эффективных показателей тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) путем применения природного газа и оптимизации процессов сгорания и тепловыделенияДеветьяров Руслан Раифович

Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч11,0/12,5 при работе на этаноло-топливной эмульсии путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газахЗонов, Антон Васильевич

Повышение показателей работы тракторного дизеля за счет испарительного охлаждения наддувочного воздуха Сафронов Александр Сергеевич

Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения дымности отработавших газовРоссохин Алексей Валерьевич

Улучшение экологических показателей дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения содержания оксидов азота в отработавших газахОлейник Михаил Анатольевич

Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов Лопатин Олег Петрович

Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии путем снижения дымности отработавших газовТоропов Алексей Евгеньевич

Улучшение показателей дизеля в условиях эксплуатации повышением стабильности работы топливной аппаратурыЛепешкин Дмитрий Игоревич