Разработка системы газоподачи для транспортного газодизельного двигателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Калиниченко, Владислав Владимирович

• Калиниченко, Владислав Владимирович
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Калиниченко, Владислав Владимирович

Введение.

Глава

Анализ особенностей газодизельного рабочего процесса

Глава

Исследования и усовершенствования математической модели рабочего процесса.

2.1. Функциональное назначение программы.

2.2. Математическая модель.

2.3. Параметры настройки модели.

2.4. Дополнительные данные для расчета динамики тепловыделения.

2.5. Выходная информация.

2.6. Результаты расчета.

Глава

Создание системы газоподачи.

3.1. Обоснование выбора схемы газоподачи.

3.2. Требования безопасности для газодизельных и газовых двигате лей.

3.3. Рекомендации по применению систем газоподачи.

3.4. Описание системы газоподачи.

Глава

Разработка экспериментальной базы и методов исследования

4.1. Цель экспериментального исследования.

4.2. Стендовая экспериментальная установка и объект испытаний

4.3. Основные расчетные формулы.

Глава

Опытно - промышленная проверка разработанной системы газоподачи.

5.1. Определение целесообразности выбранной системы газоподачи.

5.2. Отработка конструктивных элементов системы газоподачи

5.3. Доводка рабочего процесса, газоподающей аппаратуры и системы регулирования.

5.4. Оптимизация дозы запального топлива тепловозного газодизеля.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы газоподачи для транспортного газодизельного двигателя»

Преобладающим видом энергетических установок на наземном и водном видах транспорта являются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В большинстве из них используется жидкое нефтяное топливо различного фракционного состава. Автомобили большой мощности, тракторы, тепловозы, суда речного и морского флотов в основном оснащены дизельными двигателями, потребляющими дизельное топливо или мазуты. Дизельное топливо, бензин и керосин образуют группу светлых нефтепродуктов, которые производят из сырой нефти путем достаточно сложной переработки. При существующих технологиях переработки выход этих продуктов не превышает 45% от исходного количества сырой нефти.

В последние два десятилетия произошло снижение удельного расхода жидкого топлива на грузовом автомобильном транспорте в 1,7 раза, на морском в 1,8 и на речном в 2 раза. Это достигнуто за счет обновления парка транспортных средств и использования новых высокоэффективных двигателей. Несмотря на это расход светлых нефтепродуктов на транспорте и в энергетике постоянно растет. Причина этого кроется в непрерывно растущих потребностях в энергии и транспортном обслуживании. Дефицит нефтяных топлив усугубляется истощением основных месторождений, которые удобно расположены и имеют нефтеносные пласты относительно неглубокого залегания. Новые месторождения зачастую расположены в удаленных и труднодоступных местах с малой плотностью населения. Это приводит к удорожанию добычи, повышению затрат на транспортировку и переработку нефти. Кроме того, нефть является ценным сырьем для химической промышленности.

В то же время, в условиях постоянного дефицита дизельного топлива и его дороговизны газообразное топливо имеет ограниченное 3 применение в поршневых ДВС. Это нуждается в специальном исследовании.

За счет использования природного газа в качестве моторного топлива на транспорте и в локальных теплоэлектростанциях можно сократить дефицит дизельного топлива и существенно снизить себестоимость выработки энергии. К тому же природный газ не требует никакой химической подготовки. Для использования его в качестве моторного топлива достаточно механической очистки и удаления капельной влаги. Значительный интерес для использования газообразного топлива в ДВС представляет также большие запасы в России и мире природного газа и возможность работы на других видах газов (попутном нефтяном, биогазе, генераторном).

Анализируя структуру потребления топливо - энергетических ресурсов, в последние годы устойчиво растет доля природного газа, это объясняется его высокими потребительскими свойствами, а также значительно меньшей стоимостью эквивалентного количества энергии в сравнении с нефтью, а тем более углем.

Нефть является самым распространенным топливом для энергетических установок с поршневыми ДВС, но одновременно и ценнейшим сырьем для нефтехимической промышленности не имеющем замены в обозримом будущем. Даже, более того имеется тенденция к использованию нефти исключительно в качестве сырья для микробиологической и химической промышленности.

Обеспечение растущих потребностей энергетики и транспорта в дешевом и экологически чистом моторном топливе, а также необходимость в более эффективном использовании природных ресурсов побуждает искать решение в расширении фракционного состава и в поисках альтернативных видов топлив.

Один из способов экономии жидкого топлива - это использование газодизельного цикла (ГДЦ), с замещением в конвертированном 6 дизеле или специально спроектированном двигателе основной части дизельного топлива природным газом. Воспламенение заряда при ГДЦ осуществляется за счет использования запальной дозы жидкого топлива. Мощность факела запального топлива значительно выше, чем у двигателей с искровым зажиганием, что благоприятно сказывается на эффективности рабочего процесса. Применение газодизельного рабочего процесса позволяет снизить эксплуатационный расход жидкого топлива на 80%, дымность отработавших газов в 3-4 раза. Снижение эмиссии оксидов углерода и углеводородов достигает 8590%, а оксидов азота на 50-60%. Еще одним преимуществом газодизельных двигателей является возможность перехода с газообразного топлива на дизельное топливо и обратно, без остановки и сброса нагрузки.

К работам по конвертированию дизельных двигателей на газодизельный процесс «Коломенский завод» совместно с ВНИИГАЗом, ВНИТИ и ВНИИЖТ приступили в 1985 году.

Автор выражает глубокую признательность д.т.н. Васильеву Ю.Н., д.т.н. Никитину Е.А., д.т.н. Хуциеву А.И., д.т.н. Крупскому М.Е., к.т.н. Ширяеву В.М., к.т.н. Аразову В.П., к.н. Рыжову В.А., к.т.н. Ула-новскому Э.А. и другим оказавшим большую помощь в работе над диссертацией.

Настоящая работа посвящена перспективам развития, проблемам доводки, а также конструктивным мероприятиям по созданию высокоэффективных газодизельных двигателей.

Основной задачей данной диссертационной работы является разработка методики выбора оптимальной схемы газоподачи для транспортного газодизельного двигателя применительно к магистральному тепловозу и разработка рекомендаций по конвертированию дизельных двигателей различного назначения в газодизели. fl

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Калиниченко, Владислав Владимирович

Основные результаты и выводы

1. На примере исследований системы газоподачи тепловозного газодизель-генератора 1ГДГ установлено, что для транспортных газодизельных двигателей наиболее приемлема электронная система управления газоподачей с электромагнитным клапаном-дозатором и возможностью широкого регулирования параметров газоподачи в зависимости от режима работы газодизеля.

2. Для газодизель-генераторов применяемых для электростанций возможно применение системы с подачей газа на всасывание в турбокомпрессор. Это позволит обойтись минимальными переделками базового дизеля. Для обеспечения достаточной скорости набора нагрузки целесообразно применять схему с. регулированием частоты вращения за счет увеличения подачи жидкого топлива с последующим замещением его газообразным на установившемся режиме.

3. Предложенная методика расчета рабочего процесса газодизельных двигателей позволяет достичь приемлемой точности расчетов за счет настройки модели и выборов постоянных коэффициентов по имеющимся опытным данным двигателей аналогичного назначения и конструкции.

2. Разработанная конструкция системы газоподачи тепловозного газодизель-генератора позволяет использовать ее и для двигателей другого назначения, например для морских буровых платформ и двигателей другой размерности. Применение разработанной конструкции системы газоподачи позволяет обеспечить высокий 1 уровень форсировки газодизельных двигателей, высокую экономичность и обеспечивает возможность конвертирования в газодизели дизелей различного конструктивного исполнения с минимальными

129 затратами даже в условиях неспециализированных мастерских и депо.

5. Экспериментально подтверждена возможность работы тепловозного газодизельного двигателя с дозой запального топлива 7% от цикловой подачи при дизельном процессе, но, учитывая характер работы тепловоза, принята доза запального топлива 15%. На режимах работы характерных для электростанций применима доза запального топлива 10% с использованием штатной топливной аппаратуры дизельного прототипа.

6. Разработанные рекомендации позволяют на этапе проектирования газодизельного двигателя выбрать тип системы газоподачи экономически оправданный в конкретных условиях безопасный и надежный в эксплуатации.

130

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Калиниченко, Владислав Владимирович, 2001 год

1. Аксенов Д.Т., Генкин К.И., Струнге Б.Н. Газовые двигатели ГД100 и агрегаты на их базе, Л, Недра, 1970.

2. Балакин В.И., Нижник М.Е. Применение газообразных топлив в двигателях внутреннего сгорания. Обзорная информация, М, ЦНИИТЭИтяжмаш, 1983. Вып. 5.

3. Боксерман Ю.И., Мкртчан Я.С., Чириков К.Ю., Перевод транспорта на газовое топливо. М, Недра, 1988.

4. Васильев Ю.Н., Гриценко А.И., Золотаревский Л.С., Мужливский П.М. Природный газ в качестве моторного топлива. Ж. Газовая промышленность. № 12. 1986.

5. Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С., Ксенофонтов С.И., Мужливский П.М., РенковА.С. Газодизельный двигатель. Ж. Газовая промышленность. 1984. № 11.

6. Васильев Ю.Н., Мкртчан Я.С., Трегубов И.А., Беляев И.Г. Транспорт сжиженного газа танкерами. Ж. Газовая промышленность, 1979, №3.

7. Васильев Ю.Н.,, Нижник М.Е., Трегубов И.А. и др. РТМ «Методические основы создания газовых двигателей на базе дизелей судовых, стационарных, тепловозных и промышленных. М. ВНИИГАЗ, 1975.

8. Васильев-Южин P.M., Бердунов Е.И., Косенков А.А. Влияние повышенной влажности воздуха на показатели дизеля с газотурбинным наддувом и воздухоохладителем. Тр. ЦНИДИ, Вып.:5, Л. 1972.

9. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. М-Свердловск, Машгиз.1962.

10. Вуколович М.П. и др. Термодинамические свойства газов. М, Л, 1983.

11. Гайнулин Ф.Г., Гриценко А.И., Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С. Природный газ, как моторное топливо на транспорте. М, Недра, 1986.

12. Ганин Н.Б. Поэлементное совершенствование выпускных систем двигателей с наддувом. Автореферат кандидатской диссертации. Л, ЦНИДИ, 1985.

13. Генкин К.И. Газовые двигатели. М, Машиностроение, 1977.

14. Гончар Б.М. Численное моделирование рабочего процесса дизелей. Энергомашиностроение, Л, 1968, №7.

15. Гончар Б.М. Численное моделирование рабочего процесса по методу ЦНИДИ. Дизели. Справочник (под ред. Ваншейдта В.А. и др.) л. Машиностроение, 1977.131

16. Дизель, работающий на природном газе. "Mitsui Zo-sen Techn. Rev." N 128, 1986.

17. Еремин Ю.Т. Расчетные исследования задержки самовоспламенения дизеля. В кн. Опыт создания турбин и дизелей. Вып. 2. Свердловск, 1972.

18. Загоруйченко В.А., Журавлев A.M., Теплофизиче-ские свойства газообразного и жидкого метана. М. Издание Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при СМ СССР, 1969.

19. Загорский М.В., Крюков А.Д., Фофанов Г.А. Газотепловоз ТЭМ18Г. Обеспечение пожаро и взрывобезопасности, Локомотив,№7 1999 г.

20. Загорский М.В., Фофанов Г.А. Создание маневрового газотепловоза мощностью 882 кВт. Ж. Машиностроение №7 1998 г.

21. Загорский М.В., Крюков А.Д., Фофанов Г.А. Маневровый газотепловоз ТЭМ18Г. Ж. Локомотив, №6 1998 г.

22. Иванченко Н.Н., Красовский О.Г., Соколов С.С. Высокий наддув дизелей. Л. Машиностроение. 1983.

23. Коллеров Л.К. Энергетические установки с газовыми поршневыми двигателями. Л, Машиностроение , 1979.

24. Коллеров Л.К. Газовые двигатели поршневого типа, Л. Машиностроение, 1968.

25. Коллеров Л.К. Газомоторостроение за рубежом. Ж. Энергомашиностроение, 1974 №29.

26. Красовский О.Г. Численное моделирование нестационарных процессов в газовоздушном тракте двигателя. Тр. ЦНИДИ. Совершенствование и создание форсированных двигателей, Л., 1983.

27. Красовский О.Г., Гончар Б.М., Численное моделирование процессов в дизелях. Тр. ЦНИДИ. Технический уровень двигателей внутреннего сгорания. Л. 1984

28. Красовский О.Г., Матвеев В.В., Программа численного моделирования рабочего процесса дизеля с различными системами воздухоснабжения. Тр. ЦНИДИ Повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей тепловозных дизелей. Л. 1983

29. Красовский О.Г., Разработка и испытания макета двигателя с электроуправляемыми системами топливоподачи и газораспределения. (Отчет, книга II, Тема 15-1058, Инв. № ВНТИЦ 0285.0. 054097). Л., 1985.

30. Лышко Г.П. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости. М. Колос, 1979.132

31. Материалы финско-советского симпозиума 29 октября 1987 г. в Москве. «Энергопроизводство и суперблочная техника в нефтегазовой промышленности» R. Vestergren/ Lsa 09.04.1987.

32. Нижник М.Е. Наддув четырехтактного газового двигателя. Технический отчет по теме 3-338 ЦНИДИ, Л, 1987.

33. Нижник М.Е. Научно исследовательские работы по созданию мотор-генератора мощностью 500 кВт с газовым двигателем. Технический отчет по теме 2И 876, № гос. Регистрации 79019880, Л, ЦНИДИ, 1981.

34. Нижник М.Е., Пшенко Д.У., Росляков А.Н., Фомин В.П. Совершенствование систем топливоподачи двигателей, НИИинформтяжмаш, 1977.

35. Семенов Б.Н. Применение сжиженного газа в судовых дизелях, Л. Судостроение, 1969.

36. Орлин А.С. и коллектив авторов. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Изд. 2, М, Машиностроение, 1970.

37. Отчет «Создание экспериментального образца газодизеля и проведение испытаний» Тема 21 1087, Гос. Регистр. №0185.0031006, Л, ЦНИДИ, кн. 1 и 2 , 1987.

38. Патент № 1724916, Устройство подачи газа для двигателя внутреннего сгорания, 1992 , бюл.№13.

39. Патент №1758262, Двигатель внутреннего сгорания работающий по газожидкостному циклу, 1992, бюл. №32.

40. Патент №1760144, Регулятор давления газа двигателя внутреннего сгорания стурбонаддувом, 1992 бюл. №33.

41. Патент №2076225 Способ регулирования газожидкостного двигателя внутреннего сгорания. 1997 Бюл. №9.

42. Патрахальцев Н.Н., Шкаликова В.П. Применение альтернативных топлив в дизелях. Двигатели внутреннего сгорания, М, ЦНИИТЭИтяжмаш, №30, 1983.

43. Пойда А.А. Испытания и доводка газогенераторных тепловозов. Отчет по теме И-073-56, ВНИИЖТ, М, 1956,

44. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков, 1980

45. Толстов А.И. Индикаторный период запаздывания воспламенения и динамического цикла быстроходного двига133теля с воспламенением от сжатия, М, Машгиз, Труды НИЛД, №1 1955.

46. Федьшин А.Р., Михайлов Л.И. Судовое дизеле-строение Японии. Судостроение за рубежом. №10, Судостроение за рубежом. №10, Отчет по теме Лт-04-58, р 1, ВНИИЖТ, М, 1958,

47. Федорко Л.П. Зарубежные судовые двухтопливные двигстели внутреннего сгорания. Судостроение за рубежом, №3, 1985.

48. Финогенов А.Н. Экспериментальное исследование распределеннного распыла топлива по поперечному сечению факела. Труды ЦНИДИ. Совершенствование и создание форсированного двигателя. Л, 1982.

49. Фофанов Г.А., Григорович Д.Н. Компьютерная система для испытаний тепловозов и тепловозных дизелей. Вестник ВНИИЖТ №3, 1997.

50. Фофанов Г.А., Коробков Ю.П. Топливо для локомотивов природный газ, Железнодорожный транспорт, №4 1998 г.

51. Энергосберегающие системы компании MWM Diesel Und Gastechnik GmbH. Diesel & Gas Turbine Worldwide, N1, b.20, 1988. 6LG32X marine gas diesel developed by Fudji Diesel. Zosen, №4, 1982.

52. Acker George H. Dual fuel development for an LNG marine engine. SAE Techn. Pap. Ser." N880778, 1988.

53. Allen extends in line range to 2900 bhp wis tupe 370. Fairplay Int Ship Weakly. 1992.

54. Automatische Anpassung von aufgeladewen Zweis-toffmotoren fQr Diesel-Gas-Betrieb, MTZ, №6, 1982.

55. BN tries natural gas as loco fuel. "Railway Gazette International" August, 1986.

56. Christoph K., Cartellier W., Pfeifer V. Die Bewertung der Klopffestigkeit von Kraftgasen mittels der Methanzahl und deren praktische Anwendung bei Gasmotoren. MTZ, N10, 1972.

57. Cooprider Noel L Duel fuel ТЕ plant demonstrates efficiency , Diesel and Gas Turbine Progress, , №4, 1975.

58. Daugas C. Gas bad engines progress "Societe d'etudes de machines thermiques S.E.M.T. Pielstick". October. 1984.

59. Dieselmotoren fur Naturgasbetrieb von Hawker Sid-deley, MTZ, №1, 1972.

60. Engesser В RTA Zweiftobbmotor Erdgafantetle oon dieseloe "Techn. Rdsch. Sulzer" N 1, 1987.134

61. Engines in the gas industry. Gas World, 1972

62. Enussions and Fuel Economy of a Prechamber Diesel Engine with Natural Gas Dual Fuelling. " SAE Techn. Pap. Ser." N 860069, 1986.

63. Gart Eldren N Pereival james What will power future non-hiway transportation, Automot Eng. . №10, 1979.

64. Huru RW Engine Technology for alternative fuels, SAE Techn. Pap. Ser. №800663, 1980.66. lamoulle A. Gas de boues pour motors dual-fuel Semin int combast replacement, Liege 25 27 Maj., Liege, 1981.

65. Ireland CW Mogden were sewage warks. APE Eng., . №10, 1975.

66. Karim G.A. Wierba 1 Camparative studies of methane and propane as fuels for spark ignition engines "SAE Techn. Pap. Ser. N 831196, 1983/

67. Karin G.A., Amcozegar N. Determination of the performance af a dual fuel diesel engine with the addition of various liquid fuels to the intake charge. "SAE Techn. Pap. Ser." N 830265, 1983.

68. Klaunig Wolfgang, Will Kurt, Athenstaedt Gemot beistungs-und Verbrauchsoptimierung am MAN Diesel-Gas motor 52/55 ADG, MTZ, №10, 1982.

69. Komoda Testio, Marakami Satoshi, Toshioka Saije, Obara Takash. Mitsui Zosen Techn. Rev. N 121, 1984.

70. L'alimentation des moderns alternatives a combustion interne en combustibles garner Dangers G, Entropy, ,№105, 1982.

71. Natural gas will fuel bulk courier. Motor Ship, №725,1980.

72. NKK proposes dual fuel diesel LNGC with reliqnefac-tion, N 777, 1985, A 34 - A - 35/

73. Pielstik tests on oft biogas diesels give promising results Dangas M, Mod Power Sijst, №2, 1983.

74. Pioneering gas fuelled ship." Shipbuild & Mar. Eng. Int." N 1259, 1982.

75. Pionering gas-fuelled ship. Shipbuilding and Mar. Eng. Int. №1259, 1982.

76. Sulzer RTA Dual-Fuel marine engines "Schiff und Ha-ben" N 3, 1986.135

77. Walter Knecht, Meinrad Signer, and Fritz Papst, New IVECO LPG Engines far Tracks and Bases. " SAE Techn. Pap. Ser." N852329. Chicago Illinois, December, 1985.

78. Woschni G., Anisitis F. Eine Methode zuz Verdusber-echnung der Anderung des Brennverlaufes mittelschnellawfenger Dieselmotoren bei geanden Betriebs bedingungen. MTZ, 34, 1973.