Улучшение экологических и экономических характеристик газопоршневого двигателя Камаз 820. 20

Вид материала

Документы

Подобный материал:

• Освоить методику определения нагрузочных характеристик и получить на ЭВМ графические, 176.13kb.
• Улучшение экологических характеристик дизеля регулированием состава смесевого биотоплива, 255.42kb.
• Темы докладов: Экология нефтегазовой отрасли, снижение техногенного влияния на окружающую, 41.38kb.
• Организация работы с электронной доверенностью, подписанной электронно-цифровой подписью, 32.16kb.
• «Исследование асинхронного конденсаторного двигателя», 34.15kb.
• Електромеханічні системи та автоматизація, 164.34kb.
• Гидроусилитель рулевого управления автомобиля Камаз-5320 Рис. Общая схема Камаз 5320, 503.75kb.
• Тормозная система автомобилей семейства КамАЗ. Содержание, 341.78kb.
• Пояснительная записка к годовой бухгалтерской отчётности ОАО «тфк «камаз» за 2010 год, 780.86kb.
• С. А. Когогин Главный бухгалтер ОАО «камаз» А. А. Максимов Оглавление общие сведения, 1645.07kb.

Улучшение экологических и экономических характеристик газопоршневого двигателя Камаз 820.20.200 в составе электросиловой установки ап100с-т400-1р


Представлены результаты экспериментальных исследований влия­ния добавки водорода в топливо на характеристики газопоршневого двигателя при изменении угла опережения зажигания (УОЗ), конвер­тированного для работы на природном газе. По результатам иссле­дований определено влияние добавки водорода на эффективный КПД двигателя и расход топлива при изменении УОЗ.


Во всем мире в качестве локальных источников энергоснабжения уже в течение многих десятилетий используются электросиловые установки (ЭСУ) с приводом от ДВС, более того именно с них начинается тепловая энергетика. Причины, которые не позволили им занять достойное место в большой энергетике: ограниченные мощности (до 25 МВт) и высокая стоимость электроэнергии из-за высокой стоимости дизельного топлива. Несмотря на вышеуказанные проблемы, электрификация в начале 20 века осуществлялась именно на базе данных установок.

Резервные источники электроэнергии - это на сегодня особый класс электроустановок, количество которых исчисляется миллиона­ми. Потребителями установок являются медицинские учреждения, гражданские объекты, оборонные объекты, объекты МЧС и даже сами объекты большой энергетики.

Применение в качестве привода газопоршневых ДВС для ЭСУ су­щественно изменило ситуацию с их эффективностью, сделав их конку­рентоспособными в режимах постоянной генерации с сетевым элект­ричеством. Ведущие российские и зарубежные заводы, выпускающие ДВС, освоили производство газопоршневых двигателей для электро­силовых установок. ОАО "КамАЗ" в данном отношении не стало ис­ключением. Таким образом, было освоено производство ЭСУ-РЭ-АП100-1Р на базе газопоршневого двигателя КАМАЗ 820.20.200, которые, несомненно, можно отнести к лучшим изделиям своего клас­са. Двигатель прошел все виды сертификационных испытаний и про­изводится серийно.

Технические и экологические проблемы, которые возникли во вре­мя доводки двигателя, были успешно преодолены. В решении некоторых из них приняли участие ученые КГТУ им. А.Н. Туполева и Томского государственного университета (ТГУ).

Компримированный природный газ (ПГ) является привлекательным альтернативным топливом для двигателей внутреннего сгорания. Он позиционируется в качестве наиболее перспективного автомобильного топлива будущего с точки зрения практического использования. Такая оценка его свойств обеспечивается за счет более чистого сгорания, широкого распространения и относительно низкой стоимости по срав­нению с бензином или дизельным топливом. Ресурсы природного газа существенно превосходят запасы нефти. Использование ПГ в качестве моторного топлива существенно улучшает практически все показатели двигателя. Однако перевод (конвертирование) конкретного типа двига­теля для работы на ПГ требует выполнения доводочных работ, которые могут быть связаны со значительными затратами времени и средств, включая конструктивные и технологические изменения двигателя. При этом ограничения, накладываемые на конструктора в силу различного рода причин (технологических, стоимостных, временных и т.д.) при кон­вертировании двигателя, могут приводить к реализации неоптимальных решений, ухудшающих возможно достигаемые результаты.

Нежелательность внесения конструктивных и технологических из­менений в двигателе требует применения нестандартных методов для достижения поставленной цели. Одним из них является использова­ние добавок в топливовоздушную смесь (ТВС), которые, как известно, могут значительно влиять на рабочий процесс, приводя к его интенси­фикации, а следовательно, повышению удельных показателей двига­теля и снижению токсичности выхлопа.

В связи с этим целью данной работы являлось исследование в усло­виях моторного стенда влияния добавок водорода в топливо на ос­новные показатели двигателя и определение количества добавок водорода, обеспечивающих достижение практически значимых ре­зультатов по снижению удельного расхода и улучшению экологичес­ких параметров двигателя.

Объектом испытаний являлся опытный поршневой четырехтактный двигатель с искровым зажиганием и электронной системой управле­ния КАМАЗ 820.20-200, рабочим объемом V_h = 11,76 л, степенью сжатия 8=12, номинальной мощностью N = 200 кВт при частоте вращения коленчатого вала п = 2200 мин"¹, предназначенный для работы на сжатом природном газе.

Экспериментальные исследования проводились в моторном боксе СИД-2 ОАО "КамАЗ", оборудованном индукторным тормозом и от­вечающем требованиям ГОСТ 14846-81 "Автомобильные двигатели. Методы стендовых испытаний" (ГОСТ 14846-81).

Дополнительно моторный стенд оснащался системой подачи водорода, обеспечивающей добавку водорода в ТВС в необходимом количестве.

При проведении испытаний измерялись параметры двигателя, пре­дусмотренные ГОСТ 14846-81. Дополнительно проводились измере­ния следующих величин: расхода воздуха, концентрации оксида угле­рода, концентрации углеводородов СН, концентрация окислов азота N0_x, расхода водорода G_H, расхода отработавших газов G_or, угла открытия (положения) дроссельной заслонки ф и др.

Экспериментальные исследования проводились путём снятия регулировочных характеристик по составу смеси и углу опережения зажи­гания, а также нагрузочных характеристик двигателя как при добавке водорода, так и без водорода. Оценка влияния добавок водорода на экономические и экологические параметры проводилась методом сравнения с исходными характеристиками, полученными при работе двигателя на чистом природном газе.

Результаты экспериментальных исследований влияния добавок во­дорода по нагрузочным характеристикам показали[1]:

• при п = 1500 мин'¹ (угол опережения зажигания (УОЗ) равен 15 гр.п.к.в.) и добавках водорода в количестве Gh₂ = 0,26 и 0,40 кг/ч отмеча­ется значительное снижение расхода ПГ на нагрузках до Р = 0,3 МПа, в частности, при Р_е = 0,14 МПа на 30% при Gh₂= 0,26 кг/ч и 35% при Gh₂ = 0,40 кг/ч, что увеличивает эффективный КПД на 5 и 13% соответственно.
  С ростом нагрузки влияние добавок водорода в данном количестве сни­жается и составляет по снижению расхода ПГ в среднем 1-2%;
  
• влияние добавок водорода на токсические показатели также максимально при малых нагрузках, в частности при Р_е = 0,14 МПа (п = 1500 мин'¹, УОЗ=15 гр.п.к.в.), снижение выбросов СН происходит в 9 раз и с ростом нагрузки более 0,3 МПа снижается до 40%. При этом с ростом нагрузки при УОЗ = 15 гр.п.к.в. выбросы NO_X увеличиваются;
  
• влияние добавок водорода при работе по нагрузочной характе­ристике при п = 2200 мин"¹ (УОЗ=18 гр.п.к.в.) имеют все те же отме­ченные тенденции, с меньшим количественным выражением, в частно­сти снижение расхода ПГ по мере возрастания нагрузки составляет
  от 10 до 2% при практическом постоянстве эффективного КПД, сни­жение СН - практически в 2 раза при значительном увеличении NO_X.
  
• Результаты исследований работы двигателя при добавках водоро­да по регулировочным характеристикам (по составу смеси) показали [3], что на исследуемых режимах отмечаются существенные измене­ния показателей двигателя, в частности:
  
• при работе двигателя на холостом ходу при коэффициенте избыт­ка воздуха а =1,4 и добавке водорода в количестве Gh₂ = 0,2 кг/ч (6% расхода ПГ) расход ПГ снижается на 29% и не увеличивается при из­менении до значений а =1,5;
  
• снижение объёмных выбросов СН происходит в 4 раза, выбросы СО практически не изменяются, а NO_X снижаются на 30%. При этом отмечается снижение выбросов NO_X при обогащении смеси;
  
• при работе двигателя на нагрузочном режиме п = 1500 мин'¹ и нагрузке Р_е= 0,14 МПа и добавках водорода Gh₂ = 0,26 и 0,40 кг/ч снижение расхода ПГ при работе по регулировочной характеристике составляет не менее 11%, возрастание эффективного КПД - 3,5-10%,
  снижение выбросов СН - 40%, но при этом на 52% увеличиваются выбросы NO_X;
  

Результаты исследований при изменении угла опережения зажигания.

Перед проведением экспериментальных исследований, с целью оценки значимости влияния УОЗ при добавках водорода, были приве­дены результаты работ, выполненных ранее с изменёнными углами 6, в частности на скоростном режиме п = 1500 мин ', равными 10 и 15 гр.п.к.в, показавшие значительное влияние его при наличии водорода в принятых количествах в топливной смеси на показатели двигателя. С целью определения тенденций влияния УОЗ на показатели двигате­ля при добавке постоянного количества водорода были сняты регули­ровочные характеристики по УОЗ, представленные на рис. 1-4.

На рис. 1 приведены зависимости изменения расхода ПГ и соот­ветствующих им а. Видно, что применение водорода позволяет при­близиться к оптимальному значению УОЗ, которое при добавках водорода смещается в сторону меньших значений. Уровень расхода ПГ при УОЗ = 15 гр.п.к.в. без водорода практически соответствует уровню расхода при добавке водорода и УОЗ = 10 гр.п.к.в. Учитывая фактор известного влияния, значение которого в данных работах не поддерживалось постоянным, можно сделать заключение о том, что УОЗ может быть еще более увеличен, и это позволит в целом повы­сить экономические показатели двигателя.



Рассмотрение графиков на рис. 1, 2 показывает, что водород спо­собствует известной тенденции расширения области слабой зависи­мости показателей двигателя от УОЗ (так же как и от а ), о чём сви­детельствует меньший наклон кривой Gr и ее более пологий вид в области минимума.

На рис. 2 и 3 приведены результаты измерений расхода воздуха, положения дроссельной заслонки и температуры газов перед турби­нами в правом и левом рядах цилиндров двигателя. Можно видеть, что при добавках водорода и любых УОЗ все измеряемые параметры двигателя при постоянной мощности смещаются практически эквидистантационно в сторону улучшения. Так, расход воздуха уменьшается при УОЗ = 10 гр.п.к.в. на 16%, при УОЗ = 15 гр.п.к.в. на 12%, что




способствует снижению общего массового количества ОГ, следова­тельно, и нормируемых токсических составляющих.

На рис. 4 приведены графики изменения эффективного КПД по УОЗ. Можно видеть, что добавки водорода наиболее эффективно сказываются при малых УОЗ, что объясняется, как указывалось выше, повышением скорости.



Результаты исследований влияния угла опережения зажигания при добавках водорода показали возможность определённой оптимиза­ции показателей двигателя, например по выбросам СН и NOx при сохранении экономических показателей, в частности, при добавках водорода и уменьшении УОЗ на режиме п = 1500 мин~ и Р =0,14 МПа до 10 гр.п.к.в. эффективный КПД увеличивается на величину порядка 11% (при УОЗ = 15 гр.п.к.в. это повышение при добавках водорода составляет 5%) [1].

Отмеченные экспериментальные факты показывают, что добавки водорода можно использовать для определения более эффективных регулировок, способствующих общему улучшению показателей дви­гателя.

Таким образом, результаты выполненных экспериментальных ис­следований позволили получить количественные характеристики га­зопоршневого двигателя при добавках водорода, которые показали величину возможного эффекта от использования данного способа совершенствования газового двигателя КАМАЗ.