Анализ причин снижения мощности газовых двигателей, конвертируемых из дизельных

Экологические и экономические исследования способов применения природного газа в ДВС показали, что в ближайшей перспективе наиболее наиболее актуальной будет разработка газовых двигателей, оборудованных микропроцессорной системой с распределительным фазированным впрыском газа [1]. Конструирование газовых двигателей обычно осуществляется путем конвертирования двигателей внутреннего сгорания, причем чаще всего дизельных двигателей. При этом по существу получается новый двигатель, хотя конструкторские изменения не столь существенны как изменения рабочего процесса, направления и интенсивности тепловых потоков, теплонапряженности его деталей, прежде всего головки цилиндров, выпускных клапанов и выпускного коллектора, а также деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ), которыми во многом определяется долговечность двигателя [2].

Перед осуществлением конвертации дизельных двигателей в газовые производится оценка потенциальных возможностей получаемого двигателя. Для этого анализируется зависимость индикаторных параметров от вида газового топлива, от снижения степени сжатия и оснащения впускного коллектора смесителем, поскольку известно, что от величины степени сжатия зависит величина индикаторного КПД и коэффициента наполнения.

Степень сжатия газового двигателя всегда ниже степени сжатия дизельного двигателя, поскольку она ограничивается детонационной стойкостью газового топлива, оцениваемого его метановым числом.

Газовое топливо обычно состоит из большого числа входящих в него компонентов и их долевым содержанием. Обычно горючие газы для моторных топлив в газовых двигателях подразделяются на три основных вида: сжатые (т.е. компримированные); сжиженные газы и газы из газовой сети. Сжатые газы используют в баллонах при высоком давлении около 20 МПа. Их подразделяют по калорийности на высококалорийные с низшей теплотой сгорания Hu > 23000 кДж/м³; среднекалорийные Hu = 15000 – 23000 кДж/м³ и низкокалорийные Hu < 15000 кДж/м³. Природный газ по запасам, экономичности добычи, возможности транспортировки и использования, экологическим свойствам является наиболее перспективным ресурсом, способным обеспечить потребности человечества в энергии, по крайней мере, в течение текущего столетия [2, 3].

Таблица

Теплотворная способность горючих газов

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания при работе на жидком и газовом топливе практически одинаковые, однако, газовые двигатели имеют следующие преимущества:

1. Допускают низкие значения коэффициента избытка воздуха α ≥ 0,85, т.е. работу на более бедных смесях, что способствует снижению токсичности и повышению топливной экологичности ДВС.
2. Более высокие значения коэффициента наполнения γ, а значит и мощности ДВС за счёт уменьшенных гидравлических потерь, снижения скорости газо-воздушного потока (увеличение проходного сечения впускного коллектора), поскольку отсутствует конденсация жидкого топлива в процессе впуска;
3. Газо-воздушная смесь является более однородной сама по себе;
4. При работе двигателя на газе уменьшается нагарообразование, так как отсутствует конденсация топлива и разжижение смазки, и, следовательно, наблюдается лучшая полнота сгорания.

Перед расчётом рабочего цикла газового двигателя необходимо установить или рассчитать теплотворную способность газо-воздушной смеси. Чтобы сравнить мощность газового двигателя с мощностью дизеля, на базе которого он был создан, необходимо оценить, на сколько ухудшается наполнение цилиндров и уменьшается индикаторный КПД рабочего цикла вследствие снижения степени сжатия.

Кроме того, известно, что наполнение цилиндров газового двигателя горючей смесью хуже, чем наполнение воздухом цилиндров базового дизеля по ряду причин:

1. Плотность смеси, поступающей в цилиндры двигателя, снижается вследствие дросселирования потока в диффузоре смесителя. Например, если скорость потока смеси на выходе из диффузора смесителя равна 70 м/с, её плотность снижается почти на 10 %.
2. Коэффициент остаточных газов в цилиндре газового двигателя выше чем дизельного из-за большего количества отработавших газов (ОГ), остающихся в объёме камеры сгорания.
3. Более высокая температура ОГ способствует повышенному подогреву свежей смеси и соответствующему снижению её плотности.

Для ориентировочного расчёта мощности газового двигателя можно воспользоваться уже известной величиной мощности базового дизеля. Низшая теплота сгорания стехиометрической смеси дизельного топлива теоретически равна 3,83 МДж/нм3, но рабочий процесс в дизеле эффективно протекает только при значительном избытке воздуха. Обычно на режиме максимальной мощности стационарный дизель работает с коэффициентом избытка воздуха 1,5, а при применении наддува его увеличивают до 1,8 и более. При 50-процентном избытке воздуха теплота сгорания смеси дизельного топлива с воздухом равна всего 2,55 МДж/нм3, т. е. она меньше, чем теплота сгорания стехиометрических смесей газов. Однако, степень сжатия у дизеля существенно выше, чем у газового двигателя, поэтому эффективность использования тепла соответственно больше. При использовании в качестве топлива природного газа степень сжатия газового двигателя обычно выбирают в пределах 11-12, а у дизелей с непосредственным впрыском она равна 15-19. При наличии в газовом топливе большого количества пропана, бутана и более тяжёлых компонентов степень сжатия приходиться снижать до 8-9. Снижение степени сжатия необходимо также при наддуве, так как газовоздушная смесь нагревается при сжатии в компрессоре, что увеличивает возможность возникновения детонации.

Примечательно, что значения теплоты сгорания отдельных газов отличаются в несколько раз, а теплота сгорания стехиометрической смеси отличается от среднего значения на небольшую величину. Мощность газового двигателя не должна существенно зависеть от вида и состава применяемого газа. метановое число и соответствующая ему степень сжатия определяются с учётом опыта, накопленного при конвертировании дизелей различного типа, литража и быстроходности.