ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ СМЕШИВАНИЯ И ПОДАЧИ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ДЛЯ СУДОВОГО ГАЗОДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 155
по 162
Статус:
Опубликован
Получено:
20.10.2013
Одобрено:
25.10.2013
Опубликовано:
25.10.2013
Классификаторы:
УДК [621.436.036.9-44:629.5]:662.75
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 39.455.554-012-048:31.354
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 39.455.554-012-048:31.354
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
газовоздушная смесь, газовые топлива, редуктор-испаритель, газовая заслонка, проектирование, смесительное устройство, судовой дизель, газодизельный двигатель
Аннотация (русский):
Проведен анализ технических решений для использования газовых топлив в газовом и жидком состоянии в судовых двигателях внутреннего сгорания. Рассмотрены схемы для смешивания и подачи газовоздушной смеси с использованием редуктора-испарителя. Приводится расчет и проектирование смесительного устройства для судового газодизельного двигателя 2ГЧ 9,5/11. Результаты расчета и проектирования используются для создания комплекса смесителя и газовой заслонки у судового газодизельного двигателя 2ГЧ 9,5/11. Конвертирование судового высокооборотного двигателя в газодизель с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси с установлением редуктора-испарителя и смесителя не требует вмешательства в его конструкцию и улучшает экономические и экологические показатели.
Проведен анализ технических решений для использования газовых топлив в газовом и жидком состоянии в судовых двигателях внутреннего сгорания. Рассмотрены схемы для смешивания и подачи газовоздушной смеси с использованием редуктора-испарителя. Приводится расчет и проектирование смесительного устройства для судового газодизельного двигателя 2ГЧ 9,5/11. Результаты расчета и проектирования используются для создания комплекса смесителя и газовой заслонки у судового газодизельного двигателя 2ГЧ 9,5/11. Конвертирование судового высокооборотного двигателя в газодизель с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси с установлением редуктора-испарителя и смесителя не требует вмешательства в его конструкцию и улучшает экономические и экологические показатели.
Ключевые слова:
газовоздушная смесь, газовые топлива, редуктор-испаритель, газовая заслонка, проектирование, смесительное устройство, судовой дизель, газодизельный двигатель
газовоздушная смесь, газовые топлива, редуктор-испаритель, газовая заслонка, проектирование, смесительное устройство, судовой дизель, газодизельный двигатель
Введение Судовые двигатели, которые работают по газодизельному циклу, можно разделить на три группы: 1 – газодизельные двигатели с внешним смесеобразованием; 2 – газодизельные двигатели с внутренним смесеобразованием; 3 – газодизельные двигатели с форкамерным смесеобразованием. Преимущество первого способа подачи природного газа – простота, его можно осуществить на газодизеле, добавив к нему смесительное устройство. Конвертирование судового высокооборотного двигателя в газодизель с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси не требует вмешательства в его конструкцию. В двигателях с внешним смесеобразованием регулирование соотношения «воздух – газ» осуществляется путем воздействия тем или иным способом на газовоздушные смесители. Наибольшее распространение получили смесители, основанные на эффекте Вентури в сужающих устройствах. Смесители устанавливают непосредственно после воздушного фильтра двигателя. Абсолютное статическое давление проходящего через смеситель воздуха в суженном сечении становится ниже атмосферного, т. е. возникает разрежение, и через отверстия, расположенные в суженном сечении, происходит инжекция газа в поток воздуха. Технические решения для использования газовых топлив В настоящее время наиболее часто используется инжекция газа в поток воздуха с помощью смесителя. Тем не менее уже положено начало исследованиям и применению новых систем подачи газа, особенно системы впрыска газовых топлив в газообразном виде во впускной патрубок газодизеля через дозирующий электроклапан и впрыска запального топлива форсункой. Для газодизелей с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси существуют 3 варианта подачи газа. 1. Подача газового топлива в газообразном виде во впускной патрубок газодизеля через дозирующий электроклапан и впрыск запального топлива форсункой (рис. 1). Рис. 1. Схема подачи газового топлива в газообразном виде во впускной патрубок Этот вариант рекомендовано использовать только для производства новых двигателей, т. к. он предполагает слишком большие структурные изменения. 2. Использование редуктора-испарителя и смесительного устройства (рис. 2). В этом случае в конструкцию двигателя почти не вносятся существенные изменения. Добавляется лишь газовый смеситель, редуктор-испаритель, газовая заслонка и несколько изменяется система газораспределения. При этом зажигание рабочей смеси происходит не в одной точке у холодной стенки камеры сгорания, а сразу в нескольких местах одновременно. Такое зажигание ускоряет процесс сгорания при хорошем однородном составе рабочей смеси, делает его более полным. Важным преимуществом такого зажигания является расширение диапазона работы на бедных смесях. Рис. 2. Схема подачи газа с использованием редуктора-испарителя и смесительного устройства 3. Использование системы впрыска газового топлива в сжиженном виде во впускной патрубок газодизеля (рис. 3). Рис. 3. Система подачи сжиженного газа во впускной патрубок газодизеля: 1 – воздушный фильтр; 2 – форсунка сжиженного газа; 3 – форсунка дизельного топлива; 4 – система регулирования давления; 5 – баллон сжиженного газа; 6 – насос; 7 – система управления Вариант подачи газового топлива в газообразном виде во впускной патрубок газодизеля через дозирующий электроклапан и вариант использования системы впрыска газового топлива в сжиженном виде во впускной патрубок газодизеля требуют больших изменений по конструкции. Конвертирование судового двигателя в газодизель с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси с помощью редуктора-испарителя и смесителя не требует вмешательства в его конструкцию. Принципиальная схема подачи сжиженного газа и оборудования На рис. 4 приведена схема подачи сжиженного газа. Рис. 4. Схема подачи газа двигателям: 1 – баллон; 2 – редуктор-испаритель; 3 – газовая заслонка; 4 – система регулирования; 5 – смеситель; 6 – двигатель 2Ч 9,5/11 Сжиженный газ из баллона 1 поступает через соответствующие вентили к редуктору-испарителю 2, в котором давление газа снижается до значения, близкого к атмосферному. Газ низкого давления поступает к газовой заслонке 3 и смесителю 5, откуда после смешивания с воздухом засасывается в цилиндры двигателя 6. Расчет и проектирование смесителя Схема смесительного устройства представлена на рис. 5. Рис. 5. Смесительное устройство Определение диаметра сопла диффузора dh. Определение расхода воздуха через сопло осуществляется по формуле , где – коэффициент потока через сопло, зависящий от формы и поверхности сопла; коэффициенты скорости в сопле, выбираем ; коэффициенты сужения, αh = 0,98; площадь сечения сопла, м2,, где dh – наименьший диаметр сопла, м; Wвозд – скорость воздуха через сопло, м/с, выбираем Wвозд = 20 м/с; – плотность воздуха перед впускным патрубком, кг/м3;, выбираем . Согласно данным [1], часовой расход топлива судового дизеля 2Ч 9,8/11 Gт = 2,78 кг/ч. По данным [2], двигатель работает по газодизельному циклу, часовой расход дизельного топлива и природного газа Gтопл = 2,56 кг/ч. При этом Gдиз = 0,556 кг/ч, Gгаз = 2,005 кг/ч. Расход воздуха через сопло, кг/с, где α = 1,15 – коэффициент избытка воздуха; L0 – количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного килограмма смесевого топлива. Мы имеем: количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного моля топлива в кмоль возд./кг топл., M0 = 0,5122 кмоль/кг, поэтому L0 = 0,512229 = = 14,856 кг возд./кг топл. Gвозд = 1,152,5614,856 = 43,736 кг/ч = 0,0122 кг/с. Тогда Выбираем dh = 30 мм. Определяем разрежение в сопле, Па: Расчет диаметра входного отверстия db. Этот параметр очень важен, т. к. здесь природный газ и воздух смешиваются перед поступлением в цилиндр. Относительный диаметр (dh/db) в диапазоне dh = (0,6–0,8)db, поэтому Расчет диаметра отверстия dB для инжекции газа. В отверстии, расположенном в суженном сечении (рис. 5), происходит инжекция газа в поток воздуха. Расход газа определяется по формуле , где – коэффициент расхода газовой заслонки; – площадь сечения газовой заслонки, м2; – плотность природного газа, кг/м3; кг/м3; Wh – скорость потока газа через газовую заслонку, м/с [3]. где – значение разрежения смеси через газовую заслонку, Па; – значение разрежения газа, pB = 100–200 Н/м2. Выбираем pB = 120 Н/м2. Мы имеем: GB – расход газа в максимальном режиме, кг/с. GB = 2,205 кг/ч = 0,61310-3 кг/с. Площадь сечения отверстия Диаметр отверстия Выбираем dB = 6,5 мм. Расчет газовой заслонки. Газовая заслонка – устройство регулирования количества газа для подачи в двигатель. Заслонки можно разделить на 2 группы: конические газовые заслонки и газовые заслонки с крыльями (рис. 6). а б Рис. 6. Виды газовых заслонок: а – коническая газовая заслонка; б – газовая заслонка с крыльями По результатам исследования конструкций, способов регулирования и установки на систему подачи газа мы выбираем коническую газовую заслонку для регулирования количества газа, подаваемого в двигатель. На рис. 7 приведена схема подачи газа от газовой заслонки в сопло Вентури. Рис. 7. Схема подачи газа в сопло Вентури На рис. 8 показаны главные размеры газовой заслонки. Рис. 8. Газовая заслонка Частота вращения двигателя 1 500 об/мин, время для такта впуска tвп = 30/n с. В такте впуска скорость газа Vвп от форсунки газа до поступления в сопло Для остальных тактов цикла скорость газа до поступления в сопло Vост. В этот момент. Количество газа, проходящего через газовую заслонку за цикл где S – площадь сечения для прохождения газа. Мощность двигателя где Ne – номинальная мощность газодизельного двигателя, Ne = 11 кВт; h – КПД двигателя, h = 0,323 [2]; n – частота вращения, n = 1 500 об/мин; QHГ – теплота сгорания низшая природного газа, QHГ = 33 802,6 кДж/м3. Площадь сечения и Мы получаем Выбираем угол конусности a = 40°, D0 = 15 мм. Когда двигатель работает в номинальном режиме, рабочий диаметр заслонки Dv и диаметр отверстия для инжекции газа обеспечивают площадь сечения S = 0,48510-4 м2. На рис. 9 приведена схема расчета площади сечения S для прохождения газа. Рис. 9. Схема расчета площади сечения S для прохождения газа Выбираем угол конусности a = 40º, D0 = 15 мм. Когда двигатель работает в номинальном режиме, рабочий диаметр заслонки Dv и диаметр отверстия для инжекции газа обеспечивают площадь сечения S = 1,53110-4 м2. Рабочий радиус м. Выбираем рабочий радиус Rv = 6,5 мм. Тогда рабочий диаметр Dv = 13 мм. Заключение Результаты расчета и проектирования используются для создания комплекса смесителя и газовой заслонки у судового газодизельного двигателя 2ГЧ 9,5/11. Конвертирование судового высокооборотного двигателя в газодизель с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси с установлением редуктора-испарителя и смесителя не требует вмешательства в его конструкцию и улучшает экономические и экологические показатели.
1. Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Trần Thanh Hải Tùng. Tính toán van cung cấp biogas cho động cơ nhiều xi lanh cỡ lớn // Tạp Chí Giao Thông-Vận Tải. 2009. 8. P. 25-27.
2. Дизели Ч 8,5/11, Ч 9,5/11. Руководство по эксплуатации 2452018 РЭ на рус. и англ. яз. М.: Внешторгиздат. Изд. № 8026эс. 273 с.
3. Апкаров И. А. Применение газодизельного процесса в судовых ДВС / И. А. Апкаров, Хоанг Куанг Лыонг // Материалы Междунар. науч. конф. проф.-преп. состава Астрахан. гос. техн. ун-та (57 ППС). Астрахань, 2013.
