ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСОБЕННОСТИ ГАЗОДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Введение. Переход к использованию альтернативных видов топлива в транспортной и сельскохозяйственной технике обусловлен ростом цен на нефтепродукты, ужесточением экологических требований и необходимостью повышения энергетической безопасности. Одним из наиболее перспективных направлений является применение природного газа и сжатого метана в качестве моторного топлива. При этом газодизельные двигатели (двигатели с комбинированным питанием «метан + дизель») позволяют сохранить преимущества классического дизеля по тяговым характеристикам и надежности при одновременном снижении эксплуатационных затрат.

Актуальность исследования газодизельных силовых установок связана с тем, что перевод существующих дизельных двигателей на комбинированное питание требует глубокого понимания принципа их работы, особенностей процесса сгорания и влияния газовой составляющей на показатели экономичности и токсичности. Корректный выбор стратегии управления подачей газа и запальной дизельной порции позволяет реализовать потенциал газодизельного цикла без существенного усложнения конструкции базового двигателя [1].

Цель работы

Цель работы — обобщить сведения о принципе работы газодизельного двигателя на базе тракторного дизеля и выделить ключевые конструктивные и эксплуатационные особенности, влияющие на экономичность и экологические показатели.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– описать цикл работы газодизельного двигателя и распределение ролей между газовым и дизельным топливом;

– раскрыть особенности смесеобразования и воспламенения метановоздушной смеси от запальной дизельной порции;

– провести сравнительный анализ основных показателей работы дизельного и газодизельного режимов;

– оценить влияние газодизельного режима на экономичность и экологические характеристики силовой установки.

Рисунок 1.1 Оценка топливной экономичности

Материалы и методы исследования

Рассматривался четырехтактный тракторный дизель, переоборудованный под газодизельный цикл за счет установки газовой аппаратуры наддува и дозирования метана, а также модификации системы управления топливоподачей. Дизельное топливо в газодизельном варианте использовалось в объеме 5–25 % от полной тепловой нагрузки и выполняло функцию запальной порции, обеспечивающей надежное самовоспламенение и стабильное сгорание. Сравнительный анализ проводился на основе стендовых испытаний и расчетных данных по удельному расходу топлива, эффективному КПД и выбросам основных токсичных компонентов.

Газодизельный двигатель сохраняет базовую конструкцию классического дизеля с воспламенением от сжатия. На такте впуска в цилиндр подается воздух, а метан в большинстве реализованных схем дозируется во впускной тракт, формируя газовоздушную смесь с коэффициентом избытка воздуха, близким к единице или несколько выше. На такте сжатия смесь сжимается до высокого давления и температуры, однако самовоспламенение метана не происходит вследствие его высокой детонационной стойкости.

В конце такта сжатия в цилиндр впрыскивается небольшая порция дизельного топлива через стандартную топливную аппаратуру. Дизельное топливо, обладающее меньшей температурой самовоспламенения, образует локальные очаги горения, от которых воспламеняется основная метановоздушная смесь. Таким образом, запальная дизельная порция выполняет роль инициатора горения, а основная часть подводимой теплоты обеспечивается за счет сгорания газа.

На такте расширения продукты сгорания совершают работу над поршнем, как и в классическом дизельном цикле. На такте выпуска отработавшие газы удаляются из цилиндра. Управление подачей газа и величиной запальной дизельной порции позволяет реализовывать различные режимы: от близкого к чистодизельному (при отключенной газовой системе) до режима с максимальным замещением дизельного топлива газом.

Особенности смесеобразования и процесса сгорания

Специфика газодизельного двигателя заключается в том, что смесеобразование условно разделяется на два этапа. На первом этапе метан смешивается с воздухом во впускном тракте и во время такта впуска, формируя относительно однородную горючую смесь. На втором этапе в конце такта сжатия возникает высококонцентрированная дизельная факел-смесь в прицильном объеме около форсунки, которая служит источником воспламенения для окружающей метановоздушной смеси.

Скорость тепловыделения в газодизельном двигателе, как правило, более плавная по сравнению с классическим дизелем, что связано с меньшей долей зон быстрого диффузионного горения. Это способствует снижению уровня шума и уменьшению механических нагрузок. В то же время требуется точная настройка угла опережения впрыска запальной порции и состава метановоздушной смеси для предотвращения появления детонационных процессов и обеспечения полного сгорания газа.

Использование метана, обладающего высоким октановым числом и низким содержанием серы и ароматических соединений, приводит к заметному снижению выбросов твердых частиц и сажи. При оптимальной настройке системы наддува и системы управления смесью возможно также сокращение выбросов оксидов азота за счет более равномерного температурного поля в камере сгорания [4].

Сравнительный анализ показателей работы

Таблица 1.

Сравнительные показатели дизельного и газодизельного режимов

Показатель	Дизельный режим	Газодизельный режим	Изменение
Эффективный КПД, %	40	42	+2 п.п.
Удельный эффективный расход топлива, г/кВт·ч (в дизельном эквиваленте)	230	210	–9 %
Выбросы NOx, г/кВт·ч	8,0	7,0	–12 %
Выбросы твердых частиц, г/кВт·ч	0,15	0,05	–67 %
Топливные затраты, руб/кВт·ч	5,0	3,8	–24 %

 

Анализируяданные таблицы можно сказать, что переход к газодизельному режиму позволяет несколько повысить эффективный КПД двигателя и одновременно снизить удельный эффективный расход топлива в дизельном эквиваленте. Выбросы оксидов азота уменьшаются примерно на 10–15 %, а выбросы твердых частиц сокращаются более чем в три раза за счет отсутствия процессов неполного сгорания тяжелых углеводородов. Существенное снижение топливных затрат обусловлено более низкой стоимостью метана по сравнению с дизельным топливом при сопоставимой энергетической ценности.

Исходя из анализа таблицы можно сказать, что сравнительный анализ показывает, что газодизельный режим эксплуатации позволяет улучшить совокупность показателей экономичности и экологичности без потери тяговых характеристик. Это делает перевод дизельных двигателей на комбинированное питание целесообразным при наличии развитой газозаправочной инфраструктуры.

[2]

Рисунок 1.2. Зависимость удельного эффективного расхода топлива от относительной нагрузки

Анализируя график, можно сказать, что во всем диапазоне нагрузок газодизельный режим характеризуется меньшим удельным эффективным расходом топлива по сравнению с чисто дизельным режимом. На частичных нагрузках преимущество по экономичности составляет порядка 7–8 %, а вблизи номинальной нагрузки достигает 10 % за счет более полного использования подводимой теплоты и уменьшения доли зон неполного сгорания.

Исходя из анализа рисунок 1 подтверждает, что применение газодизельного режима позволяет снизить удельный расход топлива во всем рабочем диапазоне нагрузок, что особенно важно для тракторной техники, работающей значительную часть времени на переменных и частичных режимах.

[3]

Рисунок 1.3. Сравнение выбросов NOx и твердых частиц в дизельном и газодизельном режимах

Анализируя график, можно сказать, что он демонстрирует при переводе двигателя на газодизельный режим выбросы NOx снижаются примерно на 10–15 % вследствие более равномерного температурного поля и возможности корректировки угла опережения впрыска. Еще более заметно уменьшаются выбросы твердых частиц: их уровень падает более чем в три раза, что объясняется отсутствием образования сажи при сгорании метана и меньшей долей зон локального переобогащения.

[5]

Рисунок 1.4. Удельные топливные затраты при дизельном и газодизельном режимах

Исходя из этого можно сказать, что рисунок 2 подтверждает экологические преимущества газодизельного режима по сравнению с чисто дизельным: сокращаются выбросы как оксидов азота, так и твердых частиц, что упрощает выполнение действующих экологических норм и снижает нагрузку на системы нейтрализации отработавших газов.

Анализируя график, можно сказать, что сравнение удельных топливных затрат показывает, что за счет использования более дешевого метана суммарные расходы на топливо в газодизельном режиме снижаются примерно на 20–25 % по сравнению с традиционным дизельным режимом при сопоставимой полезной мощности. Экономический эффект усиливается при росте долизамещения дизельного топлива газом и увеличении годового моточасового ресурса техники.

Исходя из анализа графика можно сказать, что рисунок 3 иллюстрирует, что газодизельный режим эксплуатации обеспечивает заметное снижение эксплуатационных затрат, что является одним из ключевых аргументов в пользу модернизации парка дизельной техники при наличии доступа к газовому топливу.

Выводы

На основании проведённого анализа можно сделать комплексный вывод о высокой перспективности газодизельных двигателей как эффективного гибридного решения. Суть технологии заключается в использовании метана в качестве основного энергоносителя при сохранении дизельного цикла с воспламенением от сжатия, где небольшая порция дизельного топлива выполняет роль запальной жидкости. Этот подход позволяет совместить эксплуатационные преимущества дизеля — высокий крутящий момент и надёжность — с экономическими и экологическими выгодами газового топлива.

Проведённый анализ, подтверждённый графическими данными, выявляет три взаимосвязанных положительных эффекта от перехода на газодизельный режим. Во-первых, достигается существенное повышение энергоэффективности: удельный расход топлива в дизельном эквиваленте снижается на 7–10% во всём диапазоне нагрузок, что особенно значимо для техники, работающей в переменных режимах, при одновременном росте эффективного КПД. Во-вторых, наблюдаются кардинальные экологические улучшения — выбросы оксидов азота сокращаются на 10–15%, а выбросы сажи и твёрдых частиц падают более чем в три раза благодаря более равномерному сгоранию и отсутствию в метане компонентов, образующих сажу. В-третьих, ключевым практическим результатом становится значительная экономия эксплуатационных затрат: за счёт более низкой стоимости метана удельные топливные расходы снижаются на 20–25%, что обеспечивает прямой финансовый эффект и определяет окупаемость модернизации.

Таким образом, газодизельный двигатель представляет собой технически обоснованное и экономически выгодное направление модернизации, позволяющее достичь синергии эксплуатационной надёжности, повышенной топливной экономичности, существенного снижения вредных выбросов и сокращения прямых затрат на топливо. Реализация данного потенциала делает перевод дизельной техники на комбинированное питание стратегически целесообразным при наличии доступа к газовой инфраструктуре.

Газодизельный двигатель сохраняет базовую конструкцию и принцип воспламенения от сжатия, но использует метан как основной энергоноситель, а дизельное топливо — в качестве запальной порции. Это позволяет сочетать высокую надежность и тяговые характеристики классического дизеля с улучшенными показателями экономичности и экологичности.

Особенности смесеобразования и процесса сгорания в газодизельном двигателе требуют точной настройки системы управления подачей газа и запальной дизельной порции. При правильной калибровке удается обеспечить плавный характер тепловыделения, снизить уровень механических нагрузок и шум, а также предотвратить детонационные процессы.

Сравнительный анализ показал, что газодизельный режим позволяет уменьшить удельный расход топлива, сократить выбросы NOx и твердых частиц, а также снизить удельные топливные затраты при сохранении или повышении эффективного КПД. Это делает газодизельные силовые установки перспективным направлением модернизации тракторной и транспортной техники.