[go: up one dir, main page]

RU2540029C1 - Method for corrected feeding of combustible biogas in gas diesel engine of power plant - Google Patents

Method for corrected feeding of combustible biogas in gas diesel engine of power plant Download PDF

Info

Publication number
RU2540029C1
RU2540029C1 RU2013139240/06A RU2013139240A RU2540029C1 RU 2540029 C1 RU2540029 C1 RU 2540029C1 RU 2013139240/06 A RU2013139240/06 A RU 2013139240/06A RU 2013139240 A RU2013139240 A RU 2013139240A RU 2540029 C1 RU2540029 C1 RU 2540029C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biogas
gas
diesel
fuel
methane
Prior art date
Application number
RU2013139240/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013139240A (en
Inventor
Владимир Анатольевич Марков
Евгений Федрович Поздняков
Виктор Иванович Шатров
Сергей Николаевич Девянин
Станислав Сергеевич Лобода
Владислав Максимович Сивачев
Станислав Максимович Сивачев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана")
Priority to RU2013139240/06A priority Critical patent/RU2540029C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2540029C1 publication Critical patent/RU2540029C1/en
Publication of RU2013139240A publication Critical patent/RU2013139240A/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Landscapes

  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

FIELD: power industry.
SUBSTANCE: invention proposes a method of corrected feeding of combustible gas to working cylinders of a gas diesel engine, in which gaseous fuel is fed through an inlet system of the diesel engine and its inlet valves to working cylinders; with that, an ignition batch of diesel fuel is sprayed with injectors to the working cylinders of the gas diesel engine, and combustible gas feeding is corrected depending on combustible gas composition. Correction of combustible gas - biogas feeding as per percentage content of methane in biogas is performed as per an indirect evaluation of methane content by means of measurements of content of carbon dioxide in biogas at the inlet of the inlet gas diesel engine system and/or temperature of waste gases at the gas diesel engine outlet.
EFFECT: improving accurate correction of feeding of biogas and increasing a share of replacement of liquid oil fuel with gaseous fuel and limiting the temperature of waste gases at the level specific for operation on biogas with low content of methane in it.
3 cl, 5 dwg, 3 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области эксплуатации двигателей, работающих одновременно на нескольких видах топлива с воспламенением от сжатия, причем основное топливо - газообразное, а именно - к способам питания газодизелей, работающих в составе энергетических установок на биогазе, в частности - дизель-генераторных установок, вырабатывающих переменный электрический ток.The invention relates to the field of operation of engines operating simultaneously on several types of compression ignition fuel, the main fuel being gaseous, and in particular, to methods for supplying gas diesel engines operating as part of biogas power plants, in particular diesel generator sets generating variable electricity.

Уровень техникиState of the art

Известен способ коррекции запальной дозы дизельного топлива в дизелях, работающих по газодизельному процессу, в соответствии с которым с увеличением частоты вращения и нагрузки увеличивают дозу запального топлива. Причем, запальную дозу дизельного топлива выдерживают постоянной при работе двигателя по регуляторной характеристике в диапазоне оборотов от номинальных до минимальных и увеличивают при работе двигателя по внешней скоростной характеристике. При этом обеспечивается снижение расхода дизельного топлива и улучшение качества работы двигателя за счет коррекции запальной дозы дизельного топлива с помощью штатного корректора регулятора скорости прямого действия (патент РФ №2182249, МПК F02D 19/10, опубл. 10.05.2002).A known method for correcting the ignition dose of diesel fuel in diesel engines operating on a gas-diesel process, in accordance with which with increasing speed and load increase the dose of ignition fuel. Moreover, the ignition dose of diesel fuel is kept constant when the engine is running on the regulatory characteristic in the speed range from nominal to minimum and increase when the engine is running on the external speed characteristic. This ensures a reduction in diesel fuel consumption and an improvement in the quality of the engine due to the correction of the ignition dose of diesel fuel with the help of a regular corrector for the direct-acting speed controller (RF patent No. 2182249, IPC F02D 19/10, published on 05/10/2002).

Недостатком такого способа подачи горючего газа в цилиндры газодизеля является отсутствие возможности точного дозирования подачи горючего газа с учетом состава и теплотворной способности подаваемого газообразного топлива.The disadvantage of this method of supplying combustible gas to the cylinders of a gas diesel engine is the inability to accurately meter the supply of combustible gas, taking into account the composition and calorific value of the supplied gaseous fuel.

Другим аналогом является способ подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля, заключающийся в том, что газообразное топливо подается через впускную систему дизеля и его впускные клапаны в рабочие цилиндры, при этом запальная доза дизельного топлива впрыскивается в рабочие цилиндры газодизеля механизмом подачи запальных доз жидкого топлива, связанным с регулятором газодизеля (патент РФ №2319846, МПК F02D 19/10, опубл. 20.03.2008).Another analogue is the method of supplying combustible gas to the working cylinders of a gas diesel engine, which consists in the fact that gaseous fuel is supplied through the intake system of the diesel engine and its intake valves to the working cylinders, wherein the ignition dose of diesel fuel is injected into the working cylinders of the diesel engine by the mechanism for supplying ignition doses of liquid fuel, associated with the regulator of the gas diesel (RF patent No. 2319846, IPC F02D 19/10, publ. 20.03.2008).

Недостатком такого способа подачи горючего газа в цилиндры газодизеля энергетической установки является отсутствие возможности точного дозирования подачи горючего газа с учетом состава и теплотворной способности подаваемого газообразного топлива. Это, с одной стороны, не позволяет обеспечить максимальное замещение жидкого нефтяного топлива газообразным топливом, а с другой - не позволяет осуществить точное ограничение температуры отработавших газов на требуемом уровне, что влечет за собой повышение тепловой напряженности деталей камеры сгорания дизеля и его выпускной системы и снижает надежность их работы и ресурс.The disadvantage of this method of supplying combustible gas to the cylinders of a diesel engine of a power plant is the inability to accurately dispense a supply of combustible gas, taking into account the composition and calorific value of the supplied gaseous fuel. This, on the one hand, does not allow for the maximum replacement of liquid petroleum fuel with gaseous fuel, and on the other hand, it does not allow for precise limitation of the temperature of the exhaust gases at the required level, which entails an increase in the thermal tension of the parts of the combustion chamber of the diesel engine and its exhaust system and reduces reliability of their work and resource.

Наиболее близким к предлагаемому способу корректируемой подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля энергетической установки можно признать способ подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля, заключающийся в том, что газообразное топливо - попутный нефтяной газ (ПНГ) подают через впускную систему дизеля и его впускные клапаны в рабочие цилиндры, при этом запальная доза дизельного топлива (солярка) впрыскивается в рабочие цилиндры газодизеля механизмом подачи запальных доз жидкого топлива, связанным с регулятором газодизеля, а подачу ПНГ корректируют в зависимости от его состава (патент РФ №2465472, МПК F02D 19/08, опубл. 27.02.2012). При этом корректирование подачи ПНГ осуществляют по компьютерной программе с использованием информации, в том числе, от датчиков диэлектрических параметров веществ - диэлькометров, которых авторы называют датчиками контроля состава ПНГ и жидкого топлива. Для использования ПНГ можно приспособить практически любой дизель, т.к. конструктивные различия в разных его моделях несущественны.The closest to the proposed method for the adjustable supply of combustible gas to the working cylinders of a gas-diesel engine of a power plant can be recognized as a method for supplying combustible gas to the working cylinders of a gas-diesel engine, which consists in supplying gaseous fuel - associated petroleum gas (APG) through the diesel inlet system and its inlet valves to working cylinders, while the ignition dose of diesel fuel (diesel fuel) is injected into the working cylinders of the diesel engine by the mechanism for supplying ignition doses of liquid fuel associated with the gas regulator spruce, and the supply of APG is adjusted depending on its composition (RF patent No. 2465472, IPC F02D 19/08, publ. 02.27.2012). At the same time, the adjustment of the supply of APG is carried out according to a computer program using information, including from sensors of the dielectric parameters of substances - dielcometers, which the authors call sensors for monitoring the composition of APG and liquid fuel. Almost any diesel engine can be adapted for using APG, as structural differences in its various models are insignificant.

Однако диэлькометры являются достаточно сложными, неточными и поэтому малораспространенными датчиками, не выпускаемыми серийно. Поэтому и все изобретение-прототип скорее пока имеет узкий научный, а не широкий практический характер.However, dielcometers are quite complex, inaccurate and therefore rare sensors that are not commercially available. Therefore, the entire invention is a prototype rather so far has a narrow scientific, and not wide practical character.

Кроме того, спецификой ПНГ является весьма малый процент присутствия диоксида углерода СО2 в нем, в отличие от биогаза, где содержание СО2 наоборот является весьма существенным и СО2 обычно занимает второе место в биогазе после метана, а вдвоем они - метан и диоксид углерода, как правило, занимают подавляющую долю объема в биогазе, так как остальные примеси в биогазе занимают лишь единицы объемных процентов. При этом датчики СО2 являются хорошо известными и широко распространенными с хорошими характеристиками по точности, надежности и стоимости.In addition, the specificity of APG is a very small percentage of the presence of carbon dioxide CO 2 in it, in contrast to biogas, where the content of CO 2 on the contrary is very significant and CO 2 usually takes the second place in biogas after methane, and together they are methane and carbon dioxide As a rule, they occupy the overwhelming share of volume in biogas, since the remaining impurities in biogas occupy only units of volume percent. At the same time, CO 2 sensors are well known and widespread with good characteristics in accuracy, reliability and cost.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технической задачей заявляемого способа корректируемой подачи горючего биогаза в рабочие цилиндры газодизеля энергетической установки является повышение точности корректирования подачи горючего биогаза и в связи с этим увеличение доли замещения жидкого нефтяного топлива газообразным топливом и ограничение температуры отработавших газов на уровне, характерном для работы на биогазе с низким содержанием метана в нем.The technical task of the proposed method for the adjustable supply of combustible biogas to the working cylinders of a gas-diesel engine of a power plant is to increase the accuracy of adjusting the supply of combustible biogas and in this regard, increase the proportion of substitution of liquid petroleum fuel with gaseous fuel and limit the temperature of exhaust gases to a level typical for low biogas operation methane in it.

Технический результат достигается за счет того, что в способе корректируемой подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля газообразное топливо подают через впускную систему дизеля и его впускные клапаны в рабочие цилиндры, при этом запальная доза дизельного топлива впрыскивается в рабочие цилиндры газодизеля через форсунки механизмом подачи запальных доз жидкого топлива, связанным с регулятором газодизеля, а подачу горючего газа корректируют в зависимости от состава горючего газа. При этом корректирование подачи горючего газа - биогаза по процентному содержанию метана в биогазе осуществляют по косвенной оценке содержания метана с помощью измерений содержания диоксида углерода (углекислого газа) в биогазе на входе во впускную систему газодизеля и/или температуры отработавших газов на выходе из газодизеля.The technical result is achieved due to the fact that in the method of the adjustable supply of combustible gas to the working cylinders of the diesel engine, gaseous fuel is supplied through the intake system of the diesel engine and its intake valves to the working cylinders, while the ignition dose of diesel fuel is injected into the working cylinders of the diesel engine through nozzles by the ignition dose supply mechanism liquid fuel associated with the regulator of the diesel engine, and the flow of combustible gas is adjusted depending on the composition of the combustible gas. In this case, the adjustment of the supply of combustible gas - biogas by the percentage of methane in biogas is carried out by indirectly assessing the methane content by measuring the content of carbon dioxide (carbon dioxide) in biogas at the inlet to the gas-diesel inlet system and / or the temperature of the exhaust gases at the gas-diesel outlet.

Для увеличения доли замещения жидкого нефтяного топлива газообразным топливом и ограничения температуры отработавших газов на уровне, характерном для работы на биогазе с низким содержанием метана, при использовании биогаза с содержанием метана не менее 50% при увеличении содержания метана в биогазе на каждые 4…5% увеличивают массовую долю газообразного топлива на 4…5% и соответственно уменьшают долю запальной дозы дизельного топлива тоже на 4…5%.In order to increase the share of liquid petroleum fuel replacement with gaseous fuel and limit the temperature of exhaust gases to a level typical for biogas with a low methane content, when using biogas with a methane content of at least 50%, increase the methane content in biogas for every 4 ... 5% the mass fraction of gaseous fuel by 4 ... 5% and, accordingly, reduce the share of the ignition dose of diesel fuel also by 4 ... 5%.

Дополнительно для уменьшения подачи запальной дозы дизельного топлива горючий биогаз, подаваемый во впускную систему газодизеля, нагревают на 10…12 градусов за счет теплоты отработавших газов при уменьшении запальной дозы дизельного топлива на каждые 4…5% такого уменьшения.Additionally, to reduce the supply of the ignition dose of diesel fuel, combustible biogas supplied to the inlet system of the gas diesel is heated by 10 ... 12 degrees due to the heat of the exhaust gases while reducing the ignition dose of diesel fuel for every 4 ... 5% of such a decrease.

Перечень фигурList of figures

Фиг.1. Схема системы топливоподачи для реализации предложенного способа подачи горючего биогаза в рабочие цилиндры газодизеля энергетической установки.Figure 1. A fuel supply system diagram for implementing the proposed method for supplying combustible biogas to the working cylinders of a gas-diesel engine of a power plant.

Фиг.2. Зависимость эффективной мощности Ne (а) и эффективного КПД ηe (б) дизеля от концентрации метана в биогазе CCH4 на режимах регуляторной характеристики при различных частотах вращения n выходного вала газодизеля.Figure 2. The dependence of the effective power N e (a) and the effective efficiency η e (b) of a diesel engine on the methane concentration in biogas C CH4 at the modes of regulatory characteristics at various rotation frequencies n of the output shaft of the gas diesel engine.

Фиг.3. Зависимость эффективного КПД дизеля ηe от нагрузки (эффективной мощности Ne) и содержания метана в биогазе CCH4 Figure 3. The dependence of the effective diesel efficiency η e on the load (effective power N e ) and methane content in biogas C CH4

Фиг.4. Зависимость температуры отработавших газов ТОГ от содержания метана в биогазе CCH4 на режимах регуляторной характеристики при различных частотах вращения n (а) и от от эффективного КПД ηe газодизеля при постоянных концентрациях метана в биогазе CCH4 и изменении скоростного режима (б).Figure 4. Dependence of the temperature of the exhaust gas T ОG on the methane content in C CH4 biogas under the regime of regulatory characteristics at various rotational speeds n (a) and on the effective efficiency η e of the gas diesel engine at constant methane concentrations in C CH4 biogas and a change in the speed regime (b).

Фиг.5. Изменение параметров газодизеля при изменении содержания метана в биогазе CCH4.Figure 5. Change in the parameters of a gas-diesel engine with a change in the methane content in biogas C CH4 .

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Способ подачи горючего газа в цилиндры газодизеля энергетической установки осуществляют, например, на газодизельной установке на фиг.1.The method of supplying combustible gas to the cylinders of a gas-diesel engine of a power plant is carried out, for example, in a gas-diesel engine in Fig. 1.

Установка содержит отсечной клапан 1, к которому подведен трубопровод биогаза от баллона с компримированным биогазом (на фиг.1 не показан), редуктор 2 давления биогаза, впускную систему 3 газодизеля с регулятором - клапаном 4 подачи газа, датчиком 5 расхода биогаза и отсечным клапаном 6, размещенными во впускном патрубке 7 компрессора 8 системы газотурбинного наддува. Выпускной патрубок 9 компрессора через наддувочный ресивер 10 и впускные клапаны 11 сообщен с рабочими цилиндрами 12 газодизеля 13 через каналы подогревателя 14, оборудованного регулятором температуры с датчиком температуры биогаза 15 и исполнительным устройством - клапаном 16 подачи отработавших газов в подогреватель 14, управляемым от электронного блока 17. Подогрев биогаза после компрессора осуществляется за счет теплоты отработавших газов, поступающих из выпускной системы 18 газодизеля 13 по газовой магистрали 19, в которой размещен клапан 16. Выпускная система 18 содержит также размещенные в крышках 20 выпускные клапаны 21, сообщающие рабочие цилиндры 12 с выпускным коллектором 22.The installation comprises a shut-off valve 1, to which a biogas pipeline is connected from a cylinder with compressed biogas (not shown in Fig. 1), a biogas pressure reducer 2, a gas-diesel intake system 3 with a regulator — a gas supply valve 4, a biogas flow sensor 5 and a shut-off valve 6 placed in the inlet pipe 7 of the compressor 8 of the gas turbine pressurization system. The exhaust pipe 9 of the compressor through the charge-receiving receiver 10 and inlet valves 11 is in communication with the working cylinders 12 of the gas diesel 13 through the channels of the heater 14, equipped with a temperature controller with a biogas temperature sensor 15 and an actuator - an exhaust gas supply valve 16 to the heater 14, controlled from the electronic unit 17 The biogas is heated after the compressor due to the heat of the exhaust gases coming from the exhaust system 18 of the gas diesel 13 through the gas line 19 in which the valve 16 is located. The exhaust system 18 also includes exhaust valves 21 located in the caps 20, communicating the working cylinders 12 with the exhaust manifold 22.

Подсистема подачи запальной дозы дизельного топлива включает механизм 23 подачи запальных доз жидкого топлива, связанный с регулятором газодизеля (исполнительным устройством 24 изменения подачи запальной дозы жидкого топлива), управляемым от электронного блока 17. Для воспламенения горючего биогаза газодизель 13 оборудован форсунками 25 подачи запальных доз жидкого топлива с нагнетательными трубопроводами 26.The diesel fuel ignition dose supply subsystem includes a fuel oil ignition dose delivery mechanism 23 connected to a gas diesel regulator (actuator 24 for changing the ignition dose of liquid fuel) controlled from the electronic unit 17. For ignition of combustible biogas, the gas diesel 13 is equipped with nozzles 25 for supplying an ignition dose of liquid fuel with discharge pipelines 26.

Управление работой системы подачи газообразного и жидкого топлив осуществляется блоком управления 17, который получает информацию от датчика 27 содержания диоксида углерода СО2 в биогазе, датчика 5 расхода биогаза, датчика 29 расхода запальной дозы жидкого топлива (датчика положения дозирующего органа механизма 23 подачи запальных доз жидкого топлива), датчика 15 температуры биогаза, датчика 28 температуры отработавших газов. Блок управления 17 вырабатывает управляющие сигналы на исполнительные устройства - отсечной клапан 6, клапан 16 подачи отработавших газов в подогреватель 14, исполнительное устройство 24 изменения подачи запальной дозы жидкого топлива.The operation of the gaseous and liquid fuel supply system is carried out by the control unit 17, which receives information from the sensor 27 of carbon dioxide CO 2 in biogas, the sensor 5 of the biogas flow sensor 29, the flow rate of the ignition dose of liquid fuel (position sensor of the metering body of the mechanism 23 of the supply of ignition doses of liquid fuel), biogas temperature sensor 15, exhaust gas temperature sensor 28. The control unit 17 generates control signals to the actuators - shut-off valve 6, the valve 16 for supplying exhaust gas to the heater 14, the actuator 24 for changing the supply of the ignition dose of liquid fuel.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Запуск газодизеля 13 осуществляют по дизельному циклу с подачей жидкого топлива к форсункам 25 по нагнетательным трубопроводам 26. Для перехода на газодизельный цикл горючий биогаз под давлением подводится от баллона с компримированным биогазом (на фиг. 1 не показан) через отсечной клапан 1, редуктор 2 давления биогаза, впускную систему 3 газодизеля с клапаном 4, датчиком 5 и отсечным клапаном 6 во впускной патрубок 7 компрессора 8 системы газотурбинного наддува.The start of the gas diesel 13 is carried out through a diesel cycle with the supply of liquid fuel to the nozzles 25 through the discharge pipes 26. To switch to the gas diesel cycle, combustible biogas is supplied under pressure from a cylinder with compressed biogas (not shown in Fig. 1) through a shut-off valve 1, a pressure reducer 2 biogas, gas diesel inlet system 3 with valve 4, sensor 5 and shut-off valve 6 in the inlet pipe 7 of the compressor 8 of the gas turbine pressurization system.

Проходя вместе с воздухом через впускную систему 3 газодизеля, лопаточный аппарат и диффузор компрессора 8 горючий биогаз смешивается с воздухом. При этом образуется гомогенная газовоздушная смесь, которая через размещенные в крышках 20 впускные клапаны 11 направляется в рабочие цилиндры 12 газодизеля 13. Эта газовоздушная смесь обладает недостаточной самовоспламеняемостью в условиях рабочих цилиндров 12 газодизеля (температура самовоспламенения этой смеси существенно выше температуры самовоспламенения смеси воздуха с распыливаемым жидким дизельным топливом).Passing together with the air through the intake system 3 of the diesel engine, the blade apparatus and the diffuser of the compressor 8, the combustible biogas is mixed with air. In this case, a homogeneous gas-air mixture is formed, which, through the inlet valves 11 located in the caps 20, is directed to the working cylinders 12 of the gas-diesel engine 13. This gas-air mixture has insufficient self-ignition under the conditions of the gas-diesel working cylinders 12 (the self-ignition temperature of this mixture is significantly higher than the self-ignition temperature of the air mixture with the sprayed liquid diesel fuel).

Таким образом реализуется газодизельный цикл, в котором указанная смесь горючего биогаза с воздухом воспламеняется от запальной дозы дизельного топлива, впрыскиваемой в рабочие цилиндры 12 газодизеля форсунками 25 подачи запальных доз жидкого топлива с нагнетательными трубопроводами 26, соединяющими форсунки 25 с механизмом 23 подачи запальных доз жидкого топлива, связанным с исполнительным устройством 24 изменения подачи запальной дозы жидкого топлива, управляемым от электронного блока 17.Thus, a gas-diesel cycle is realized in which the specified mixture of combustible biogas with air is ignited by the ignition dose of diesel fuel injected into the working cylinders 12 of the diesel engine with nozzles 25 for supplying ignition doses of liquid fuel with injection pipelines 26 connecting nozzles 25 with the mechanism 23 for supplying ignition doses of liquid fuel associated with the actuator 24 changes the supply of the ignition dose of liquid fuel, controlled from the electronic unit 17.

В случае необходимости минимизации запальной дозы дизельного топлива возможен подогрев смеси горючего биогаза с воздухом. Для этого в выпускном патрубке 9 компрессора установлен подогреватель 14, имеющий регулятор температуры с датчиком температуры биогаза 15 и клапаном 16 подачи отработавших газов в подогреватель 14, управляемым от электронного блока 17. Подогретая до необходимой температуры смесь горючего биогаза с воздухом через наддувочный ресивер 10 и впускные клапаны 11 поступает в рабочие цилиндры 12 газодизеля. При этом подогрев биогаза после компрессора осуществляется за счет теплоты отработавших газов, поступающих из выпускной системы 18 газодизеля 13 по газовой магистрали 19 с клапаном 16. Отработавшие газы поступают в выпускную систему 18 через выпускные клапаны 21, сообщающие рабочие цилиндры 12 с выпускным коллектором 22.If it is necessary to minimize the ignition dose of diesel fuel, it is possible to heat the mixture of combustible biogas with air. To this end, a heater 14 is installed in the compressor outlet pipe 9, having a temperature controller with a biogas temperature sensor 15 and an exhaust gas supply valve 16 to the heater 14, controlled from the electronic unit 17. The mixture of combustible biogas with air is heated to the required temperature through a charging receiver 10 and inlet valves 11 enters the working cylinders 12 of the diesel engine. In this case, the biogas is heated after the compressor due to the heat of the exhaust gases coming from the exhaust system 18 of the gas diesel 13 through the gas line 19 with a valve 16. The exhaust gases enter the exhaust system 18 through the exhaust valves 21 communicating the working cylinders 12 with the exhaust manifold 22.

Координация работы рассмотренных подсистем реализуется блоком управления 17 на основании сигналов от датчика 27 содержания диоксида углерода CO2 в биогазе, датчика 5 расхода биогаза, датчика 29 расхода запальной дозы жидкого топлива, датчика 15 температуры биогаза, датчика 28 температуры отработавших газов. На основании информации от указанных датчиков с использованием базовых алгоритмов управления, заложенных в блоке управления 17, этот блок воздействует на исполнительные устройства соответствующих подсистем - отсечной клапан 6 подачи горючего биогаза, клапан 16 подачи отработавших газов в подогреватель 14, исполнительное устройство 24 изменения подачи запальной дозы жидкого топлива.Coordination of the work of the considered subsystems is implemented by the control unit 17 based on the signals from the sensor 27 of carbon dioxide content of CO 2 in biogas, sensor 5 of biogas consumption, sensor 29 of the flow rate of the ignition dose of liquid fuel, sensor 15 of the biogas temperature, sensor 28 of the exhaust gas temperature. Based on information from these sensors using the basic control algorithms embedded in the control unit 17, this unit acts on the actuators of the respective subsystems - shut-off valve 6 for supplying combustible biogas, valve 16 for supplying exhaust gases to the heater 14, actuator 24 for changing the ignition dose liquid fuel.

Анализ горючего биогаза, полученного из различного сырья и биоотходов на различных биогазовых установках для последующего использования в разного рода энергетических установках, в том числе с газодизельным оборудованием, показал, что этот биогаз может содержать различные компоненты, но в них практически всегда 2 компоненты главные: метан и углекислый газ (диоксид или двуокись углерода), существенные изменения содержания которых в биогазе, как правило, находятся в противофазе из-за малого объемного количества других компонент. Это дает практическую возможность, зная содержание СО2, простой арифметикой косвенно оценивать содержание СН4. Обычно биогаз имеет следующий состав: метан СН4 - 50…85% по объему, диоксид углерода СО2 соответственно - 10…45%, водород Н2 - до 1%, сероводород H2S - до 1%, остальные примеси - около 3%. То есть компоненты биогаза помимо CH4 и СО2, как правило, имеют суммарный объем порядка 5%.The analysis of combustible biogas obtained from various raw materials and biowaste at various biogas plants for subsequent use in various kinds of power plants, including gas-diesel equipment, showed that this biogas can contain various components, but they almost always have two main components: methane and carbon dioxide (dioxide or carbon dioxide), significant changes in the content of which in biogas, as a rule, are in antiphase due to the small volumetric amount of other components. This gives a practical opportunity, knowing the content of CO 2 , by simple arithmetic to indirectly evaluate the content of CH 4 . Typically, biogas has the following composition: methane CH 4 - 50 ... 85% by volume, carbon dioxide CO 2 - 10 ... 45%, respectively, hydrogen H 2 - up to 1%, hydrogen sulfide H 2 S - up to 1%, other impurities - about 3 % That is, biogas components in addition to CH 4 and CO 2 , as a rule, have a total volume of about 5%.

Таким образом, содержание метана в биогазе можно оценивать по содержанию CO2. Датчики содержания в газе диоксида углерода CO2 применяются при газовом анализе (в частности, при оценке состава отработавших газов двигателей внутреннего сгорания). Использование таких датчиков позволяет повысить точность корректирования-подачи горючего - газа, поскольку содержание углекислого газа CO2 в биогазе может изменяться более чем в четыре раза (от 10 до 45%). В результате с практически допустимой точностью (~5%), зная содержание CO2 и принимая за константу 5% примесей, можно оценить объемное содержание CH4 в биогазе ориентировочно как (95% - % содержание CO2).Thus, the methane content in biogas can be estimated by the content of CO 2 . Carbon dioxide sensors for CO 2 are used in gas analysis (in particular, in evaluating the exhaust gas composition of internal combustion engines). The use of such sensors makes it possible to increase the accuracy of correcting the supply of fuel gas, since the carbon dioxide content of CO 2 in biogas can change more than four times (from 10 to 45%). As a result, with practically acceptable accuracy (~ 5%), knowing the CO 2 content and taking 5% of impurities as a constant, we can estimate the volume content of CH 4 in biogas as approximately (95% -% CO 2 ).

Основным горючим компонентом биогаза является метан СН4. Его содержание в биогазе может колебаться в диапазоне от 50 до 85%. Соответственно изменяется теплотворная способность биогаза. Анализ экспериментальных характеристик рабочих процессов газодизельного двигателя показал, что изменение содержания метана в биогазе приводит к существенному изменению показателей дизельного двигателя, работающего на биогазе. Исследования проводились на биогазе с концентрациями метана CCH4=60,0, 72,8; 77,4 и 84,8%. Теплота сгорания биогаза с различным объемным содержанием метана и приведена в таблице 1.The main combustible component of biogas is methane CH 4 . Its content in biogas can range from 50 to 85%. Accordingly, the calorific value of biogas changes. An analysis of the experimental characteristics of the working processes of a gas-diesel engine showed that a change in the methane content in biogas leads to a significant change in the performance of a biogas-powered diesel engine. Studies were conducted on biogas with methane concentrations C CH4 = 60.0, 72.8; 77.4 and 84.8%. The calorific value of biogas with different volumetric content of methane is shown in table 1.

Таблица 1Table 1 Теплота сгорания биогаза при различном содержании СН4 The calorific value of biogas at different contents of CH 4 Содержание метана в биогазе, % (об.)The methane content in biogas,% (vol.) 60,060.0 72,872.8 77,477.4 84,884.8 Низшая теплота сгорания, МДж/кгLower calorific value, MJ / kg 18,5218.52 22,4722.47 24,0124.01 26,1726.17

Оценка показателей работы дизельного двигателя при использовании в качестве топлива биогаза проведена с использованием результатов экспериментальных исследований дизеля 1 Ч 8/11 фирмы Lister-Peter (серия DELTA), некоторые технические характеристики которого представлены в таблице 2. Данный тип двигателей широко используется для привода насосных и электросиловых установок.Evaluation of the performance of a diesel engine using biogas as fuel was carried out using the results of experimental studies of a diesel engine 1 H 8/11 by Lister-Peter (DELTA series), some of the technical characteristics of which are presented in Table 2. This type of engine is widely used to drive pump and electric power plants.

Таблица 2table 2 Параметры дизеля 1 Ч 8/11The parameters of the diesel 1 H 8/11 ПараметрыOptions ЗначениеValue Тип двигателяengine's type Четырехтактный, дизельныйFour stroke diesel Номинальная частота вращения n, мин-1 Rated rotation speed n, min -1 13801380 Номинальная мощность Ne, кВтRated power N e , kW 4,54,5 Тип камеры сгоранияType of combustion chamber Полуразделенная камера сгорания в поршнеSemi-split piston combustion chamber Механизм газораспределенияValve timing Клапанного типа с верхним расположением клапановValve Type Top Valve Система питанияSupply system Топливный насос высокого давления с центробежным регуляторомHigh pressure fuel pump with centrifugal regulator

Экспериментальные исследования дизеля 1 Ч 8/11 проводились на стенде, оборудованном необходимой измерительной аппаратурой. Данные о параметрах дизеля в цифровом виде выводились на пульт управления. Основная модернизация дизеля состояла в оборудовании смесителя, встроенного во впускной коллектор двигателя. Это позволило использовать двигатель как в базовом варианте, так и газодизельной модификации. В этой связи детали и конструкция двигателя оставались неизменными.Experimental studies of the diesel engine 1 H 8/11 were carried out on a stand equipped with the necessary measuring equipment. Data on the parameters of the diesel engine were digitally displayed on the control panel. The main modernization of the diesel engine was the equipment of a mixer built into the intake manifold of the engine. This made it possible to use the engine both in the basic version and in the gas-diesel version. In this regard, the details and design of the engine remained unchanged.

Доля биогаза в топливе устанавливалась максимально возможной при условии сохранения устойчивости работы двигателя.The share of biogas in the fuel was set as high as possible, provided that the stability of the engine was maintained.

Испытания двигателя проводились на характерных нагрузочных и скоростных режимах его работы. Результаты проведенных испытаний сведены в таблицу 3.Tests of the engine were carried out at the characteristic load and speed modes of its operation. The results of the tests are summarized in table 3.

Результаты обработки данных таблицы 3 представлены в виде графиков на фиг.2, 3, 4, 5.The data processing results of table 3 are presented in the form of graphs in figure 2, 3, 4, 5.

Фиг.2. Зависимость эффективной мощности Ne (а) и эффективного КПД ηe (б) дизеля от концентрации метана в биогазе CCH4 на режимах регуляторной характеристики при различных частотах вращения n: 1 - n=1380 мин-1; 2 - n=1420 мин-1; 3 - n=1500 мин-1; 4 - n=1620 мин-1 Figure 2. The dependence of the effective power N e (a) and the effective efficiency η e (b) of a diesel engine on the methane concentration in biogas C CH4 at the regulatory characteristics at different rotational speeds n: 1 - n = 1380 min -1 ; 2 - n = 1420 min -1 ; 3 - n = 1500 min -1 ; 4 - n = 1620 min -1

Фиг.3. Зависимость эффективного КПД дизеля ηe от нагрузки (эффективной мощности Ne) и содержания метана в биогазе. CCH4: 1 - работа на дизельном топливе; 2 - работа на биогазе с CCH4=60,0%; 3 - CCH4=72,8%; 4 - CCH4=77,8%; 5 - CCH4=84,8%Figure 3. The dependence of the effective diesel efficiency η e on the load (effective power N e ) and methane content in biogas. C CH4 : 1 - work on diesel fuel; 2 - biogas operation with C CH4 = 60.0%; 3 - C CH4 = 72.8%; 4 - C CH4 = 77.8%; 5 - C CH4 = 84.8%

Фиг.4. Зависимость температуры отработавших газов ТОГ от содержания метана в биогазе CCH4 на режимах регуляторной характеристики при различных частотах вращения n (а) и от от эффективного КПД ηe дизеля при постоянных концентрациях метана в биогазе CCH4 и изменении скоростного режима (б): а: 1 - n=1380 мин-1; 2 - n=1420 мин-1; 3 - n=1500 мин-1; 4 - n=1620 мин-1;Figure 4. Dependence of the temperature of the exhaust gas Т ОГ on the methane content in C CH4 biogas at the regulatory characteristics at different rotational speeds n (a) and on the effective efficiency η e of a diesel engine at constant methane concentrations in C CH4 biogas and a change in the speed regime (b): a : 1 - n = 1380 min -1 ; 2 - n = 1420 min -1 ; 3 - n = 1500 min -1 ; 4 - n = 1620 min -1 ;

б: 1 - CCH4=60,0%; 2 - CCH4=72,S%; 3 - CCH4=77,8%; 4 - CCH4=84,8%.b: 1 - C CH4 = 60.0%; 2 - C CH4 = 72, S%; 3 - C CH4 = 77.8%; 4 - C CH4 = 84.8%.

Фиг.5. Изменение параметров дизеля при изменении содержания метана в биогазе CCH4:Figure 5. Change in diesel parameters with a change in methane content in biogas C CH4 :

Ne - эффективная мощность двигателя; Gг - доля замещения ДТ [%, масс.];N e is the effective engine power; G g - the proportion of substitution DT [%, mass.];

ТОГ - температура отработавших газов;T OG - temperature of the exhaust gases;

Gд - цикловая подача дизельного топлива;G d - cyclic supply of diesel fuel;

Gг - цикловая подача горючего биогазаG g - cyclic feed of biogas

(сплошные линии - эксперимент, см. таблицу 3; пунктирные линии - рекомендуемые значения параметров)(solid lines - experiment, see table 3; dashed lines - recommended parameter values)

Основным параметром, характеризующим экономичность работы дизеля, является эффективный КПД ηe, показывающий насколько полно теплота, полученная при сгорании того или иного топлива, преобразована в механическую работу, отдаваемую потребителю. Эффективный КПД позволяет сравнивать параметры двигателей, работающих на различных видах топлива.The main parameter characterizing the efficiency of the diesel engine is the effective efficiency η e , which shows how fully the heat received during the combustion of a particular fuel is converted into mechanical work given to the consumer. Effective efficiency allows you to compare the parameters of engines running on different types of fuel.

Таблица 3Table 3 Зависимость показателей работы дизеля от концентрации метана в биогазеDependence of diesel engine performance on methane concentration in biogas Частота вращения n, мин-1 Speed n min -1 16201620 15801580 15601560 15401540 15201520 15001500 14801480 14601460 14201420 13801380 Мощность Ne [кВт] при концентрации метана в биогазе CCH4 [%, масс.]Power N e [kW] at methane concentration in biogas C CH4 [%, mass.] ДТDT 0,580.58 1,461.46 1,821.82 2,302,30 2,782.78 3,253.25 3,523.52 3,823.82 4,284.28 4,424.42 CCH4=60,0C CH4 = 60.0 0,580.58 1,261.26 1,691,69 1,861.86 2,232.23 2,732.73 3,203.20 3,423.42 3,503,50 3,623.62 CCH4=72,8C CH4 = 72.8 0,590.59 1,161.16 1,281.28 1,731.73 2,262.26 2,792.79 3,123.12 3,263.26 3,733.73 4,124.12 CCH4=77,8C CH4 = 77.8 0,590.59 1,181.18 1,521,52 1,761.76 2,292.29 2,822.82 3,203.20 3,333.33 3,813.81 4,234.23 CCH4=84,8C CH4 = 84.8 0,590.59 1,181.18 1,531,53 1,741.74 2,302,30 2,842.84 3,123.12 3,373.37 3,843.84 4,344.34 Доля замещения ДТ [%, масс.] при концентрации метана в биогазе CCH4 [%, масс.]The fraction of substitution of DT [%, mass.] At a methane concentration in biogas C CH4 [%, mass.] ДТDT 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 CCH4=60,0C CH4 = 60.0 69,569.5 69,069.0 72,072.0 72,272,2 72,072.0 70,570.5 66,566.5 66,066.0 65,565.5 65,265,2 CCH4=72,8C CH4 = 72.8 80,080.0 82,082.0 83,083.0 82,082.0 83,083.0 83,083.0 84,084.0 84,084.0 84,084.0 82,082.0 CCH4=77,8C CH4 = 77.8 82,082.0 84,084.0 86,086.0 85,085.0 85,085.0 86,086.0 85,085.0 86,086.0 85,085.0 83,083.0 CCH4=84,8C CH4 = 84.8 83,083.0 85,085.0 88,088.0 89,089.0 88,088.0 88,088.0 88,088.0 88,088.0 86,086.0 84,084.0 Эффективный КПД ηe [%] при концентрации метана в биогазе CCH4 [%, масс.]Effective efficiency η e [%] at methane concentration in biogas C CH4 [%, mass.] ДТDT 12,612.6 15,815.8 17,517.5 21,121.1 22,922.9 25,625.6 26,126.1 26,826.8 27,927.9 27,927.9 CCH4=60,0C CH4 = 60.0 15,615.6 24,124.1 30,930.9 34,334.3 36,536.5 39,039.0 39,339.3 40,040,0 40,140.1 41,241.2 CCH4=72,8C CH4 = 72.8 16,916.9 24,424.4 25,625.6 28,728.7 32,532,5 35,135.1 38,238,2 39,639.6 39,939.9 40,140.1 CCH4=77,8C CH4 = 77.8 17,017.0 25,225,2 27,327.3 29,129.1 31,131.1 36,836.8 38,438,4 39,539.5 38,438,4 37,837.8 CCH4=84,8C CH4 = 84.8 16,116.1 26,226.2 26,926.9 29,129.1 30,830.8 33,833.8 35,235,2 36,636.6 36,736.7 35,435,4 Температура ОГ ТОГ [К] при концентрации метана в биогазе CCH4 [%, масс.]Temperature of exhaust gas Т ОГ [К] at methane concentration in biogas C CH4 [%, mass.] CCH4=60,0C CH4 = 60.0 572572 595595 612612 632632 652652 682682 722722 732732 753753 773773 CCH4=72,8C CH4 = 72.8 593593 603603 643643 703703 723723 743743 773773 793793 833833 863863 CCH4=77,8C CH4 = 77.8 594594 633633 653653 683683 733733 753753 783783 813813 843843 853853 CCH4=84,8C CH4 = 84.8 550550 613613 621621 648648 681681 737737 763763 802802 854854 897897

При обработке результатов экспериментальных исследований расчет эффективного КПД ηe дизеля проводился с учетом различной теплотворной способности используемых топлив по выражению:When processing the results of experimental studies, the calculation of the effective efficiency η e of the diesel engine was carried out taking into account the different calorific value of the fuels used in the expression:

η e = 3 , 6 N e H U C M ( G Д Т + G Г ) ,

Figure 00000001
η e = 3 , 6 N e H U C M ( G D T + G G ) ,
Figure 00000001

где H U C M

Figure 00000002
- теплота сгорания условной смеси подаваемого топлива, МДж/кг; Ne - эффективная мощность двигателя, кВт. Теплота сгорания смеси подаваемых в КС топлив определялась соотношением часовых расходов дизельного топлива GДТ и биогаза Gг [кг/ч] и их теплотворной способностью по соотношению:Where H U C M
Figure 00000002
- calorific value of a conventional mixture of supplied fuel, MJ / kg; N e is the effective engine power, kW. The heat of combustion of the mixture supplied to the COP fuels was determined by the ratio of the hourly consumption of diesel fuel G DT and biogas G g [kg / h] and their calorific value according to the ratio:

H U C M = G Д Т G H U Д Т + G Г G H U Г ,

Figure 00000003
H U C M = G D T G H U D T + G G G H U G ,
Figure 00000003

где H U Д Т ,

Figure 00000004
H U Г
Figure 00000005
- теплота сгорания соответственно дизельного топлива и биогаза, МДж/кг.Where H U D T ,
Figure 00000004
H U G
Figure 00000005
- calorific value, respectively, of diesel fuel and biogas, MJ / kg.

Увеличение концентрации метана CH4 в биогазе обеспечивает большее значение выходной мощности газодизеля. Наиболее ощутимо влияние концентрации метана на выходную мощность происходит при высоких нагрузках (фиг.2, а). Так, на режиме максимальной нагрузки при частоте вращения n=1380 мин-1 увеличение концентрации метана в биогазе CCH4 с 60,0 до 84,8% приводит к увеличению максимальной мощности Ne с 3,6 до 4,3 кВт (на 16%). На режиме с частотой вращения n=1420 мин-1 и нагрузкой около 90% от полной нагрузки рост концентрации метана в биогазе CCH4 с 60,0 до 84,8% приводит к увеличению мощности от 3,5 до 3,8 кВт (на 8%). На режиме с частотой вращения n=1500 мин-1 при нагрузке около 65% от полной рост концентрации метана CCH4 с 60,0 до 84,8% сопровождается ростом мощности с 2,7 до 2,8 кВт, т.е. на 3,6%. При малых нагрузках изменение концентрация метана в биогазе не оказывает существенного влияния на эффективные показатели дизеля. На фиг.2, б показано влияние концентрации метана в биогазе CCH4 на эффективный КПД газодизеля ηe на различных режимах регуляторной характеристики. Как следует из представленных данных, повышение концентрации метана в биогазе CCH4 приводит к снижению эффективного КПД ηe при высоких нагрузках и не оказывает заметного влияния на ηe при низких нагрузках. Так на режиме с частотой вращения n=1380 мин-1 и максимальной нагрузкой увеличение концентрации метана в биогазе CCH4 с 60,0 до 84,8% приводит к уменьшению эффективного КПД ηe с 41,2 до 35,4%. На режиме с частотой вращения n=1420 мин-1 и нагрузкой около 90% от полной увеличение концентрации метана CCH4 с 60,0 до 84,8% приводит к снижению КПД ηe с 40,1 до 36,7%. При частоте вращения n=1620 мин-1 и нагрузке около 15% от полной рост концентрации метана CCH4 с 60,0 до 84,8%, напротив, приводит к увеличению КПД ηe с 15,6 до 16,0%. Максимальные значения эффективного КПД ηe отмечены на режимах с высокими и средними нагрузками при частотах вращения n<1500 мин-1.An increase in methane concentration of CH 4 in biogas provides a higher value of the output power of the gas diesel. The most noticeable effect of the concentration of methane on the output power occurs at high loads (figure 2, a). So, at maximum load at a speed of n = 1380 min -1, an increase in methane concentration in biogas C CH4 from 60.0 to 84.8% leads to an increase in maximum power Ne from 3.6 to 4.3 kW (by 16 %). In the regime with a rotation speed n = 1420 min -1 and a load of about 90% of the full load, an increase in the methane concentration in biogas C CH4 from 60.0 to 84.8% leads to an increase in power from 3.5 to 3.8 kW (by 8%). In the regime with a rotation speed of n = 1500 min -1 at a load of about 65% of the total increase in the concentration of methane C CH4 from 60.0 to 84.8%, it is accompanied by an increase in power from 2.7 to 2.8 kW, i.e. by 3.6%. At low loads, a change in the concentration of methane in biogas does not significantly affect the effective performance of a diesel engine. Figure 2, b shows the effect of the concentration of methane in biogas C CH4 on the effective efficiency of the diesel engine η e in various modes of regulatory characteristics. As follows from the data presented, an increase in the methane concentration in biogas C CH4 leads to a decrease in the effective efficiency η e at high loads and does not have a noticeable effect on η e at low loads. So in the regime with a rotational speed n = 1380 min -1 and a maximum load, an increase in the methane concentration in biogas C CH4 from 60.0 to 84.8% leads to a decrease in the effective efficiency η e from 41.2 to 35.4%. In the mode with a rotation speed n = 1420 min -1 and a load of about 90% of the total increase in the concentration of methane C CH4 from 60.0 to 84.8%, the efficiency η e decreases from 40.1 to 36.7%. At a rotation frequency of n = 1620 min -1 and a load of about 15% of the total increase in the concentration of methane C CH4 from 60.0 to 84.8%, on the contrary, it leads to an increase in the efficiency η e from 15.6 to 16.0%. The maximum values of the effective efficiency η e are noted in the regimes with high and medium loads at rotational speeds n <1500 min -1 .

На фиг.3 приведены данные по эффективному КПД газодизеля ηe для условий его работы по дизельному и газодизельному циклам при различных концентрациях метана в биогазе, CCH4. Подача в камеру сгорания (КС) биогаза, с содержанием метана CCH4=60,0%, позволяет поднять максимальное значение КПД ηe с 27,9 до 41,2% (см. фиг.3, характеристики 1 и 2). Но удельный эффективный расход топлива при работе на дизельном топливе был ниже на Δge=50 (г/кВт·ч). Такое противоречие объясняется низкой теплотворностью биогаза из-за наличия в нем 40% негорючих газов (в частности, CO2) и только 60% приходится на метан СН4. Существенное увеличение КПД ηe при использовании биогаза вместо дизельного топлива вероятно связано с существенным улучшением процесса смесеобразования, что характерно для малоразмерных дизелей с низким давлением впрыскивания. Подача в камеру сгорания (КС) биогаза с концентрацией метана CCH4=72,8 позволяет поднять максимальное значение КПД ηe с 27,9 до 40,1% (см. фиг.3, характеристики 1 и 3), при CCH4=77,8% КПД ηe возрос до 37,8% (см. фиг.3, характеристики 1 и 4), а при CCH4=84,8% - до 37,8% (см. фиг.3, характеристики 1 и 5). Результаты проведенных исследований подтверждают наличие зависимости показателей дизеля от концентрации метана в биогазе CCH4. Поэтому возникает необходимость оптимизации состава биогаза. При такой оптимизации следует учитывать основные показатели двигателя, не допуская перехода за их предельные значения.Figure 3 shows the data on the effective efficiency of the gas η e diesel engine for its operating conditions in the diesel and gas-diesel cycles at various concentrations of methane in biogas, C CH4 . The supply of biogas to the combustion chamber (CC), with methane content C CH4 = 60.0%, allows to increase the maximum value of the efficiency η e from 27.9 to 41.2% (see figure 3, characteristics 1 and 2). But the specific effective fuel consumption when working on diesel fuel was lower by Δg e = 50 (g / kW · h). This contradiction is explained by the low calorific value of biogas due to the presence of 40% non-combustible gases (in particular, CO 2 ) in it and only 60% is accounted for by methane CH 4 . A significant increase in the efficiency η e when using biogas instead of diesel fuel is probably associated with a significant improvement in the mixture formation process, which is typical for small diesel engines with low injection pressure. The supply of biogas to the combustion chamber (CC) with a methane concentration C CH4 = 72.8 allows you to raise the maximum value of the efficiency η e from 27.9 to 40.1% (see Fig. 3, characteristics 1 and 3), with C CH4 = 77.8% of the efficiency η e increased to 37.8% (see figure 3, characteristics 1 and 4), and with C CH4 = 84.8% - up to 37.8% (see figure 3, characteristics 1 and 5). The results of the studies confirm the existence of a dependence of diesel indicators on the concentration of methane in biogas C CH4 . Therefore, there is a need to optimize the composition of biogas. With this optimization, the main engine performance should be taken into account, not allowing a transition beyond their limit values.

К основным показателям относятся эффективный КПД дизеля ηe и температура отработавших газов (ОГ) ТОГ. Последний показатель является очень важным, поскольку при переводе дизеля на биогаз температура ОГ может заметно увеличиваться. Характеристики эффективного КПД газодизеля ηe рассмотрены выше (см. фиг.2, б и 3), а характеристики температуры отработавших газов ТОГ представлены на фиг.4. Данные на фиг.4, а свидетельствуют о том, что при росте нагрузки (при уменьшении частоты вращения n на режимах регуляторной характеристики) температура ОГ существенно возрастает и достигает значения ТОГ=897 К (кривая 1 на фиг.4, а при CCH4=84,8%).The main indicators include the effective efficiency of the diesel η e and the temperature of the exhaust gases (exhaust) T exhaust . The latter indicator is very important, since when the diesel is converted to biogas, the exhaust gas temperature can increase markedly. The characteristics of the effective efficiency of the diesel engine η e are discussed above (see Fig. 2, b and 3), and the characteristics of the temperature of the exhaust gases T OG are presented in Fig. 4. The data in Fig. 4, a indicate that with an increase in the load (with a decrease in the rotational speed n in the regimes of the regulatory characteristic), the exhaust gas temperature increases significantly and reaches the value of T exhaust gas = 897 K (curve 1 in Fig. 4, and at C CH4 = 84.8%).

Таким образом, при оптимизации состава биогаза исследуемого дизеля необходимо обеспечить максимальную эффективность работы двигателя (максимальные значения эффективного КПД ηe) при ограничениях, накладываемых на температуру отработавших газах ТОГ. Следует отметить, что с ростом нагрузки (с уменьшением частоты вращения n на режимах регуляторной характеристики) эффективность процесса сгорания повышается, что сопровождается одновременным увеличением эффективного КПД дизеля ηe и температуры ОГ ТОГ (фиг.4, б). Причем, если при работе исследуемого двигателя по дизельному циклу (только на дизельном топливе) предельная температура ОГ достигает уровня ТОГ=800 К, то, как отмечено выше, при работе двигателя по газодизельному циклу (на биогазе с запальной дозой ДТ) максимальная температура ОГ возрастает до ТОГ=897 К. Это может привести к перегреву деталей КС дизеля и, в первую очередь, его выпускных клапанов и выходу двигателя из строя. Поэтому возникает противоречие между стремлением к повышению эффективного КПД дизеля ηe и необходимостью ограничения температуры ОГ ТОГ.Thus, when optimizing the biogas composition of the diesel under study, it is necessary to ensure maximum engine performance (maximum values of effective efficiency η e ) under the restrictions imposed on the temperature of the exhaust gases T OG . It should be noted that with an increase in the load (with a decrease in the rotational speed n in the regimes of the regulatory characteristic), the efficiency of the combustion process increases, which is accompanied by a simultaneous increase in the effective efficiency of the diesel engine η e and the temperature of the exhaust gas (ОГ) (Fig. 4, b). Moreover, if during the operation of the investigated engine in the diesel cycle (only on diesel fuel) the exhaust gas temperature limit reaches the level of T ОГ = 800 К, then, as noted above, when the engine runs in the gas-diesel cycle (on biogas with an ignition dose of DT), the maximum exhaust gas temperature increases to T OG = 897 K. This can lead to overheating of the components of the diesel engine and, in the first place, its exhaust valves and engine failure. Therefore, a contradiction arises between the desire to increase the effective efficiency of the diesel η e and the need to limit the temperature of the exhaust gas .

Анализ данных фиг.4, а, б показывает, что ограничение температуры ОГ на уровне ТОГ=800 К, характерном для базового дизеля, достигается только при использовании биогаза с содержанием метана CCH4=60,0%. При использовании биогаза с содержанием метана CCH4=72,8; 77,8 и 84,8% это ограничение не обеспечивается.The analysis of the data of Figs. 4, a, b shows that the limitation of the exhaust gas temperature at the level of TOG = 800 K, typical for a base diesel engine, is achieved only when using biogas with a methane content of CH4 = 60.0%. When using biogas with methane content C CH4 = 72.8; 77.8 and 84.8% of this restriction is not provided.

При использовании биогаза с различным содержанием метана необходимо обеспечить ограничение температуры отработавших газов на уровне, характерном для работы на биогазе с низким содержанием метана. Для этого предлагается при изменении содержания метана в горючем биотопливе уменьшать запальную дозу дизельного топлива на 4…5% на каждые 4…5% увеличения массового содержания метана в биогазе (в рассмотренном выше дизеле - от 0,010 до 0,005 г/цикл при изменении содержания метана в горючем биотопливе от 60 до 85%, см. фиг.5). При этом массовая цикловая подача горючего биогаза должна увеличиваться на 4…5% при увеличении массового содержания метана в биогазе на 4…5% (в рассмотренном выше дизеле - от 0,020 до 0,023 г/цикл при изменении содержания метана в горючем биотопливе от 60 до 85%, см. фиг.5). Такое изменение цикловых подач горючего биогаза и запальной дозы дизельного топлива обеспечит постоянство температуры ОГ на уровне, характерном для работы на биогазе с низким содержанием метана (в рассматриваемом дизеле - на уровне 773 К, см. фиг.5). Указанные значения запальных доз дизельного топлива выбраны из условия обеспечения стабильного воспламенения рабочей смеси. Меньшие значения запальных доз дизельного топлива не позволяют организовать стабильную работу газодизельного двигателя. Но в этом случае ее можно обеспечить путем подогрева горючего биогаза, подаваемого в рабочие цилиндры газодизеля. Причем, нагрев горючего газа осуществляется в подогревателе, установленном после компрессора, за счет теплоты отработавших газов. Анализ экспериментальных характеристик ряда газодизельных двигателей показал, что нагрев биогаза в подогревателе на 10…12 град. позволяет уменьшить запальную дозу дизельного топлива на 4…5% без ухудшения воспламеняемости рабочей смеси.When using biogas with different methane content, it is necessary to limit the temperature of the exhaust gases at a level characteristic of biogas with a low methane content. To do this, it is proposed, when changing the methane content in combustible biofuel, to reduce the ignition dose of diesel fuel by 4 ... 5% for every 4 ... 5% increase in the mass content of methane in biogas (in the diesel engine considered above, from 0.010 to 0.005 g / cycle when changing the methane content in combustible biofuels from 60 to 85%, see figure 5). In this case, the mass cyclic supply of combustible biogas should increase by 4 ... 5% with an increase in the mass content of methane in biogas by 4 ... 5% (in the diesel engine considered above, from 0.020 to 0.023 g / cycle with a change in the methane content in combustible biofuel from 60 to 85 %, see figure 5). Such a change in the cyclic supply of combustible biogas and the ignition dose of diesel fuel will ensure that the exhaust gas temperature remains constant at a level typical for biogas with a low methane content (in the diesel engine under consideration - at a level of 773 K, see figure 5). The indicated values of the ignition doses of diesel fuel are selected from the conditions for ensuring stable ignition of the working mixture. Lower values of ignition doses of diesel fuel do not allow the stable operation of a gas-diesel engine. But in this case, it can be provided by heating the combustible biogas supplied to the working cylinders of the diesel engine. Moreover, the heating of combustible gas is carried out in a heater installed after the compressor, due to the heat of the exhaust gases. An analysis of the experimental characteristics of a number of gas-diesel engines showed that biogas heating in the heater was 10 ... 12 degrees. allows you to reduce the ignition dose of diesel fuel by 4 ... 5% without compromising the flammability of the working mixture.

Предложенный способ может найти широкое применение в таких отраслях промышленности, как транспортное и сельскохозяйственное двигателестроение, судостроение, малая энергетика и др. Описание заявки с достаточной полнотой содержит сведения о том, как использовать предложенный способ с достижением того положительного эффекта, который указан в техническом результате. Приведенные в описании заявки экспериментальные данные подтверждают достижимость технического результата и еще раз доказывают возможность практического использования заявляемого способа подачи горючего биогаза в рабочие цилиндры газодизеля энергетической установки. Это говорит о соответствии предложенного способа критерию «Промышленная применимость».The proposed method can be widely used in such industries as transport and agricultural engine building, shipbuilding, small energy, etc. The application description contains sufficient information on how to use the proposed method to achieve the positive effect indicated in the technical result. The experimental data presented in the application description confirm the attainability of the technical result and once again prove the possibility of practical use of the proposed method for supplying combustible biogas to the working cylinders of a gas-diesel engine of a power plant. This suggests that the proposed method meets the criterion of "Industrial applicability".

Claims (3)

1. Способ корректируемой подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля, в котором газообразное топливо подают через впускную систему газодизеля и его впускные клапаны в рабочие цилиндры, при этом запальная доза дизельного топлива впрыскивается в рабочие цилиндры газодизеля форсунками, соединенными с механизмом подачи запальных доз жидкого топлива, связанным с регулятором газодизеля, а подачу горючего газа корректируют в зависимости от состава горючего газа, отличающийся тем, что корректирование подачи горючего газа - биогаза по процентному содержанию метана в биогазе осуществляют по косвенной оценке содержания метана с помощью измерений содержания диоксида углерода в биогазе на входе во впускную систему газодизеля и/или температуры отработавших газов на выходе из газодизеля.1. The method of correcting the supply of combustible gas to the working cylinders of a gas diesel, in which gaseous fuel is supplied through the inlet system of the gas diesel and its inlet valves to the working cylinders, wherein the ignition dose of diesel fuel is injected into the working cylinders of the gas diesel by nozzles connected to the mechanism for supplying ignition doses of liquid fuel associated with the regulator of the gas diesel, and the flow of combustible gas is adjusted depending on the composition of the combustible gas, characterized in that the adjustment of the flow of combustible gas - biogas according to percentage set the contents of methane in the biogas is carried out in an indirect evaluation of the content of methane by measuring the content of carbon dioxide in the biogas at the entrance into the inlet gas diesel engine system and / or exhaust gas temperature at the outlet of a gas diesel. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании биогаза с содержанием метана не менее 50% при увеличении содержания метана в биогазе на каждые 4…5% увеличивают массовую долю газообразного топлива на 4…5% и соответственно уменьшают долю запальной дозы дизельного топлива тоже на 4…5%.2. The method according to claim 1, characterized in that when using biogas with a methane content of at least 50%, increasing the methane content in biogas for every 4 ... 5% increases the mass fraction of gaseous fuel by 4 ... 5% and, accordingly, reduces the proportion of the ignition dose diesel fuel also by 4 ... 5%. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что горючий биогаз, подаваемый во впускную систему газодизеля, нагревают на 10…12 градусов за счет теплоты отработавших газов при уменьшении запальной дозы дизельного топлива на каждые 4…5% такого уменьшения. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the combustible biogas supplied to the intake system of the gas diesel is heated by 10 ... 12 degrees due to the heat of the exhaust gases with a decrease in the ignition dose of diesel fuel for every 4 ... 5% of such a decrease.
RU2013139240/06A 2013-08-23 2013-08-23 Method for corrected feeding of combustible biogas in gas diesel engine of power plant RU2540029C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013139240/06A RU2540029C1 (en) 2013-08-23 2013-08-23 Method for corrected feeding of combustible biogas in gas diesel engine of power plant

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013139240/06A RU2540029C1 (en) 2013-08-23 2013-08-23 Method for corrected feeding of combustible biogas in gas diesel engine of power plant

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2540029C1 true RU2540029C1 (en) 2015-01-27
RU2013139240A RU2013139240A (en) 2015-02-27

Family

ID=53279413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013139240/06A RU2540029C1 (en) 2013-08-23 2013-08-23 Method for corrected feeding of combustible biogas in gas diesel engine of power plant

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2540029C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111322153A (en) * 2019-12-30 2020-06-23 上海沼鑫环保新能源科技有限公司 Method and system for generating power by utilizing methane

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1268769A1 (en) * 1985-06-03 1986-11-07 Центральный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Автомобильный И Автомоторный Институт Device for controlling feed of liquid and gaseous fuel to internal combustion engine
US6397790B1 (en) * 2000-04-03 2002-06-04 R. Kirk Collier, Jr. Octane enhanced natural gas for internal combustion engine
RU2007108085A (en) * 2004-08-03 2008-09-10 Зе Риджентс оф зи Юнивесити оф Кэлифонье (US) METHOD FOR TRANSFORMING CARBON MATERIALS INTO ENERGY GASES, METHOD FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS (OPTIONS), METHOD FOR PRODUCING LIQUID FUEL (OPTIONS), INSTALLATION FOR PRODUCING GAS SYNTHESIS (SYNTHESIS)
US20110137573A1 (en) * 2009-12-04 2011-06-09 Lincoln Evans-Beauchamp System and method for monitoring emissions from engines
US8192688B2 (en) * 2003-01-22 2012-06-05 Vast Power Portfolio Llc Trifluid reactor
RU2465472C2 (en) * 2010-08-16 2012-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "А.Д.Д. Сервис" Automated gas-diesel generator plant with combined fuel feed

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1268769A1 (en) * 1985-06-03 1986-11-07 Центральный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Автомобильный И Автомоторный Институт Device for controlling feed of liquid and gaseous fuel to internal combustion engine
US6397790B1 (en) * 2000-04-03 2002-06-04 R. Kirk Collier, Jr. Octane enhanced natural gas for internal combustion engine
US8192688B2 (en) * 2003-01-22 2012-06-05 Vast Power Portfolio Llc Trifluid reactor
RU2007108085A (en) * 2004-08-03 2008-09-10 Зе Риджентс оф зи Юнивесити оф Кэлифонье (US) METHOD FOR TRANSFORMING CARBON MATERIALS INTO ENERGY GASES, METHOD FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS (OPTIONS), METHOD FOR PRODUCING LIQUID FUEL (OPTIONS), INSTALLATION FOR PRODUCING GAS SYNTHESIS (SYNTHESIS)
US20110137573A1 (en) * 2009-12-04 2011-06-09 Lincoln Evans-Beauchamp System and method for monitoring emissions from engines
RU2465472C2 (en) * 2010-08-16 2012-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "А.Д.Д. Сервис" Automated gas-diesel generator plant with combined fuel feed

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111322153A (en) * 2019-12-30 2020-06-23 上海沼鑫环保新能源科技有限公司 Method and system for generating power by utilizing methane

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013139240A (en) 2015-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
De Morais et al. Hydrogen impacts on performance and CO2 emissions from a diesel power generator
AU2007101134A4 (en) Diesel Fuel Engine Injection System &amp; Method Therefor
US20120210988A1 (en) Variable gas substitution for duel fuel engine and method
CN104121102B (en) Fuel supply system and control method for micro diesel pilot direct injection natural gas engine
Deb et al. An experimental investigation of performance-emission trade off characteristics of a CI engine using hydrogen as dual fuel
AU2010212207B2 (en) A fuel injection system
De Santoli et al. Energy characterization of CHP (combined heat and power) fuelled with hydrogen enriched natural gas blends
US10180110B2 (en) Method for operating an internal combustion engine based on a characteristic value determined from a lamda value, and internal combustion engine
US20130298869A1 (en) Method for operating an internal combustion engine having at least two cylinders
Park et al. Effect of natural gas composition and gas interchangeability on performance and emission characteristics in an air–fuel controlled natural gas engine
JP2016084812A (en) Control method of binary fuel engine
US20160169132A1 (en) System and method for increasing tolerance to fuel variation
CN216386919U (en) An octane number measuring device suitable for gas fuel or gas-liquid flexible fuel
AU2015202272A1 (en) Internal combustion engine and method for operating the same
CN216411177U (en) A fuel octane number measuring device suitable for low pressure environment
Sagar et al. Experimental validation of accuracy of dynamic hydrogen-compressed natural gas mixing system using a single cylinder spark ignition engine
CN114019086B (en) Octane number measuring device suitable for gas fuel or gas-liquid flexible fuel
RU2292477C1 (en) Method of feed of fuel to multi-fuel internal combustion engine with spark-plug ignition system and fuel-feed system for such engine (versions)
RU2540029C1 (en) Method for corrected feeding of combustible biogas in gas diesel engine of power plant
CN104329173A (en) Method for controlling fuel-to-air ratio of gas turbine, and apparatus thereof
CN208040592U (en) Boat diesel engine lighter hydrocarbons/diesel blended fuel feed system
CN203978671U (en) The diesel oil ignited direct-jet natural gas engine fuel supply system of trace
Ehsan et al. Dual fuel performance of a small diesel engine for applications with less frequent load variations
AU2018201531B2 (en) Engine and control strategy for injecting augmenting fuel to stream of gaseous fuel and air
JP6306772B2 (en) Internal combustion engine having a fuel gas characteristic measurement system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190824