Плотников Леонид Валерьевич – д-р техн. наук, профессор кафедры «Турбины и двигатели»
Leonid V. Plotnikov
Красильников Дмитрий Николаевич – магистрант кафедры «Турбины и двигатели»
Dmitry N. Krasilnikov
Давыдов Данил Алексеевич – аспирант кафедры «Турбины и двигатели»
Danil A. Davydov
Рыжков Александр Филиппович – д-р техн. наук, заведующий лабораторией новых энергетических технологий
Alexander F. Ryzhkov
Шурупов Владислав Александрович – аспирант кафедры «Турбины и двигатели
Vladislav A. Shurupov
АКТУАЛЬНОСТЬ исследования обусловлена тем, что улучшение эффективных, экономических и экологических показателей поршневых двигателей (ДВС), работающих на альтернативных газообразных топливах, остается важной задачей для развития машиностроения и энергетики. Поэтому создание математических моделей рабочего цикла ДВС, работающих на разных газах, и повышение их энергоэффективности является актуальным для науки, техники и технологий. ЦЕЛЬ исследования состояла в повышении КПД и энергоэффективности электрогенератора на базе ДВС путем оптимизации параметров его рабочего цикла после замены базового топлива (пропан-бутана) на синтез-газ на основе численного моделирования. МЕТОДЫ. Объектом исследования был электрогенератор мощностью 1 кВт на базе одноцилиндрового ДВС с внешним смесеобразованием. В статье описываются основные подходы к созданию математической модели рабочего цикла двигателя, физико-химические свойства базового топлива (пропан-бутан) и нового лабораторного синтез-газа. Результаты моделирования верифицируются посредством экспериментальных исследований. Отличия между моделированием и опытами для ключевых параметров (мощность, КПД, расход воздуха и топлива) не превышали 4,0 %. КПД ДВС был выбран в качестве ключевого критерия оптимизации рабочего цикла. РЕЗУЛЬТАТЫ. Получены данные об эксплуатационных показателях ДВС, работающего на пропан-бутане и синтез-газе, для разных показателей рабочего цикла (степень сжатия, коэффициент избытка воздуха, угол опережения зажигания, сопротивление системы газообмена) на основе математического моделирования. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Показано, что замена топлива с пропан-бутана на синтез-газ вызывает снижение КПД двигателя до 33 % (КПД двигателя составлял 0,179 и 0,119 для ДВС, работающих на пропан-бутане и синтез-газе, соответственно, при мощности электрогенератора равной 0,59 кВт). После оптимизации КПД двигателя на синтез-газе стало выше на 6,1 % по сравнению с ДВС, работающем на пропан-бутане, а падение мощности не превышало 8 %. Таким образом, оптимизация параметров рабочего цикла способствует достижению значений КПД и энергоэффективности двигателя на синтез-газе, сравнимых с эффективностью ДВС, функционирующих на традиционных видах топлива.
RELEVANCE of the study is since improving the efficient, economic and environmental performance of reciprocating engines (ICE) powered by alternative gaseous fuels remains an important task for the development of mechanical engineering and energy. Therefore, the creation of mathematical models of the working cycle of ICEs operating on different gases and improving their energy efficiency is relevant for science, technology and technology. The PURPOSE of the study was to increase the efficiency and energy efficiency of an ICE-based electric generator by optimizing its operating cycle parameters after replacing the base fuel (propane-butane) with synthesis gas based on numerical modeling. METHODS. The object of the study was a 1 kW electric generator based on a single-cylinder ICE with external mixing. The article describes the main approaches to creating a mathematical model of the engine operating cycle, the physicochemical properties of the base fuel (propane-butane) and a new laboratory synthesis gas. The simulation results are verified through experimental studies. The differences between simulation and the experiments for the key parameters (power, efficiency, air and fuel consumption) did not exceed 4.0%. The efficiency of the ICE was chosen as a key criterion for optimizing the operating cycle. RESULTS. Data on the performance of an ICE powered by propane-butane and synthesis gas for different operating cycle parameters (compression ratio, excess air ratio, ignition timing angle, gas exchange system resistance) were obtained based on mathematical modeling. CONCLUSION. It is shown that replacing propane-butane fuel with synthesis gas causes a decrease in engine efficiency of up to 33% (the efficiency of the basic ICE was 0.179 versus an efficiency equal to 0.119 for the efficiency of the converted ICE for a power of 0.59 kW). As a result of optimization, the efficiency of the converted syngas engine was 6.1% higher than that of the base propane-butane ICE, and the power drop did not exceed 8%. Thus, careful refinement of the operating cycle parameters makes it possible to increase the energy efficiency of a synthesis gas engine to the level of an ICE running on traditional fuels.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.