Optimization of operational performance indicators of a power plant with a gas-liquid fuel supply system. Part I

Abstract

The main objectives of this study were to determine the maximum replacement of conventional diesel fuel with liquefied petroleum gas in a production diesel engine operating in dual-fuel mode, with diesel providing pilot ignition and gas serving as the primary fuel, ensure stable operation across all load and speed conditions, and assess the influence of pilot and gaseous fuel quantities on engine performance. These objectives were achieved by analysing diesel conversion methods, gas supply control and existing mathematical models, developing diesel and dual-fuel cycle models based on the Wiebe function with a variable combustion shape parameter, and computationally investigating how the fuel substitution coefficient affects heat release, cylinder pressure and temperature. The most important results include identification of differences in combustion and heat release between diesel and dual-fuel cycles, including lower calculated pressure and higher temperature in dual-fuel operation under the adopted modelling conditions, and determination of relationships describing changes in the combustion shape parameter, heat release fraction and rate, cylinder pressure and temperature as diesel fuel is replaced by liquefied petroleum gas in a naturally aspirated engine. The significance of the results lies in establishing analytical relationships between combustion characteristics, liquid and gaseous fuel quantities supplied per cycle and engine cycle parameters, providing a basis for model refinement, development of gas supply and pilot fuel quantity control systems and algorithms, and assessment of fuel and energy efficiency over the investigated operating range.

Obiectivele principale ale acestui studiu au fost: determinarea gradului maxim de înlocuire a motorinei convenționale cu gaz petrolier lichefiat (GPL) într-un motor diesel care funcționează în regim mixt (dual-fuel) —unde motorina asigură aprinderea pilot, iar gazul servește drept combustibil principal; asigurarea unei funcționări stabile în toate regimurile de sarcină și turație; și evaluarea influenței cantităților de combustibil pilot și gazos asupra performanțelor motorului. Aceste obiective au fost atinse prin: analizarea metodelor de conversie a motoarelor diesel, a controlului alimentării cu gaz și a modelelor matematice existente; dezvoltarea unor modele pentru ciclurile diesel și mixte, bazate pe funcția Wiebe cu un parametru variabil de formă a arderii; și investigarea computațională a modului în care coeficientul de substituție a combustibilului influențează degajarea de căldură, precum și presiunea și temperatura din cilindru. Cele mai importante rezultate includ: identificarea diferențelor în procesele de ardere și degajare a căldurii între ciclurile diesel și cele mixte (în condițiile de modelare adoptate, regimul mixt prezintă o presiune calculată mai scăzută și o temperatură mai ridicată); precum și stabilirea unor relații care descriu variațiile parametrului de formă a arderii, fracțiunii și vitezei de degajare a căldurii, presiunii și temperaturii din cilindru pe măsură ce motorina este înlocuită cu gaz petrolier lichefiat într-un motor cu aspirație naturală. Semnificația rezultatelor constă în stabilirea unor relații analitice între caracteristicile arderii, cantitățile de combustibil lichid și gazos furnizate pe ciclu și parametrii ciclului motor. Acestea oferă o bază pentru rafinarea modelelor, dezvoltarea sistemelor și algoritmilor de control al alimentării cu gaz și al cantității de combustibil pilot, precum și pentru evaluarea eficienței energetice și a consumului de combustibil în gama de funcționare analizată.

Основные цели исследования это выявление максимального замещения традиционного дизельного топлива сжиженным нефтяным газом в качестве альтернативного топлива, используя газодизельный цикл для работы серийного дизельного двигателя, при использовании стандартного дизельного топлива в качестве запальной дозы, а сжиженного нефтяного газа – в качестве основного; обеспечение стабильной работы двигателя с использованием альтернативного топлива на всех нагрузочно скоростных режимах; выявление влияния запальной дозы и альтернативного топлива на технико эксплуатационные параметры энергетической установки. Эти цели были достигнуты путём анализа способов переоборудования дизелей, регулирования газоподачи и существующих математических моделей, разработки математической модели дизельного и газодизельного циклов на основе модели Вибе И. И. с переменным показателем характера сгорания, а также расчётного исследования влияния коэффициента замещения дизельного топлива сжиженным нефтяным газом на тепловыделение, давление и температуру в цилиндре. Наиболее важные результаты включают выявление различий в характере сгорания и тепловыделения в дизельном и газодизельном циклах, в частности получение при принятых условиях моделирования расчётных значений более низкого давления и более высокой температуры в газодизельном цикле; определение закономерностей изменения показателя характера сгорания для газодизельного цикла, доли и скорости тепловыделения, давления и температуры; расчётное установление влияния замещения части дизельного топлива сжиженным нефтяным газом на рабочий процесс дизельного двигателя без наддува. Значимость полученных результатов заключается в установлении аналитических связей между характеристиками сгорания, цикловой подачей жидкого и газообразного топлива и показателями рабочего цикла двигателя, что создаёт основу для дальнейшего уточнения модели газодизельного рабочего процесса, разработки устройств и алгоритмов регулирования газоподачи и запальной дозы, а также оценки топливной и энергетической эффективности установки в исследованном диапазоне режимов.