ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Браільчук Андрій Петрович

УДК 629.113.004

РОЗРОБКА ЕКСПЛУАТАЦІЙНОГО МЕТОДУ ЗНИЖЕННЯ

ТОКСИЧНОСТІ КАРБЮРАТОРНИХ АВТОМОБІЛІВ ЗА РАХУНОК

ЗАСТОСУВАННЯ УЛЬТРАЗВУКОВИХ ГОМОГЕНІЗАТОРІВ

Спеціальність 05.22.20 – Експлуатація та ремонт засобів транспорту

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ХАРКІВ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі системотехніки і діагностики транспортних машин Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Говорущенко Микола Якович, завідуючий кафедрою системотехніки і діагностики транспортних машин Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Торлін Вадим Миколайович, завідуючий кафедрою машинобудування і транспорту Севастопольського державного технічного університету

доктор технічних наук, професор Д'яченко Василь Григорович, професор кафедри двигунів внутрішнього згоряння Харківського національного політехнічного університету

Провідна установа: кафедра "Автомобілі" Східноукраїнського національного університету Міністерства освіти та науки України, м. Луганськ

Захист відбудеться "30" травня 2001 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради ВАК України Д.64.059.02 при Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету (м. Харків, вул. Петровського, 25).

Автореферат розісланий 27.04.2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, ______ А.М.Юрченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Проблема підвищення екологічної безпеки автомобільного транспорту завжди залишиться актуальною. Це визначається значними темпами приросту автомобільного парку (від 5 до 18% щорічно останнім часом). Дослідження атмосфери в містах України показали, що основним джерелом її забруднення є автомобільний транспорт, основу якого (більш 80%) зараз складають автомобілі з бензиновими двигунами, головним чином з карбюраторними системами живлення, чи системами впорскування, які не відповідають сучасним екологічним вимогам. На жаль, нинішнє економічне становище України не дозволяє широко впроваджувати сучасні засоби обмеження токсичності відпрацьованих газів (ВГ) автомобілів, бо це вимагає організації виробництва дуже дорогих біфункціональних окислювально-відновних нейтралізаторів і відмови від випускання етилованого бензину. Така ситуація примушує шукати інші шляхи вирішення проблеми обмеження токсичності існуючого парку автомобілів.

Актуальність теми. Жорсткість норм на викиди шкідливих речовин (ШР) при підвищенні вимог до паливної економічності примушує фахівців знаходити засоби, що могли б без істотної зміни конструкції двигуна поліпшити процес згоряння, шляхом застосування додаткових пристроїв у системах живлення і запалювання,що не потребують великих матеріальних витрат і в той же час здатніх значно знизити токсичність ВГ і витрату палива автомобілями.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Ця робота є складовою частиною досліджень, виконуваних на кафедрі системотехніки і діагностики транспортних машин і в проблемній науково-дослідній лабораторії з діагностування і прогнозування технічного стану автомобілів ХДАДТУ, і спрямована на підвищення екологічної безпеки і паливної економічності автомобілів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є теоретичне й експериментальне обґрунтування застосування ефективного експлуатаційного методу зниження токсичності і підвищення паливної економічності карбюраторних автомобілів.

Об'єктом дослідження є можливість обмеження утворення ШР у ВГ карбюраторного автомобіля в різних експлуатаційних умовах.

Предметом досліджень є експлуатаційний метод зниження токсичності карбюраторних автомобілів за рахунок застосування ультразвукових гомогенізаторів.

Методи досліджень. У роботі використовуються аналітичні й експериментальні методи досліджень. Результати теоретичних досліджень порівнюються з даними, отриманими в дорожніх і стендових експериментах, і результатами експлуатаційних випробувань.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:

·

· розроблена і виготовлена система удосконалювання сумішоутворення. Її варіанти пристосовані до всіх типів карбюраторів, що встановлюються на вітчизняних автомобілях і на деяких закордонних;

· проведено комплексну експериментальну оцінку ефективності запропонованої системи в різних стендових і дорожніх умовах;

· вивчено ефективність практичного використання результатів досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів.

Запропоновано новий експлуатаційний метод зниження токсичності ВГ карбюраторних автомобілів, що дозволяє за рахунок використання ультразвукових гомогенізаторів у 1,5...2 рази знизити концентрацію продуктів неповного згоряння – СО і CmHn і забезпечує зниження витрати палива на 5...10%. Показано, що застосування ультразвукового гомогенізатора разом з рециркуляцією ВГ знижує вміст одного з найшкідливіших компонентів ВГ- оксидів азоту NOx, на 50...60% при часткових навантаженнях і на 20...30% при повних навантаженнях без погіршення показників циклу ДВЗ. Розроблено нову методику стендової перевірки іспитів токсичності ВГ автомобілів із примусовим запалюванням (акредитація Держстандарту України від 25.12.1998 № 100-0217198).

Практичне значення отриманих результатів:

·

·

Особистий внесок здобувача:

·

· розроблено систему удосконалювання сумішоутворення для автомобіля ГАЗ-31029, обладнаного сучасним карбюратором К-151;

· розроблено конструкцію ультразвукового розпилювача для карбюраторів ДААЗ-2105, ДААЗ-2107-"Озон", обладнаних автономною системою холостого ходу (АСХХ);

· запропоновано ряд варіантів здійснення комбінованого живлення газоструминного випромінювача, що значно розширює діапазон ефективної роботи гомогенізатора;

· розроблено технологію установки засобу на автомобілі.

Апробація результатів дисертації. Дисертаційна робота обговорена на розширеному засіданні кафедри системотехніки і діагностики транспортних машин Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету. Основні результати досліджень були викладені на науково-практичній конференції з проблеми захисту повітряного басейну від шкідливих викидів автотранспортних засобів (м. Харків, ХДАДТУ, 1997 р.); на науково-практичній конференції "Системотехніка на автомобільному транспорті" (м. Харків, ХДАДТУ,1998 р.); на 4-ій Міжнародній науково-технічній конференції "Рішення екологічних проблем в автотранспортному комплексі" (м. Москва, МАДІ, НДІАТ, 2000 р.); на науково-практичній конференції "Екологія Харківщини: стан, проблеми, перспективи" (м. Харків, УкрНДІЕП, 2000 р.); на 4-ій Міжнародній науково-технічній конференції "Автомобільний транспорт: проблеми і перспективи" (м. Севастополь, СДТУ, 2000 р.), на щорічних наукових конференціях викладачів (м. Харків, ХДАДТУ, 1986-2001 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 9 наукових працях, у тому числі 5 у фахових виданнях.

Структура та обсяг роботи.

Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота містить 145 сторінок основного тексту, 55 рисунків, 8 таблиць. Список використаних джерел налічує 127 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована тема дисертаційної роботи, спрямованої на підвищення екологічної безпеки автомобілів із примусовим запалюванням суміші.

У першому розділі розглянуті основні фактори, які впливають на екологічну безпеку автомобілів, що експлуатуються в Україні. Дані про наявність ДТЗ в Україні і зростанню їхньої кількості свідчать про те, що автомобільний транспорт, основу якого складають автомобілі з карбюраторними системами живлення, є головним джерелом забруднення атмосфери.

На цей час досить повно вивчені основні токсичні складові ВГ КБД, механізми їхнього утворення на різних режимах, вплив характеристик циклу.

Питанню зниження токсичності ВГ карбюраторних автомобілів присвячена велика кількість досліджень різних авторів, серед яких варто виділити роботи Варшавського І.Л., Великанова Д.П., Говорущенка М.Я., Гутаревича Ю.Ф., Долганова К.Е., Д'яченка В.Г., Зельдовича Я.Б., Звонова В.А., Жегаліна А.З., Канило П.М., Філіппова О.І. та ін. У багатьох роботах розглядаються можливості обмеження токсичності автомобілів як шляхом застосування нейтралізації ВГ, так і удосконаленням робочих процесів двигуна внутрішнього згоряння.

Через велику складність проблеми зниження токсичності ВГ в автомобілях з іскровим запалюванням дотепер не знайдені єдині ефективні й одночасно економічно виправдані способи її повного рішення. Через те, що концентрація токсичних складових у ВГ визначається складом суміші і якістю перебігу робочого процесу в циліндрах двигуна, удосконалювання двигунів з метою зниження токсичності ВГ ведеться в двох напрямках - удосконалювання якості сумішоутворення і поліпшення дозування палива та удосконалювання процесу згоряння робочого заряду.

Коли цими засобами неможливо забезпечити відповідність токсичності ВГ установленим нормам, звертаються до знешкодження їх за допомогою допалювачів і нейтралізаторів.

Питомі викиди бензинових двигунів максимальні на режимах малих навантажень, тривалість яких у їздовому циклі висока. Двигун на цих режимах має низький індикаторний і механічний ККД внаслідок підвищених дросельних втрат і великої кількості залишкових газів у циліндрах, що перезбагачує суміш. Тому необхідно в першу чергу підвищити якість сумішоутворення на цих режимах. Патентний огляд показав, що спроби підвищення повноти згоряння шляхом застосування додаткових пристроїв, типу насадок-розпилювачів, обробкою суміші в магнітному чи в електричному полі не мали успіху через недостатній енергетичний потенціал для впливу на бензоповітряну суміш, або збільшення дросельних втрат у впускній системі.

Постійне зростання екологічних вимог в усьому світі вимагає від України адекватних заходів. Однак уведення сьогодні твердих норм, що відповідають міжнародним стандартам, у нашій країні навряд чи можливо: економічні труднощі не дозволяють відмовитися від застосування етилованих палив в Україні, тому не можна використовувати на автомобілях сучасні засоби каталітичної нейтралізації ВГ, які під дією етилованого бензину швидко виходять з ладу. Крім того, застосування окислювально-відновних нейтралізаторів ефективне лише на "стехіометричних" двигунах, їхня установка на карбюраторні автомобілі вимагає значної переробки систем керування двигуном. Це змушує до пошуку рішення проблеми обмеження токсичності існуючого парку автомобілів шляхом удосконалювання робочого процесу ДВЗ.

На основі аналізу стану питання намічені мета, предмет і задачі досліджень.

В другому розділі викладені основні теоретичні передумови обґрунтування вибору і конструювання ультразвукових пристроїв (гомогенізаторів) у впускній системі КБД. Відомо, що в умовах експлуатації за рахунок деякого збідніння суміші і поліпшення сумішоутворення (гомогенізації) можна дещо підвищити ККД індикаторний і знизити вміст оксидів вуглецю і вуглеводнів.

Для одержання турбулентних надзвукових потоків і поліпшення розпилювання пальної суміші нами застосований відомий з фізики газоструминний випромінювач Гартмана. Загальна схема функціонування цього випромінювача представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема розподілу тисків у газоструминному випромінювачі

У випромінювачах Гартмана використовується нестійкість (підвищення тиску) надзвукового струменя при гальмуванні його твердою стінкою. Якщо струмінь повітря буде проходити через отвір діаметром , при надлишковому тиску більш 90 кПа, то швидкість повітря буде перевищувати швидкість поширення звуку і повітряний потік перед соплом буде мати періодичну (комірчасту) структуру (пунктирна лінія на рис. 1). Хитливий стан і підвищення тиску спостерігається на ділянці і . Якщо в цій зоні помістити отвір порожнього циліндра (резонатора), то одержимо звукові й ультразвукові хвилі. Простір струменя між стрибком згущення і дном резонатора стає джерелом акустичних коливань. Частота звукових коливань визначається внутрішніми розмірами резонатора.

За формулою Гельмгольца можна визначити довжину хвилі, при якій настає резонанс: , де і - відповідно довжина і діаметр резонатора, мм. Якщо прийняти мм, то мм. Оскільки добуток від множення довжини хвилі на частоту коливань дорівнює швидкості звуку , то при мм/с частота буде дорівнювати  кГц.

Потужність газоструминного випромінювання визначається за відомою формулою , де - діаметр сопла, мм; - надлишковий тиск, атм. Якщо , то . При мм Вт.

Коефіцієнт корисної дії випромінювача Гартмана становіть 5...6% і визначається за формулою

.

Струмінь газоструминного генератора поза соплом буде надзвуковий у тому випадку, якщо тиск буде коливатися в межах , де   атмосферний тиск і - тиск у соплі. Якщо повітря надходить в карбюратор через сопло під атмосферним тиском, за дроселем тиск мусить коливатися в межах 21...53 кПа. При більшому тиску ультразвукові коливання припиняються.

Газоструминний випромінювач гомогенізатора є точним акустичним приладом, що вимагає виконання індивідуального регулювання на спеціальній установці, яка складається з електронного осцилографа і конденсаторного мікрофона.

Рис. 2. Розрахункова схема гомогенізатора

Модель карбюратора, що працює разом з ультразвуковим гомогенізатором, показана на рис. 2. Для турбулізації суміші гомогенізатор розміщають за дросельною заслінкою карбюратора під розпилювачем холостого ходу. Течію повітря можна описати рівняннями витрати й енергії , де - ентальпія повітря (суміші), що надходить відповідно через перетин дросельної заслінки, через отвір гомогенізатора і впускний трубопровід. Результати розрахунку витрат за рівняннями ізоентропійного процесу , де , показали, що із сопла гомогенізатора надходить близько 10...12% додаткового повітря. А це означає, що коефіцієнт надлишку повітря також збільшується приблизно на 10…12%. При такому збільшенні індикаторний ККД збільшиться з 0,25 до 0,28, тобто приблизно на 10%. Деяке збідніння суміші не погіршує роботу двигуна, тому що при використанні гомогенізатора підвищується якість сумішоутворення і поліпшується рівномірність розподілу суміші як по циліндрах двигуна, так і усередині камери згоряння. Експериментально це доведено в четвертому розділі.

У роботі виконаний аналіз впливу складу суміші (коефіцієнта надлишку повітря) на вміст СО, CmHn і NOx. Теоретичні дослідження показують, що з досить високою точністю криві зміни токсичності визначаються через коефіцієнт надлишку повітря загальними залежностями виду , де , і - постійні коефіцієнти. Для карбюраторних автомобілів при зміні відсотка використання навантаження в межах 0…80%, можна застосовувати залежність зміни коефіцієнта надлишку повітря за формулою . Коефіцієнти і для різних двигунів лежать в межах 0,8...0,9 і 0,003…0,005.

Якщо останню залежність у загальному виді підставити у формули для визначення , то одержимо вирази, які можна записати так: , де , і - постійні коефіцієнти.

У табл. 1 наведені розраховані і підтверджені експериментальними дослідженнями значення цих коефіцієнтів для різних марок легкових автомобілів.

Результати експериментальних досліджень зміни процентного вмісту СО, CmHn і NOx у залежності від величини використання потужності наведені на рис. 3.

Криві зміни вмісту оксиду СО, CmHn і NOx апроксимовані виразами

,,

.

Таблиця 1

Коефіцієнти поліноміальних характеристик токсичності

Модель автомобіля (модель карбюратора) Викид СО, СmНn, NOx Значення коефіцієнтів

А0 А1 А2

ВАЗ-2106/ДААЗ 2107-110710-20 ХСО 1,315 -0,0475 0,0005

ЗАЗ-1102/ДААЗ 21081 1,3605 -0,0601 0,0007

ГАЗ-31029/К-151 1,1447 -0,0374 0,0001

ВАЗ-2106/ДААЗ 2107-110710-20 ХСmНn 0,0962 -0,0029 0,0003

ЗАЗ-1102/ДААЗ 21081 0,0749 -0,0025 0,0003

ГАЗ-31029/К-151 0,092 -0,0035 0,00004

ВАЗ-2106/ДААЗ 2107-110710-20 ХNOх 0,0221 -0,0011 0,0001

ЗАЗ-1102/ДААЗ 21081 0,0234 -0,0013 0,0001

ЗМЗ-4021/К-151 0,0319 -0,0025 0,0001

Рис. 3. Характеристика токсичності автомобіля ГАЗ-31029 з карбюратором К-151

Відповідно до діючих міжнародних стандартів ЄЕК ООН Євро-I, Євро-II і Євро-III викид основних ШР виміряється в г/км при випробуваннях бензинових, газових і дизельних автомобілів на спеціальних стендах, або із застосуванням європейського їздового циклу. У проблемній лабораторії кафедри системотехніки і діагностики транспортних машин за участю автора розроблена нова методика випробувань автомобілів на викид СО, CmHn і NOx на пересувній станції діагностики (ПДС-Л) при визначених швидкостях руху автомобіля і навантаженнях (N1).

Викид ШР визначається за загальною формулою

г/км,

де МШР – молярна маса ШР; ХШР – об'ємний вміст ШР,%; Q – витрата палива, л/100км, a - коефіцієнт надлишку повітря; rп – густина палива, кг/м3.

В остаточному вигляді розрахункова формула для визначення викиду ШР у г/км записується так:

(1)

де .

Як можна побачити з формули (1), одним з головних факторів, що впливають на токсичність ВГ карбюраторного автомобіля, є коефіцієнт надлишку повітря, що прямо зв'язаний з індикаторним ККД відомим виразом . Для практичних розрахунків можна рекомендувати залежність .

У роботі виконаний аналіз складових останніх залежностей. Особливо розглянуті параметри (ХШР, a), які через складність і малу вивченість описуються емпіричними поліноміальними залежностями.

Для елементів систем живлення, що використовують подібні конструктивні принципи, форми характеристик подібні, а абсолютні величини коефіцієнтів можуть відрізнятися. Аргументом залежностей прийнято безрозмірний параметр – відсоток використання потужності N1.

У третьому розділі розраховані конструктивні параметри і розглянуті питання установки гомогенізатора на різні марки автомобілів.

Гомогенізатор для автомобілів сімейства ВАЗ показаний на рис. 4. Він складається з газоструминного випромінювача, вмонтованого в спеціальну проставку 1 під карбюратор, штуцера 3 на повітряному фільтрі і сполучної трубки 7. Проставка 1 установлюється замість аналогічної штатної проставки, що наявна на двигуні.

Основним елементом гомогенізатора є газоструминний випромінювач – точний акустичний прилад. Для компенсації похибок виготовлення і підвищення стабільності його роботи необхідне його індивідуальне настроювання на спеціальній установці, що складається з електретного конденсаторного мікрофона МКЕ-100 і електронного осцилографа С1-68.

Рис. 4. Схема установки гомогенізатора на автомобіль сімейства ВАЗ:

1 – проставка з газоструминним випромінювачем; 2 – прокладка ущільнювальна; 3 – штуцер забору повітря; 4 – ущільнення; 5 – шайба; 6 – втулка; 7 – трубка; 8 – хомут; 9 – шпильки; 10 – гайка

У четвертому розділі викладена методика проведення і наведені основні результати експериментальних досліджень ефективності застосування гомогенізатора на різних марках автомобілів у різних стендових, дорожніх і експлуатаційних умовах.

Найбільший обсяг експериментальних досліджень виконаний на пересувній станції діагностики ПДС-Л. Методика визначення характеристик токсичності на стенді з біговими барабанами може бути описана з використанням загальної схеми вимірювальної системи (рис.5).

На робочому місці (РМ) 1 (пульт керування ПДС-Л) задається навантаження і контролюється значення швидкості. На робочому місці РМ-3 контролюються миттєві значення токсичності, а на РМ-4 - витрата палива. Найбільша стабільність досягається при знятті навантажувальних характеристик при постійній швидкості. Перший ряд значень отримують при збільшенні навантажень, другий при зменшенні, що усуває гістерезисні ефекти.

Проведені на ПДС-Л випробування різних марок автомобілів дозволили визначити чисельні значення коефіцієнтів поліноміальних характеристик токсичності, які значно змінилися після установки гомогенізаторів. Результати експериментальної оцінки представлені на рис. на прикладі автомобіля ГАЗ-31029.

Рис. 5. Схема розміщення устаткування на пересувній станції діагностики ПДС-Л:

Ў - контрольовані параметри; Ё - параметри, що задаються; 1 - газоаналітична апаратура; 2 - гідромашина; 3 - тягач ПДС; 4 - пульт керування ПДС; 5 - устаткування для контролю витрати палива; 6 - ущільнення газовідводу; 7 – стенд з біговими барабанами; 8 - досліджуваний ДТЗ

Робота гомогенізатора пов'язана з підведенням додаткової кількості повітря у впускний трубопровід, що збіднює склад паливно-повітряної суміші. Перезбідніння суміші погіршує пуск двигуна, веде до нестійкої роботи на малих частотах обертання. Для визначення можливих границь збідніння суміші на холостому ході при заданій стійкості були проведені порівняльні випробування. Ступінь збідніння оцінювався посередньо за концентрацією СО у ВГ на автомобілі ГАЗ-31029. Стійкість кількісно оцінювалася за величиною варіації часу здійснення робочого циклу в першому циліндрі, що вимірялася установкою, яка включає в себе мотор-тестер КИ-4897 і частотомір-хронометр Ф-5041. Як видно з графіка на рис. 7, варіація ? для варіанта 1 при СО = 1,5% (за ДСТУ .2.2.03-87) дорівнює 2,5·10-2, для варіанта 2 – отримана на бідніших сумішах при СО ,5...0,6%.

Рис. 6. Характеристика токсичності автомобіля ГАЗ-31029 до ( ) і після ( ) встановлення гомогенізатора

Таблиця 2

Коефіцієнти поліноміальних характеристик токсичності

Модель автомобіля (модель карбюратора) Викид СО, СmНn, NOx Значення коефіцієнтів

А0 А1 А2

ВАЗ-2106/ДААЗ 2107-110710-20 ХСО 0,663 -0,0272 0,003

ЗАЗ-1102/ДААЗ 21081 0,5997 -0,0229 0,003

ГАЗ-31029/К-151 0,5906 -0,0262 0,0003

ВАЗ-2106/ДААЗ 2107-110710-20 ХСmНn 0,0995 -0,0005 0,00005

ЗАЗ-1102/ДААЗ 21081 0,0579 -0,0015 0,00001

ГАЗ-31029/К-151 0,0588 -0,0021 0,00002

ВАЗ-2106/ДААЗ 2107-110710-20 ХNOх 0,016 -0,0005 0,00007

ЗАЗ-1102/ДААЗ 21081 0,043 -0,0039 0,0001

ГАЗ-31029/К-151 0,0279 -0,0029 0,0001

Із отриманих результатів випливає, що застосування ультразвукового гомогенізатора дозволяє в 2…2,5 рази зменшити вміст СО при збереженні усталеної роботи двигуна на малих частотах обертання ХХ.

Рис. 7. Залежність варіації часу здійснення робочого циклу в першому циліндрі від концентрації монооксиду вуглецю: 1 – штатна система живлення; 2 – система живлення з гомогенізатором

З метою перевірки ефективності впливу гомогенізатора на витрату палива в умовах експлуатації були проведені дорожні випробування. Вони передбачали зняття паливних характеристик усталеного руху автомобіля ГАЗ-31029. Значення паливної характеристики усталеного руху визначалися при русі автомобіля по вимірній ділянці зі швидкостями 120, 100, 80, 60, 40 і 30 км/год на IV передачі, 80,60, 40 і 20 км/год – на III і 40,20 і 10 км/год – на II. На II передачі отримана економія палива 1,9...5,0% у всьому діапазоні досліджуваних швидкостей 10...40 км/год. При русі автомобіля на III передачі отримана економія палива 2,2...6,3% у діапазоні швидкостей 20...60 км/год. На IV передачі економія склала 3,4...6,5% при швидкостях 30...100 км/год.

Таким чином, застосування гомогенізатора в сукупності з відповідним регулюванням системи живлення дозволяє за інших рівних умов знизити концентрацію СО у 2…2,5 рази при малих частотах обертання холстого ходу і досягти економії палива 1,9...6,5% на усталених режимах руху автомобіля в діапазоні швидкостей 10…100 км/год.

На одному з етапів досліджень були проведені державні випробування в НДІАТ (м. Москва). Результати експериментальних досліджень на стендових двигунах ЗМЗ-24 і ЗИЛ-130 представлені на рис. 9. Експериментальні дослідження показали, що максимальний ефект застосування ультразвукового гомогенізатора досягається при часткових навантаженнях і на режимі холостого ходу. Однак є реальні можливості розширити діапазон ефективної роботи УЗГ, якщо живити його відпрацьованими газами з випускного трубопроводу. У цьому випадку підвищується ефективність гомогенізатора на режимах більш повного відкриття дроселя за рахунок збільшення надлишкового тиску на вході у випромінювач.

Рис. 9. Залежність вмісту СО в ВГ стендового двигуна ЗМЗ-24 (а) і ЗИЛ-130 (б) від складу суміші

Рис. 10. Токсичність ВГ (а) і паливна економічність (б) автомобіля ГАЗ-31029 при випробуваннях на ПДС-Л

На рис. 9 представлені результати випробувань автомобіля ГАЗ-31029 на ПДС-Л при швидкості 80 км/год для різних варіантів подачі газового середовища на вхід випромінювача. Як видно з графіка, застосування гомогенізатора, що живиться ВГ, знижує концентрацію оксидів азоту на 40...70%, залежно від навантаження.

Оцінка впливу запропонованої системи на тягові властивості автомобіля проводилася за динамікою розгону автомобіля ГАЗ-31029 на ПДС-Л. Вимірювальна система реєструвала час розгону автомобіля від 50 до 70 км/год. При цьому підтримували постійне навантаження для всіх трьох варіантів установок систем. Результати експериментів представлені на рис. 10.

Стійке поліпшення динаміки розгону автомобіля, тобто тягової потужності, при рециркуляції через гомогенізатор у порівнянні з рециркуляцією без нього і зі штатною системою свідчить про поліпшення сумішоутворення й отримання більш однорідного складу суміші при використанні гомогенізатора.

ВИСНОВКИ

1. Основні труднощі вирішення проблеми підвищення екологічної безпеки автомобільного транспорту України зумовлені наявністю в експлуатації великої кількості карбюраторних автомобілів (більш 65%), на які не можна встановлювати сучасні засоби обмеження токсичності. У дисертаційній роботі запропоноване принципово нове рішення цієї проблеми, захищене двома патентами України, у достатній мірі конкурентноспроможне в порівнянні з дуже дорогими засобами каталітичної нейтралізації.

2. У результаті виконаних наукових досліджень запропоновано новий експлуатаційний метод зниження токсичності карбюраторних автомобілів, що дозволяє в 1,5...2 рази знизити концентрацію продуктів неповного згоряння – СО і CmHn і витрату палива в середньому на 5…10%.

3. Експериментальна оцінка ефективності методу за динамікою розгону автомобіля на стенді з біговими барабанами ПДС-Л показала, що використання гомогенізатора разом з рециркуляцією відпрацьованих газів знижує вміст оксидів азоту - NOx на 60% при часткових навантаженнях і на 20...30% при повних навантаженнях, без погіршення тягової потужності автомобілів.

4. Проведені дослідження дозволили розробити оригінальні конструкції системи удосконалювання сумішоутворення – рециркуляції для різних марок автомобілів. Її варіанти пристосовані до всіх типів карбюраторів, що встановлюються на вітчизняних автомобілях і на ряді закордонних. У цілому розроблено більш 20 типів конструкцій автоекономайзерів.

5. Державні випробування гомогенізаторів, виконані при активній участі автора в НДІАТ (м. Москва) на стендових двигунах ЗМЗ-24 і ЗИЛ-130, підтвердили доцільність установки розробленого засобу на легкових і вантажних автомобілях.

6. Розроблена і перевірена в ході досліджень методика перевірки токсичності на пересувній діагностичній станції ПДС-Л показала високу ефективність при проведенні технічних оглядів за допомогою акредитованої лабораторії ХДАДТУ (акредитація Держстандарту України від 25.12.1998 № 100-0217198).

7. За рішенням міських органів у таксомоторних парках на таксі було встановлено більш 300 гомогенізаторів, що дозволило зменшити лінійну норму витрат палива на 5%.

8. За орієнтовними розрахунками широке впровадження розроблених конструкцій гомогенізаторів (автоекономайзерів) на експлуатованих автомобілях дозволить знизити рівень токсичності у великих населених пунктах на 40...55%.

Основні положення дисертаційної роботи викладені в наступних публікаціях:

1. Браильчук А.П., Мармут И.А., Подгорный О.Д., Трифонов А.А. Некоторые результаты испытаний ультразвукового излучателя Гартмана во впускной системе ГАЗ-31029 // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 1999. - №49. - С. 122-126 (особистий внесок 60%).

2. Трифонов А.А., Браильчук А.П., Мармут И.А. Результаты экспериментальных исследований токсичности двигателей с искровым зажиганием // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета. - 1999. - № 9. - С. 47-50 (особистий внесок 40%).

3. Браильчук А.П., Горбик Ю.В., Безродный В.В. Оценка эффективности применения ультразвукового излучателя Гартмана в автономной системе холостого хода карбюратора ДААЗ-2107-10 // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – 2000. - №111. - С.131-134 (особистий внесок 80%).

4. Браильчук А.П., Трифонов А.А. Массовые единицы для контроля токсичности на режиме холостого хода // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 1999. - № 58 Двигатели внутреннего сгорания. - С. 183-187 (особистий внесок 50%).

5. Браильчук А.П., Рабинович Э.Х., Подгорный О.Д., Трифонов А.А. Оценка эффективности применения излучателя Гартмана во впускной системе автомобиля ГАЗ–31029 по динамике разгона // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – 1999. №85.-Технологии в машиностроении. - С. 131-134 (особистий внесок 50%).

6. Браильчук А.П., Белов В.И. Основные результаты стендовых и дорожных испытаний ультразвуковых гомогенизаторов на легковых и грузовых автомобилях. // Сб. докл. научно-практ. конф. – Харьков: ХГАДТУ – 1997. - С. 33-35 (особистий внесок 70%).

7. Браильчук А.П., Мармут И.А. Технология контроля токсичности отработавших газов автомобиля на роликовом стенде ПДС-Л // Сб. докл. 4-й Межд. начно-практ. конф. "Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы" – Севастополь: СевГТУ – 2000. - С. 24-25 (особистий внесок 50%).

8. Браильчук А.П., Белов В.И., Горбик Ю.В. Обоснование способа снижения токсичности автомобиля с принудительным воспламенением смеси в условиях Украины // Сб. докл. научно-практ. конф. "Экология Харьковщины: состояние, проблемы, перспективы" - Харьков: УкрНИИЭП. –2000. - С. 76-77 (особистий внесок 70%).

9. Браильчук А.П., Зуев В.А., Подгорный О.Д., Мармут И.А., Горбик Ю.В. Оценка эффективности применения гомогенизатора во впускной системе автомобиля ГАЗ – 31029 по динамике разгона // Сб. докл. 4-й Межд. начно-техн. конф. "Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе" М.: МАДИ(ту). – 2000.- С. 138-139 (особистий внесок 60%).

АНОТАЦІЯ

Браільчук Андрій Петрович. Розробка експлуатаційного методу зниження токсичності карбюраторних автомобілів за рахунок застосування ультразвукових гомогенізаторів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – Експлуатація та ремонт засобів транспорту – Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет Міністерства освіти та науки України, Харків, 2001.

Дисертація присвячена питанням підвищення екологічної безпеки автомобільного транспорту. Дослідження атмосфери в містах України показали, що основним джерелом її забруднення є автомобільний транспорт, основу якого (більш 65%) складають автомобілі з КБД.

Метою роботи є теоретичне й експериментальне обгрунтування застосування ефективного експлуатаційного методу зниження токсичності і підвищення паливної економічності за рахунок застосування ультразвукових гомогенізаторів.

В дисертації запропоновано експлуатаційний метод зниження ВГ карбюраторних автомобілів, що дозволяє за рахунок застосування ультразвукових гомогенізаторів у 1,5…2 рази знизити концентрацію продуктів неповного згорання – СО і СmHn і забезпечує зниження витрати палива на 5…10%. Показано, що застосування ультразвукового гомогенізатора разом з рециркуляцією ВГ знижує вміст одного з найшкідливіших компонентів ВГ – оксидів азоту на 50…60% при часткових навантаженнях і на 20…30% при повних навантаженнях без погіршення показників циклу ДВЗ. Розроблено нову методику стендової перевірки токсичності ВГ автомобілів із примусовим запалюванням.

Ключові слова: екологія, автомобіль, токсичність відпрацьованих газів, ультразвукової гомогенізатор, діагностика.

АННОТАЦИЯ

Браильчук Андрей Петрович. Разработка эксплуатационного метода снижения токсичности карбюраторных автомобилей за счет применения ультразвуковых гомогенизаторов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – Эксплуатация и ремонт средств транспорта. – Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет Министерства образования и науки Украины, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена проблеме повышения экологической безопасности автомобильного транспорта. Исследования атмосферы в городах Украины показали, что основным источником ее загрязнения является автомобильный транспорт, основу которого (более 65%) составляют автомобили с карбюраторными системами питания. К сожалению, нынешнее экономическое положение Украины не позволяет широко внедрять современные средства ограничения токсичности отработавших газов автомобилей. Это требует организации производства весьма дорогостоящих бифункциональных окислительно-восстановительных нейтрализаторов и отказа от выпуска этилированного бензина. Сложившаяся ситуация вынуждает искать другие пути решения проблемы ограничения токсичности существующего парка автомобилей.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование применения эффективного метода снижения токсичности и повышения топливной экономичности карбюраторных автомобилей.

В работе обоснованы теоретические предпосылки применения ультразвуковых гомогенизаторов во впускной системе двигателей внутреннего сгорания с целью совершенствования смесеобразования. Разработана и изготовлена система совершенствования смесеобразования – рециркуляции, применение которой на карбюраторном автомобиле позволяет в 2…3 раза снизить концентрацию продуктов неполного сгорания СО и СmHn и уменьшить расход топлива в среднем на 5…10%. Показано, что применение ультразвукового гомогенизатора совместно с рециркуляцией отработавших газов снижает содержание одного из наиболее вредных компонентов ОГ - оксидов азота на 40…50% при частичных нагрузках и на 20…30% при полных нагрузках без ухудшения тяговой мощности автомобиля.

Стоимость устройства на два порядка ниже стоимости каталитических нейтрализаторов, а его техническое решение приспособлено ко всем типам карбюраторов, причем эффективность устройства тем выше, чем больше срок эксплуатации автомобиля.

Разработанная и проверенная в ходе исследований методика проверки токсичности отработавших газов автомобилей на передвижной диагностической станции ПДС-Л показала высокую эффективность при проведении технических осмотров и других эксплуатационных испытаний.

Ключевые слова: экология, автомобиль, токсичность отработавших газов, ультразвуковой гомогенизатор, диагностика.

ABSTRACT

УДК 629.113.004 Brailchuc А.P. Development of an operational method for decrease toxicity of carburetor automobiles by application of ultrasonic device. - Manuscript.

Thesis on searching of a scientific degree of the Candidate of technical science on a speciality 05.22.20 - Maintenance and repair of means of transport. - Kharkov State Automobile-Highway Technical University of Ukrainian Ministry of Education and Science, Kharkov, 2001.

The dissertation is devoted to a problem for increase of ecological safety of automobiles. It is possible to use on automobiles modern systems of neutralization of exhaust gases, which are maintaining today in the World, only if to refuse manufacture of not lead-free petrol. Unfortunately it is impossible in our country today and in nearest future.

The purpose of work is the theoretical and experimental substantiation for the application of an effective method for reduction exhaust gases toxicity of cars with carburetors engines in use. The application of a method allows in 1,5... 2 times to lower CO and CmHn in exhaust gases of carburetor automobiles and charge of fuel on the average on 5... 10 %.

Cost of the device is lower two order than cost system of neutralization, and its technical decision is adapted to all types of carburetor's. The efficiency of a method grows with increase of service life of automobiles

Key words: Ecological safety of automobiles, toxicity, carburetor engines, ultrasonic device, harmful substance, ultrasonic devicе, general diagnostics and system of neutralization.