ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Сидоренко Руслан Васильович
УДК 629.113-621.434
ПОКРАЩЕННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ І ЗМЕНШЕННЯ
ТОКСИЧНОСТІ АВТОМОБІЛІВ З ДВИГУНАМИ,
ПЕРЕВЕДЕНИМИ З БЕНЗИНУ НА ГАЗ
Спеціальність: 05.22.20 – “Експлуатація та ремонт засобів транспорту”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Гутаревич Юрій Феодосійович,
Національний транспортний університет,
завідуючий кафедрою “Двигуни і теплотехніка”.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Дикий Микола Олександрович,
Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри “Теоретична і промислова теплотехніка”, м. Київ.
кандидат технічних наук, доцент
Філіпова Галина Андріївна,
Національний транспортний університет,
доцент кафедри “Автомобілі”, м. Київ.
Провідна установа: Державне підприємство “Державний автотранспортний
науково-дослідний і проектний інститут”,
лабораторія досліджень використання палив і екології,
Міністерство транспорту України, м. Київ.
Захист відбудеться “26” березня 2004 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 10103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.
Автореферат розісланий “24” лютого 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради _______________ Матейчик В.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми: загальновідомо, що природний газ є одним з найбільш перспективних альтернативних видів палива. Його запаси у світі перевищують запаси нафти, дефіцит і вартість якої постійно зростають, як зростає з кожним роком і автомобільний парк. Крім того, при спалюванні рідких палив, які отримують з нафти, утворюється значна кількість шкідливих речовин (ШР), які негативно впливають на, і без того забруднене, навколишнє середовище. Звичайно, природний газ не врятує ситуацію, проте збільшення його питомої ваги серед моторних палив деякою мірою може покращити екологічну обстановку, особливо в густонаселених містах і промислових центрах, де концентрація автомобілів помітно впливає на стан повітряного басейну.
Природний газ в якості моторного палива почав використовуватися дуже давно. Але через ряд факторів, у тому числі складність зберігання на борту транспортних засобів і відсутність розгалуженої мережі заправок, ДВЗ на рідкому нафтовому паливі зайняли домінуючу позицію в якості джерел енергії на автомобільному транспорті. Разом з тим продовжував паралельно використовуватися і природний газ. Фахівців він приваблював своїми характеристиками, які є дуже бажаними для моторних палив, а експлуатаційників – своєю дешевизною. Це особливо важливо для автопідприємств, де стаття “паливо” в загальних затратах становить до 30-40 відсотків. Таким чином, постало питання застосування природного газу в умовах експлуатації поряд з рідкими паливами в тих же силових установках. Було створено ряд систем живлення для дизелів та бензинових двигунів, які дозволяли використовувати один вид палива, або інший, а також їхню суміш. При цьому постійно ведуться наукові пошуки, запроваджуються системні підходи, нові методики та проводяться спеціальні дослідження з метою підвищення ефективності робочого процесу двигуна на газовому паливі, зменшення згубного впливу на оточуюче середовище і покращення експлуатаційних характеристик автомобіля шляхом оптимізації основних регулювальних параметрів існуючих типів силових установок та винайдення нових конструктивних рішень, що і визначає актуальність теми даної роботи.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно плану наукових робіт НТУ на:
2002 рік, зокрема за темою “Дослідження та удосконалення систем живлення і регулювання транспортних засобів”, державна реєстрація №0103U000628. Автором проведено експериментальне підтвердження адекватності математичної моделі руху автомобіля з двигуном з іскровим запалюванням, який живиться бензином зі стандартними та природним газом з різними регулюваннями системи запалювання;
2003 рік за темою “Дослідження та розробка методів підвищення паливної економічності та зниження шкідливих викидів транспортних засобів в процесі створення двигунів та в умовах експлуатації”, державна реєстрація № 0103U008563, яка включає етап “Вплив регулювальних параметрів на паливну економічність і токсичність транспортного засобу при зміні виду пального”. Автором представлено результати експериментальних досліджень впливу установочного кута випередження запалювання (УКВЗ) на основні показники роботи та параметри робочого процесу двигуна.
Мета роботи – покращення паливної економічності і зменшення токсичності автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням при переведенні з бензину на природний газ.
Відповідно до поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі ЗАДАЧІ:
1.
Розробка методики досліджень впливу регулювальних параметрів двигуна з іскровим запалюванням на паливну економічність, енергетичні, екологічні показники та показники, які можуть впливати на довговічність двигуна, при зміні виду палива.
2.
Експериментальне дослідження впливу регулювальних параметрів на основні показники роботи двигунів в навантажувальних та швидкісних режимах та визначення показників роботи двигуна при живленні бензином і природним газом в різних режимах, необхідних для розрахунку паливної економічності та шкідливих викидів автомобіля в їздовому циклі на математичній моделі.
3.
Уточнення математичної моделі для визначення впливу регулювальних параметрів на паливну економічність і токсичність автомобілів в експлуатації.
4.
Перевірка адекватності математичної моделі та проведення розрахунків показників роботи автомобіля при зміні регулювальних параметрів.
5.
Розробка практичних рекомендацій по встановленню регулювальних параметрів, необхідних для покращення паливної економічності і зниження токсичності автомобілів з двигунами, переведеними з бензину на газ в умовах експлуатації.
6.
Розробка пристрою автоматичної зміни кута випередження запалювання при зміні виду палива.
Об’єкт дослідження – зміна регулювальних параметрів систем запалювання і живлення двигунів на переобладнаних з бензину на природний газ транспортних засобах рухомого складу автомобільного транспорту.
Предмет дослідження – установочний кут випередження запалювання та склад паливоповітряної суміші при переведенні транспортних засобів з бензину на природний газ.
Методи дослідження. Експериментальним методом досліджувались енергетичні, екологічні показники, паливна економічність та показники, які впливають на довговічність двигуна при живленні бензином і газовим паливом; визначалась паливна економічність автомобіля за їздовим циклом. Отримані дані використовувалися для уточнення математичної моделі та підтвердження її адекватності. Розрахунковим методом за допомогою математичної моделі визначались екологічні показники та паливна економічність автомобіля за роботи на бензині зі стандартними значеннями регулювальних параметрів та природному газі з урахуванням УКВЗ при усі за умовним їздовим циклом. Розрахунком також визначені параметри робочого процесу, зокрема температура згоряння при зміні регулювальних параметрів.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Вперше обґрунтовано доцільність визначення УКВЗ для даного типу двигуна з огляду на енергетичні, екологічні показники, паливну економічність автомобіля в умовах експлуатації та показники, які можуть впливати на довговічність двигуна.
2. Уточнено математичну модель руху транспортного засобу, яка дозволяє визначити його паливну економічність та показники токсичності з урахуванням вибраного значення УКВЗ.
Практичне значення одержаних результатів. Його складають:
1.
Методика визначення доцільних значень основних регулювальних параметрів двигунів автомобілів при переведенні з бензину на природний газ.
2.
Енергетичні, екологічні показники, показники, які впливають на довговічність двигуна та показники паливної економічності двигуна в різних режимах на бензині і природному газі.
3.
Числові значення та рекомендації щодо вибору доцільного УКВЗ двигуна з іскровим запалюванням при зміні виду палива.
4.
Числові значення паливної економічності вантажного автомобіля з двигуном, який живиться природним газом з різними регулювальними параметрами.
5.
Пристрій, який дозволяє автоматично змінювати УКВЗ при зміні виду палива без втручання водія.
Основні результати дисертаційної роботи передано Інституту газу НАН України та будуть використані при проектуванні, розробці та встановленні газових систем живлення на нові та такі, що знаходяться в експлуатації автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням (довідка №97/2-585 про впровадження від 30 жовтня 2003 р.).
Особистий внесок здобувача. Розроблено методику визначення доцільних значень основних регулювальних параметрів двигунів автомобілів при переведенні з бензину на природний газ; експериментально визначено навантажувальні характеристики, характеристики холостого ходу та примусового холостого ходу на двигуні 8Ч 10,0/9,5 (ЗИЛ-508.10) із заміром усіх основних екологічних, енергетичних показників та паливної економічності на бензині зі стандартними та природному газі з різними регулювальними параметрами; здійснено індиціювання двигуна в різних швидкісних та навантажувальних режимах та розраховані показники робочого процесу на бензині з нормативними та природному газі з різними значеннями УКВЗ; уточнено математичну модель руху вантажного автомобіля їздовим циклом (ГОСТ 20306-90) з двигуном з іскровим запалюванням та підтверджена її адекватність шляхом дорожніх випробувань автомобіля ЗИЛ-431410 на бензині та природному газі з заміром витрати палива; визначено числові значення оптимального УКВЗ при зміні виду палива; виготовлено пристрій автоматичної зміни УКВЗ при зміні виду палива.
Апробація результатів дисертації. Основні положення та матеріали роботи були висвітлені у доповідях на:
–
наукових конференціях професорсько-викладацького складу та студентів Національного транспортного університету (Київ, квітень 2002 і 2003 рр.);
–
міжнародній науково-технічній конференції “Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів” (Київ, НТУ, травень 2003 р.)
Публікації. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень викладено у восьми публікаціях, 6 з яких – у фахових виданнях.
Обсяг і структура дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 261 сторінку, у тому числі 8 – рисунки, 1 – таблиці, 90 – додатки (9 додатків), 12 – список використаних джерел, який включає 115 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі дається обґрунтування теми, її актуальність, формулюється мета і задачі досліджень, викладені наукова новизна і практична цінність дисертаційної роботи.
У першому розділі проведено огляд і аналіз основних альтернативних видів палив, існуючих систем живлення, зокрема природним газом, описано їх переваги та недоліки. Проведено теоретичний аналіз впливу кута випередження запалювання та складу паливоповітряної суміші на основні показники роботи двигунів при живленні природним газом.
Як показує аналіз виконаних робіт, в найближчі роки природний газ буде займати домінуючі позиції серед найбільш перспективних альтернативних моторних палив. Разом з тим в експлуатації існують проблеми, пов’язані з вибором доцільних значень таких регулювальних параметрів як УКВЗ та склад робочої суміші. Особливо це стосується випадків дообладнання серійних бензинових двигунів з іскровим запалюванням без їх конструктивних змін газовою апаратурою для живлення природним газом та збереження можливості використання ними бензину в якості палива, що в умовах експлуатації здобуло найбільшого поширення.
В такому випадку потужність двигуна знижується на 15-20%, проте суттєво покращуються експлуатаційні показники.
Що стосується токсичних речовин, то основними з них, які обумовлюють забруднення атмосфери, у відпрацьованих газах двигунів з іскровим запалюванням, – є продукти неповного згоряння палива:
·
оксид вуглецю СО і вуглеводні С n Н m, які мають найбільші значення при багатих робочих сумішах
·
оксиди азоту NOx , що утворюються при високих температурах та наявності вільного кисню.
Вміст у відпрацьованих газах перерахованих шкідливих елементів суттєво залежить від вибраних для даного типу двигуна регулювальних параметрів - таких як склад суміші та кут випередження запалювання, якими найчастіше користуються для встановлення заданих показників токсичності. Як показують дослідження, газовий двигун у цьому відношенні має ряд переваг. Межі спалахування паливо-повітряної суміші газового палива зміщені в сторону бідних сумішей, тобто робоча область газового двигуна лежить в зоні малих концентрацій СО, в якій також можливе ефективне регулювання вмісту ШР зміною кута випередження запалювання. Тут особливо важливо відмітити, що оптимальний кут випередження запалювання на газовому паливі в режимі максимальної економічності дещо більший, ніж на бензині в тому ж режимі.
До того ж газ має на 25-35 одиниць більше октанове число ніж бензин і згоряє він у суміші з повітрям дещо повільніше.
З цього можна зробити висновок, що при зміні виду палива з бензину на природний газ, з метою оптимізації показників роботи двигуна, необхідно змінювати та встановлювати доцільні значення основних його регулювальних параметрів.
У другому розділі проводиться розробка методики, яка дає можливість визначити доцільні значення УКВЗ та складу робочої суміші для карбюраторних двигунів з іскровим запалюванням при зміні виду палива з бензину на природний газ на основі всебічного аналізу впливу даних регулювальних параметрів на основні показники роботи двигуна, а саме – потужність двигуна, викиди ШР, паливну економічність та показники, які впливають на довговічність двигуна (максимальна температура робочого процесу).
Методика складається з ряду послідовних етапів проведення досліджень, основними з яких є: аналіз вже виконаних досліджень; проведення теоретичних досліджень по визначенню впливу основних регулювальних параметрів на показники роботи газового двигуна; уточнення математичної моделі руху автомобіля при живленні СПГ та бензином для визначення паливної економічності та екологічних показників; аналіз їздових циклів, на основі якого було обрано для проведення досліджень згідно з математичною моделлю міський їздовий цикл на дорозі для автотранспортних засобів повною масою більше 3.5 т, крім автобусів (ГОСТ 20306-90); проведення ряду експериментальних досліджень двигуна при роботі на СПГ та бензині; проведення дорожніх випробувань для підтвердження адекватності математичної моделі; проведення досліджень на математичній моделі; вибір і обґрунтування рекомендацій для встановлення оптимальних регулювальних параметрів; розробка пристрою для автоматичної зміни УКВЗ при зміні виду палива.
В даному розділі також наведено методики обробки осцилограм та розрахунку температур робочого процесу.
Третій розділ присвячений уточненню математичної моделі руху транспортного засобу за вибраним їздовим циклом, яке полягає в наступному: при визначенні енергетичних, екологічних показників та паливної економічності автомобіля на математичній моделі, яка представляє собою систему рівнянь, при роботі на природному газі в умовах експлуатації враховується вплив такого регулювального параметра системи запалювання двигуна, як УКВЗ. Тобто енергетичні, екологічні показники та показники паливної економічності двигуна представлені як залежності від установочного кута випередження запалювання уст , частоти обертання колінчастого вала двигуна n та розрідження у впускному трубопроводі рк:
До таких показників відносяться крутний момент (Mk), годинна витрата палива (Gпал) та повітря (Gпов), об’ємний вміст оксиду (CO) і двооксиду (CO2) вуглецю, NOx та вуглеводнів CmHn. В моделі ці показники в основних режимах роботи двигуна описуються поліноміальними залежностями виду:
y = x1 + x2уст + x3nд + x4рк + x52уст + x6n2д + x7рк2 + x8устnд +
+ x9устрк + x10nдрк та
y = x1 + x2nд + x3уст + x4n2д + x52уст + x6nдуст
де x1…x10 – дослідні коефіцієнти.
Оскільки для досліджень на математичній моделі використовувався міський їздовий цикл руху автомобіля повною масою більше 3,5 т (ГОСТ 20306-90), характерною особливістю роботи двигуна автомобіля за яким є циклічність деяких типових режимів його роботи, які умовно можна розділити на дев’ять видів, для прикладу нижче наведено рівняння руху автомобіля для одного з них (розгін при повному відкритті дросельних заслінок при зблокованому зчепленні):
де Мкн – крутний момент в неусталеному режимі, Нм,
Мку – крутний момент в усталеному режимі
При роботі двигуна по зовнішній характеристиці крутний момент можна описати такою залежністю:
Мку = x1 + x2nд + x3уст + x4n2д + x52уст + x6nдуст
Оскільки в даному випадку розгін здійснюється при зблокованому зчепленні і при повністю відкритих дросельних заслінок, то після закінчення переміщення дросельних заслінок (виконується умова tдрос t – tхх ) рівняння, яке описує роботу двигуна буде мати вигляд:
де – експериментальний коефіцієнт в неусталеному режимі,
– прискорення колінчастого вала двигуна, хв-1с-1 ,
Мзч – момент тертя зчеплення, Нм,
Ід – момент інерції деталей двигуна, кгм2 .
Для веденої частини зчеплення з урахуванням усіх мас, що обертаються:
де – прискорення веденої частини зчеплення, хв-1с-1,
Моп – момент опору руху автомобіля, Нм,
ІА – момент інерції мас автомобіля, які обертаються, приведений до зчеплення, кгм2 .
Уточнена математична модель дає можливість визначити величини регулювальних параметрів, необхідних для покращення паливної економічності і зниження токсичності автомобілів з двигунами, переведеними з бензину на газ в умовах експлуатації.
В цьому розділі було проведено перевірку адекватності математичних моделей, які описують енергетичні, екологічні показники та показники паливної економічності двигуна внутрішнього згоряння.
Четвертий розділ розкриває мету, задачі, програму, методи експериментальних досліджень та висвітлює їх результати.
Метою експериментальних досліджень є визначення впливу регулювальних параметрів на показники двигуна при зміні виду палива з бензину на стиснутий природний газ.
Об’єктом стендових випробувань був V-подібний, восьмициліндровий, чотиритактний, карбюраторний двигун 8Ч 10/9,5 (ЗИЛ-508.10) з іскровим запалюванням.
Система живлення забезпечувала роботу двигуна або на бензині або на природному газі. Для цього серійний двигун було обладнано системою подачі газу, аналогічною тій, що застосовується на автомобілях сімейства ЗИЛ при переведенні їх з бензину на живлення природним газом.
Дорожні випробування проводились на автомобілі ЗІЛ-431410, який було додатково обладнано двома балонами високого тиску і зразковим манометром.
Програма експериментальних досліджень включала:
1. Визначення серії навантажувальних характеристик двигуна 8Ч 10/9,5 (ЗИЛ-508.10) при живленні бензином і природним газом з регулюваннями, які відповідають вимогам і рекомендаціям завода-виготовлювача.
2. Визначення серії навантажувальних характеристик двигуна 8Ч 10/9,5 (ЗИЛ-508.10) при живленні природним газом з різними значеннями кута випередження запалювання і різним складом паливоповітряної суміші.
3.Визначення швидкісних характеристик активного і примусового холостого ходу при використанні як палива бензину і природного газу.
4.Визначення характеристик механічних втрат при різних положеннях дросельних заслінок при живленні бензином і природним газом.
5.Визначення енергетичних, екологічних показників, паливної економічності двигуна з фіксацією значень основних регулювальних параметрів, температури охолоджуючої рідини та ВГ згідно з двофакторним планом експерименту на тринадцяти режимах при роботі двигуна на бензині і природному газі.
6.Проведення індиціювання двигуна в різних навантажувальних і швидкісних режимах з різними значеннями регулювальних параметрів.
7.Програма дорожніх випробувань автомобіля ЗІЛ-431410 з двигуном ЗИЛ-508.10 включала:
-
виконання серії заїздів по міському циклу для вантажних автомобілів згідно з ГОСТ 20306-90 при живленні бензином і природним газом із заміром витрати палива і фіксацією швидкості автомобіля і положення дросельних заслінок на стрічку осцилографа;
-
рух автомобіля з різною постійною швидкістю при роботі на бензині і на СПГ з заміром витрат палива на цих швидкостях.
Прилади, методи вимірювань, експлуатаційні матеріали відповідали вимогам стандартів.
У розділі наведено результати експериментальних досліджень.
Проведені експериментальні випробування показали, що максимальна ефективна потужність двигуна при заміні бензину на СПГ зменшилась з 77 кВт до 62 кВт (на 19 %) при n = 2000 хв-1 і ?дрос = 100 %; а дійсні кути випередження запалювання, які забезпечуються стандартним переривачем-розподільником згідно закладеної в ньому характеристики регулювання по навантажувальній характеристиці двигуна при nд = 2000хв-1 при роботі на газовому паливі та збільшені на 4,51 градуси у порівнянні з роботою на бензині, що відповідає експлуатаційним вимогам збільшення УКВЗ при переході на живлення СПГ, є дещо меншими ніж ті, які були отримані при максимальних значеннях потужності в результаті визначення регулювальних характеристик за кутом випередження запалювання в різних навантажувальних режимах.
Проаналізувавши одержані залежності, для забезпечення оптимальних значень потужності двигуна, який працює на природному газі, можна рекомендувати збільшити установочний кут випередження запалювання не на 4,5 градуси, як це рекомендується для двигуна ЗИЛ-508.10, а на 6 градусів.
Це дасть можливість у зоні середніх і близьких до середніх навантажень двигуна наблизити криву дійсних значень кута випередження запалювання до кривої з оптимальними його значеннями і отримати максимально можливі енергетичні показники при зміні виду палива з бензину на природний газ. Крім того, при повній потужності це забезпечить деяке зниження витрати палива.
Дослідження впливу кута випередження запалювання на екологічні показники двигуна внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням показали, що порівняно з бензиновим двигуном газовий має менші значення приведених до СО викидів ШР в зонах середньої і максимальної потужності. У той же час при малих навантаженнях навіть з нормативними регулюваннями системи запалювання при роботі на СПГ викиди ШР вищі ніж при роботі на бензині.
Отже, з огляду оптимальності енергетичних показників, якщо прийняти до уваги рекомендацію щодо збільшення установочного кута випередження запалювання на 1,5 – 2,0 градуси від нормативного значення при роботі двигуна на природному газі, то можна з упевненістю сказати, що така зміна установочного кута випередження запалювання, з точки зору впливу на загальну токсичність двигуна, не призведе то значного підвищення об’ємного вмісту і масових викидів токсичних речовин у ВГ газового двигуна. Лише в режимах малих навантажень збільшення установочного кута відносно нормативного значення призводить до збільшення вмісту ШР у ВГ порівняно з показниками токсичності бензинового двигуна. Але двигун вантажного автомобіля в подібних режимах працює незначну кількість часу. Крім того, подібне перевищення газовим двигуном показників бензинового відбувається в основному за рахунок викидів метанових вуглеводнів, які менш шкідливі, ніж етан.
В результаті проведення досліджень впливу кута випередження запалювання на паливну економічність двигуна виявлено, що при зміні УКВЗ на 10 градусів відносно нормативних значень відбувається деяке збільшення питомої витрати природного газу у всьому діапазоні навантажень за сталого швидкісного режиму .
Характерною і важливою особливістю є те, що при зменшенні УКВЗ питома витрата природного газу збільшується більшою мірою ніж при збільшенні кута випередження запалювання.
Таким чином, можна зробити висновок, що збільшення кута випередження запалювання на 1,5-2 градуси відносно стандартних значень при живленні двигуна природним газом (що є бажаним з точки зору енергетичних показників) практично не призведе до погіршення паливної економічності газового двигуна.
Вплив установочного кута випередження запалювання на параметри робочого процесу, які впливають на довговічність двигуна, і викиди ШР виглядає наступним чином.
Максимальна температура в циліндрі при живленні природним газом зростає зі збільшенням установочного кута випередження запалювання (УКВЗ) в широких межах адекватно зростанню тиску. Разом з тим чітко можна побачити, що в обох цих залежностях існує ділянка в межах 3-4 градусів в одну і в іншу сторони від нормативного значення УКВЗ, на якій зростання тиску і температури відбувається найменш інтенсивно.
Крім того, необхідно відзначити, що за розрахунками при роботі на бензині максимальна температура циклу склала 2361 К, максимальний тиск – 4,1 мПа (у випадку живлення бензином точки нанесено на лінію, яка відповідає установочному куту випередження запалювання 4,5 градуси), а при живленні двигуна природним газом і збільшенні УКВЗ на 5 градусів відносно нормативного значення температура була 2330 К і максимальний тиск – 3,4 мПа.
Тобто, навіть настільки ранні кути не призводять до теплового і механічного перенавантаження двигуна на газовому паливі у порівнянні з бензиновим зі стандартними регулюваннями. Як зазначалося вище, найбільш доцільно збільшувати значення УКВЗ на 6+1 градусів повороту колінчастого вала двигуна до ВМТ, а не на 4,5.
Що стосується викидів NOx, , то вони стрімко зростають до значення установочного кута 12 градусів, лише потім їх кількість стабілізується і не перевищує 1620 млн-1, у той час як при роботі на бензині зі стандартним установочним кутом випередження запалювання цей показник знаходиться в межах 2000 млн-1.
Сумарні викиди ШР зведені до СО зі збільшенням УКВЗ також зростають, але більш рівномірно у всьому проміжку регулювання і не перевищують значень цього показника для бензину, який у цьому випадку складає 640 г/кВтгод.
Таким чином в процесі проведення досліджень було виявлено, що для двигуна 8Ч 10/9,5 (ЗИЛ-508.10) зі ступенем стискання = 7,1 доцільне значення установочного кута випередження запалювання становить 10,5+1 градусів. Це значення незначно відрізняється від того, яке рекомендується для експлуатації технічною літературою і складає 9 градусів повороту колінчастого валу. Разом з тим, після проведення експериментальних досліджень на тому ж двигуні, але зі ступенем стискання =6,5 та аналізу досліджень, які проводились раніше на двигуні ЗИЛ-130 з таким ступенем стискання, виявилося, що в даному випадку оптимальний УКВЗ для природного газу значно більший ніж для бензину, порівняно зі ступенем стискання = 7,1, і складає 22-23 градуси. При цьому слід відзначити, що для двигуна зі ступенем стискання = 6,5 УКВЗ на бензині складає 92 градусів, а зі ступенем стискання = 7,1 – 4,51 градуси.
Сумарні питомі викиди ШР приведені до СО на газовому паливі при регулюванні на максимальну потужність і ступені стискання 7,1 нижчі ніж на бензині в середньому на 14 %, а при =6,5 навіть дещо вищі, ніж на бензині за рахунок більших концентрацій NOX. Проведені дослідження двигунів з різними конструктивними параметрами показують, що використання природного газу в якості моторного палива замість бензину дозволяє зменшити забруднення оточуючого середовища, але при умові оптимальності регулювань кожного з типів двигунів.
Дослідження впливу регулювань системи живлення газового двигуна на основні показники роботи проводилось наступним чином. Оскільки, для того, щоб розробити рекомендації по вибору оптимальних значень кута випередження запалювання та складу робочої суміші необхідно провести дослідження на всіх режимах роботи двигуна, а це є досить складним та об'ємним завданням, було вирішено дослідити вплив регулювальних параметрів на паливно-економічні і токсичні показники роботи двигуна в характерній точці, яка визначається як середня точка випробувального циклу двигуна згідно з ОСТ 37.001.070-75. З урахуванням вагового коефіцієнта перебування двигуна в режимі було визначено, що найбільш характерним для двигуна вантажного автомобіля є режим навантаження, для якого Д?к становить 40 кПа, а частота обертання колінчастого вала двигуна складає 2000 хв-1.
Як показує аналіз отриманих залежностей, при збагаченні паливоповітряної суміші відносно стандартних регулювань системи живлення потужність двигуна значно зростає (на 5-9,5 %), але при цьому суттєво погіршується паливна економічність.
Зростає годинна (на 12-13 %) та відповідно питома витрата палива (на 4-9 %). При збідненні паливоповітряної суміші спостерігається зменшення годинної витрати палива ( в середньому на 8,3 %), але в той же час зростає питома витрата палива (на 3-5 %) внаслідок зменшення потужності (10-13 %) порівняно зі значеннями, які мають місце при стандартних регулюваннях. Характер зміни цих показників в залежності від кута випередження запалювання при різних ? аналогічний, при цьому робочий кут випередження запалювання, який становить 38 градусів, що відповідає установочному куту випередження запалювання 10,5 градусів, відповідає оптимальному регулюванню двигуна на максимальну потужність.
Екологічні показники також суттєво залежать від заданого складу суміші, зокрема продукт неповного згоряння палива СО, який практично не залежить від кута випередження запалювання, при збагаченні суміші зростає до 1,7 %, у той час як при стандартних регулюваннях та збідненій суміші цей показник знаходиться на рівні 0,02-0,03 %.
Кількість СmНn при збагаченні суміші і для паливоповітряної суміші зі стандартними регулюваннями системи живлення знаходиться практично на одному рівні і при зменшенні кута випередження запалювання зменшується внаслідок зростання температури відпрацьованих газів. Разом з тим при збідненні суміші та при ранніх кутах випередження запалювання спостерігається значне збільшення об’ємного вмісту СmНn у ВГ.
Вміст у ВГ NOX зростає зі збільшенням кута випередження запалювання. Характер зміни вмісту у ВГ NOX від кута випередження запалювання в цілому схожий для усіх ?, проте на регулювальній характеристиці існує зона в межах 39-42 градусів до ВМТ, після якої при збільшенні кута випередження запалювання при збагаченні та особливо при збідненні паливоповітряної суміші відбувається більш стрімке зростання вмісту NOX у ВГ та перевищення за цим показником випадку роботи двигуна зі стандартними регулюваннями системи живлення.
Вміст СО2 у ВГ в залежності від кута випередження запалювання змінюється незначно, але має дещо більші значення при збагаченні паливоповітряної суміші порівняно з ? = 1,18 та ?=1,3.
На основі проведеного аналізу, можна сказати, що при оптимальному регулюванні системи запалювання на максимальну потужність двигуна рекомендовані регулювальні параметри системи живлення двигуна природним газом, які наводяться в технічній літературі для даного типу двигунів, забезпечують оптимальну роботу двигуна за енергетичними, екологічними показниками та показниками паливної економічності.
У п’ятому розділі наведено результати перевірки адекватності математичної моделі, яка описує рух транспортного засобу при роботі двигуна на бензині та природному газі шляхом порівняння розрахункових динамічних показників та паливної економічності автомобіля з експериментальними даними, які були визначені при виконанні їздового циклу для транспортних засобів повною масою більше 3,5 т на автомобілі ЗИЛ – 431410 на дорозі з асфальтобетонним покриттям. Експериментальні та розрахункові загальні показники за цикл при роботі на бензині відрізняються по часу виконання не більше 2,7 %, по витраті бензину різниця становить 18,6 %. При роботі на СПГ загальні показники за цикл, отримані в експерименті і на моделі, відрізняються по часу виконання на 2,9 %, витраті газу на 17,2 %.
В розділі наведено результати розрахункових досліджень на моделі впливу УКВЗ на викиди ШР і витрату палива. Розрахунки проводились у випадку живлення бензином для двигуна зі стандартними регулюваннями системи живлення та запалювання, а при роботі на СПГ УКВЗ змінювався з інтервалом 1 град. від –10 до +10 градусів відносно рекомендованого технічною літературою значення, яке для даного типу двигуна становить 9 град. п. к. в. Проведені дослідження дозволяють рекомендувати найбільш доцільне значення УКВЗ для двигуна 8Ч 10,0/9,5 (ЗИЛ-508.10) при живленні природним газом рівне 10,5+1 град. п. к. в., що відповідає збільшенню УКВЗ у порівнянні з роботою на бензині на 6+1 град. п. к. в.
Обґрунтувавши необхідність зміни УКВЗ при зміні виду палива та визначивши доцільне його значення, реалізувати функцію автоматичного вибору доцільного значення УКВЗ без втручання водія для кожного з видів палива в експлуатації пропонується на базі електричної схеми електронного октан-коректора, на основі якої був виготовлений дослідний зразок, який дозволяє змінювати УКВЗ в межах 25 градусів п.к.в.
ВИСНОВКИ
1.
Найбільш часто в експлуатації переводять автомобілі з бензину на природний газ шляхом дообладнання їх газобалонною апаратурою, що зберігає можливість повноцінної роботи двигуна переобладнаного автомобіля на бензині. При переведенні двигунів з бензину на газ з метою забезпечення оптимальних показників роботи двигуна в умовах експлуатації, необхідно змінювати та встановлювати доцільні значення основних його регулювальних параметрів: установочного кута випередження запалювання та складу робочої суміші. Задача визначення доцільних значень основних регулювальних параметрів вирішується в дисертаційній роботі.
2.
Розроблено методику, яка дає можливість визначити доцільні значення установочного кута випередження запалювання та складу робочої суміші для карбюраторних двигунів з іскровим запалюванням при зміні виду палива з бензину на природний газ на основі всебічного аналізу основних показників роботи двигуна, а саме – енергетичних, екологічних, паливної економічності та показників, які впливають на довговічність двигуна.
3.
Уточнено математичну модель та внесено необхідні зміни в програму розрахунку на ПЕОМ витрати палива і викидів ШР в системі водій-автомобіль-дорога при русі автомобіля міським їздовим циклом за ГОСТ 20306–90 зі стандартними регулюваннями системи запалювання при живленні бензином та з різними значеннями УКВЗ при роботі на природному газі. З використанням результатів проведених експериментальних досліджень підтверджено можливість використання отриманих математичних моделей для розрахункових досліджень.
4.
Експериментальними дослідженнями доведено, що з точки зору забезпечення максимальної енергетичної ефективності двигуна, оптимальних показників паливної економічності і екологічних показників, збереженні показників (максимальна температура та тиск робочого циклу), які впливають на довговічність двигуна, на рівні не нижчому, ніж при роботі на бензині найбільш доцільне значення установочного кута випередження для двигуна 8Ч 10,0/9,5 (ЗИЛ-508.10) зі ступенем стискання ?=7,1 повинно складати 10,5+1 градусів повороту колінчастого вала двигуна за умови регулювання системи живлення газом згідно з рекомендаціями технічної літератури по переведенню двигунів з бензину на СПГ. Для двигуна 8Ч 10,0/9,5 (ЗИЛ-130) зі ступенем стискання ?=6,5 це значення складає 22+1 градуси повороту колінчастого вала. Дослідження впливу складу паливоповітряної суміші на основні показники роботи двигуна 8Ч 10,0/9,5 (ЗИЛ-508.10) на природному газі показали, що регулювання паливної системи, які наводяться в інструкції по переведенню двигунів на СПГ, є найбільш оптимальними.
5.
Розрахунково-теоретичним шляхом на математичній моделі встановлено, що при роботі на природному газі автомобіль з двигуном 8Ч 10,0/9,5 (ЗИЛ-508.10) з установочним кутом випередження запалювання 10,5+1 витрачає на 1 % менше газового палива, має на 1,4 % менші викиди СО та майже на 1 % менші викиди CO2, порівняно із значенням УКВЗ 9 градусів, яке рекомендується технічною літературою для випадку роботи на газовому паливі. Разом з тим викиди СmНn зростають на 2,8 %, NOX на 5,2 %, але у випадку з NOX це на 47 % менше, ніж при роботі на бензині зі стандартними регулюваннями системи запалювання. Подальше збільшення УКВЗ при роботі на СПГ поряд із незначним зменшенням витрати палива призведе до збільшення викидів усіх основних ШР, особливо NOX та СmНn. Дослідження на математичній моделі показали, що сумарні шкідливі викиди зростають у всьому проміжку збільшення УКВЗ.
6.
Запропоновано і створено пристрій, який працює з штатною системою запалювання двигуна та дозволяє в умовах експлуатації автоматично встановлювати з кабіни водія доцільне значення установочного кута випередження запалювання для бензину та природного газу при зміні виду палива.
7.
Матеріали дисертаційної роботи прийняті до впровадження Інститутом газу НАН України при проектуванні, розробці та встановленні газових систем живлення на нові та такі, що знаходяться в експлуатації автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням (довідка №97/2-585 про впровадження від 30 жовтня 2003 р.).
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Матейчик В.П., Сидоренко Р.В., Яновський В.В. Шляхи ефективного використання природного газу як моторного палива для автомобілів // Вісник НТУ ТАУ. – 2001. – № 5. – С. 60-64.
2.
Сидоренко Р.В., Яновський В.В. До питання токсичності бензинового і газового двигунів // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля: – 2002. – № 10(56). – С. 205-210.
3.
Гутаревич Ю.Ф., Матейчик В.П., Сидоренко Р.В., Яновський В.В. Перевірка адекватності математичної моделі руху дорожнього транспортного засобу за їздовим циклом при роботі на бензині і природному газі // Вісник НТУ ТАУ. – 2002. – № 7. – С. 300-304.
4.
Сидоренко Р.В. До розробки методики визначення оптимальних регулювальних параметрів двигунів при зміні виду палива // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. Збірник наукових праць НТУ ТАУ. – 2002. – №13. – С. 144-149.
5.
Гутаревич Ю.Ф., Сидоренко Р.В. До питання вибору доцільного значення установочного кута випередження при зміні виду палива //Автошляховик України. Вісник північного наукового центру Транспортної академії наук Окремий випуск. – 2003. – № 6.– С. 36-37.
6.
Сидоренко Р.В. Вплив установочного кута випередження запалювання на параметри робочого процесу і викиди шкідливих речовин при зміні виду палива // Системні методи керування, технологія, та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів. Збірник наукових праць НТУ ТАУ. – 2003р. – №16. – С. 177-181.
7.
Гутаревич Ю., Сидоренко Р. Вплив кута випередження запалювання на на показники роботи газових двигунів // Materialy XIV konferencji midzynarodowej „Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezddnych”. – Rzeszow (Poland). – 24-27 wrzesien 2003. – P. 121-124.
8.
Сидоренко Р.В. До вибору оптимальних регулювань двигуна при зміні виду палива // Тези доповідей “Наукової конференції професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету”. – Київ. – 2003. – С. 12.
АНОТАЦІЯ
Сидоренко Р.В. Покращення паливної економічності і зменшення токсичності автомобілів з двигунами, переведеними з бензину на газ. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – експлуатація і ремонт засобів транспорту. – Національний транспортний університет, Київ, 2004 р.
Дисертація присвячена вибору і обґрунтуванню доцільних значень установочного кута випередження запалювання і регулювань системи живлення з метою покращення паливної економічності і зменшення токсичності рухомого складу автомобільного транспорту з двигунами внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням при переведенні з бензину на природний газ в умовах експлуатації.
В дисертації розроблено методику вибору доцільних значень установочного кута випередження запалювання і коефіцієнта надміру повітря двигунів автомобілів при зміні виду палива. Визначені доцільні значення даних регулювальних параметрів.
Уточнено математичну модель руху транспортного засобу, на якій оцінено вплив установочного кута випередження запалювання на паливну економічність та показники токсичності вантажного автомобіля на газовому паливі.
Виготовлено електронний прилад автоматичної зміни установочного кута випередження запалювання при зміні виду палива.
Ключові слова: автомобільний транспорт, природний газ, установочний кут випередження запалювання, склад паливоповітряної суміші, математичне моделювання, витрата палива, шкідливі викиди.
АННОТАЦИЯ
Сидоренко Р.В. Улучшение топливной экономичности и уменьшение токсичности автомобилей с двигателями, переведёнными с бензина на газ. – Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – эксплуатация и ремонт средств транспорта. – Национальный транспортный университет, Киев, 2004г.
Диссертация посвящена выбору и обоснованию оптимальных значений установочного угла опережения зажигания (УКВЗ) и регулировок системы
