НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Яновський Василь Васильович

УДК 621.43

ПОКРАЩЕННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ ТА ЕКОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ КОНВЕРТОВАНИХ ГАЗОВИХ ДВИГУНІВ ДОРОЖНІХ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ

Спеціальність 05.05.03 теплові двигуни

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: кандидат технічних наук, доцент

Матейчик Василь Петрович, Національний транспортний університет, доцент кафедри “Двигуни та теплотехніка”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Дикий Микола Олександрович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри “Теоретична і промислова теплотехніка”;

кандидат технічних наук, доцент

Савін Юрій Хомич , Національний транспортний університет, доцент кафедри “Виробничі системи і сервіс на транспорті”.

Провідна установа: Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, кафедри “Трактори і автомобілі” та “Експлуатація машин та інженерний менеджмент”, м.Київ

Захист відбудеться “ 29 квітня 2004 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий “27” березня 2004 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради Посвятенко Е.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Природний газ розглядається як альтернативний замінник нафтових палив, особливо із-за можливості досягнення низьких викидів забруднюючих речовин, що на сьогодні є надзвичайно актуальним.

При переобладнанні дорожніх транспортних засобів (ДТЗ) з серійними бензиновими двигунами для роботи на природному газі потужність двигуна знижується на 15-20% внаслідок нижчої енергомісткості газоповітряної суміші та зменшення наповнення циліндрів повітрям, що призводить до погіршення тягово-швидкісних властивостей та продуктивності газобалонного автомобіля.

Одним із способів покращення індикаторних та ефективних показників переобладнаних з бензинових для роботи на природному газі двигунів є підвищення ступеня стискання з метою використання високих антидетонаційних властивостей цього палива. В результаті покращуються індикаторні та ефективні показники двигуна і, як наслідок, паливна економічність, однак погіршуються екологічні показники, зокрема через підвищення вмісту оксидів азоту у відпрацьованих газах (ВГ), що спричинено зростанням тисків і температур в циліндрі двигуна. Тому при розробці заходів щодо поліпшення екологічних показників конвертованих з бензинових шляхом підвищення газових двигунів особливу увагу необхідно приділяти заходам, реалізація яких дозволить знизити викиди . Одним з таких заходів є направлені регулювання системи живлення, що визначають склад газоповітряної суміші, який оцінюється коефіцієнтом надміру повітря . При цьому важливо провести інтегральну оцінку екологічних властивостей як двигуна з підвищеним ступенем стискання, так і автомобіля з таким двигуном в експлуатаційних умовах, оскільки реалізація цих заходів веде до зниження викидів одних компонентів і зростанню інших.

Визначенню оптимальних регулювань системи живлення газових двигунів з різними ступенями стискання з врахуванням енергетичних, екологічних показників та паливної економічності автомобіля з такими двигунами під час руху в експлуатаційних режимах, присвячена дисертаційна робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов’язана з виконанням НДР № 405 “Розроблення проекту програми зменшення негативного впливу автотранспорту на довкілля” згідно з Постановою Кабміну України № 1139 від 16.09.96р., № держреєстрації 0100U004328, держбюджетною темою “Дослідження та удосконалення систем живлення і регулювання транспортних засобів”, № держреєстрації 0103U000628, держбюджетною темою “Дослідження та розробка методів підвищення паливної економічності та зниження шкідливих викидів транспортних засобів в процесі створення двигунів та в умовах експлуатації”, № держреєстрації 0103U008563.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є покращення паливної економічності та екологічних показників конвертованих з бензинових для роботи на природному газі двигунів ДТЗ шляхом підвищення ступеня стискання та оптимальних регулювань системи живлення.

Відповідно до мети дослідження у дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

1. Розробка методики оцінки впливу ступеня стискання та складу газоповітряної суміші на індикаторні, ефективні та екологічні показники газового двигуна, в основі якої лежить математична модель розрахунку робочого процесу двигуна з іскровим запалюванням при роботі на природному газі.

2. Розробка методики визначення оптимальних регулювань системи живлення при різних ступенях стискання газового двигуна за показниками газобалонного автомобіля в експлуатаційних умовах, основою якої є удосконалена математична модель розрахунку витрати палива та викидів забруднюючих речовин вантажного газобалонного автомобіля в їздовому циклі.

3. Експериментальна перевірка адекватності математичних моделей розрахунку індикаторних, ефективних та екологічних показників газового двигуна, витрати палива та викидів забруднюючих речовин під час руху газобалонного автомобіля в міському їздовому циклі.

4. Проведення експериментальних досліджень робочого процесу газового двигуна, характеристик газових двигунів з різними ступенями стискання, показників газобалонного автомобіля в експлуатаційних умовах.

5. Дослідження на математичних моделях впливу ступеня стискання та регулювань системи живлення на показники газового двигуна та газобалонного автомобіля в експлуатаційних умовах та визначення оптимальних складів газоповітряної суміші при різних ступенях стискання.

6. Розробка рекомендацій щодо використання результатів дослідження з метою покращення паливної економічності та екологічних показників конвертованих з бензинових газових двигунів ДТЗ.

Об’єкт дослідження зміна паливної економічності та екологічних показників газових двигунів, конвертованих з бензинових для роботи на природному газі двигунів ДТЗ.

Предмет дослідження вплив ступеня стискання та регулювань системи живлення на показники паливної економічності та викиди забруднюючих речовин газових двигунів та вантажних газобалонних автомобілів.

Методи дослідження передбачали математичне моделювання робочого процесу газового двигуна та руху газобалонного автомобіля, багатоваріантні розрахунки на ПК індикаторних, ефективних та екологічних показників газових двигунів з різними ступенями стискання, паливної економічності та викидів забруднюючих речовин газобалонного автомобіля в міському їздовому циклі за різних регулювань системи живлення і експериментальне визначення цих показників для газових двигунів і вантажних газобалонних автомобілів з широким застосуванням теорії планування експерименту.

Наукову новизну одержаних результатів складають:

методика оцінки впливу ступеня стискання та складу газоповітряної суміші на індикаторні, ефективні та екологічні показники двигуна при роботі на природному газі, в основі якої лежить математична модель розрахунку робочого процесу газового двигуна з іскровим запалюванням;

методика визначення оптимальних регулювань системи живлення газових двигунів з різними ступенями стискання за показниками газобалонного автомобіля експлуатаційних умовах, основою якої є удосконалена математична модель розрахунку витрати палива та викидів забруднюючих речовин вантажного газобалонного автомобіля в їздовому циклі.

Практичне значення одержаних результатів складають:

математична модель розрахунку робочого процесу двигуна з іскровим запалюванням при роботі на природному газі для визначення індикаторних, ефективних та екологічних показників газового двигуна з різними ступенями стискання;

удосконалена математична модель розрахунку витрати палива та викидів забруднюючих речовин вантажного газобалонного автомобіля в їздових циклах для визначення оптимальних регулювань системи живлення при різних ступенях стискання газового двигуна за показниками автомобіля в міському їздовому циклі;

енергетичні, екологічні показники та паливна економічність газових двигунів з різними ступенями стискання та газобалонного автомобіля з такими двигунами в міському їздовому циклі;

доцільні значення регулювальних параметрів системи живлення газових двигунів з різними ступенями стискання;

рекомендації щодо покращення паливної економічності та екологічних показників конвертованих газових двигунів ДТЗ.

Результати дисертаційного дослідження прийняті до використання лабораторією дослідження використання палив і екології ДП „ДержавтотрансНДІпроект” Міністерства транспорту України.

Особистий внесок здобувача. Розроблено методику визначення індикаторних, ефективних та екологічних показників двигуна з іскровим запалюванням з різними ступенями стискання при роботі на природному газі, в основі якої лежить математична модель розрахунку робочого процесу газового двигуна. Розроблено методику визначення оптимальних регулювань системи живлення газових двигунів з різними ступенями стискання за показниками газобалонного автомобіля в експлуатаційних умовах шляхом удосконалення математичної моделі руху автомобіля за міським їздовим циклом. Проведено експериментальні дослідження показників двигуна 8Ч10/9,2 з різними ступенями стискання при використанні природного газу з індиціюванням робочого процесу та подальше їх опрацювання на ПК. Проведено експериментальні дослідження показників вантажного газобалонного автомобіля з осцилографуванням окремих параметрів. Проведено розрахункові дослідження на ПК впливу ступеня стискання та регулювань системи живлення на паливну економічність та екологічні показники двигуна при роботі на природному газі та експлуатаційні показники газобалонного автомобіля з розробкою рекомендацій щодо оптимальних регулювань системи живлення газового двигуна з різними ступенями стискання.

Апробація. Основні положення та висновки роботи були предметом обговорення на:–

56-59 наукових конференціях професорсько-викладацького складу та студентів Національного транспортного університету (Київ, 2000-2003 рр.);–

на міжнародній науково-технічній конференції “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych” (Польща, Жешув, 1999р.);–

міжнародній науково–практичній конференції “Автомобільний транспорт: проблеми і перспективи” (м. Севастополь, 2002 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано у дев’яти роботах, шість з яких - у фахових виданнях, три – у матеріалах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 225 сторінок, у тому числі 21 рисунки (24 рисунки), 2 таблиці (2 таблиці), 45 додатки (5 додатків), 11 – список використаних літературних джерел, який включає 107 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовується вибір теми дисертаційної роботи, її актуальність, формулюються мета і задачі досліджень, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналіз перспектив зміни у структурі енергоресурсів, фізико-хімічних властивостей природного газу, його екологічних показників, поширення як моторного палива. Аналіз показав, що це паливо розглядається як найбільш реальний замінник палив нафтового походження для двигунів ДТЗ.

Проведений аналіз шляхів підвищення ефективності використання природного газу як моторного палива для двигунів ДТЗ показує, що найбільш широко він застосовується на автомобілях з серійними бензиновими двигунами з додатково встановленою газовою системою живлення з можливістю працювати як на бензині, так і на газі. Хоча цей спосіб має низку беззаперечних переваг, однак при його застосуванні не використовуються в повній мірі переваги високого октанового числа природного газу. Для покращення індикаторних та ефективних показників переобладнаних з бензинових для роботи на природному газі двигунів, враховуючи високі антидетонаційні властивості цього палива, доцільно підвищувати ступінь стискання.

Аналіз виконаних досліджень щодо впливу ступеня стискання на індикаторні та ефективні показники двигуна з іскровим запалюванням показав, що збільшення покращує паливну економічність двигуна, однак його максимальні значення обмежуються зростанням тисків і температур в циліндрі, що негативно позначається на довговічності двигуна, а також призводить до зростання концентрацій в продуктах згоряння. З іншого боку енергетичні та екологічні показники двигуна суттєво залежать від таких регулювальних параметрів як склад суміші та кут випередження запалювання, зміна яких неоднозначно впливає на паливну економічність та вміст забруднюючих компонентів у ВГ.

На основі цього зроблено висновок про необхідність визначення оптимальних регулювань системи живлення газових двигунів з різними ступенями стискання на основі інтегральної оцінки властивостей як двигуна, так і автомобіля в експлуатаційних умовах.

Другий розділ присвячений розробці методики оцінки впливу ступеня стискання та складу газоповітряної суміші на індикаторні, ефективні та екологічні показники газового двигуна. Загальна структура методики включає такі етапи:

- вибір методу визначення індикаторних, ефективних та екологічних показників газового двигуна;

- розробка математичної моделі розрахунку робочого процесу газового двигуна для дослідження впливу конструктивних та регулювальних параметрів на показники двигуна;

- перевірка адекватності математичної моделі розрахунку робочого процесу газового двигуна;

- проведення експериментальних досліджень щодо визначення впливу на показники газового двигуна при заданих значеннях регулювальних параметрів;

- проведення експериментальних досліджень щодо визначення впливу складу суміші на показники газового двигуна для визначених ;

- дослідження на математичній моделі впливу ступеня стискання та складу суміші на показники газового двигуна та визначення їх доцільних значень з точки паливної економічності та сумарної токсичності ВГ за умови забезпечення довговічності двигуна.

При розробці методики використана математична модель розрахунку робочого процесу в надпоршневій порожнині циліндра проф. Н.М. Глаголєва і В.Г. Дяченка, яка представляє систему рівнянь балансу елементарних змін об’єму робочого тіла, обумовлених переміщенням поршня, надходженням свіжого заряду, виходом робочого тіла у випускний трубопровід, теплопідводом, хімічними реакціями, тепловіддачею в стінки на окремих ділянках робочого циклу.

Наприклад, зміна тиску в циліндрі на ділянці згоряння за розрахунковий проміжок часу визначається за виразом:

, (1)

де k - показник адіабати робочого тіла в циліндрі; p - тиск газів в циліндрі, Па; V - об’єм надпоршневого простору в циліндрі, м3; - кількість теплоти, підведеної до робочого тіла внаслідок згоряння, Дж; dQT - кількість теплоти, що передається до стінок циліндра, Дж; - зміна об’єму робочого тіла в циліндрі, яка викликана зміною кількості молів газу внаслідок хімічних реакцій, м3 ; - зміна об’єму робочого тіла, що викликана переміщенням поршня, м3.

Для моделювання робочого процесу газового двигуна в математичну модель внесено зміни і доповнення, які враховують особливості роботи двигуна на газовому паливі.

Компоненти газового палива задаються об’ємними частками, а в якості палива розглядається метан, етан, пропан, бутан, пентан, водень. Такий склад компонентів включено у розгляд для забезпечення більшої універсальності моделі. Кількість теплоти, яка підводиться або передається до стінок циліндра за розрахунковий проміжок часу в період газообміну, визначається за формулою Вошні, а в період стискання-згоряння-розширення за формулою Аннанда. Передбачена можливість застосування однофазного закону згоряння за рівняннями І.І.Вібе та Б.Д.Єфремова і Б.Я.Черняка. В моделі враховується зміна теплоємності і показника адіабати заряду компонентів на протязі всього циклу з врахуванням теплоємностей окремих компонентів.

Розроблена комп’ютерна програма розрахунку індикаторних і ефективних показників газового двигуна складається з блоків, в кожному з яких послідовно визначаються параметри робочого тіла під час перекриття клапанів, під час процесів впуску, стискання, згоряння, розширення і випуску. В результаті розрахунків в кожен момент повороту колінчастого вала визначаються об’єм, тиск, температура і маса робочого тіла в циліндрі двигуна. В залежності від ступеня стискання , частоти обертання , розрідження у впускному трубопроводі , коефіцієнта надміру повітря , а також заданих величин кута випередження запалювання визначаються середні індикаторний та ефективний тиски, тиск механічних втрат , індикаторна та ефективна потужність двигуна, годинна та питома ефективна витрата палива, індикаторний та ефективний ККД.

Для окремих значень концентрації основних забруднюючих речовин у ВГ описані за експериментальними даними окремими поліноміальними моделями другого порядку в функції від частоти обертання двигуна , розрідження у впускному трубопроводі та коефіцієнта надміру повітря , тобто в залежності від регулювального параметра системи живлення:

(2)

де а0 , а1, а2, а3, а4, а5, а6, а7, а8, а9 – дослідні коефіцієнти.

Коефіцієнти поліноміальних моделей визначались з використанням експериментальних характеристик. За планом симетричного повного факторного експерименту визначались значення параметрів в точках плану, за якими з використанням метода найменших квадратів з використанням комп’ютерних програм визначались коефіцієнти поліноміальних моделей.

Перевірка адекватності окремих поліноміальних моделей проводилась за критерієм Фішера.

Перевірка адекватності математичної моделі робочого процесу здійснювалась шляхом порівняння розрахункових та експериментальних індикаторних діаграм (рис.1), а також розрахункових і отриманих з експериментальної навантажувальної характеристики індикаторних і ефективних показників газового двигуна (рис.2). Результати порівняння показують, що максимальне відхилення значень розрахункових та експериментальних показників робочого процесу при частоті обертання на повному навантаженні не перевищує 8,6%.

Перевірка адекватності показала, що модель задовільно описує показники двигуна і може бути використана для оптимізації таких конструктивних і регулювальних параметрів, як , , кут випередження запалювання та ін.

У третьому розділі розроблена методика визначення оптимальних регулювань системи живлення газового двигуна з різними за показниками газобалонного автомобіля в експлуатаційних умовах. Загальна структура методики включає такі етапи:

- вибір методу дослідження впливу регулювань системи живлення газового двигуна з різними на показники газобалонного автомобіля в експлуатаційних умовах;

- удосконалення математичної моделі розрахунку витрати палива та екологічних показників автомобіля з газовим двигуном для окремих під час руху за режимами їздового циклу;

- перевірка адекватності математичної моделі руху газобалонного автомобіля в їздовому циклі;

- проведення експериментальних досліджень показників газобалонного автомобіля в експлуатаційних умовах;

- дослідження на математичній моделі впливу регулювань системи живлення на паливну економічність та екологічні показники газобалонного автомобіля в їздовому циклі для різних значень ;

- визначення доцільних значень газового двигуна для окремих за показниками газобалонного автомобіля в їздовому циклі.

Для реалізації методики удосконалено математичну модель руху вантажного автомобіля за режимами їздового циклу, розроблену на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” Національного транспортного університету.

Для моделювання вибрано стандартний міський їздовий цикл для автомобілів повною масою більше 3,5 т згідно ГОСТ 20306-90 “Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний”, який імітує режими роботи вантажних автомобілів в міських умовах.

Рух автомобіля, обладнаного газовим двигуном, в кожному режимі роботи описано системою диференціальних та алгебраїчних рівнянь.

В математичній моделі імітується рух автомобіля по дорозі з асфальтобетонним покриттям, визначаються в кожний момент виконання циклу режими роботи його двигуна (частота обертання і розрідження за дросельними заслінками карбюратора), виходячи з яких за експериментально визначеними в роботі характеристиками з урахуванням особливостей роботи двигуна в неусталених режимах та виду палива розраховується витрата палива, забруднюючі викиди, тягово-швидкісні властивості автомобіля на елементарній ділянці шляху, в цілому в режимі та за весь цикл руху автомобіля.

Наприклад, рушання автомобіля за буксуючого зчеплення описується рівняннями для двигуна і веденої частини зчеплення.

Рух двигуна описується рівнянням:

, (3)

де – сповільнення чи прискорення колінчастого вала двигуна, ; – момент інерції двигуна, (кг·м2); — крутний момент двигуна в неусталеному режимі роботи, ; – момент тертя зчеплення, .

Рух веденої частини зчеплення трансмісії автомобіля описується рівнянням

, (4)

де – прискорення веденої частини зчеплення, ;– момент інерції мас автомобіля, які обертаються, зведений до зчеплення, (кг·м2); – момент тертя зчеплення, ; – момент опору руху автомобіля, .

Рівняння (3, 4) вирішуються чисельним інтегруванням з використанням методу Рунге-Кутта.

Для реалізації на ПК послідовність режимів руху автомобіля задається сукупністю параметрів у вигляді універсальної матриці, за якими встановлюється відповідний режим руху на кожній ділянці їздового циклу.

Особливостями математичної моделі є:

модель імітує рух газобалонного вантажного автомобіля за їздовим циклом;

в навантажувальних режимах крутний момент, витрата палива та концентрації забруднюючих речовин газового двигуна описані окремими поліноміальними моделями другого порядку в функції від , та виду (2) для кожного ступеня стискання, а для стандартних регулювань двигунів - окремими поліноміальними моделями третього порядку в функції від , виду:

(5)

де b0 , b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7, b8, b9 – дослідні коефіцієнти.

Перевірка адекватності математичної моделі руху автомобіля проводилась шляхом порівняння розрахункових швидкостей автомобіля та витрати газу з даними експериментальних досліджень, отриманих при реалізації їздового циклу на автомобілі.

Результати порівняння розрахункових і експериментальних показників газобалонного автомобіля з двигуном з =7,1 в міському їздовому циклі показали, що загальні показники за цикл, отримані в експерименті і на моделі, відрізняються по часу руху в циклі на 2 %, по витраті газу - 4,5 % (рис.3).

В цілому, як видно з рис. 3 та наведених загальних показників, математична модель задовільно описує характер руху автомобіля в циклі і може бути використана для оцінки ефективності конструктивних та експлуатаційних заходів, направлених на зменшення витрати палива та шкідливих викидів ДТЗ.

Порівняльна оцінка токсичності проводилась за масовими викидами окремих забруднюючих речовин за цикл та інтегральним показником - сумарною токсичністю ВГ.

Масові викиди , , і визначались за концентраціями цих речовин у ВГ та годинними витратами палива і повітря.

Сумарна токсичність ВГ обчислювалась з урахуванням коефіцієнтів агресивності окремих компонентів

. (6)

Четвертий розділ розкриває мету, програму, методику експериментальних досліджень та висвітлює їх результати.

Метою експериментальних досліджень було визначення дослідних даних та коефіцієнтів для математичних моделей, оцінка впливу ступеня стискання та складів суміші на показники газового двигуна та газобалонного автомобіля.

Об’єктом стендових випробувань був V-подібний двигун з іскровим запалюванням 8Ч10/9,5 з різними ступенями стискання.

Система живлення забезпечувала роботу двигуна на бензині і на природному газі.

Дорожні випробування проводились на автомобілі ЗІЛ-431610, який був обладнаний пристроєм для запису поточного значення швидкості в залежності від частоти обертання колеса автомобіля та реєструючою апаратурою. Витрата бензину під час дорожніх досліджень визначалась об’ємним витратоміром, витрата газу – за величиною падіння тиску на зразковому манометрі в двох балонах загальним об’ємом 100 л. Гранична абсолютна похибка вимірювань витрат бензину і газу за найменшою ціною поділки приладів складала 0,5%.

Програма експериментальних досліджень включала:

1. Визначення серій навантажувальних характеристик двигуна 8Ч10/9,5 при живленні бензином для і природним газом для з регулюваннями, які відповідають вимогам і рекомендаціям завода-виробника.

2. Визначення серій регулювальних за складом суміші характеристик двигуна 8Ч10/9,5 з різними ступенями стискання при живленні природним газом.

3. Визначення швидкісних характеристик активного і примусового холостого ходу двигуна при роботі на бензині і природному газі.

4. Визначення характеристик механічних втрат двигуна з різними ступенями стискання.

6. Визначення серії індикаторних діаграм двигуна в різних навантажувальних і швидкісних режимах для різних ступенів стискання та складів суміші.

7. Виконання серії заїздів автомобіля ЗІЛ-431610 з двигуном 8Ч10/9,5 () 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.

8. Визначення паливних характеристик усталеного руху автомобіля при роботі на бензині і на природному газі.

Прилади, методи вимірювань, експлуатаційні матеріали відповідали вимогам стандартів.

Результати експериментальних досліджень показали, що збільшення ступеня стискання з 6,5 до 8,0 (рис. 4) підвищує максимальну потужність двигуна на 12,6%. Така ж закономірність спостерігається і по паливній економічності. Крім ступеня стискання, на енергетичні показники та паливну економічність двигуна впливають інші фактори, зокрема форма камери згоряння, а також конструктивні особливості головок циліндрів. Про це свідчить і той факт, що при однакових складах газоповітряної суміші значення оптимальних кутів випередження запалювання суттєво відрізняються для різних . Найбільші значення характерні для двигуна з , що і обумовлює найвищі значення концентрацій оксидів азоту у ВГ. Причиною підвищених концентрацій вуглеводнів двигуна з також є більш ранні кути випередження запалювання. Характер зміни вмісту інших продуктів згоряння у ВГ близький для всіх значень .

Дослідження впливу складу суміші на енергетичні, економічні та екологічні показники газового двигуна з різними ступенями стискання показують, що з точки зору забезпечення мінімальної сумарної токсичності доцільно працювати на збіднених сумішах, хоча в цих випадках погіршується паливна економічність. Наприклад, для = 8 (рис. 5) збіднення суміші до при та дозволяє зменшити викиди на 13...20% і, як наслідок, сумарну токсичність на 12...19%. Питома витрата палива зростає на 3,6...5,1%. Така втрата економічності прийнятна, оскільки при стандартних регулюваннях системи живлення збільшення з 6,5 до 8,0 на даному режимі зменшує витрату палива на 9%.

П’ятий розділ присвячений дослідженню на математичних моделях впливу ступеня стискання та складу суміші на індикаторні, ефективні та екологічні показники двигуна та автомобіля, визначенню оптимальних регулювань системи живлення газового двигуна з різними за показниками газобалонного автомобіля в експлуатаційних умовах.

Оцінка впливу ступеня стискання на показники газового двигуна (рис. 6) показала, що при збільшенні з 7,1 до 10,2 за потужнісного складу суміші забезпечуються такі ж енергетичні показники, як при роботі на бензині з =7,1. Однак при цьому максимальний тиск у циліндрі збільшується на 22%, а максимальна температура на 11%, що негативно позначиться на довговічності двигуна. Збіднення суміші в цьому випадку до =1,25, хоча і зменшує потужність до потужності газового двигуна із , але при цьому значення тисків і температур в циліндрі знаходяться в допустимих межах, а витрата палива зменшується на 17,5 %, сумарна токсичність - на 26%.

Дослідження впливу ступеня стискання на показники газобалонного автомобіля ЗИЛ-431610 з масою вантажу =3т в міському їздовому циклі показали, що при збільшенні ступеня стискання з 6,5 до 8,0 за стандартних регулювань системи живлення середня швидкість руху автомобіля в циклі збільшилась з 29,8 до 30,4 км/год, витрата палива зменшилась на 8,3%, сумарна токсичність знизилась на 11,1% .

Оцінка впливу регулювань системи живлення на показники газобалонного автомобіля в міському їздовому циклі показали, що з метою покращення паливної економічності та екологічних показників доцільно забезпечувати роботу газового двигуна на збіднених сумішах.

Визначені доцільні значення газового двигуна 8Ч10/9,5 з =6,5, =7,1 і =8,0 за показниками газобалонного автомобіля в циклі.

На рис. 7 наведені графічні залежності впливу регулювань системи живлення газового двигуна 8Ч10/9,5 (=8,0) на показники автомобіля ЗИЛ-431610 з різним завантаженням в циклі. З них видно, що з метою покращення паливної економічності доцільно забезпечувати регулювання системи живлення з 1,18…1,25 в залежності від маси вантажу . При цьому в порівнянні з показниками автомобіля із стандартними регулюваннями системи живлення, що відповідають середнім значенням 1,1…1,12, питома витрата палива зменшується на 3,9…6,5%, сумарна токсичність - на 6,1…22%.

Аналогічні результати отримані для автомобілів з двигунами з =6,5 і =7,1. Доцільні значення коефіцієнта надміру повітря для =6,5 в залежності від навантаження знаходяться в межах =1,1…1,25, за яких витрата зменшується на 3,5…5,4%, а сумарна токсичність - на 0,6…27%.

Для 7,1 доцільні межі =1,15…1,25, за яких питома витрата палива зменшується на 0,5…6,6%, а сумарна токсичність - на 3,3…26,5%.

Слід відмітити, що за всіх рекомендованих значень зменшення середньої швидкості автомобіля в циклі не перевищує 1%.

Таким чином, доцільні значення для газових двигунів з досліджуваними ступенями стискання в залежності від завантаження автомобіля знаходяться в межах =1,1...1,25, що забезпечує покращення паливної економічності 0,5...6,6%, зниження сумарної токсичності на 0,6...27% за близької середньої швидкості руху автомобіля в циклі.

ВИСНОВКИ

1. Одним із способів покращення індикаторних та ефективних показників переобладнаних з бензинових для роботи на природному газі двигунів є підвищення ступеня стискання з метою використання високих антидетонаційних властивостей цього палива. При цьому для забезпечення кращих екологічних показників потребують оптимізації регулювання системи живлення, які визначають склад паливоповітряної суміші і, відповідно, вміст забруднюючих речовин у ВГ. Визначенню оптимальних регулювань системи живлення з врахуванням енергетичних, екологічних показників та паливної економічності газових двигунів ДТЗ в експлуатаційних режимах при збільшенні ступеня стискання присвячена дисертаційна робота.

2. Розроблена методика оцінки впливу ступеня стискання та складу газоповітряної суміші на індикаторні, ефективні та екологічні показники двигуна при роботі на природному газі, в основі якої лежить математична модель робочого процесу газового двигуна. Перевірка адекватності математичної моделі шляхом порівняння розрахункових та експериментальних індикаторних і ефективних показників газового двигуна з =7,1 для показала, що максимальні відхилення значень розрахункових та експериментальних показників не перевищують 8,6 %.

3. Розроблена методика визначення оптимальних регулювань системи живлення газового двигуна з різними ступенями стискання за показниками газобалонного автомобіля в експлуатаційних умовах, в основі якої лежить удосконалена математична модель руху газобалонного автомобіля в режимах їздового циклу з описанням енергетичних, економічних та екологічних показників двигуна з різними ступенями стискання при роботі на природному газі в усьому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів в залежності від складу суміші регулювального параметра системи живлення. Перевірка адекватності удосконаленої математичної моделі газобалонного автомобіля з двигуном з =7,1 в міському їздовому циклі показала, що загальні показники за цикл, отримані в експерименті і на моделі, відрізняються по часу руху на 2 %, по витраті газу - 4,5 %.

4. Експериментальні дослідження двигуна 8Ч10/9,5 з різними значеннями (=6,5 ; =7,1 і =8,0) при роботі на природному газі в усьому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів показали, що збільшення ступеня стискання підвищує максимальну потужність двигуна та зменшує витрату палива. Так для при збільшенні ступеня стискання з 6,5 до 8,0 при однакових складах газоповітряної суміші і оптимальних значеннях кута випередження запалювання максимальна потужність двигуна збільшилась на 12,6% з відповідним зменшенням питома витрата палива. Встановлено, що за однакових складів газоповітряної суміші значення оптимальних кутів випередження запалювання суттєво відрізняються для різних , що обумовлюється впливом форми камери згоряння та конструктивних особливостей головок циліндрів.

5. Експериментальні дослідження впливу складу суміші на енергетичні, економічні та екологічні показники газового двигуна з різними ступенями стискання показують, що з точки зору забезпечення мінімальної сумарної токсичності доцільно працювати на збіднених сумішах, хоча в цих випадках погіршується паливна економічність. Наприклад, для =8 збіднення суміші до при та дозволяє зменшити викиди на 13...20% і, як наслідок, сумарну токсичність на 12...19%. Питома витрата палива зростає на 3,6...5,1%. Така втрата економічності прийнятна, оскільки при стандартних регулюваннях системи живлення збільшення з 6,5 до 8,0 на даному режимі зменшує витрату палива на 9%.

6. Дослідження на математичній моделі впливу ступеня стискання на показники газового двигуна показали, що при збільшенні до 10,2 та потужнісному складі суміші забезпечуються такі енергетичні показники, як при роботі на бензині. Однак при цьому максимальний тиск у циліндрі збільшується на 22%, а максимальна температура на 11%, що негативно позначиться на довговічності двигуна. Збіднення суміші в цьому випадку до =1,25, хоча і зменшує потужність до значень потужності газового двигуна із , але при цьому значення тисків і температур в циліндрі знаходяться в допустимих межах з точки зору забезпечення довговічності двигуна, витрата палива зменшується на 17,5 %, а сумарна токсичність - на 26%.

7. Дослідження на математичній моделі впливу регулювань системи живлення на показники газобалонного автомобіля в міському їздовому циклі показали, що з метою покращення паливної економічності та екологічних показників доцільно забезпечувати роботу газового двигуна на збіднених сумішах. Визначені оптимальні регулювання системи живлення газового двигуна 8Ч10/9,5 з =6,5, =7,1 і =8,0 за показниками газобалонного автомобіля з різним завантаженням в циклі. Доцільні значення для газових двигунів з досліджуваними ступенями стискання в залежності від завантаження автомобіля знаходяться в межах =1,1...1,25, що забезпечує покращення паливної економічності 0,5...6,6%, зниження сумарної токсичності на 0,6...27% за близької середньої швидкості руху автомобіля в циклі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яновський В.В. До вибору методу розрахунку робочого процесу газового двигуна // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів: зб. наук. пр. Київ, НТУ і ТАУ. 2002. № 13. С.157-162.

2. Матейчик В.П., Яновський В.В., Сидоренко Р.В. Шляхи ефективного використання природного газу як моторного палива для автомобілів // Вісник НТУ і ТАУ. 2001. № 5. С.60-64.

3. 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.

4. 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 природному газі // Вісник НТУ і ТАУ. – 2002. № 6. С.300-304.

5. Матейчик В.П., Сітовський О.П., Яновський В.В. До оцінки впливу ступеня стискання на показники двигуна з іскровим запалюванням при роботі на природному газі// Автошляховик України: окремий вип. № 6. 2003. – С.39-41.

6. Матейчик В.П., Яновський В.В. Вплив ступеня стискання на показники дорожнього транспортного засобу при роботі на бензині і природному газі// Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів: зб. наук. пр. – Київ, НТУ, ТАУ, № 16. 2003. С.136-141.

7. Матейчик В.П., Яновський В.В. До вибору способу конвертації дизеля в газовий двигун //Materialy miedzynar. konf. “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju systemow pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych”. – Rzeczow (Polska). 2000. C.225-228.

8. Матейчик В.П., Яновський В.В. Сидоренко Р.В. Природний газ як замінник палив нафтового походження// Матеріали міжнародної науково–практичній конференції “Автомобільний транспорт: проблеми і перспективи”. Севастополь, СевНТУ. – 2002. – С.193-197.

9. Яновський В. В. Вплив ступеня стискання на показники двигуна з іскровим запалюванням при роботі на природному газі// Тези доповідей 59-ї конференції професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Київ, НТУ. – 2003. – С.8.

АНОТАЦІЯ

Яновський В.В. Покращення паливної економічності та екологічних показників конвертованих газових двигунів дорожніх транспортних засобів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 – “Теплові двигуни”. – Національний транспортний університет, Київ, 2004.

Дисертація присвячена покращенню паливної економічності та екологічних показників конвертованих з бензинових для роботи на природному газі двигунів дорожніх транспортних засобів шляхом підвищення ступеня стискання та оптимальних регулювань системи живлення.

В дисертації розроблено методику та математичну модель для оцінки впливу ступеня стискання та складу газоповітряної суміші на показники двигуна при роботі на природному газі, а також методику та математичну модель визначення оптимальних регулювань системи живлення газового двигуна з різними ступенями стискання за показниками газобалонного автомобіля в експлуатаційних умовах.

Визначені доцільні значення ступеня стискання та складу суміші з умови забезпечення довговічності двигуна.

Визначені оптимальні регулювання системи живлення газового двигуна з різними ступенями стискання за показниками газобалонного автомобіля з різним завантаженням в міському їздовому циклі.

Ключові слова: газовий двигун, дорожній транспортний засіб, природний газ, ступінь стискання, склад суміші, математичне моделювання, витрата палива, екологічні показники.

АННОТАЦИЯ

Яновский В.В. Улучшение топливной экономичности и экологических показателей конвертированных газовых двигателей дорожных транспортных средств. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 – тепловые двигатели. – Национальный транспортный университет, Киев, 2004.

Диссертация посвящена вопросам улучшения топливной экономичности и экологических показателей конвертируемых с бензиновых для работы на природном газе двигателей дорожных транспортных средств путем повышения степени сжатия и оптимальных регулировок системы питания.

Разработана методика оценки влияния степени сжатия и состава газовоздушной смеси на индикаторные, эффективные и экологические показатели двигателя при работе на природном газ.

Разработана методика определения оптимальных регулировок системы питания газового двигателя с разными степенями сжатия по показателям газобаллонного автомобиля в эксплуатационных условиях.

Экспериментальные исследования двигателя 8Ч10/9,5 с различными значениями ( =6,5 ; =7,1 и =8,0) при работе на природном газе во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов показали, что увеличение степени сжатия повышает максимальную мощность двигателя и уменьшает расход топлива.

Выполнена проверка адекватности математических моделей.

Экспериментальные исследования влияния состава смеси на энергетические, экономические и экологические показатели газового двигателя с разными степенями сжатия показывают, что с точки зрения обеспечение минимальной суммарной токсичности целесообразно работать на обедненных смесях, хотя в этих случаях ухудшается топливная экономичность. Для =8 обеднение смеси с при и позволяет уменьшить выбросы на 13...20% и, как следствие, суммарную токсичность на 12...19%.

Исследования на математической модели влияния степени сжатия на показатели газового двигателя показали, что при увеличении до 10,2 и мощностном составе смеси обеспечиваются такие энергетические показатели, как при работе на бензине. Однако при этом максимальное давление в цилиндре увеличивается на 22%, а максимальная температура на 11%, что отрицательно скажется на долговечности двигателя. Обеднение смеси в этом случае до =1,25, хотя и уменьшает мощность до значения мощности газового двигателя с , но при этом значения давлений и температур в цилиндре находятся в допустимых пределах с точки зрения обеспечения долговечности двигателя, расход топлива уменьшается на 17,5 %, а суммарная токсичность - на 26%.

Исследование на математической модели влияния регулировок системы питания на показатели газобаллонного автомобиля в городском ездовом цикле показали, что с целью улучшения топливной экономичности и экологических показателей целесообразно обеспечивать роботу газового двигателя на обедненных смесях. Определены оптимальные регулировки системы питания газового двигателя 8Ч10/9,5 с =6,5, =7,1 и =8,0 по показателям газобаллонного автомобиля с различной загрузкой в цикле. Целесообразные значения для газовых двигателей с исследуемыми степенями сжатия в зависимости от загрузки автомобиля находятся в пределах =1,1...1,25, что обеспечивает улучшение топливной экономичности 0,5...6,6%, снижение суммарной токсичности на 0,6...27% при близкой средней скорости движения автомобиля в цикле.

Ключевые слова: газовый двигатель, дорожное транспортное средство, природный газ, степень сжатия, состав смеси, математическое моделирование, расход топлива, экологические показатели.

RESUME

Yanovsky V.V. Improvement of fuel profitability and ecological parameters of convertible gas engines of road vehicles – Manuscript.

Thesis for a candidate degree in science by speciality 05.05.03 – thermal engine, National Transport University, KYIV, 2004.

The dissertation to questions of improvement of fuel profitability and ecological parameters convertible with petrol for work on natural gas of engines road vehicles by increase of a degree of compression and optimum