Міністерство освіти і науки України

Український транспортний університет

Мельник Олег Євгенійович

удк 621. 43. 002

підвищення ефективності використання

бензогазових сумішей на рухомому складі

АВТОМОБІЛЬНОГО ТРАНСПОРТУ

Спеціальність 05.22.20 – “Експлуатація та ремонт засобів транспорту”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському транспортному університеті (УТУ) на кафедрі "Двигуни і теплотехніка".

Науковий керівник: заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Гутаревич Юрій Феодосійович,

завідувач кафедри " Двигуни і теплотехніка",

Український транспортний університет

Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Дикий Микола Олександрович,

кафедра “Теоретична і промислова теплотехніка”,

Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м.Київ.

кандидат технічних наук, доцент

Рубцов Віталій Олександрович,

завідувач лабораторії дослідження енергетичних, економічних, екологічних показників і сертифікаційних випробувань ДТЗ і ДВЗ,

Державний автотранспортний науково-дослідний і проектний інститут “ДержавтотрансНДІпроект”

Міністерства транспорту України, м.Київ.

Провідна установа: Національний аграрний університет Міністерства аграрної політики України, кафедра “Експлуатація машинно-тракторного парку”, м.Київ

Захист відбудеться 28 вересня 2000 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Українському транспортному університеті за адресою: м.Київ-10, вул. Суворова,1, аудиторія 333-Б.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Українського транспортного університету за адресою: м.Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий ---23 серпня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _______________ Матейчик В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Ак-ту-аль-ність теми. Вичерпність рідких палив нафтового походження підштовхує людство до пошуку альтернативних видів палив для двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Найбільш реальним замінником рідких палив нафтового походження є природний газ, запаси якого на планеті значно перевищують запаси нафти. Проте для широкого використання природного газу як пального для автомобільних двигунів потрібна добре розвинута інфраструктура, яка включає в себе добування, транспортування, переробку, зберігання природного газу, виробництво спеціалізованих газових двигунів, широку мережу газозаправних станцій, створення системи по обслуговуванню транспортних засобів, які живляться природним газом. На даному етапі створення такої інфраструктури вимагає великих капіталовкладень.

В експлуатаційних умовах використовуються конвертовані для живлення природним газом двигуни, що не є оптимальним з точки зору ефективного використання властивостей природного газу. Потужність ДВЗ з іскровим запалюванням зменшується на 12%–20%, значно погіршуються динамічні властивості автомобілів, зменшуються вантажопідйомність, запас ходу автомобіля.

Одним із шляхів вирішення задачі більш раціонального використання природного газу є сумісне використання рідких моторних палив нафтового походження, зокрема бензину та природного газу. Створення досконалої універсальної системи живлення та вибір оптимального співвідношення “бензин–газ” у суміші з метою більш ефективного використання бензогазових сумішей (БГС) на автомобільному транспорті, що дозволяє частково вирішити існуючі проблеми використання природного газу, досягти зниження екологічної шкоди, яку завдає навколишньому середовищу автомобіль та зменшити частку рідких палив нафтового походження у структурі споживання автотранспорту і визначає актуальність даної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно плану наукових робіт УТУ, зокрема за держбюджетною темою № “Розробити метод, математичні моделі та системи для ефективного використання на транспорті альтернативних і традиційних палив”, державна реєстрація № U004742. Автором уточнено математичну модель руху автомобіля з двигуном іскрового запалювання, який живиться бензином, СПГ, БГС різного складу, наведено деякі результати досліджень на математичній моделі.

Мета дослідження — покращення експлуатаційних показників вантажних автомобілів шляхом вибору раціонального співвідношення “бензин-газ” в бензогазовій суміші та удосконалення універсальної системи живлення.

Відповідно до мети дослідження у дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

1. Розробка методики визначення раціонального співвідношення “бензин—газ” у бензогазовій суміші.

2. Проведення експериментальних досліджень процесу переключення живлення двигуна внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням з бензину на бензогазову суміш, отримання експериментальних характеристик двигуна на бензині, стисненому природному газі (СПГ), бензогазових сумішах різного складу.

3. Уточнення математичної моделі, яка дозволяє імітувати рух вантажного автомобіля, обладнаного універсальною системою живлення, за режимами їздового циклу і отримувати вихідні дані, що характеризують роботу автомобіля в експлуатаційних умовах (витрати газоподібного та рідкого палив, масові викиди шкідливих речовин, середню швидкість руху, час виконання циклу, тощо).

4. Проведення досліджень на математичній моделі впливу співвідношення “бензин—газ” на експлуатаційні показники вантажного автомобіля.

5. Дослідження на математичній моделі впливу якості перехідних процесів на екологічні показники автомобіля та витрату палива при русі в режимах їздового циклу.

6. Визначення раціонального співвідношення “бензин—газ” у бензогазовій суміші.

Об’єкт дослідження — робота рухомого складу автомобільного транспорту на бензогазових сумішах.

Предмет дослідження — співвідношення “бензин-газ” у суміші.

Методи дослідження. Експериментальним методом досліджувались екологічні та енергетичні показники двигуна при живленні різними паливами в різних швидкісних та навантажувальних режимах. Отримані дані є вхідними для математичної моделі, яка є сукупністю поліноміальних залежностей, алгебраїчних та диференціальних рівнянь. Розрахунковим методом за допомогою математичної моделі визначаються економічні та екологічні показники автомобіля, який живиться бензином, стисненим природним газом чи їх сумішами при русі умовним їздовим циклом.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблено комплексний підхід до вибору раціонального співвідношення “бензин–газ” в БГС для бензогазових систем живлення.  Через велику кількість чинників, які впливають на результати експериментальних досліджень автомобіля, дослідження економічних та екологічних показників, вибір раціонального співвідношення, оцінка якості перехідного процесу зміни виду палива проводились за допомогою уточненої математичної моделі руху за міським циклом (ГОСТ 20306-90) автомобіля з ДВЗ, який живиться бензином, газом, БГС різного складу.

2. Вперше проведено дослідження перехідних процесів переключення живлення з бензину на живлення БГС і враховано якість перехідних процесів в математичній моделі.

3. Вперше визначені показники економічної ефективності використання автомобіля, який живиться БГС різного складу.

Практичне значення одержаних результатів. Його складають:

1. Методика визначення раціонального співвідношення “бензин–газ”, рекомендації по вибору схеми використання природного газу в суміші з бензином.

2. Енергетичні, економічні і екологічні показники двигуна автомобіля, обладнаного універсальною системою живлення, в різних швидкісних і навантажувальних режимах.

3. Числові значення раціонального співвідношення “бензин—газ” у бензогазовій суміші, рекомендації щодо удосконалення універсальної системи живлення.

4. Числові значення економічної ефективності використання вантажного автомобіля, який живиться бензогазовими сумішами, бензином і СПГ.

Результати дисертаційного дослідження прийняті до використання Державним Департаментом автомобільного транспорту Міністерства транспорту України (довідка про прийняття результатів до використання від 7 червня 2000 р.).

Особистий внесок здобувача.

Розроблено методику визначення раціонального співвідношення “бензин-газ” в суміші. Уточнено математичну модель руху автомобіля за їздовим циклом (ГОСТ 20306-90). Проведено експериментальні дослідження показників двигуна 8Ч9,2/8 при використанні бензину, природного газу, бензогазових сумішей та подальше їх опрацювання на ЕОМ. Проведено експериментальні дослідження процесу переключення з живлення бензину на живлення бензогазовими сумішами з індиціюванням процесу переходу. Проведено розрахункові дослідження на ЕОМ впливу частки бензину в бензогазовій суміші на експлуатаційні показники автомобіля, проведено розрахунки економічної ефективності використання автомобіля при живленні бензогазовими сумішами. Визначено числові значення раціонального співвідношення “бензин—газ”.

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

52 — наукових конференціях професорсько–викладацького складу та студентів Українського транспортного університету (Київ, квітень 1996—2000 рр.);– 

міжнародній науково–технічній конференції “Проблеми автомобільного транспорту на сучасному етапі” (Київ, червень 1996 р.)– 

міжнародній науково–практичній конференції “Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях” (Київ, КМУЦА, травень 1997 р.)– 

міжнародній науково–технічній конференції “Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення” (Київ, червень 1997 р.)– 

міжнародній науково–технічній конференції “Удосконалення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів і дорожніх машин” (Київ, червень 1997 р.)– 

міжнародних науково–технічних конференціях “Metody Obliczeniowe i Badawcze w rozwoju Pojazdow Samochodowych i Maszyn Roboczych Samojezdnych.—SAKON 97, SAKON 98. ” (Польща, Жешув, вересень 1997 р. та 1998 р.)

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано у чотирнадцяти публікаціях: дві — в збірнику наукових праць “Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів” (УТУ), по одній — в журналі “Автошляховик України”, в збірнику праць Таврійської державної агротехнічної академії, в інформаційному листку №078-97 Київського центру науково-технічної і економічної інформації (КиївЦНТЕІ), в дайджест-бюлетні “Експрес-новини: наука, техніка, виробництво”, у Віснику Транспортної академії України (ТАУ) та УТУ, одна — депонована в ДНТБ України, шість — в матеріалах шести міжнародних науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 253 сторінки, у тому числі 57 — рисунки (65 рисунків), 23 — таблиці (24 таблиці), 64 —додатки (5 додатків), 10 – список використаних літературних джерел, який включає 88 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі дається обгрунтування обраної теми, її актуальності, формулюються мета і задачі досліджень.

У першому розділі зроблено огляд і аналіз існуючих схем і конструкцій систем живлення, які дозволяють використовувати сумішеві палива на автомобільному транспорті та проведено аналіз наукових досліджень роботи автомобілів на бензогазових сумішах.

Автомобільний транспорт, в основному, є споживачем традиційних моторних палив нафтового походження — бензину та дизельного пального. Зростання кількості автотранспортних засобів (АТЗ) призводить до збільшення споживання цих палив для ДВЗ. Різке збільшення споживання нафти усіма галузями промисловості та транспорту у майбутньому створить дефіцит нафтових палив. Тому йде пошук замінників традиційних моторних палив. Найбільш перспективним серед альтернативних видів палив для ДВЗ є природний газ, основною складовою якого є метан (СН4). Запаси метану на планеті досить значні.

Широкому розповсюдженню природного газу як палива для транспортних ДВЗ перешкоджає необхідність великих капіталовкладень у інфраструктуру газозаправних станцій, сервісного обслуговування та виробництва спеціалізованих (не конвертованих із бензинових) газових двигунів. На першому етапі впровадження природного газу, як палива, є доцільним використання його у сумішах, зокрема, з бензином. За роботи на бензогазовій суміші потужність двигуна з іскровим запалюванням зменшується на 5—8% у порівнянні із бензиновим варіантом, проти зменшення на 12—20% для випадку живлення виключно природним газом.

Концентрації шкідливих речовин у відпрацювавших газах (ВГ) двигуна при роботі на БГС займають проміжне положення між показниками роботи на бензині та на природному газі.

Створено багато діючих зразків систем живлення, які використовують у якості палива бензогазові суміші.

Аналізуючи схеми існуючих систем живлення та результати наукових досліджень роботи автомобільних двигунів на СПГ та БГС, слід відзначити, що не вирішеними залишаються наступні питання:

1. Не існує методики визначення раціонального співвідношення “бензин—газ” в БГС та не визначено таке співвідношення.

2. Не досліджено якість процесу переходу від живлення одним видом палива на живлення бензогазовими сумішами.

3. Не проводилась оцінка екологічних та економічних показників автомобілів з такими системами живлення при русі в режимах міського їздового циклу.

Другий розділ присвячений розробці методики та уточненню математичної моделі для визначення показників автомобілів в експлуатаційних умовах при використанні бензогазових сумішей.

Оцінювати і визначати доцільне співвідношення “бензин—газ” в бензогазовій суміші пропонується виходячи з загальної величини сумарних витрат:

, (1)

де SЕ — витрати на експлуатацію, (коп/ткм);

SП  — витрати на паливо, (коп/ткм);

Ш — шкода, завдана навколишньому середовищу в результаті викидів шкідливих речовин автомобілем при роботі на різних паливах, (коп/ткм).

Витрати на експлуатацію SЕ визначаються виходячи з даних по експлуатації автомобілів з бензиновими і газовими двигунами в умовах АТП.

Витрати на паливо SП визначаються виходячи з витрат та цін на різні види палива, що мають місце в розрахунковий період. Для отримання числових значень витрат палив (бензин та СПГ) та масових викидів шкідливих речовин було уточнено математичну модель руху вантажного автомобіля міським циклом (ГОСТ 20306-90). Уточнена модель дозволяє задавати різні схеми використання бензину, СПГ, БГС та змінювати співвідношення “бензин—газ” у суміші, а також накладати певні умови (переключення з живлення бензином на БГС, зміна вантажопідйомності автомобіля, тощо). За основу було взято математичну модель, розроблену на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” Українського транспортного університету.

Рух автомобіля, обладнаного ДВЗ з універсальною системою живлення, в кожному режимі роботи описано системою диференціальних та алгебраїчних рівнянь.

В математичній моделі імітується рух автомобіля по дорозі з асфальтобетонним покриттям з обмеженням максимального відкриття дросельних заслінок карбюратора 80 %, 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 несталих режимах та виду палива або їх суміші розраховується паливна економічність, шкідливі викиди, тягово-експлуатаційні 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:

, (2)

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

, (3)

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

Рівняння (2, 3) вирішуються чисельним інтегруванням за використання методів Рунге-Кутта.

При цьому, якщо на двигун встановлена система живлення із зміною виду палива, в кожний момент перевіряється умова:

, (4)

де – поточне значення кута відкриття дросельних заслінок, – значення кута, за якого відбувається переключення на живлення певним видом палива чи сумішшю палив.

Кут може бути заданим за певним законом чи прийнятим, виходячи з визначених умов. Виходячи з умови (4), визначаються показники роботи двигуна — витрати палив, повітря, масові викиди шкідливих речовин та інші в залежності від виду палива.

Витрати палив і повітря в кожний момент часу описуються поліноміальними залежностями як функція від частоти оберання колінчастого вала двигуна та розрідження у впускному трубопроводі.

Масові викиди оксиду вуглецю, двооксиду вуглецю, оксидів азоту, вуглеводнів за проміжок часу визначаються за концентраціями речовин у ВГ за роботи на бензині, СПГ чи БГС та відповідними витратами палив та повітря, які визначені експериментально. Масові викиди сполук свинцю та сірки визначаються виходячи з витрати бензину з урахуванням їх вмісту, а також частки етилованого бензину на паливному ринку України.

Числові значення витрат палив та викидів шкідливих речовин, отримані за допомогою математичної моделі, використовуються у формулі (1) для визначення витрат на палива SП та  шкоди Ш, завданої навколишньому середовищу. Отримані таким чином дані є вхідними для подальшого опрацювання.

Шкода Ш, завдана навколишньому середовищу, визначалась за відомою методикою

, (5)

де — множник, чисельне значення якого рівне 2,4 (руб/умовну т). Для України з врахуванням коефіцієнту індексації 2,0 (1998 рік) =4,8 (грн/ум т);

— таблична величина, яка характеризує показник відносної небезпеки забруднення території певного типу (для великих міст );

— коефіцієнт, який враховує характер розсіювання домішок у атмосфері (для викидів автотранспорту ) ;—

приведена маса річного викиду забруднень для певного джерела викидів.

Визначається за формулою

, (6)

де — річні масові викиди домішки і-го виду (т/рік);—

загальне число домішок (шкідливих компонентів);—

показник відносної агресивності домішки (компонента) і-го виду (ум. т/т).

Третій розділ розкриває мету, задачі, програму, методи експериментальних досліджень та висвітлює їх результати.

Метою експериментальних досліджень є отримання даних для математичної моделі та оцінки роботи двигуна на бензині, стисненому природному газі, бензогазових сумішах в різних режимах, а також якості перехідного процесу при зміні виду палива.

Об'єктом випробувань був чотиритактний восьмициліндровий V-подібний автомобільний двигун з іскровим запалюванням 8Ч9,2/8.

Двигун обладнано універсальною системою живлення, яка дозволяє використовувати для живлення бензин, СПГ та бензогазові суміші. Систему обладнано електронним блоком управління, який в залежності від навантажувального та швидкісного режиму роботи ДВЗ керує вибором виду палива. При виборі водієм положення перемикача “бензогаз”, на холостому ходу та в режимах малих навантажень для живлення двигуна використовується бензин, що забезпечує його надійний пуск у будь-яку пору року і дозволяє використовувати низькооктановий бензин з октановим числом, більшим за 56 од. При роботі в середніх та великих навантажувальних та швидкісних режимах відбувається переключення живлення з бензину на бензогазову суміш певного складу. Забезпечено роботу системи в штатному бензиновому та газовому варіанті. Система живлення конструктивно проста та базується на елементах штатних бензинової та газової системи живлення двигуна 8Ч9,2/8.

Програма експериментальних досліджень включала в себе:

1.Визначення серії характеристик двигуна за навантаженням при живленні бензогазовими сумішами з різними співвідношеннями компонентів, бензином та стисненим природним газом з вимірюванням концентрацій шкідливих речовин у відпрацювавших газах, витрат палив (бензину та газу), витрати повітря, тощо.

2.Визначення характеристик активного та примусового холостого ходу при роботі двигуна на стисненому природному газі та бензині.

3.Визначення серії перехідних процесів двигуна, обладнаного універсальною бензогазовою системою живлення, при переході з бензину на живлення бензогазовою сумішшю та в зворотному напрямку при різних частотах обертання колінчастого вала двигуна та з різними швидкостями відкриття дросельних заслінок VДР з фіксацією на стрічку осцилографа частоти обертання колінчастого вала двигуна n, середнього крутного моменту МК, розрідження у впускному трубопроводі , кута відкриття дросельних заслінок , момента переключення на живлення БГС, тиску в циліндрі двигуна .

Прилади, методи вимірювань, експлуатаційні матеріали відповідали вимогам стандартів. У розділі наведено результати експериментальних досліджень.

Проведені експериментальні випробування показали, що потужність двигуна у випадку живлення бензогазовими сумішами менша, ніж у випадку живлення бензином, але більша, ніж у випадку живлення природним газом. Екологічні показники двигуна залежать від виду палива (рис.1).

У зоні бідних сумішей (>1,2) концентрації вуглеводнів (СmHn) для випадків живлення бензином та бензогазовою сумішшю значно вищі, ніж концентрації вуглеводнів для випадку живлення СПГ. Це свідчить про погіршення перебігу робочих процесів при живленні БГС та бензином. В зоні багатих сумішей (<0,9) спостерігається більш стабільна робота на бензині. Концентрації вуглеводнів при живленні цим видом палива значно менші за концентрації вуглеводнів під час роботи двигуна на СПГ та БГС в даній зоні.

У зоні стабільної роботи ДВЗ () для всіх видів палив концентрація вуглеводнів практично однакова.

Максимальна концентрація оксидів азоту (NOx) має місце при роботі двигуна на дещо збіднених сумішах та є приблизно однаковою для всіх видів палив. В зоні більш збіднених сумішей концентрація NOx зменшується, що пояснюється початком неякісного перебігу робочого процесу. Це також є поясненням того, що максимум концентрацій оксидів азоту має місце за різного складу паливоповітряної суміші.

В зоні збагачених сумішей концентрації NOx вищі для бензину та є найнижчими для СПГ. Це пояснюється якістю перебігу робочих процесів та стабільністю роботи двигуна на певному виді палива.

Вміст оксиду вуглецю (СО) у ВГ двигуна різко зростає із збагаченням паливоповітряної суміші. За абсолютною величиною концентрації СО є найнижчими для СПГ та найвищими для бензину. Різкий зріст концентрації оксиду вуглецю відбувається при збагаченні суміші від точки, де = 1,07.

Концентрації діоксиду вуглецю (СО2) є найвищими для випадку живлення двигуна бензином, найнижчими – для випадку живлення СПГ. Максимуми концентрацій СО2 для всіх видів палив мають місце в діапазоні = 1,0...1,1.

Таким чином, можна вважати, що екологічні показники в більшості режимів роботи двигуна при живленні БГС будуть кращими в порівнянні з живленням бензином.

Аналіз характеристик двигуна за навантаженням (n=2000 хв-1) показує, що потужність при заміні бензину стисненим природним газом зменшилась з 50,6 кВт до 44,4 кВт (на 12,3При використанні бензогазових сумішей складу 50бензину та 50СПГ потужність зменшилась до 48,6 кВт (на 4

Виявлено, що при переключенні живлення з бензину на бензогазову суміш спостерігається неякісний перехідний процес (рис.2).

Кількість пропущених циклів сягає 23—48 при швидкостях відкриття дросельних заслінок від 8,8 до 40,4·с-1. Для виключення виявленого недоліку було удосконалено схему універсальної системи живлення.

До схеми було введено додатковий конструктивний елемент — запірний клапан другого ступеня двоступеневого газового редуктора низького тиску. При роботі системи в режимі “бензогаз”, клапан перешкоджає висмоктуванню газу із порожнини редуктора при живленні ДВЗ в режимах невеликих навантажень та малих швидкісних режимів бензином.

При зростанні навантажень, відбувається переключення з живлення бензином на живлення бензогазовою сумішшю, забезпечується більш швидке надходження природного газу до впускного трубопроводу та покращення якості процесу переключення (рис.3).

Зміна схеми відключення газу покращила якість перехідних процесів. Помітне суттєве зменшення кількості пропущених циклів (з 32 до 4, див. рис.2 та рис.3).

У четвертому розділі наведено результати перевірки адекватності математичних моделей, результати досліджень на математичній моделі впливу частки бензину в бензогазовій суміші на показники вантажного автомобіля при русі міським їздовим циклом, визначено показники економічної ефективності використання автомобіля за роботи на бензині, газі, сумішевих паливах, проведено вибір доцільного співвідношення “бензин—газ” при використанні бензогазових сумішей на рухомому складі автомобільного транспорту.

Перевірка адекватності математичних моделей автомобільного двигуна як джерела енергії, споживача палива (суміші палив) і джерела шкідливих викидів проводилась за критерієм Фішера та порівнянням результатів досліджень та розрахунків, отриманих іншими авторами.

Розбіжність розрахункової витрати бензину при русі їздовим циклом та даних за іншими джерелами не перевищує 10,2%.

Розрахункова середня швидкість руху автомобіля, отримана на моделі, перевищує експериментально заміряні швидкості близько 10%, що пояснюється більш “жорсткими” умовами виконання їздового циклу ГОСТ 20306-90.

Встановлено, що для виконання їздового циклу та досягнення необхідної динаміки розігнання, водій автомобіля, двигун якого живиться виключно стисненим природним газом, відкриває дросельну заслінку на максимальний кут більший час, ніж водій автомобіля у випадку живлення ДВЗ бензином. Це впливає на екологічні показники автомобіля, який працює на газовому паливі, зокрема на масові викиди оксидів азоту (NOX).

На рис.4 наведено залежність сумарних масових викидів , приведених до оксиду вуглецю, на 1 км пробігу автомобіля ГАЗ-53 від частки бензину mБ в БГС. Мінімальні викиди шкідливих речовин на 1 км циклу відповідають випадку живлення ДВЗ неетилованим бензином та становлять 353 г/км. Для СПГ ця величина складає 361 г/км. У випадку живлення ДВЗ етилованим бензином, сумарні масові викиди () становлять 1734 г/км. Для співвідношення бензинів 20етилованого та 80неетилованого величина  — г/км. Як видно із рис.4, у випадку використання неетилованого бензину практично немає впливу частки бензину mБ в БГС на сумарні викиди .

На рис.5 наведено сумарні витрати S на 1 км пробігу та на 1 ткм транспортної роботи.

Аналіз залежностей вказує на пропорційність сумарних викидів на 1 ткм транспортної роботи від частки бензину у діапазоні від 0 до 58%. Залежність у діапазоні 58% до 100% пояснюється зміною вантажопідйомності автомобіля.

Сумарні витрати на 1 ткм транспортної роботи знаходяться на рівні 18,3—18,5 коп/ткм у випадку використання природного газу та використання неетилованого бензину, в тому числі і у суміші з СПГ. При використанні виключно неетилованого бензину співвідношення “бензин—газ” в БГС на сумарні масові викиди та сумарні витрати S практично не впливає. Максимальними вони є при використанні етилованого бензину (30,7 коп/ткм).

Для частки етилованого бензину (20%), сумарні витрати S на транспортну роботу складають 20,1 коп/ткм.

Як видно із рис.5, для співвідношення бензинів 20% етилованого та 80% неетилованого, яке притаманне ринку бензинів України, сумарні витрати на 1 ткм транспортної роботи практично не залежать від частки бензину в бензогазовій суміші.

Тому, при виборі доцільного співвідношення “бензин—газ” у суміші слід виходити з інших факторів: доцільності вибору такого складу БГС, при якому виключалась би робота двигуна автомобіля на одному виді палива, можливості використання низькооктанових бензинів, максимального пробігу, можливості легкого запуску двигуна у будь-яку пору року, конструктивної простоти системи живлення.

Виходячи з одночасної витрати бензину і СПГ визначено співвідношення для системи живлення, яка використовує бензогазову суміш в усьому діапазоні швидкісних та навантажувальних режимів — 58% бензину та 42% природного газу. Проте, для забезпечення можливості використання низькооктанових бензинів (ОЧ?56 од), легкості запуску ДВЗ, конструктивної простоти системи холостого ходу, доцільно використовувати систему, коли живлення на холостому ходу та в режимах малих навантажень здійснюється бензином (можливо використовувати і низькооктановий), а із збільшенням навантажень — бензогазовою сумішшю. Для такої системи частка бензину в бензогазовій суміші становить 54%, частка газу — 46%.

Для аналізу показників роботи автомобіля при такій схемі організації системи живлення, було прийнято кут відкриття дросельних заслінок, при якому мав місце перехід з живлення бензином на живлення БГС рівним 180. Такий кут вибрано з умови можливості живлення ДВЗ низькооктановим бензином з октановим числом близько 56 од.

Разом з названими позитивними властивостями, система з живленням двигуна в режимах холостого ходу і малих навантажень бензином має недолік, який полягає в зміні виду палива в перехідному процесі роботи двигуна. Експериментальні дослідження показали, в такому процесі мають місце пропуски робочих циклів. Число пропущених циклів досягає 48 (див. рис.2). Удосконалення схеми відключення газу суттєво покращило перебіг перехідного процесу (див.рис.3). Оцінка ефективності такого удосконалення в умовах експлуатації проводилось шляхом розрахунків на математичній моделі при русі автомобіля за їздовим циклом. При удосконаленні схеми системи відключення газу досягнуто зменшення викидів вуглеводнів з 18,2 г/цикл до 15,5 г/цикл, тобто на 17%, очікуване зменшення витрати палива складає близько 0,5%.

ВИСНОВКИ

1. Одним із найбільш перспективних палив для рухомого складу автомобільного транспорту є стиснений природний газ. Стиснений природний газ може використовуватись як моторне паливо безпосередньо або в суміші з паливами нафтового походження, зокрема бензином. В останньому випадку автомобільні двигуни обладнуються бінарними або універсальними системами живлення.

Застосування бінарних або універсальних систем живлення в умовах експлуатації для автомобільного транспорту дозволяє на певному етапі сприяти розповсюдженню альтернативних палив, зокрема природного газу, частково вирішити існуючі проблеми використання природного газу та досягти зменшення частки рідких моторних палив нафтового походження в структурі споживання палив автотранспорту.

До цього часу не встановлено, яка частка бензину в БГС є найбільш доцільною, не встановлена раціональна схема використання СПГ, не досліджено якість перехідного процесу зміни виду палива. Вирішення цих питань, що складає наукову задачу дисертаційного дослідження, дозволить підвищити ефективність використання БГС на рухомому складі автомобільного транспорту.

2. Проведені на автомобільному двигуні 8Ч9,2/8 з універсальною системою живлення експериментальні дослідження показали, що використання бензогазових сумішей покращує енергетичні показники роботи ДВЗ у порівнянні з показниками роботи на СПГ та покращує екологічні показники двигуна у порівнянні з показниками роботи на бензині.

3. Експериментальні дослідження з індиціюванням процесу переключення живлення з бензину на БГС показали, що застосування розробленої раніше системи живлення двигуна автомобіля бензином в режимах холостого ходу і малих навантажень і бензогазовою сумішшю при середніх і великих навантаженнях, призводить до незадовільного процесу переключення живлення з бензину на бензогазову суміш і пропуску при цьому робочих циклів, число яких досягало 48. В результаті удосконалено схему системи живлення шляхом встановлення додаткового запірного клапана з наближенням місця відключення газу до виходу у впускний трубопровід, що допомогло значно покращити перехідний процес зміни виду палива. Кількість пропущених циклів у зоні швидкостей відкриття дросельних заслінок до від 0 до 100%·с-1 для модернізованої системи живлення не перевищує 4.

4. За допомогою розробленої методики та уточненої математичної моделі проведено дослідження впливу складу бензогазової суміші на паливну економічність, екологічні показники та сумарні витрати на транспортну роботу автомобіля на прикладі автомобіля ГАЗ-53 в експлуатаційних умовах.

Сумарні витрати на 1 ткм знаходяться на рівні 18,3—18,5 коп/ткм у випадку використання природного газу та використання неетилованого бензину, в тому числі і у суміші з СПГ. При використанні виключно неетилованого бензину співвідношення “бензин—газ” в БГС на сумарні масові викиди та сумарні витрати S практично не впливає. Максимальними вони є при використанні етилованого бензину (30,7 коп/ткм).

5. Для частки етилованого бензину (20%), притаманної паливному ринку України при використанні виключно бензину, сумарні витрати на транспортну роботу складають 20,1 коп/ткм для цін на паливо на кінець 1997 року, тобто в цьому випадку склад бензогазової суміші незначно впливає на сумарні витрати на транспортну роботу, однак з точки зору зменшення шкідливих викидів і деякого зниження сумарних витрат доцільно використовувати бензогазові суміші з якомога більшим вмістом газу. Разом з тим для одночасного використання запасів бензину та СПГ на борту автомобіля доцільно витримати склад паливоповітряної суміші 58%—бензин та 42% — природний газ.

6. Збільшити доцільний вміст газу в бензогазовій суміші можливо, якщо замість використання бензогазової суміші на всіх режимах роботи автомобільного двигуна використовувати її в режимах середніх і великих навантажень, а в режимах холостого ходу і малих навантажень живлення двигуна здійснювати бензином. При такій зміні системи живлення доцільна частка стисненого газу збільшується з 42% до 46%.

Зміна місця відключення подачі газу в універсальній системі дозволила знизити викиди вуглеводнів в режимах руху автомобіля по їздовому циклу на 17%, при цьому очікуване зменшення витрати бензину становить близько 0,5%.

7. В цілому проведені дослідження показали, що на рухомому складі автомобільного транспорту доцільно застосовувати бензогазові суміші, використовуючи для цього системи живлення, що забезпечують живлення автомобільного двигуна в режимах холостого ходу і малих навантажень бензином, а в режимах середніх і великих навантажень — бензогазовою сумішшю, доцільний склад якої визначається виходячи з одночасного використання запасів бензину і газу на борту транспортного засобу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Покращення показників роботи двигуна на бензогазових сумішах. Ю.Ф.Гутаревич, А.Г.Говорун, А.О.Корпач, О.Є.Мельник //  Автошляховик України, 1997, №3, с.17–18.

2. Мельник О.Є. Використання бензогазових сумішей для живлення автомобільних двигунів Експрес-новини: наука, техніка, виробництво. — , №11–12, с.39–40.

3. Особливості роботи двигуна ЗМЗ-53 з універсальною системою живлення.  Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О., Мельник О.Є // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: Збірник наукових праць. Випуск 3. – Київ, УТУ, ТАУ, 1997 р., с.37– 45.

4. Порівняльні характеристики токсичності автомобілів, обладнаних ДВЗ з іскровим запалюванням, за роботи на різних паливах. Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О., Мельник О.Є Труды Таврической государственной агротехнической академии. Том 3. Выпуск 2. Отраслевое машиностроение. — Мелитополь, 1998 г., с. 55–59.

5. Оцінка тягово-динамічних і екологічних показників автомобілів при використанні бензогазових суішей різного складу. Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О., Мельник О.Є Вісник Транспортної академії України та Українського транспортного університету. №3.–Київ, УТУ, ТАУ, 1999 р., с.144—149.

6. Економічна ефективність використання автомобіля при живленні бензогазовими сумішами різного складу. Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О., Мельник О.Є Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: Збірник наукових праць. Випуск 9. — Київ, УТУ, ТАУ, 2000 р., с.21—27.

7. Мельник О.Е., Клименко А.А. Анализ существующих конструкций бинарных систем питания Укр. трансп. ун-т. — Киев, 1996. — 43 с.; ил.—Библиогр.: 7 назв.—Рус.—Деп. в ГНТБ Украины 02.04.1996, №868. — Ук.96.

8. Корпач А.А., Мельник О.Е. К выбору оптимальных законов переключения на питание бензогазовой смесью Проблеми автомобільного транспорту на сучасному етапі: Матеріали міжнародної науково-технічної конференції (20—21 червня 1996 р.). — Київ, УТУ, 1996 р., с.130—131.

9. Говорун А.Г., Корпач А.О., Мельник О.Є. Екологічні показники двигуна з бінарною системою живлення Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях: Материалы международной научно–практической конференции (27–29 мая 1997 г.). Ч.2.— Киев, КМУГА, 1997 г., с.329–330.

10. Говорун А.Г., Корпач А.А., Мельник О.Е. Универсальная система питания для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием // Информационный листок №078-97, РГАСНТИ 55.42.31, УДК 621.43.002 КиевЦНТЭИ, 06.06.1997 г.

11. Мельник О.Є. До вибору схеми використання стисненого природного газу для живлення автомобільних двигунів Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення: Матеріали міжнародної науково–технічної конференції (12–13 червня 1997 р.). — Київ, УТУ, с.112.

12. Говорун. А., Корпач А., Мельник О., До вибору схеми системи живлення для раціонального використання природного газу // Metody Obliczeniowe i Badawcze w rozwoju Pojazdow Samochodowych i Maszyn Roboczych Samojezdnych.—SAKON 97. International Scientific Conference on Engineering Design and Research of Automotive Vehicles and Machines. — Poland. Rzeszуw. Politechnika Rzeszуwska, 24—27 September 1997, p. 85—89.

13. Вибір доцільного співвідношення “бензин–газ” для універсальної системи живлення.  Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О., Мельник О.Є // Удосконалення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів і дорожніх машин: Збірник наукових праць (Матеріали міжнародної науково–технічної конференції м.Київ, 17–20 червня 1998 р.).–Міністерство освіти України, УТУ, с. —89.

14. Експериментальні дослідження універсальної системи живлення для ДВЗ з іскровим запалюванням. Гутаревич Юрій, Говорун Анатолій, Корпач Анатолій, Мельник Олег Metody Obliczeniowe i Badawcze w Rozwoju Pojazdуw Samochodowych i maszyn Roboczyh Samojezdnych. Zarz№dzanie i Marketing w Motoryzacji. — SAKON 98. Materiaіy IX Konferencji Miкdzynarodowej. —(Polska). Rzeszуw. Politechnika Rzeszуwska im.Јukasievicza, 23—26 September, 1998, p. 111–116.

АНОТАЦІЯ

Мельник О.Є. Підвищення ефективності використання бензогазових сумішей на рухомому складі автомобільного транспорту. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – експлуатація та ремонт засобів транспорту. – Український транспортний університет, Київ, 2000.

Дисертація присвячена вибору раціонального співвідношення “бензин-газ” в бензогазовій суміші для універсальної системи живлення двигуна з іскровим запалюванням.

В дисертації розроблено методику визначення раціонального співвідношення компонентів в бензогазовій суміші. Для реалізації методики уточнено математичну модель розрахунку витрати палив та викидів шкідливих речовин автомобільним двигуном вантажного автомобіля, обладнаного універсальною системою живлення, при русі автомобіля за міським їздовим циклом.

Визначені оптимальні співвідношення “бензин-газ” для різних схем використання природного газу, показники економічної ефективності використання автомобіля. Досліджено перехідний процес переключення живлення з бензину на бензогазову суміш.

Удосконалено схему відключення газу універсальної системи живлення. На математичній моделі оцінено вплив якості перехідних процесів на екологічні та економічні показники вантажного автомобіля з такою системою живлення.

Ключові слова: автомобільний транспорт, бензогазова суміш, природний газ, бензин, раціональне співвідношення, математичне моделювання, перехідний процес, витрата палива, шкідливі викиди.

АННОТАЦИЯ

Мельник О.Е. Повышение эффективности использования бензогазовых смесей на подвижном составе автомобильного транспорта. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – эксплуатация и ремонт средств транспорта. – Украинский транспортный университет, Киев, 2000.

Диссертация посвящена выбору рационального соотношения «бензин-газ» в бензогазовой смеси для универсальной системы питания двигателя искрового зажигания.

Запасы нефти ограничены, поэтому идет поиск путей использования альтернативных топлив. Наиболее перспективным среди них является природный газ, основным компонентом которого есть газ метан (СН4). Внедрение природного газа в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием сопряжено с рядом проблем. Это снижение мощности двигателя автомобиля до 20%, уменьшение запаса хода в 1,5—2 раза, необходимость создания разветвленной сети газовых заправочных станций и др.

На первом этапе внедрения целесообразно использовать природный газ совместно с бензином. Использовать бензин, газ, бензогазовые смеси (БГС) позволяет универсальная система питания. Вместе с тем, не исследовались вопросы выбора рационального соотношения «бензин—газ» в смеси, его влияние на эксплуатационные показатели автомобиля, показатели экономической эффективности. Этим вопросам посвящена диссертационная работа.

В теоретической части разработана методика определения рационального соотношения компонентов в бензогазовой смеси. Для реализации методики была уточнена математическая модель расчета расходов топлив и выбросов вредных веществ автомобильным двигателем грузового автомобиля, оснащенного универсальной системой питания, при движении по городскому ездовому циклу (ГОСТ ). Модель представляет собой совокупность дифференциальных уравнений и полиномиальных зависимостей, полученных экспериментально в результате стендовых испытаний двигателя внутреннего сгорания 8Ч9,2/8.

Определены оптимальные соотношения «бензин-газ» для различных схем использования природного газа, показатели экономической эффективности использования автомобиля. Для грузового автомобиля ГАЗ-53 со стандартным бензобаком 90 л и 7 баллонами со сжатым природным газом (СПГ) при использовании БГС во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов соотношение следующее — 58% бензин и 42% СПГ. Такое соотношение обеспечивает одновременный расход запасов топлив на борту автомобиля. Более целесообразно с точки зрения простоты универсальной системы питания, легкости запуска двигателя, возможности использования низкооктановых бензинов при работе на холостом ходу и в режимах малых нагрузок использовать бензин, а в средних и высоких нагрузочных и скоростных режимах — бензогазовую смесь. Для этого случая соотношение составляет 54% бензин и 46% — СПГ.

При переключении питания с бензина на БГС наблюдался некачественный переходной процесс, сопровождающийся пропущенными циклами. Была усовершенствована схема отключения газа универсальной системы питания, что позволило уменьшить количество нерабочих циклов с 32 до 4 в рабочем диапазоне скоростей открытия дроссельных заслонок.

На математической модели исследовано влияние качества переходных процессов на экологические и экономические показатели грузового автомобиля с такой системой питания, а также показатели экономической эффективности использования автомобиля.

Ключевые слова: автомобильный транспорт, бензогазовая смесь, природный газ, бензин, рациональное соотношение, математическое моделирование, переходной процесс, расход топлива, вредные выбросы.

RESUME

MelnykEfficiency improvement of petrol-gas mixtures utilization in vehicles. – Manuscript.

Thesis for a candidate degree in science by speciality 05.22.20 – exploitation and repair of the vehicles, Ukrainian Transport University, KYIV, 2000.

The dissertation is devoted to choice of petrol–gas rational ratio in petrol–gas mixture for universal feed system in a spark–ignition (SI) engine.

Principles of components rational ratio determination in petrol–gas mixture are elaborated. The mathematical calculation model