авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Показатели и регулировки битопливного двигателя при переводе его с бензина на сжиженный углеводородный газ

На правах рукописи

Кузьмин Андрей Владимирович

ПОКАЗАТЕЛИ И РЕГУЛИРОВКИ БИТОПЛИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ

ПЕРЕВОДЕ ЕГО С БЕНЗИНА НА

СЖИЖЕННЫЙ УГЛЕВОДОРОДНЫЙ ГАЗ

05.04.02 – Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2008

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Злотин Григорий Наумович.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Славуцкий Виктор Михайлович.

кандидат технических наук, доцент Треплин Владимир Александрович.

Ведущее предприятие ЗАО Волжское производство автобусов «Волжанин»

Защита диссертации состоится 26 декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, проспект им. В.И.

Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета Автореферат разослан ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ожогин В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В настоящее время стала очевидной перспективность использования сжиженного углеводородного газа в качестве альтернативного моторного топлива для автотранспортных средств. Это обусловлено рядом важных преимуществ этого горючего перед бензином и дизельным топливом: более низкая стоимость, развитая добыча, доступность во многих регионах мира, меньшая токсичность выбросов вредных продуктов сгорания в атмосферу.

Во всем мире с целью сокращения расхода дорогих жидких видов топлив автомобильные концерны разрабатывают и производят микролитражные автомобили. Однако технико-экономические возможности применения на этих автомобилях газообразного топлива недостаточно изучены. Это вопрос имеет особую актуальность в России, поскольку данная категория автомобилей предназначалась для эксплуатации инвалидов и ветеранов Великой Отечественной войны.

При сложившейся практике, в том числе у нас в стране автомобильные заводы выпускают однотопливные легковые автомобили, предусматривающие в основном использование бензина. Выпускающиеся на заводах бензиновые однотопливные двигатели проходят при подготовке к производству глубокие исследования, в ходе которых определяются оптимальные регулировки всех систем двигателя, обеспечивающие высокую топливную экономичность и улучшающие их токсические характеристики. Последующая их трансформация в битопливный вариант осуществляется чаще всего на предприятиях, не располагающих ни теоретической базой, ни практическими возможностями обоснованно скорректировать при переводе на газ регулировки основных систем двигателя (прежде всего системы зажигания и питания). Это сказывается на эффективности использования сжиженного газа как моторного топлива в битопливном ДВС. В этой связи представляется необходимым проведение всесторонних исследований битопливных ДВС с целью изучения их регулировок.

На основании ранее проведенных работ можно заключить, что практически отсутствуют работы по изменению регулировок систем двигателя при его переводе с питания бензином на газ в широком диапазоне эксплуатационных режимов их работы.

Все сказанное выше определяет актуальность проведенных исследований.

Цель работы. Целью настоящей работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований по определению путей улучшения мощностных и экономических показателей битопливного микролитражного автомобильного двигателя, путем оптимизации его регулировочных параметров при работе на сжиженном углеводородном газе.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана математическая модель рабочего процесса битопливного ДВС, как основа для теоретического анализа влияния перехода от бензина к газу на показатели двигателя при разных регулировочных параметрах и режимах работы.

2. Создан необходимый комплекс оборудования и измерительной аппаратуры, разработана методика и проведены экспериментальные исследования работы двигателя на бензине и газе.

3. Разработаны на основе теоретических и экспериментальных исследований рекомендации по рациональным регулировкам систем питания и зажигания, микролитражных и малолитражных битопливных двигателей при переходе их с бензина на сжиженный углеводородный газ.

Научная новизна. Разработана оригинальная методика вычисления коэффициентов в формуле И.И. Вибе, позволяющая учитывать в используемой математической модели особенности физико-химических свойств применяемых топлив.

Определены оптимальные регулировки систем зажигания и питания битопливного микролитражного двигателя внутреннего сгорания при переводе его с бензина на газ в широком диапазоне режимов его работы. Установлено, что при работе на газе влияние изменения угла опережения зажигания на максимальную мощность в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя и нагрузок практически отсутствует.

Создан комплекс, обеспечивающий натурные эксперименты битопливного двигателя, включающий оригинальные системы управления дроссельной заслонкой и регистрации крутящего момента.



Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются использованием фундаментальных уравнений термодинамики, теории ДВС, методик планирования и обработки экспериментальных данных, обоснованностью допущений, принятых при разработке расчетных моделей, высокой сходимостью результатов расчетов и экспериментов.

Методы исследования. Теоретические исследования с помощью предложенной математической модели и разработанного программного обеспечения. Экспериментальные исследования проведены при помощи метода планирования эксперимента на созданной опытной установке с последующей обработкой полученных результатов на компьютере.

Объект исследований. Двухцилиндровый двигатель ВАЗ – 1111 Волжского автомобильного завода, оснащенный штатной системой питания и стандартным комплектом газобаллонного оборудования.

Практическая ценность. В результате исследований определена коррекция регулировок систем питания и зажигания при переходе питанием с бензина на газ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на Х региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2005г.), Межгосударственном научно техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2006г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школы молодых ученых и специалистов «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Москва, 2007г.), ежегодных научно-практических конференциях ВолгГТУ (2004-2008 годы).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Объем диссертации составляет 116 страниц, включая 110 страниц машинописного текста, 35 рисунков и 16 страниц списка использованной литературы из 169 наименований, включая 69 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертации. В реферативной форме приведена общая характеристика работы.

В первой главе приведено обоснование применения горючих газов как топлива для автомобильных двигателей. Показано, что многие государства мира, включая Россию, проводят целенаправленную политику по улучшению структуры топливно энергетического баланса за счет снижения в нем доли нефти как топлива и замены ее альтернативными источниками энергии, в том числе и сжиженным нефтяным газом.

Приведен анализ исследований различных ученых разных стан мира по эксплуатации двигателей внутреннего сгорания на сжиженном углеводородном газе.

Большой вклад в эти работы внесли исследования М.А. Айзермана, И. Туровского, Г.И. Самоля, В.Е. Кошкина, Е.А. Рудакова, К.И. Генкина и др.

Г.И. Самоль, И.И. Гольдблат, Л.К. Коллеров, К.И. Генкин развили теоретические основы действительных циклов газовых двигателей, вопросы топливоподачи, дозировки и смесеобразования, провели исследования сгорания газовоздушных смесей, а также теплофизических и термодинамических свойств раз нообразных горючих газов.





Значительный интерес с точки зрения увеличения мощности, повышения топливной экономичности и снижения токсичности представляют исследования проведенные Б.И. Базаровым, А.Н. Тихомировым и другими отечественными и зарубежными авторами по регулировкам систем топливоподачи и зажигания.

Накопленный теоретический, экспериментальный задел по газотопливным ДВС, анализ состояния автостроения в России, позволяют сделать вывод о том, что при сложившихся условиях практически и экономически более реально расширение использования газового топлива на транспорте путем конвертирования выпускаемых промышленностью жидкотопливных двигателей. Это сохраняет, как правило, возможность использования при эксплуатации автомобилей обоих видов топлива. Так, в легковых автомобилях реализуется обычно концепция битопливного двигателя, т.е. двигателя, который может работать как на жидком, так и на газообразном топливе.

Обзор известных нам работ показал, что отсутствуют предложения по регулировкам битопливного двигателя внутреннего сгорания при переводе его с питания бензином на сжиженный углеводородный газ в широком диапазоне режимов работы автомобильного двигателя. Это потребовало большого объема теоретических и экспериментальных исследований, чтобы уменьшить этот пробел.

Во второй главе для теоретического изучения и объяснения особенностей рабочего процесса был разработан математический аппарат, описывающий сложные физико-химические процессы, протекающие в битопливном двигателе внутреннего сгорания как при работе на бензине, так и на газе Разработанный математический аппарат представляет собой дальнейшее развитие математической модели рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания легкого топлива, ранее разработанной в ВолгГТУ.

Дополнения, внесенные в модель, позволяли учесть влияние на рабочий процесс особенности физико-химических свойств бензина и сжиженного углеводородного газа.

Математическое описание рабочего процесса осуществляется системой дифференциальных уравнений, включающей уравнения сохранения объемов (1), массы (2), (3), энергии (4), (5), а также уравнения состояния (6), (7) для обеих зон:

dVb dVu dV + =, d d d (1) dmb dm = u, d d (2) d dmb = ma, d d (3) (Tст Т u ) dV dT dm Fu = p u + cv mu u + RuTu b, n / 30 d d d u (4) dm (Tст Т b ) dV dT dm dm Q0 b + 2 Fb = p b + cvb mb b + cvb Tb b c pu Tu b, d n / 30 d d d d (5) 1 dp 1 dVu 1 dmu 1 dTu + = +, p d Vu d mu d Tu d (6) 1 dp 1 dVb 1 dmb 1 dTb + = +, p d Vb d mb d Tb d (7) где V – объем цилиндра;

– доля выгоревшего топлива;

ma – суммарная масса заряда в объемах VI и VII, равная mb + mu;

VI – объем смеси вблизи электродов свечи зажигания;

VII – объем остального пространства камеры сгорания;

Vb – объем продуктов сгорания;

Vu – объем свежего заряда;

mb – масса продуктов сгорания;

Тb – температура продуктов сгорания;

mu – масса несгоревшей смеси;

Тu – температура несгоревшей смеси;

Тст – температура стенок камеры сгорания;

– угол поворота коленчатого вала;

Qо – теплота, выделившаяся на данном шаге счета в результате сгорания топлива;

1 и 2 – коэффициенты теплоотдачи для зон свежего заряда и продуктов сгорания соответственно;

Fu и Fb – площади поверхности цилиндра, соприкасающиеся со свежим зарядом и продуктами сгорания соответственно;

Сvu и Сvb – изохорные массовые теплоемкости свежего заряда и продуктов сгорания соответственно;

Сpu – изобарная массовая теплоемкость свежего заряда;

Ru – удельная газовая постоянная свежего заряда.

Для определения в ходе сгорания параметров свежей смеси и продуктов сгорания использовалось уравнение, предложенное И.И. Вибе, хорошо аппроксимирующее выгорание топлива в разных типах поршневых ДВС при различных условиях их работы:

m + = 1 exp 6,908, z (8) где о – угол поворота коленчатого вала ( ПКВ), соответствующий началу сгорания;

z – угол, соответствующий общей продолжительности сгорания;

текущее значение угла поворота кривошипа в процессе сгорания;

m – показатель характера сгорания.

Развитие модели дало возможность учитывать влияния физико-химических свойств топлива на динамику процесса сгорания. Для учета этого влияния предложена следующая концепция развития процесса сгорания:

Процесс сгорания рассматривался состоящим из двух периодов:

- формирование начального очага горения протекающее от начала искрового разряда до момента, когда размер начального очага превысит интегральный масштаб турбулентности, в ходе этого процесса сгорает часть топлива;

- основная фаза, представляет собой распространение турбулентного фронта пламени по объему топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС, в результате которой сгорает основная часть топлива.

Модель образования объема ядра воспламенения предложена Г.Н. Злотиным. В соответствии с этой моделью размеры ядра воспламенения определялись целиком величиной пробивного напряжения и размером межэлектродного зазора.

Температура газа в сформировавшемся ядре воспламенения принято нами равной температуре горения топливовоздушной смеси, как и в модели Г.Н. Злотина, 3000К.

На развитие начального очага горения существенно влияет род применяемого топлива. В основной же фазе сгорания принято, что скорость распространения пламени подчиняется законам турбулентного горения, мало зависящим от физико химических свойств топливовоздушной смеси. Это позволило допустить, что показатель характера сгорания m не зависит от рода используемого топлива, т.е.

считать показатель сгорания m, таким же каким он был получен при анализе ДВС размерности ВАЗ, работающем на бензине.

Исходя из вышесказанного, было принято, что изменение общей продолжительности сгорания z при переходе к работе двигателя с бензина на сжиженный нефтяной газ обусловлено изменением продолжительности лишь начальной фазы сгорания:

( z )газ = ( z )бензин ( z )но, (9) где ( z )но = ( но )бензин ( но ) газ (10) Оценка продолжительности но проводилось на основе следующих допущений.

Размер (радиус) начального очага горения rно определяется интегральным масштабом турбулентности и не меняется при замене бензина сжиженным нефтяным газом тогда:

(U ) но = ( но )бензин ( но )газ = ( но )бензин 1 н бензин (U н )газ (11) где (Uн)бензин и (Uн)газ – соответственно нормальные скорости ламинарного пламени бензовоздушной и газовоздушной смесей;

(но)бензин и (но)газ – время формирования начального очага горения для бензовоздушной и газовоздушной смесей. Для двигателей семейства ВАЗ, учитывая размеры камеры сгорания интегральный масштаб турбулентности, определяющий радиус сформировавшегося начального очага, принят равным 5 мм, 0, ( но )бензин =, (U н )бензин тогда (12) где (Uн)бензин измеряется в см/с.

Переход от измерения продолжительности формирования начального очага (но) в секундах к продолжительности сгорания (но), измеренной в градусах поворота коленчатого вала производился по формуле:

но = но 6 n (13) Для использования указанных соотношений были определены для различных условий нормальные скорости сгорания бензовоздушных и газовоздушных смесей Результаты расчета нормальных скоростей для рассматриваемых топливовоздушных смесей показали, что при прочих равных условиях нормальная скорость сгорания сжиженного нефтяного газа (Uн)газ больше нормальной скорости сгорания бензина (Uн)бензин.

Приведены данные о верификации рабочего процесса модели, показавшие хорошее совпадение результатов расчета, как с литературными данными, так и с результатами экспериментов.

В третьей главе приведены результаты теоретического исследования влияния перехода с бензина на сжиженный углеводородный газ на Uн, z и регулировочные параметры автомобильного двигателя.

Исследовалось влияние на Uн перехода с бензина на газ при разных значениях регулировочных параметров. Исследовались зависимости Uн=f(,) как при использовании бензина, так и при использовании газа. Так выявлено, что при всех (Uн)газ (Uн)бензин. Общий характер зависимости Uн=f() сохраняется: величина Uн уменьшается как при (Uн)max, так и при меньше этой величины.

Из рис. 1 видно также, что максимум нормальной скорости сгорания бензовоздушной смеси достигается на несколько более обогащенных смесях, чем при сгорании газовоздушной смеси.

В связи с тем, что, при прочих равных условиях, нормальная скорость сгорания газовоздушных смесей существенно превышает эту величину в бензовоздушных смесях требует изменение оптимального значения угла опережения зажигания при переходе с бензина на газ. В свою очередь изменение отражается на величине нормальной скорости сгорания.

Рассмотрено влияние перехода с бензина на газ и регулировочных параметров на продолжительность сгорания z.

Проведенный анализ показал, что при одинаковых значениях регулировочных параметров продолжительность сгорания при использовании газовоздушных смесей оказывается меньше, чем в случае бензовоздушных смесей.

Проведены теоретические исследования влияния регулировочных параметров на индикаторные показатели двигателя при переводе с бензина на сжиженный углеводородный газ.

Uн, м/с 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,80 0,84 0,88 0,92 0,96 1,00 1,04 1,08 1,12 1,16 1, Бензин;

Газ Рисунок 1. Зависимость нормальной скорости сгорания от коэффициента избытка воздуха, при =30 °ПКВ В ходе теоретического исследования установлены желательные изменения и при замене бензина на газ с целью повышения мощности и топливной экономичности двигателя на разных режимах работы.

Теоретическое исследование показало, что при переходе на питание двигателя с бензина на пропанобутановую смесь для получения максимальной мощности в большинстве случаев требуются меньшие углы опережения зажигания. Отмечено, что потеря мощности при переходе на газовое топливо незначительна, а с учетом регулировок максимальная мощность при использовании сжиженного углеводородного газа может превышать максимальную мощность при использовании бензина.

Установлено, что переход с бензина на газ позволяет существенно расширить пределы эффективного обеднения топливовоздушной смеси, что приводит к сокращению расхода топлива.

В четвертой главе приводится описание экспериментального стенда, контрольно-измерительной аппаратуры, методики и точности экспериментальных исследований, а также методик проведения эксперимента и обработки результатов.

Объектом исследования был двигатель ВАЗ-1111 Волжского автомобильного завода.

Измерение эффективного крутящего момента производилось при помощи созданного датчика, установленного на весовом устройстве, с последующей обработкой полученного сигнала на компьютере.

Для замера времени, затрачиваемого на изменение положения дроссельной заслонки, а также для фиксации положения дроссельной заслонки в определенном положении, служил специально созданный узел управления дроссельной заслонкой.

Для обеспечения битопливом в конструкцию штатного карбюратора были внесены изменения, обеспечивающие возможность подачи газа в задиффузорное пространство.

На двигатель был установлен комплект газобаллонного оборудования фирмы BRC Gas Equipment. В его состав входят: газовый баллон с установленной на нём запорно-предохранительной, заправочной и контрольной арматуры, электроклапаны «газ» и «бензин», газовый редуктор, электрический блок управления, кран-тройник, газовые штуцеры и комплект соединительной и монтажной арматуры.

Электронный переключатель вида топлива, подаваемого в карбюратор обеспечивал ручное переключение режимов работы (газ-бензин).

Экспериментальные исследования проводились в соответствии с ГОСТ 14846 81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний».

Были выбраны регулировочные параметры систем битопливного двигателя внутреннего сгорания: угол опережения зажигания, коэффициент избытка воздуха, частота вращения коленчатого вала ДВС, положение дроссельной заслонки.

Определена математическая модель для предсказания направления, в котором величина параметра оптимизации улучшается быстрее, чем в любом другом направлении.

Построен план эксперимента на основе ротатабельного униформ-планирования второго порядка, который позволил существенно сократить трудоемкость проведения экспериментальных исследований.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния перехода с бензина на сжиженный углеводородный газ на эффективные показатели битопливного двигателя.

Показано, что установленные теоретическим анализом зависимости удельного расхода топлива и мощности от регулировочных параметров качественно подтверждаются экспериментально.

Полученные в ходе исследований характеристики сравнивались между собой, на основе чего были сделаны рекомендации по корректировке регулировочных параметров ДВС при переводе его с бензина на сжиженный углеводородный газ.

В результате обработки экспериментальных данных были получены регрессионные зависимости значения эффективной мощности от регулировки двигателя и режимов его работы как при работе на бензине, так и на газе.

Приведены регрессионные уравнения, полученные после обработки экспериментальных данных, связывающие (Ne)б и (Ne)г с,, n, др:

(N e )б = 16,091 0,079 + 39,411 + 0,0045 n 0,0497 др 0,0024 2 24,33 2 5,4 10 7 n 2 0,0009 2 + 0,197 + (15) др + 2,18 10 5 n 7 10 5 + 4,93 10 5 n 0,002 n + 0, др др др (N e )г = 13,972 + 0,298 + 16,433 + 0,005n 0,043др 0,006 10,69 2 7,5 10 7 n 2 0,0004 2 + 0,057 + 4,38 10 6 n + (16) др + 3,3 10 5 n + 0,00033 + 0,00027 n + 0, др др др В качестве примера на рис. 2 представлена зависимость максимальной мощности от при фиксированных значениях, n и др.

Сопоставление полученных результатов с расчетами по модели, позволяет отметить, что предложенная модель хорошо описывает зависимость мощности двигателя от.

Отмечено, что при переходе на питание двигателя с бензина на пропанобутановую смесь требуются меньшие углы опережения зажигания.

N e, кВт 10, 10, 9, 9, 9, 9, 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 Бензин;

Газ, град Рисунок 2. Зависимость Nе от (др=80%;

n=2800 мин -1;

=0,95) Опыты показали, что с увеличением частоты вращения различие это возрастает. Это обусловлено тем, что, как показано при теоретическом анализе, образование начального очага горения в смеси газа с воздухом происходит быстрее и общая продолжительность сгорания оказывается короче, чем при бензовоздушной смеси.

Это влечет за собой уменьшение требуемой величины угла опережения зажигания при замене бензина газом.

Для определения оптимальных углов опережения зажигания во всем поле значений, n и др приведенные выше уравнения были продифференцированы по и результаты дифференцирования приравнены к нулю.

Для всех значений, n и др были определены значения (Nemax)б=f(, n и др) и (Nemax)г= f(, n и др) и их разности:

( N ) = ( N t max ) б ( N e max ) г = e max (17) = 39,87 + 36,78 + 4,217 10 3 n + 0,0405 др Уравнение 17 указывает на необходимую коррекцию значений для получения максимальной мощности при переходе с бензина на газ. С увеличением частоты вращения и обеднения смеси это различие растет. Определено, что (d)/(dn) слабо меняется с увеличением частоты вращения вала двигателя, величины и нагрузки (др). Что позволяет сохранить неизменной конструкцию скоростного корректора угла опережения зажигания, ограничиваясь смещением начала коррекции на установленную величину. Величина этого смещения тем больше, чем значительней обеднение смеси.

В таблице 1 выборочно приведены для различных скоростных и нагрузочных режимов работы ДВС ВАЗ-1111 значения углов опережения зажигания, соответствующие максимальным значениям эффективной мощности (в числителе записаны значения при работе двигателя на бензине, в знаменателе – на газе).

Таблица 1. Значения угла опережения, для двигателя ВАЗ-1111, соответствующие (Ne)мах, =0, n, мин- 2000 3000 др (Ne)мах,, ° ПКВ, ° ПКВ (Ne)мах, кВт, ° ПКВ (Ne)мах, кВт кВт 30 31,4/29,0 6,8/6,1 35,9/29,4 8,9/8,8 40,5/29,7 10/ 50 31,1/29,5 7,2/6,5 35,6/29,9 10,3/9,9 40,2/30,2 12,3/11, 70 30,8/30 6,9/6,64 35,3/30,4 10,9/10,7 39,9/30,7 14/13, 90 30,5/30,1 5,9/6,4 35,1/30,9 10,9/11,1 39,6/31,2 14,9/14, Из табл. 1 можно заключить, что величина слабо зависит от нагрузки (др).

Значение возрастает с увеличением частоты вращения, причем (Nemax)г практически не меняется с изменением n, а рост происходит за счет увеличения (Nemax)б при возрастании n. Это объясняется тем, что для газовоздушных смесей величина Uн мало меняется в широком диапазоне значений.

Данные, полученные нами в ходе сравнительных экспериментальных исследований двигателя ВАЗ-1111, позволили получить регрессионные уравнения, связывающие удельные эффективные расходы при питании двигателя бензином (ge)б и газом (ge)г с режимными и регулировочными факторами (,, n, др):

- для бензина (ge)б:

() = 2147,44 18,87 3152,42 0,053n + 5,71 + 0,434 2 + g eб др + 1688,7 2 + 2,62 10 6 n 2 0,0099 2 10,86 + 0,00065 n (18) др 0,013 + 0,053 n 2,388 0,00048n др др др - для газа (ge)г:

(ge )г = 618,699 8,163 677,2 + 0,146n + 2,356др + 0,125 2 + + 437,98 2 8,795 10 6 n 2 0,0079 2 + 2,283 0,0001 n (19) др 0, 0,122 n 2,41 + 0,00065n др др др Уравнения (18) и (19) позволяют найти величины (ge)б и (ge)г при разных режимах работы и различных значениях и.

В качестве примера на рис. 3 для одного из режимов работы (др=80%;

n= мин -1) при фиксированном значении =25° ПКВ приведены кривые зависимости (ge)б=f() и (ge)г=f().

С помощью уравнений (18) и (19) были определены значения, обеспечивающие для разных др, n и минимальный удельный эффективный расход топлива. Для этого упомянутые уравнения были продифференцированы по.

Приравняв результаты дифференцирования к нулю затем вычислялись значения, соответствующие (ge)min=f(др, n,).

g e, г/кВт*ч 0,80 0,84 0,88 0,92 0,96 1,00 1,04 1,08 1,12 1,16 1,20 1,24 1,28 1, Бензин;

Газ Рисунок 3. Зависимость gе от (др=80%;

n=2800 мин -1;

=25°ПКВ) Для случая питания двигателя бензином были получены следующее соотношение, соответствующее (ge)min:

б = 0,933 + 3,22 10 3 + 1,56 10 5 n 7,04 10 4 др. (20) При питании двигателя газом:

г = 0,773 + 2,6 10 3 1,39 10 4 n 2,8 10 3 др (21) Результаты экспериментальных исследований показали, что при работе на бензине, соответствующее (ge)min, мало зависит от n, оставаясь близким к стехиометрическому значению. Слабо сказывается на этом значении в рассмотренном диапазоне и др. Увеличение с 25 ПКВ до 35 ПКВ позволяет увеличить примерно на 0,03. Примерно на такую же величину можно обеднить смесь при увеличении нагрузки с др=10% до др=50%.

Иная картина зависимость от n, соответствующего (ge)min, имеет место при замене бензина газом. С ростом частоты вращения вала двигателя с 2000 мин-1 до 4000 мин-1 коэффициент избытка воздуха в газовоздушной смеси, соответствующий (ge)min, возрастает примерно на 0,3.

Указано, что при всех исследовавшихся значениях и др эксперименты подтвердили результаты теоретического исследования – переход с питания двигателя на газ обеспечивает возможности существенного обеднения топливовоздушной смеси, что приводит к более экономичной работе двигателя на газе. Это иллюстрируют данные таблицы 2.

Результаты теоретического анализа говорят о том, что при переходе с бензина на газ для обеспечения минимального расхода топлива следует скорректировать систему питания в сторону обеднения смеси. Величина коррекции состава смеси при переходе на газ, с целью получения (ge)min была найдена с помощью уравнений (20) и (21):

= г б (22) Таблица 2. Значения (ge)min и соответствующие им величины при работе двигателя ВАЗ-1111 на бензине (числитель) и на газе (знаменатель) (n=3000 мин-1, =30 ПКВ) др (ge)min, г/кВт·ч 10 0,99/1,14 289/ 30 1,0/1,19 301,2/299, 50 1,02/1,25 314,71/293, 70 1,03/1,3 319,7/279, 90 1,05/1,36 316,14/255, Используя это выражение, можно зная режим езды, минимизировать эксплуатационный расход топлива путем соответствующей коррекции состава смеси.

Экспериментальные исследования показали, что во всем диапазоне исследованных значений применение газа вместо бензина приводит к значительному сокращению концентрации оксида углерода СО в отработавших газах.

Показано, что переход от бензина к газу приводит к значительному сокращению выбросов СО в отработавших газах. Так, при =0,9 выбросы СО сократились с 0,8% до 0,4%, а при =1,2 с 0,15% до 0,1%.

Полученные данные позволяют заключить, что перевод ДВС с бензина на газ уменьшит экологическое давление автомобилей на окружающую среду.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Дано технико-экономическое обоснование целесообразности замены бензина сжиженным углеводородным газом в автомобильных битопливных двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием. Подчеркнут социальный аспект такой замены.

2. Разработана математическая модель цикла битопливного двигателя, учитывающая особенности физико-химических свойств применяемых топлив, в которой, в частности, предложена оригинальная методика определения коэффициентов в формуле Вибе, учитывающая влияние нормальной скорости ламинарного пламени на динамику всего процесса сгорания различных топлив в таком двигателе. Осуществлена программная реализация модели.

3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования, позволившие определить влияние перехода с бензина на сжиженный углеводородный газ на показатели битопливного двигателя его регулировки и режимы работы. Эти исследования позволили установить следующее:

3.1. Показано, что разработанная математическая модель адекватно описывает влияние на мощностные и топливно-экономические показатели битопливного двигателя его регулировок и режима работы при использовании для его питания как бензина, так и сжиженного углеводородного газа.

3.2. Установлено, что для получения максимальной мощности двигателя переход с бензина на газ требует за редким исключением уменьшение угла опережения зажигания на 1-10 ПКВ. Не отмечено значительного снижения максимальной мощности двигателя при переходе с бензина на сжиженный углеводородный газ, а на некоторых режимах (Ne)мах на газе оказывается больше чем на бензине.

3.3. Установлено, что при работе на газе влияние изменения угла опережения зажигания на максимальную мощность в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя и нагрузок практически отсутствует.

3.4. Переход с бензина на сжиженный углеводородный газ позволяет существенно расширить пределы эффективного обеднения смеси при работе двигателя на реализуемых при городской езде малых и средних нагрузках, что обеспечивает сокращение расхода топлива. Так, например, в двигателе ВАЗ- при др=50% с = 1,02 на бензине до =1,25, а (ge)min уменьшился соответственно с 314,7 г/кВт.чдо 293,8 г/кВт.ч.

4. Приведены зависимости позволяющие внести для получения (Ne)мах на газе коррекцию угла опережения зажигания ( Nemax ) = ( Ntmax )б ( Nemax )г в зависимости от скоростного режима работы двигателя при этом достаточно скорректировать значения установленного угла опережения зажигания.

5 Получены зависимости, позволяющие определить для получения (ge)minизменение коэффициента избытка воздуха смеси при переходе с бензина на газ = г б при разных режимах работы двигателя. Отмечено значительное сокращение эмиссии СО при работе на газе.

Результаты, полученные при проведении исследований и указанные в п. 4 и п.

5, могут быть использованы в системах управления двигателем.

6. Создана экспериментальная установка, обеспечивающая исследование мощностных, топливно-экономических и токсических показателей битопливного двигателя как при работе на бензине, так и на сжиженном углеводородном газе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Измерительные системы для исследования переходных режимов работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания / Г.Н. Злотин, А.В. Белов, Е.А. Захаров, А.В.

Кузьмин, С.Н. Шумский // Датчики и Системы. - 2006. - №12. - С. 63-64.

2. Экспериментальная установка для исследования особенностей работы двигателя ВАЗ Ill на сжиженном нефтяном газе/ А.В. Белов, А.В. Кузьмин, Г.Н. Злотин, Е.А. Захаров// X Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 8 11 ноября 2005 г.: тез. Докл. / ВолгГТУ и др. – Волгоград, 2006. – С. 54-55.

3. Исследование особенностей работы двигателя ВАЗ-1111 на сжиженном нефтяном газе/ Г.Н. Злотин, Е.А. Захаров, А.В. Кузьмин, А.В. Белов// Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: матер. 19 Межгосуд. н.-техн. семинара, [24-25 мая 2006 г.] / ФГОУ ВПО "Саратов, гос. аграрн. ун-т им. Н.И.Вавилова". Саратов, 2007. - Вып.19. - С. 65-66.

4. Оптимизация угла опережения зажигания и состава топливовоздушной смеси бензинового ДВС при переводе его на сжиженный нефтяной газ/ Г.Н. Злотин, Е.А. Захаров, А.В. Кузьмин // Системные проблемы надёжности, качества, мат. моделирования, информ. и электронных технологий в инновационных проектах: (Инноватика-2007): матер, междунар.

конф. и Рос. науч. школы / Рос. акад. надёжности [и др.]. - М., 2007. - 4.2, т.Ш. - С. 394-400.

5. Регулировка бензинового ДВС при переводе его на сжиженный нефтяной газ/ Г.Н.

Злотин, Е.А. Захаров, А.В. Кузьмин // Двигателестроение. - 2007. - №2. - С. 29-31.

6. Экспериментальная установка для исследования переходных режимов двигателя ВАЗ 1111 при его работе на сжиженном нефтяном газе/ А.В. Белов, Е.А. Захаров, А.В. Кузьмин, С.Н. Шумский // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы": межвуз. сб. науч.

с:. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2007. - Вып.2, № 8. - С. 116-117.

Подписано в печать _ 2008 г. Заказ №. Тираж 100 экз. Формат 60 х 84 1/ Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0.

РПК “Политехник” Волгоградского государственного технического университета 400131, г. Волгоград, ул. Советская,

 

Похожие работы:


 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.