Методика улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей повышением однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси
На правах рукописи
ПЕНКИН АЛЕКСЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ МЕТОДИКА УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГАЗОДИЗЕЛЕЙ ПОВЫШЕНИЕМ ОДНОРОДНОСТИ И РАВНОМЕРНОСТИ ПОДАЧИ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ Специальность 05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург — 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государствен ный архитектурно-строительный университет» на кафедре транспортно технологических машин доктор технических наук, профессор
Научный консультант:
Капустин Александр Александрович ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики»
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Иванченко Александр Андреевич ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций», заведующий кафедрой судовых энергетических установок, техниче ских средств и технологий кандидат технических наук, доцент Давыдов Николай Артемьевич ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры технической эксплуатации транспортных средств
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский госу дарственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»
Защита состоится « 20 » ноября 2012 г. в 15 часов на заседании диссертацион ного совета Д 212.223.02 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государ ственный архитектурно-строительный университет» по адресу:
190103, Санкт-Петербург, ул. Курляндская, д. 2/5, ауд. 340-К.
Факс: (812) 316–58–72, e-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского госу дарственного архитектурно-строительного университета.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, СПбГАСУ, диссертационный совет.
Автореферат разослан«_» октября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного С.В. Репин совета, доктор технических наук, доцент I.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Долгосрочная обеспеченность России природным газом и перспективность его широкого использования в качестве моторного топлива придают исследова ниям, посвящённым улучшению эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей безусловную актуальность и приоритетность. В общей задаче осо бую значимость исследуемая тема имеет при использовании газового топлива на автомобильном транспорте.
Использование природного газа в качестве альтернативного моторного топ лива сегодня представляется исключительно целесообразным. Наличие в стране его внушительных запасов, изученность физических процессов сжигания, низ кая отпускная цена сравнительно с жидкими топливами, безопасность, высокая скорость возврата вложенных средств, экологичность – по этим показателям природный газ на сегодня занимает первое место среди альтернативных топлив.
Снижение темпов роста тарифов на перевозки, сокращение дотаций на пасса жирский муниципальный автомобильный транспорт, уменьшение затрат на топливо в сельском хозяйстве, создание новых рабочих мест – в совокупности служит дополнительным стимулом для перехода на природный газ в качестве моторного топлива.
Природный газ может применяться в дизелях путём перехода на газоди зельный процесс - когда газовоздушная смесь в цилиндре воспламеняется от «запальной» дозы дизельного топлива. Преимущества газодизельного процесса заключаются в возможности быстрого перехода на работу с дизельного топлива на газ и обратно без существенных конструктивных изменений базового вари анта дизеля.
Но развитие газодизелей в России сдерживается рядом факторов: отсут ствует инфраструктура для эксплуатации автомобильной техники, работающей на природном газе, у заводов-изготовителей нет конструкций газодизелей, соот ветствующих требованиям технических регламентов, не достаточно научных исследований рабочего процесса газодизеля, нет работ по повышению качества смесеобразования.
Всё перечисленное дает основание считать исследования, направленные на разработку методики улучшения эксплуатационных показателей автомобильных газодизелей, актуальной научной задачей, имеющей важное практическое зна чение.
Степень изученности проблемы В качестве основы при разработке конструкции и расчёте элементов систе мы приготовления газовоздушной смеси взяты методологические разработки по использованию природного газа в дизелях, выполненные специалистами КамА За, НИЦИАМТ, НАМИ, Вятской ГСХА, СЗПИ, СПбГАУ, СПбГУСЭ в реализо ванных автомобильных газодизелях. В 1990 г. было освоено серийное произ водство гаммы газодизельных автомобилей бортовых КамАЗ-33208, КамАЗ 53218, седельного тягача КамАЗ-54118 и автомобиля-самосвала КамАЗ-55118.
Исследования и испытания газодизелей показали, что такие двигатели по расходу жидкого топлива экономичнее дизелей на 80-95%. При этом тягово скоростные свойства автомобилей практически не изменяются. В ходе исследо ваний установлено снижение уровней внешнего и внутреннего шума газоди зельных автомобилей при работе режиме на 3 - 6 дБ (А). Снижается количество вредных выбросов с отработавшими газами до уровня экологического класса 4.
Достигнутые экологические и экономические показатели газодизелей - не предел. Как свидетельствуют предварительные проработки, их можно улучшить за счет совершенствования системы приготовления газовоздушной смеси каче ственно-количественным регулированием и введением электронного управле ния системой питания газодизеля. Но известные схемы приготовления газовоз душной смеси в газодизеле не устраняют неоднородности её состава и нерав номерности распределения.
Не создана инфраструктура для обеспечения эксплуатации газодизельных автомобилей, работающих на природном газе, в Санкт-Петербурге и Ленин градской области. Поэтому актуальна разработка комплексной программы раз вития сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС), соответствующей приросту парка автомобильного транспорта, рабо тающего на природном газе.
Цель работы – разработка методики улучшения эксплуатационных показа телей автомобильных газодизелей повышением однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси.
Основными задачами
работы являются:
- анализ известных автомобильных конструкций систем питания автомо бильных газодизелей, работающих на природном газе;
- разработка математической модели процесса подачи однородной и равно мерной газовоздушной смеси в газодизель с газовым аккумулятором;
- разработка методики расчета газового аккумулятора для повышения одно родности и равномерности подачи газовоздушной смеси в газодизель;
- теоретическое обоснование необходимости установки газового аккумуля тора для обеспечения однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси в газодизель;
- экспериментальные исследования автомобильной техники с газодизелем, оборудованным усовершенствованной системой подачи газовоздушной смеси;
- разработка программы перевода дизельного автотракторного парка агро промышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газоди зельный процесс);
- технико-экономическое обоснование создания инфраструктуры для пере вода дизельной автомобильной техники на природный газ.
Методы исследования:
- математическое моделирование рабочего процесса газодизеля;
- экспериментальные методы анализа состава отработавших газов с исполь зованием современной газоаналитической и режимометрической аппаратуры;
- методы математической статистики для обработки результатов экспери ментов;
- натурные испытания газодизелей и автотракторной техники, работающей на природном газе.
Объект исследования: системы подачи газовоздушной смеси в газодизель.
Предмет исследования: методики приготовления однородной и равномер ной газовоздушной смеси для газодизеля.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель процесса подачи однородной и рав номерной газовоздушной смеси в газодизель с газовым аккумулятором;
- разработана методика расчета газового аккумулятора системы подачи од нородной и равномерной газовоздушной смеси в газодизель;
- теоретически и экспериментально обоснована необходимость установки газового аккумулятора для обеспечения однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси в газодизель.
Практическая полезность работы Разработанная методика улучшения эксплуатационных показателей авто мобильных газодизелей позволяет снизить затраты в эксплуатации на дизельное топливо и природный газ и уменьшить количество выбросов вредных веществ с отработавшими газами в окружающую среду. Разработанная математическая модель позволяет оптимизировать параметры системы подачи газовоздушной смеси газодизеля.
Разработанная программа перевода дизельного автотракторного парка аг ропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газо дизельный процесс) позволяет снизить затраты в эксплуатации на дизельное топливо и уменьшить количество выбросов вредных веществ.
Реализация результатов работы:
Разработан комплект эксплуатационной и конструкторской документации на систему питания газодизеля, который реализован:
1. при переоборудовании двух тракторов МТЗ-82 в условиях эксплуатации для использования природного газа в качестве топлива в ООО «Лентрансгаз»;
2. при переоборудовании одного трактора МТЗ-82 в Северо-Западной Госу дарственной зональной машиноиспытательной станции в г. Волосово Ленин градской области (договор с комитетом по агропромышленному и рыбохозяй ственному комплексу Ленинградской области).
Комплект эксплуатационной и конструкторской документации по усовер шенствованию системы приготовлении и подачи газовоздушной смеси в газоди зель передан в ЦНИИАМТ НАМИ.
Разработанная программа перевода дизельного автотракторного парка аг ропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газо дизельный процесс) на период 2008-2015 г.г. передана в Комитет по агропро мышленному комплексу Ленинградской области и принята к внедрению.
Результаты диссертационной работы используются в курсе лекций и в рас четно-аналитических заданиях по дисциплине «Автотракторное оборудование и двигатели внутреннего сгорания» для студентов специальностей «Подъемно транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и «Механи зация и автоматизация строительства» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доло жены и одобрены:
- на МНТК «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, трак торов и двигателей» (СПбГАУ, СПб 2007-2011 гг.);
- на 60-й МНТК молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» (СПбГАСУ, СПб, 2007 г.);
- на VII Международном экологическом форуме «Экологическое благо устройство жилых территорий крупных городов России» (СПб, 2007 г.);
- на Х Международной конференции «Экология и развитие общества» (СПб, 2007 г.);
- на МНТК «Актуальные проблемы эксплуатации АТС» (ВлГУ, Владимир, 2007 г.);
- на IV МНТК «Автотранспорт: от экологической политики до повседнев ной практики» (СПб 2008 г.);
- на МНТК «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управле ние» (СПГУВК, СПб, 2009 г.);
- на IV Международном форуме «Транспортная безопасность России» (СПб, 2011 г.);
Диссертационная работа связана с выполненными НИОКР:
1. «Научное обоснование и выбор параметров элементной базы системы приготовления газовоздушной смеси газовой модификации дизеля с наддувом 12 ГЧН 18/20» - договор с ОАО «Звезда». № гос. регистр. 1.1.04;
2. «Разработка конструкторской и эксплуатационной документации по пе реоборудованию трактора МТЗ-82 для использования природного газа в каче стве топлива (газодизель)», договор с ООО «Лентрансгаз». Гос. контракт № 9/ от 12.12.2005;
3. «Разработка конструкторской и эксплуатационной документации по пе реоборудованию трактора МТЗ-82 для использования природного газа в каче стве топлива (газодизель)». Гос. контракт №32 от 03.07.2006;
4. «Разработка технико-экономического обоснования и программа перевода машинно-тракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской об ласти на альтернативное газовое моторное топливо (сжиженный природный газ, компримированный природный газ, биогаз)». Гос. контракт № 2/04 от 12.12.2006;
5. «Обоснование, разработка и испытание системы питания трактора МТЗ 82 на рапсовом масле». Гос. контракт №26 от 06.04.2007;
6. «Исследование системы факторов и условий эффективного развития ав тотранспортного комплекса (АТК) на региональном уровне». № гос. регистр.
1.2.07. Фундаментальное исследование, 2007 - 2011 гг.:
6.1. Научное обоснование построения системы индикаторов оценки состоя ния и развития АТК в регионе. 2007 г.;
6.2. Изучение условий и факторов реформирования АТК на современном этапе. 2008 г.;
6.3. Бизнес-инновации в развитии АТК в условиях региона. 2009 г.;
6.4. Стратегические направления формирования рынка автотранспортных услуг с учётом его реформирования на уровне региона. 2010 г.;
6.5. Направление и формы модернизации технического обслуживания АТК в регионе. 2011 г.
Публикации. По теме исследования опубликовано 26 печатных работ. Из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, по теме диссертации полу чен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на страницах основного текста и 5 страницах приложений, содержит 41 рисунок и 14 таблиц.
II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 1. Разработана математическая модель процесса подачи однородной и равномерной газовоздушной смеси в газодизель с газовым аккумулятором Исследования, выполненные в последнее десятилетие, показали, что в ор ганизации рабочего процесса газодизеля сформулирована часть общих требова ний к впускной системе для обеспечения равномерности состава рабочей смеси, одно из которых – постоянство давления газа. Неисследованным остаётся во прос подачи в цилиндры газодизеля одинаковой по составу и количеству газо воздушной смеси. С решением этой задачи возможно улучшение эксплуатаци онных показателей газодизеля: топливной экономичности и токсичности отра ботавших газов (ОГ).
В современных автомобильных газодизелях чаще применяются системы распределённого впрыска, где газ дозируется форсунками, установленными во впускном трубопроводе. Точность подачи природного газа (ПГ) зависит как от конструкции форсунок, так и от стабильности поддержания заданного давления перед ними. Перепад давления на газовой форсунке влияет на погрешность топливоподачи. При открытии газовой форсунки в газовой системе возникают пульсации давления, амплитуда которых достигает ± (10-15%) от рабочего уровня [1].
Анализ конструкций газобаллонного оборудования автотракторных газоди зелей выявил необходимость установки газового аккумулятора (ГА) между га зовым редуктором низкого давления и газовой форсункой. Газовый аккумулятор должен поддерживать неизменным давление, создаваемое газовым редуктором перед форсунками на всех рабочих режимах двигателя.
Для исследования (анализа и прогнозирования) работы газодизеля была разработана математическая расчетно-экспериментальная модель газодизеля с ГА в системе подачи газовоздушной смеси. Газодизель в разработанной мате матической модели представляется совокупностью конструктивных и режим ных параметров, а также регрессионных уравнений, полученных по результа там эксперимента.
Математическая модель газодизеля с ГА представляет собой комплекс уравнений, содержащих стандартный набор элементов методики теплового расчёта ДВС с добавлением элементов, учитывающих влияние ГА в системе подачи газовоздушной смеси на эффективные показатели и на показатели ток сичности газодизеля путём введения в расчёт главного показателя ГА – коэф фициента запаса газа в газовом аккумуляторе (коэффициент запаса газа по казывает - во сколько раз больше газа по сравнению с его максимальным рас ходом находится в ГА). Модель позволяет достичь значений показателей ток сичности газодизеля, соответствующих требованиям экологического класса 5, снижения удельного эффективного расхода топлива при сохранении значений других эффективных показателей газодизеля за счёт повышения однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси в газодизель. Математическая модель построена по алгоритму, представленному на рис.1. и рассчитана с ис пользованием пакетов прикладных программ (ППП) Mathcad и Matlab.
Показатели токсичности газодизеля в зависимости от при различных значениях pe – среднего эффективного давления и - запальной дозы ди зельного топлива:
(млн-1).
1. Содержание в ОГ газодизеля pe = 0,2 МПа, = 2,1 кг/ч:
(1) З pe = 0,4 МПа, = 3,9 кг/ч:
(2) З pe = 0,6 МПа, = 4,3 кг/ч:
(3) З - 2. Содержание в ОГ газодизеля (млн ).
pe = 0,2 МПа, = 2,1 кг/ч:
(4) з pe = 0,4 МПа, = 3,9 кг/ч:
(5) З pe = 0,6 МПа, = 4,3 кг/ч:
(6) З 3. Содержание в ОГ газодизеля (%).
pe = 0,2 МПа, = 2,1 кг/ч:
(7) З pe = 0,4 МПа, = 3,9 кг/ч:
(8) З pe = 0,6 МПа, = 4,3 кг/ч:
(9) З Проверка адекватности математической модели при помощи критерия Фи шера показала, что расхождение расчетных и экспериментальных данных нахо дится в пределах доверительного интервала, коэффициент корреляции равен 0,91.
Начало Исходные данные:
Ne, i, S/D,, г, ж, p0, T0, pг, Tг Выбор значе ния kЗ А. Предварительные расчёты L0, д,, T0, V, Ta,, pa, Tr, pr Б. Основные процессы рабочего цикла газодизеля:
n1, Tc, pc,, Tz, pz,, n2, Tb, pb, В. Эффективные и экономические показатели газодизеля:
pi, i, м, pe, e, geдт, geгт Соответствие показателей Нет токсичности нормативным требованиям Да Конец Рис.1. Алгоритм теплового расчета газодизеля, учитывающий влияние параметров га зового аккумулятора на основные технико-эксплуатационные параметры газодизеля 2. Разработана методика расчета газового аккумулятора системы по дачи однородной и равномерной газовоздушной смеси в газодизель Известные схемы и созданные по ним конструкции не обеспечивают необ ходимой однородности и равномерности подачи газовоздушной смеси в газоди зель, это отрицательно влияет на экологические и эффективные показатели га зодизеля. Для поддерживания неизменным значения рабочего давления при родного газа, создаваемого газовым редуктором перед форсунками, была обос нована схема системы подачи газовоздушной смеси в газодизель (рис. 2) с ГА, установленным между газовым редуктором низкого давления и газовыми фор сунками, в котором находится неснижаемый запас газа с необходимым рабочим давлением форсунки [5].
На рис. 2:
1 - газовый баллон;
7 2 - газовый редуктор, 3 - газовый аккумулятор;
4 – впускные каналы головки блока газодизеля;
5 - газовоздушные смесители;
5 6 - дроссельная заслонка;
7 - впускной воздушный коллек тор;
8 - электромагнитные управляе мые газовые форсунки;
9 – газовые трубопроводы.
Для определения оптимальных размеров ГА по заданным парамет Рис. 2. Схема системы подачи газовоздуш- рам автомобильного газодизеля была разработана методика расчета объё ной смеси в газодизель ма ГА системы подачи газовоздуш ной смеси для газодизеля.
Объём газового аккумулятора, м :
, (10) - плотность ПГ в ГА при рабочем давлении форсунки, кг/м3;
- плотность ПГ при поступлении в цилиндры двигателя, кг/м3;
– объем ПГ, необходимый для запаса в ГА, при плотности, Нм3.
Плотности ( и ) газа при рабочих условиях, кг/м3:
, (11) - давление газа для рабочих условий (для условий и ), МПа, – температура газа для рабочих условий, С, - плотность газа при стандартных условиях, кг/м3,, – температура и давление при стандартных условиях, - коэффициент сжимаемости для рабочих условий (ГОСТ 31369-2008).
Объем ПГ, необходимый для запаса в ГА, при плотности, Нм3:
, (12) - максимальная подача ПГ в один цилиндр двигателя, Нм3;
- количество цилиндров двигателя;
– коэффициент запаса газа в аккумуляторе ( 1…10).
Подставляя и из уравнений (11), (12) в уравнение (10), получим:
, (13) Разработанная методика расчета газового аккумулятора системы подачи га зовоздушной смеси позволяет рассчитать оптимальный объем ГА по заданным параметрам автомобильного газодизеля, используя уравнения (10) - (13).
3. Теоретически и экспериментально обоснована необходимость уста новки газового аккумулятора для обеспечения однородности и равномерно сти подачи газовоздушной смеси в газодизель Для применения разработанной методики расчета газового аккумулятора системы приготовления газовоздушной смеси газодизеля проведены теоретиче ские исследования, направленные на определение влияния параметров ГА на качество образования и подачи газовоздушной смеси в газодизель. Первона чально рассмотрено 4 показателя качества ( ): разность температур отработав ших газов по цилиндрам;
расход газа;
расход дизельного топлива;
концентра ция несгоревших углеводородов;
и 6 факторов ( ), оказывающих основное вли яние на качество образования и подачи газовоздушной смеси в газодизель:
нагрузка на двигатель;
коэффициент запаса ГА;
давление и температура газа перед газовой форсункой;
давление и температура воздуха на впуске.
После оценки по критериям оптимальности показателем качества образо вания и подачи газовоздушной смеси в цилиндры газодизеля выбрана разность температур отработавших газов по цилиндрам газодизеля Т ( ), С, а в каче стве основных влияющих факторов - нагрузка на двигатель М ( ), Н*м и ко эффициент запаса ГА ( ), б/р.
Для обоснования методики расчёта ГА решена многофакторная задача, направленная на определение оптимальных условий протекания процесса сме сеобразования для газодизеля.
Решению этой задачи предшествовало исследование механизма процесса образования однородной смеси в системе подачи газовоздушной смеси автомо бильного газодизеля и свойств газа, поступающего в цилиндры газодизеля.
Для поиска оптимального значения коэффициента запаса газа в ГА мето дом градиентного поиска оптимума, который позволяет достичь окрестностей точки оптимума, была построена математическая модель на основе полинома второго порядка, служащего описанием поверхности отклика - зависимости между выходными параметрами (откликом) и входными параметрами (факто рами).
(14) При построении модели был применён центральный композиционный план (план Бокса), где факторы принимают значения, симметричные относи тельно центра плана, в котором две независимые переменные принимают три различных значения.
В качестве ядра плана был использован полный факторный эксперимент для двух независимых переменных и: изменяется от 100 до 700, Н*м;
изменяется от 1 до 10, б/р.
Таким образом, был получен полином второй степени с натуральными пе ременными (15), описывающий влияние нагрузки на двигатель и коэффициента запаса газового аккумулятора на качество образования и подачи газовоздушной смеси в цилиндры газодизеля.
(15) По полученной модели была построены поверхности отклика в заданном факторном пространстве (рис. 3, 4).
При приведении поли нома (15) к канонической форме получено уравнение гиперболического цилиндра.
В результате теоретиче ских исследований разрабо тана методика расчета газо вого аккумулятора системы подачи однородной и рав номерной газовоздушной смеси для газодизеля, опре делено влияние газового ак кумулятора на качество об разования и подачи газовоз Рис. 3. Влияние коэффициента запаса ГА на разни- душной смеси в цилиндры газодизеля определено оп цу температур отработавших газов по цилиндрам тимальное значение коэф 1 – М = 100 Нм;
2 – М = 200 Нм;
3 – М = 300 Нм;
фициента запаса газа в 4 – М = 400 Нм;
5 – М = 500 Нм;
6 – М = 600 Нм;
7 – М = 700 Нм. ГА, равное 10.
Для проверки экс периментом результа тов теоретических ис следований о влиянии параметров ГА на каче ство образования и по дачи газовоздушной смеси в цилиндры газо дизеля была разработа на схема усовершен ствованной системы подачи газовоздушной смеси в газодизель Ка мАЗ-7409 с ГА, пред ставленная на рис. 5.
Рис. 4. Влияние нагрузки на двигатель на разницу темпе ратур отработавших газов по цилиндрам 1 - З =1;
2 - З =3;
3 - З =5;
4 - З =7;
5 - З =9, 6 - З =11.
Сжатый природный газ из баллонов 2 посту пает в редуктор высокого давления 1, (снижение 6 давления до 1 МПа). За 7 тем газ поступает в одно ступенчатый редуктор низкого давления 3. С требуемым для оптималь 2 ной работы газовой фор сунки давлением 0,3 МПа, газ поступает в газовый аккумулятор 5, где нахо Рис. 5. Схема усовершенствованной системы питания дится неснижаемый запас газодизеля КамАЗ-7409 газа под рабочим давле нием форсунки. Данный запас компенсирует неравномерность подачи газа из газового редуктора к газо вым форсункам на различных режимах работы двигателя. Из газового аккуму лятора газ по линиям подвода газа поступает к электромагнитным газовым форсункам 6, управляемым микропроцессорным блоком 7. Управление работой двигателя производится изменением положения дроссельной заслонки 4.
При стендовых испытания газодизеля КамАЗ-7409 со стандартной систе мой подачи газа во впускной коллектор обнаружена разница температур отра ботавших газов по цилиндрам двигателя, которая достигает 22% (рис 6).
Это указывает на разли чие коэффициента избытка воздуха и на неравномер ность поступления газовоз душной смеси по цилиндрам газодизеля. При соответ ствующих условиях количе ственная неравномерность определяется характером распределения фракций по удельному весу [2].
Разработанная система подачи газовоздушной сме си в газодизель с ГА позво лила снизить расхождение температур отработавших Рис. 6. Зависимость температуры отработавших га- газов по цилиндрам до 2%.
зов в цилиндрах газодизеля от нагрузки и объёма Графики на рис. 6 указыва ют на отрицательное влия газового аккумулятора 1 - нагрузка - 700 Н*м;
2 - нагрузка - 100 Н*м;
ние установки стандартной без ГА;
– – – З =5;
–·–·– З =10 инжекторной системы пода чи природного газа в коллектор газодизеля. Разработанная система подачи га зовоздушной смеси в газодизель с газовым аккумулятором с снижает разницу температур отработавших газов по цилиндрам с 22% до 2%.Исследования проводились при работе двигателя в газодизельном режиме с системой подачи газовоздушной смеси без ГА, и с газовыми аккумуляторами различного объёма: с и. Результаты стендовых испытаний газо дизеля КамАЗ-7409 отражены на рис. 7, 8.
Рис. 7. Внешняя скоростная характеристика газодизеля КамАЗ- без ГА;
– – – =5;
–·–·– = Максимальная эффективная мощность газодизеля КамАЗ-7409 (рис. 7) с разработанной системой подачи газовоздушной смеси и газовым аккумулято ром с выше на 5%, чем c, и выше, чем у газодизеля без ГА на 7%. Максимальный крутящий момент у газодизеля с газовым аккумулятором с выше на 3%, по сравнению с. Удельный эффективный расход топлива снижается на 11 % при установке ГА с.
Рис. 8. Нагрузочная характеристика газодизеля КамАЗ-7409 при n=2550 мин- без ГА;
– – – З =5;
–·–·– З = Нагрузочные характеристики газодизеля КамАЗ-7409 при n=2550 мин- приведены на рис. 10. Из графиков видно, что выбросы NOx, СН и СО умень шаются при увеличении. Установка в систему подачи газовоздушной смеси ГА с по сравнению с в среднем снижает выбросы NOx на 25%, СО на 3%, а СН на 57%.
Проверка экспериментом результатов теоретических исследований о влия нии параметров ГА на качество образования и подачи газовоздушной смеси в цилиндры газодизеля была также проведена на тракторе МТЗ-82 с газодизелем Д-243 в ФГУ «Северо-Западной МИС (п. Волосово)».
Рис. 9. Газодизельный колёсный трактор Рис. 10. Компоновка основных узлов си МТЗ-82 с газодизелем Д-243 на испыта- стемы питания на газодизельном тракторе тельном стенде ФГУ «Северо-Западной МТЗ- МИС» Разработанная усовершенствованная система питания газодизеля Д- аналогична системе питания газодизеля КамАЗ-7409, изображённой на рис. 5.
Различие - в размерах газового аккумулятора. Результаты стендовых испытаний газодизельного трактора МТЗ-82 с разработанной системой подачи газовоз душной смеси при работе без ГА и с ГА с =10 отражены на рис. 11, 12.
Рис. 12. Показатели токсичности по внешней Рис. 11. Внешняя скоростная характе скоростной характеристике газодизеля Д ристика газодизеля Д- без ГА;
–·–·– = без ГА;
–·–·– = Зависимости (рис. 11, 12) показывают, что при установке системы подачи газовоздушной смеси с ГА с =10 на газодизель Д-243 трактора МТЗ-82, при идентичной максимальной эффективной мощности, максимальный крутящий момент газодизеля с ГА с =10 выше на 3%, эффективный удельный расход топлива снижается на 5 %. При установке в систему подачи газовоздушной смеси газодизеля ГА с =10 выбросы NOx снижаются в среднем на 27%, а СО на 83%. Выбросы СН при установке стандартной системы подачи газовоздуш ной смеси (без ГА) в 2,5 раза выше, чем при установке системы с ГА с =10, что обусловлено неполным сгоранием природного газа.
III. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 1. Разработана программа перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на компримирован ный природный газ (газодизельный процесс).
Комплексная программа перевода сельскохозяйственной техники и транс портных средств агропромышленного комплекса Ленинградской области на компримированный природный газ (КПГ) в 2008-2015 г.г. разработана для всех 17 районов Ленинградской области по основным сельхозпредприятиям.
Дизельный автотракторный парк агропромышленного комплекса Ленин градской области количественно (на 01.01.2009) составлял 7784 ед. (табл. 1).
Коэффициент технической готовности составляет 0,75. КПГ в качестве топлива не используется. Значительно различается общее количество техники по райо нам. Так в Подпорожском районе всего 73 единицы техники, в том числе грузовых автомобилей и 40 тракторов. А в Гатчинском районе 995 единиц тех ники, из которых 291 грузовых автомобилей и 534 трактора. Потребность сель хозпредприятий области в горюче-смазочных материалах на 2008 год по райо нам примерно соответствовал количеству техники. Внутри каждого района имеется несколько сельхозпредприятий, владельцев основной техники.
Таблица 1. Дизельный автотракторный парк агропромышленного комплек са Ленинградской области в 2009 г.
2008 г.
Корм.
Зерн. уб. Карт. уб.
Груз. авт. Косилки уб. Трактора Всего Диз. топли комб. комб.
комб. во, тонн 2538 191 165 69 419 3774 7784 В целях упрощения модели газификации в основу программы положена суммарная потребность предприятий района в дизельном топливе и бензине.
Агрокомплекс Ленинградской области располагает автотракторной техникой, которую можно разделить на две группы. Первая – это автомобили и колесные тракторы, для которых заправка газом должна находиться в радиусе 5-10 км от предприятия – владельца. Вторая – комбайны и внедорожная сельхозтехника, для которых заправка газом возможна на машинном дворе, а дозаправка – на рабочем месте в поле. Газификация требует создать приближенную к местам базирования автотракторного парка рациональную и эффективную областную сеть АГНКС с закрепленными за ней передвижными автомобильными газовы ми заправщиками (ПАГЗ). Рациональной может быть предлагаемая новая мето дика создания сети областных внутрирайонных станций заправки автотранс порта КПГ.
Эффективность перевода на природный газ зависит от четырех основных факторов:
• стоимости покупаемого для АГНКС газомоторного топлива у газорас пределительных компаний;
• стоимости продаваемого АГНКС КПГ владельцам автомобильного транспорта;
• затрат на подготовку и сжатие КПГ на АГНКС;
• наличия необходимых объемов КПГ.
Программа газификации Ленобласти до 2015 г. предполагает разместить модульных АГНКС. Для обеспечения заправок сельхозтехники в поле необхо димо 44 ПАГЗ.
Разработанная программа перевода дизельного автотракторного парка аг ропромышленного комплекса Ленинградской области на природный газ (газо дизельный процесс) на период 2008-2015 г.г. передана в Комитет по агропро мышленному комплексу Ленинградской области и принята к внедрению.
2. Выполнено технико-экономическое обоснование создания инфра структуры для перевода дизельной автомобильной техники на природный газ.
В работе выполнено технико-экономическое обоснование создания инфра структуры для перевода дизельной автомобильной техники агропромышленно го комплекса Ленинградской области на природный газ (газодизельный про цесс). Расчёт выполнен для следующих условий:
- 100% дизельной автотракторной техники агропромышленного комплекса Ленинградской области переводится на газодизельный процесс;
- замещение 85% расхода дизельного топлива природным газом;
- стоимость запуска одной АГНКС - 15,0 млн. руб.
- стоимость ПАГЗ-2500-32/4 - 6,0 млн. руб.
- стоимость переоборудования автотракторной техники на газодизель ный процесс от 65 тыс. руб. (МТЗ-82) до 145 тыс. руб. (КамАЗ), принимаем в среднем на единицу 105 тыс. руб.
- цена дизельного топлива – 26 руб./л.
- цена КПГ – 10 руб./ Нм3.
Условия реализации комплексной программы представлены в табл. Таблица 2. Условия общей реализации комплексной программы Единицы изме Параметры Значение рения Затраты на выполнение комплексной програм мы: строительство АГНКС, покупка ПАГЗ, и млн. руб. 1918, переоборудование транспортных средств Годовой доход при выполнении комплексной млн. руб. 1638, программы от экономии дизельного топлива Срок окупаемости – 1,17 года Затраты при создании инфраструктуры для перевода дизельной автомо бильной техники агропромышленного комплекса Ленинградской области на га зодизельный процесс при условии реализации разработанной комплексной про граммы окупятся за 1,17 года.
IV.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Для определения требований к впускной системе выполнен анализ из вестных конструкций систем питания автомобильных газодизелей, работаю щих на природном газе, который выявил проблему неоднородности и неравно мерности подачи газовоздушной смеси в газодизель, подтверждаемую разно стью температуры отработавших газов по цилиндрам, достигающей на номи нальном режиме 30%. Решением проблемы может стать установка газового ак кумулятора между газовым редуктором низкого давления и газовыми форсун ками.
2. Разработанная математическая модель процесса подачи однородной и равномерной газовоздушной смеси в газодизель с ГА позволяет подбирать ко эффициент запаса ГА и повысить показатели токсичности до требований эко логического класса 5 при снижении удельного эффективного расхода топлива на 12 % с сохранением других эффективных показателей газодизеля.
3. Разработанная методика расчета газового аккумулятора системы подачи газовоздушной смеси позволяет рассчитать оптимальный объем ГА по задан ным параметрам автомобильного газодизеля.
4. Проведённое теоретическое исследование подтвердило необходимость установки газового аккумулятора. Выполненные расчеты для газодизеля Ка мАЗ-7409 определили значение коэффициента запаса газа в ГА, равное 10.
5. Выполненное экспериментальное исследование автомобильной техники с газодизелями, оборудованными усовершенствованной системой подачи газо воздушной смеси, подтвердило снижение удельного эффективного расхода топлива на 11 % при установке ГА с, показало, что при установке ГА с по сравнению с снижаются выбросы NOx на 25%, СО на 3%, а СН на 57%.
6. Расхождение данных расчетных и экспериментальных исследований находится в пределах доверительного интервала, коэффициент корреляции ра вен 0,91.
7. Разработанная программа перевода дизельного автотракторного парка агропромышленного комплекса Ленинградской области на компримированный природный газ (газодизельный процесс) предполагает разместить 54 модуль ных АГНКС. Для обеспечения заправок сельхозтехники в поле необходимо ПАГЗ.
8. Выполненное технико-экономическое обоснование создания инфра структуры для перевода дизельной автомобильной техники на природный газ показало, что затраты при переводе дизельного автотракторного парка агро промышленного комплекса Ленинградской области на газодизельный процесс при условии реализации разработанной комплексной программы окупятся за 1,17 года.
V. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Публикации в и аниях по перечню ВАК РФ.
1. Пенкин, А. Л. Система подачи газовоздушной смеси в газодизель / А. Л.
Пенкин // Вестник гражданских инженеров. – 2012. – № 2 (31). – С. 232-235.
2. Пенкин, А. Л. Газовый аккумулятор в системе подачи природного газа в двигатель внутреннего сгорания / А. Л. Пенкин // Двигателестроение. – 2012 – № 1. – С. 23-26.
3. Шимченко, Н. И. Перевод на природный газ МТП Ленинградской обла сти / Н. И. Шимченко, А. Л. Пенкин, Д. В. Дубников // Тракторы и сельхозма шины. – 2009. – № 3. – С. 51-53.
4. Капустин, А. А. Природный газ – альтернативное топливо для сельско хозяйственной техники / А. А. Капустин, А. Л. Пенкин, Н. И. Шимченко // Ав тоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. – 2010. – № 2. – С.
13-18.
Патенты.
5. Система подачи газовоздушной смеси в двигатель : пат. 2443898 Рос сийская Федерация : МПК F02M21/00 (2006.01). / А. Л. Пенкин, А. А. Капу стин, К. С. Беляев ;
заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Санкт Петербургский государственный архитектурно-строительный университет». – № 2009139901 ;
заявл. 28.10.2009 ;
опубл. 10.05.2011. Бюл. № 6. – 7 с. : 1 ил., табл.
Публикации в сборниках научных тру ов и материалах конференций.
6. Капустин, А. А. Положительные экономические и экологические пока затели газодизелей / А. А. Капустин, А. Л. Пенкин // Организация и безопас ность дорожного движения в крупных городах : сб. докл. седьмой междунар.
науч.-практ. конф. / СПбГАСУ. – СПб., 2006 – С. 500-502.
7. Пенкин, А. Л. Автобусы Петербурга / А. Л. Пенкин // История Петер бурга. – 2007. – № 2. – С. 15-17.
8. Пенкин, А. Л. Повышение экологической безопасности автомобильного транспорта путем перехода на природный газ в качестве источника питания / А.
Л. Пенкин // Актуальные проблемы современного строительства : сб. материа лов 60-й междунар. науч.-техн. конф. / СПбГАСУ. – СПб., 2007. – Ч. 2. – С. 115 120.
9. Оценка альтернативных источников энергии / А. А. Капустин, А. Л.
Пенкин, Н. И. Шимченко и др. // Экология и развитие общества : тр. Х между нар. конф. : доп. выпуск под ред. В. А. Рогалева ;
МАНЭБ. – СПб., 2007. – С.
56-59.
10. Программа перевода сельскохозяйственной техники АПК Ленин градской области на КПГ в 2008-2015 гг. / А. А. Капустин, А. Л. Пенкин, Н.
И. Шимченко и др. // Экология и развитие общества : тр. Х междунар. конф. :
доп. выпуск под ред. В. А. Рогалева ;
МАНЭБ. – СПб., 2007. – С. 59-61.
11. Природный газ – топливо для сельскохозяйственной техники ле нинградской области / А. А. Капустин, А. Л. Пенкин, Н. И. Шимченко и др. // Актуальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств : материалы междунар. науч.-техн. конф. / ВлГУ. – Владимир, 2007. – С. 68-74.
12. Капустин, А. А. Перспективы использования альтернативных видов топлива автомобильным транспортом / А. А. Капустин, А. Л. Пенкин // Улуч шение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей :
cб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. / СПбГАУ. – СПб., 2007. – С. 278-286.
13. Пенкин, А. Л. Повышение технико-экономических показателей авто мобильного транспорта при использовании альтернативных топлив / А. Л. Пен кин, А. А. Капустин // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей : cб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. / СПбГАУ. – СПб., 2007. – С. 374-379.
14. Пенкин, А. Л. Повышение экологической безопасности городского ав томобильного транспорта путем применения природного газа в качестве мо торного топлива / А. Л. Пенкин, Н. И. Шимченко // Экологическое благо устройство жилых территорий крупных городов России : тр. науч.-практ. семи нара VII междунар. экологического форума / МАНЭБ. – СПб., 2008. – С. 103 110.
15. Пенкин, А. Л. Природный газ - экологичное топливо для транспортных средств мегаполисов / А. Л. Пенкин, Н. И. Шимченко // Экологическое благо устройство жилых территорий крупных городов России : тр. науч.-практ. семи нара VII междунар. экологического форума / МАНЭБ. – СПб., 2008. – С. 110 114.
16. Пенкин, А. Л. Повышение эксплуатационных показателей транспорт ных дизелей путем перевода на газодизельный цикл / А. Л. Пенкин // Докл. 65-й науч. конф. профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета / СПбГАСУ. – СПб., 2008. – Ч. 2. – С. 176-180.
17. Пенкин, А. Л. Пути улучшения экономических и экологических пока зателей работы газодизельных двигателей / А. Л. Пенкин, А. А. Капустин // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигате лей : сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. / СПбГАУ. – СПб., 2008. – С.
284-290.
18. Капустин, А. А. Оптимизация параметров газовоздушных смесей для ДВС / А. А. Капустин, А. Л. Пенкин, А. В. Пономарёв // Автотранспорт: от эко логической политики до повседневной практики : тр. IV междунар. науч.-практ.
конф. / МАНЭБ. – СПб., 2008. – С. 66-70.
19. Капустин, А. А. Улучшение показателей транспортных дизельных установок при подаче на впуск смеси воздуха и природного газа / А. А. Капу стин, А. Л. Пенкин, К. С. Беляев // Водные пути Росии: строительство, эксплуа тация, управление : материалы междунар. науч.-практ. конф. / СПГУВК. – СПб., 2009. – С. 314.
20. Пенкин, А. Л. Альтернативное топливо для городского автотранспорта / А. Л. Пенкин, А. А. Капустин // Автотранспорт: от экологической политики до повседневной практики: тр. V междунар. науч.-практ. конф. / МАНЭБ. – СПб., 2010. – С. 65-69.
21. Пенкин, А. Л. Повышение экологической безопасности городского ав тотранспорта путем применения природного газа / А. Л. Пенкин, А. А. Капу стин // Охрана окружающей среды и природопользование. – 2010. – № 3. – С.
16-18.
22. Пенкин, А. Л. Повышение равномерности поступления газовоздушной смеси в транспортный газодизель с инжекторной системой распределённого впрыска / А. Л. Пенкин, А. А. Капустин, К. С. Беляев // Улучшение эксплуата ционных показателей автомобилей, тракторов и двигателей : сб. науч. тр. меж дунар. науч.-техн. конф. / СПбГАУ. – СПб., 2010. – С. 161 - 168.
23. Капустин, А. А. Регулирование автомобильного газодизеля / А. А. Ка пустин, А. Л. Пенкин // 5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе : тезисы докладов юбилейной науч. техн. конф. / МАДИ. – М., 2011 – С.112-113.