Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса и задачи исследования 10
1 Двухтопливные системы питания 10
2 Двухтопливные универсальные системы с эжекционными бензиновой и газовой системой питания
3 Двухтопливные комбинированные системы с эжекционными бензиновой и газовой системой питания
4 Двухтопливные универсальные системы с бензиновой и газовой системами впрыска
5 Двухтопливные комбинированные системы с бензиновой и газовой системами впрыска
6 Выводы по главе 42
7 Задачи исследования 43
Теоретическое исследование двухтопливной комбинированной системы питания
1 Теоретическое обоснование применения двухтопливной комбинированной системы питания
2 Математическая модель двухтопливной комбинированной сиетемы питания двигателя автомобиля для расчета расхода топлив
1 Режим движения 51
2 Определение основных характеристик двигателя 54
3 Определение скорости и пути автомобиля 59
4 Определение расхода топлив 61
3 Расчеты расхода топлива автомобилем с двигателем, осна щенным двухтопливной комбинированной системой питания
1 Выбор показателей, характеристик топливной экономичности и условий проведения расчетов
2 Результаты расчетов расхода топлива автомобилем с двигателем, оснащенным двухтопливной комбинированной системой питания
4 Определение экономически оправданной доли расхода бензи на от суммарного путевого расхода бензина и газа
5 Выводы по главе 77
Эксплуатационные испытания газобаллонных автомобилей с комбинированным впрыском топлив
1 Постановка задачи 79
2 Объект исследования 79
3 Методика эксплуатационных испытаний 86
4 Результаты испытаний 91
5 Выводы 96
Практические рекомендации по повышению периодичности обслуживания ЭМФ
1 Выбор параметров блока управления комбинированием топлив
2 Выводы 102
Основные результаты и выводы 104
Список использованных источников
- Двухтопливные универсальные системы с эжекционными бензиновой и газовой системой питания
- Математическая модель двухтопливной комбинированной сиетемы питания двигателя автомобиля для расчета расхода топлив
- Результаты расчетов расхода топлива автомобилем с двигателем, оснащенным двухтопливной комбинированной системой питания
- Выбор параметров блока управления комбинированием топлив
Введение к работе
Актуальность темы. Рост автомобильного парка и потребления жидких топлив нефтяного происхождения (бензина и дизельного топлива) привели к ухудшению экологической обстановки и загрязнению окружающей среды Одним из перспективных способов снижения затрат на топливо и токсичности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является использование газобаллонных автомобилей (ГБА)
Вопросу использования газа в автомобильных двигателях посвятили свои работы такие известные ученые, как Генкин К И , Гольдблат И И, Горшков С А , Ерохов В И , Панов Ю В , Патрахальцев Н Н и другие
В условиях эксплуатации сложилась практика переоборудования бензиновых ДВС для питания газом путем установки комплекта газобаллонного оборудования В результате этого автомобиль становится двухтопливным В зависимости от режима использования двух топлив систему питания называют либо универсальной (используется только один вид топлива - бензин или газ), либо комбинированной, когда одновременно используются два вида топлива (бензин и газ)
Двухтопливные универсальные системы питания получили широкое распространение и составляют наибольшую часть среди систем питания автомобилей, использующих альтернативные виды топлив К основным недостаткам двухтопливной универсальной системы питания можно отнести следующие
низкая скорость сгорания газовоздушной смеси на режимах работы с высокой частотой вращения коленчатого вала, что ведет к снижению надежности ДВС и увеличению расхода топлива,
нарушение работоспособности части системы питания (бензиновой или газовой), находящейся длительное время в выключенном состоянии,
снижение эффекта экономии затрат на топливо при эксплуатации газобаллонного автомобиля в условиях низких температур и коротких поездках
Стремление устранить недостатки двухтопливной универсальной системы питания привело к созданию двухтопливных комбинированных систем питания В частности, применение такой системы на базе бензиновой карбюраторной системы питания позволяет повысить надежность ДВС за счет снижения износа выпускных клапанов и повысить надежность элементов бензиновой системы питания Однако карбюраторная бензиновая система питания и эжек-ционная газовая система питания не позволяют точно дозировать оба топлива в любых пропорциях и раскрыть все преимущества комбинированного питания
Появление систем впрыска бензина и газа открыло новые возможности комбинирования топлив, позволило более гибко и точно регулировать количества впрыскиваемого бензина и газа на различных режимах работы ДВС Появилась возможность устранить один из недостатков в работе ДВС на газе, когда из-за бездействия бензиновых электромагнитных форсунок (ЭМФ) происходит их перегрев, быстрое загрязнение и выход из строя Поэтому исследования, направленные на повышение надежности бензиновых ЭМФ при работе ДВС на
газе путем комбинирования двух топлив, несомненно, являются актуальными
Цель работы - повышение эффективности эксплуатации ГБА путем увеличения пробега до обслуживания бензиновых ЭМФ за счет применения комбинированной системы впрыска
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи
разработать принципиальную схему и теоретические основы функционирования двухтопливной комбинированной системы впрыска бензина и газа ДВС ГБА,
провести эксплуатационные испытания ГБА с двухтопливной комбинированной системой впрыска бензина и газа с целью определения количества подаваемого в ДВС бензина через бензиновые ЭМФ для обеспечения надежности их функционирования при работе на газе и для оценки степени повышения их надежности,
разработать практические рекомендации по определению основных параметров двухтопливной комбинированной системы впрыска бензина и газа для повышения надежности бензиновых ЭМФ
Объектом исследования является двухтопливная комбинированная система впрыска бензина и газа ДВС ГБА, а предметом исследования — изменение периодичности обслуживания бензиновых ЭМФ в составе двухтопливной комбинированной системы впрыска бензина и газа
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования и статистической обработки экспериментальных данных
Научная новизна работы заключается в следующем
разработаны теоретические основы функционирования двухтопливной комбинированной системы впрыска бензина и газа ДВС ГБА, включающие возможные варианты совместного функционирования бензиновых и газовых ЭМФ, расчет основных параметров их работы и уточненную математическую модель ГБА, позволяющую для различных режимов движения определять расход бензина и газа,
с использованием уточненной математической модели ГБА рассчитаны и экспериментально подтверждены зависимости расхода бензина и газа от количества подаваемого бензина через бензиновые ЭМФ,
установлено количество подаваемого в ДВС бензина через бензиновые ЭМФ для обеспечения надежности их функционирования при работе на газе,
предложена схема двухтопливной комбинированной системы впрыска бензина и газа ДВС ГБА, позволяющая обеспечить работоспособность бензиновых ЭМФ
Практическая значимость работы заключается в разработке практических рекомендаций по определению основных параметров двухтопливной комбинированной системы впрыска бензина и газа для повышения надежности бензиновых ЭМФ, что способствует повышению эффективности эксплуатации ГБА
На защиту выносятся-
- теоретические основы функционирования двухтопливной комбиниро-
ванной системы впрыска бензина и газа ДВС ГБА, включающие возможные варианты совместного функционирования бензиновых и газовых ЭМФ, расчет основных параметров их работы и уточненную математическую модель ГБА, позволяющую для различных режимов движения определять расход бензина и газа,
результаты расчетов расходов бензина и газа ГБА с двухтопливной комбинированной системой впрыска на различных режимах движения,
результаты эксплуатационных испытаний ГБА с двухтопливной комбинированной системой впрыска бензина и газа для определения количества подаваемого в ДВС бензина через бензиновые ЭМФ для обеспечения надежности их функционирования при работе на газе и для оценки повышения их надежности,
- практические рекомендации по определению основных параметров
двухтопливной комбинированной системы впрыска бензина и газа для повы
шения надежности бензиновых ЭМФ
Реализация результатов работы. По результатам исследований предложена схема комбинированной системы впрыска ГБА и методика определения ее основных параметров, которые внедрены в ООО "ГБА-Автотест" (г Омск), специализирующемся на производстве газобаллонной аппаратуры, и в 000 "Газавтосервис" (Омская область), осуществляющем перевод автомобилей на питание сжиженным нефтяным газом Результаты работы также используются в учебном процессе кафедры "Эксплуатация и ремонт автомобилей" СибАДИ при изучении дисциплины "Особенности эксплуатации газобаллонных автомобилей"
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и были одобрены на международной научно-практической конференции "Проблемы адаптации техники к суровым условиям" (г Тюмень, 2006 г), на 4-ой всероссийской научно-технической конференции "Политранспортные системы" (г Красноярск, 2006 г) и на V всероссийской научно-технической конференции "Проблемы и достижения автотранспортного комплекса" (г Екатеринбург, 2007 г )
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников (99 наименований), 3 приложений, содержит 120 страниц машинописного текста, 47 рисунков, 12 таблиц
Двухтопливные универсальные системы с эжекционными бензиновой и газовой системой питания
Схема двухтопливной универсальной системы с эжекционными бензиновой и газовой системой питания представлена рисунке 1.2.
Двухтопливная универсальная система с эжекционными бензиновой и газовой системой питания /9, 23, 81, 93/ позволяет применять в качестве топлива газ с сохранением полноценной системы питания бензином. Автомобили, оснащенные такой системой питания, могут применяться в различных регионах, даже там, где не всегда имеется возможность заправки каким-либо из этих топлив или поставки какого-либо из этих топлив ограничены. Кроме того, такие автомобили имеют возможность продолжать полноценную работу в случае выхода из строя одной из систем питания.
Однако для достижения универсальности приходится идти на некоторые компромиссы. При изучении опыта эксплуатации автомобилей с двухтопливной универсальной системой питания, были выявлены некоторые их недостатки. Причиной некоторых из них является именно универсальность системы рисунок 1.3.
К основным недостаткам универсальной системы с эжекционными бензиновой и газовой системой питания можно отнести следующие: - нарушение работоспособности части системы, находящейся дли тельное время в выключенном состоянии, что ведет к снижению надежно сти автомобилей /21, 23, 87, 88, 89, 91/; - отрицательное проявление низкой скорости сгорания газовоздушной смеси на режимах работы с высокой частотой вращения коленчатого вала, что ведет к снижению ресурса двигателя и увеличению расхода топлива /21, 23, 54/; - необходимость перенастройки системы зажигания при переключении с одного вида топлива на другой; Работа на газе Работа на бензине 1. Высокая частота вращения KB 2 Низкая (для газа) степень сжатия 3. Принудительное вращения клапанов 4. Низкая скорость горения газовоздуїшой смеси Износ вьпускных клапанов Высыхание элементов газовой системы питания Потеря герметичности редуктора, отклонение состава ТВС от требуемого Высыхание элементов карбюратора Потеря герметичности карбюратора, отклонение состава ТВС от требуемого Работа бензонасоса на закрытый электроклапан
Факторы снижения надежности газобаллонных автомобилей с двухтопливной универсальной системой питания с эжекционными бензиновой и газовой системой питания - снижение эффекта экономии затрат на топливо при эксплуатации газобаллонного автомобиля в условиях низких температур и коротких поездках /86/. Рассмотрим более подробно вышеуказанные недостатки и причины, вызывающие их.
Нарушение работоспособности системы, находящейся в выключенном состоянии, происходит значительно раньше по сроку эксплуатации, чем системы, находящейся во включенном, рабочем состоянии. Это происходит по причине отсутствия в неработающей системе циркуляции топлива, что, ухудшает теплоотвод и условия смазки подвижных частей. Отсутствие смазки и перегрев узлов системы приводит к преждевременному разрушению резинотехнических изделий и чрезмерному, преждевременному износу металлических подвижных частей. Так как продукты износа не уносятся потоком топлива, а остаются в зоне трения, износ усиливается. Перегрев узлов и стабильное положение продуктов износа и частиц топлива приводят к усиленному смоло и лакообразованию, что также приводит к быстрому нарушению работоспособности топливоподающих систем. Это приводит к увеличению затрат на обслуживание и ремонт.
При работе двигателя на газе, когда бензиновая система питания отключена, карбюратор остается не заполненный топливом. Происходит высыхание неметаллических деталей карбюратора и потеря его герметичности. Кроме того, при отсутствии бензина в поплавковой камере под действием тряски и вибрации поплавок протирается, ударяясь о дно и разбивает игольчатый клапан. При переходе на питание бензином после длительного пробега с питанием двигателя газом это приводит к следующему:
1. Нарушается уровень топлива в поплавковой камере, что приводит к переобогащению топливовоздушной смеси и, как следствие к повышению токсичности отработавших газов двигателя.
Математическая модель двухтопливной комбинированной сиетемы питания двигателя автомобиля для расчета расхода топлив
Режим движения автомобиля (скорость движения Va, степень открытия дроссельной заслонки р, номер передачи /, ускорение/) определяется в соответствии с операционной картой соответствующего цикла движения или в соответствии с требованиями к скорости движения (см. раздел 2.3.1). Регулирование скорости движения автомобиля осуществляется посредством изменения степени открытия дроссельной заслонки и выбора передачи.
При движении с постоянной скоростью задается степень открытия дроссельной заслонки р, обеспечивающая движение автомобиля на заданной передаче / с заданной скоростью Va3. Значение степени открытия дроссельной заслонки Р, соответствующее заданной скорости движения автомобиля на заданной передаче определялось с помощью предварительных расчетов.
При разгоне автомобиля в соответствии с операционной картой соответствующего цикла движения степень открытия дроссельной заслонки должна быть максимальной /? = 1,0 (2.14) В моменты времени, когда происходит переключение передач и осуществляется торможение двигателем степень открытия дроссельной заслонки минимальна 0 = 0 (2.15)
В режиме служебного торможения в соответствии с операционной картой соответствующего цикла движения осуществляется торможение с ускорением автомобиля -1 м/с (см. раздел 2.3.1). Передаточное число коробки передач (номер передачи) задается исходя из требований операционной карты цикла движения. Порядок расчета степени открытия дроссельной заслонки, величины тормозной силы и передаточного числа коробки передач представлен на рисунке 2.4.
Исходные данные: Va, Va3, j
При движении с постоянной скоростью задается степень открытия дроссельной заслонки р\ обеспечивающая движение автомобиля на заданной передаче с требуемой скоростью W(Va3, і); значение степени открытия дроссельной заслонки р при разгоне автомобиля (3 = 1,0; в моменты времени, когда происходит переключение передач и осуществляется торможение двигателем Р = 0; в режиме служебного торможения в соответствии с операционной картой соответствующего цикла движения осуществляется торможение сускорениему =-1 м/с ; передаточное число коробки передач (номер передачи і) задается исходя из требований операционной карты цикла движения в зависи мости от скорости движения и частоты вращения коленчатого вала ДВС Рисунок 2.4 - Порядок определения степени открытия дроссельной заслонки и передаточного числа коробки передач (номера передачи)
Расчетная схема для установления основных характеристик двигателя учитывает следующие факторы: момент инерции, крутящий момент, момент нагрузки. Дифференциальное уравнение вращательного движения коленчатого вала ДВС Jq = MKp-MH, (2.16) где J - момент инерции подвижных частей двигателя, приведенный к коленчатому валу, кгм2; ф - угол поворота коленчатого вала двигателя, рад.; Мкр - крутящий момент двигателя, Нм; Мн - момент нагрузки, Нм. Крутящий момент двигателя в основном определяется частотой вращения коленчатого вала и степенью открытия дроссельной заслонки. Зависимости крутящего момента двигателя от частоты вращения и степени открытия дроссельной заслонки, полученные по результатам стендовых испытаний двигателя ЗМЗ-4062.10, представлены на рисунке 2.5.
Кривые зависимости крутящего момента от частоты вращения аппроксимировались полиномом третьей степени /51/ Мкр = an3 + Ъп + cn+d, (2.17) где а, Ь, с, d- коэффициенты; п - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин . Коэффициенты а, Ь, с, d определяются методом наименьших квадратов по четырем значениям крутящего момента М1000, М2Ш, М4000, М550 при частоте вращения 1000, 2500, 4000, 5500 мин"1 для соответствующей степени открытия дроссельной заслонки.
Для расчета расхода топлива необходимо также определить расход воздуха двигателем. Расход воздуха двигателем определяется частотой вращения двигателя и степенью открытия дроссельной заслонки. Эта зависимость для двигателя ЗМЗ-4062.10 представлена на рисунке 2.6. о 0,
Расход воздуха двигателем определяется зависимостями аналогичными 2.17, 2.18. Расход газа двигателем определится через расход воздуха С следующим образом GTm = CjMSa = (C- СБ)/ Wea = (С - GT6eH W6a)/ Wea = = C/ Wfa - GT6eH Kr (2.19) где Сг, С Б - расход воздуха двигателем, затрачиваемый соответственно на сгорание газа и бензина, кг/с; We - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания бензина, кг/кг; We - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания сжиженного нефтяного газа, кг/кг; а - коэффициент избытка воздуха топливовоздушной смеси, задаваемый блоком управления системы впрыска бензина. Доля бензина в топливовоздушной смеси (D6e/I), определяется с учетом 2.3 по следующей формуле Вбен = GT6ei/Gm= GT6eH W6 а/С (2.20)
Крутящий момент необходимо дополнительно корректировать по соотношению подаваемых компонентов (бензина и газа). Крутящий момент двигателя при работе на сжиженном нефтяном газе снижается на 5-7% по-сравнению с бензином /23/
Результаты расчетов расхода топлива автомобилем с двигателем, оснащенным двухтопливной комбинированной системой питания
В качестве объекта исследования были выбраны легковые автомобили ГАЗ-3110 с двигателями ЗМЗ-4062 (таблица 3.1).
В период с июня 2003 года по август 2005 года производился монтаж газобаллонного оборудования "Фаворит" (рисунок 3.1) на автомобили ГАЗ-3110 с двигателями ЗМЗ-4062 по схеме предполагающей использование алгоритма постоянного часового расхода бензина через бензиновую ЭМФ.
Для работы двигателя в режиме комбинированного впрыска топлив был выбран вариант, у которого работа бензиновой ЭМФ с постоянной частотой и длительностью управяющего сигнала обеспечивает постоянный расход бензина через ЭМФ, а работа газовой ЭМФ осуществляется с коррекцией длительности управляющего сигнала в сторону уменьшения для обеспечения требуемого состава топливовоздушной смеси.
Для оборудования автомобилей комбинированной двухтопливной системой впрыска топлив помимо установки комплекта газобаллонного оборудования "Фаворит", устанавливался блок управления впрыском бензина, который обеспечивал реализацию предложенного алгоритма комбинирования топлив /65/. Функциональная схема блока управления впрыском бензина показана на рисунке 3.2.
Количество автомобилей было обосновано исходя из предположения о нормальном законе распределения пробега до загрязнения ЭМФ. Исходя из заданной доверительной вероятности а = 0,9 подсчитано количество автомобилей для каждого уровня варьирования часового расхода бензина. В результате в испытаниях участвовало 32 автомобиля с комбинированной системой впрыска топлив: не менее 7 автомобилей для каждого уровня часового расхода бензина, (таблица 3.2).
На рисунке 3.3 показан внешний вид разработанного и изготовленного блока управления впрыском бензина, а на рисунке 3.4 установка газобаллонного оборудования в моторном отсеке автомобиля.
В таблице 3.2 представлены уровни варьирования часового расхода бензина и количество автомобилей на которых они устанавливались. Точные величины часового расхода бензина через форсунки подбиралось эмпирически на стенде, состоящем из рампы с форсунками двигателя ЗМЗ-4062, мерной емкости и блока управления впрыском бензина. Расход бензина изменялся путем регулировки частоты управляющего сигнала (рисунок 3.2).
Необходимо отметить, что добавка бензина к газовоздушной смеси будет приводить к увеличению содержания СО в отработавших газах свыше нормативного значения - 3,5 % (ГОСТ Р 17.2.2.06-99), установленного для газобаллонных автомобилей. В связи с этим необходимо корректировать подачу газа в сторону уменьшения с помощью регулировочного резистора блока управления газобаллонного оборудования "Фаворит".
Схема коррекции расхода газа показана на рисунке 3.5. Она состоит из концевого выключателя, который устанавливался в приводе управления дроссельной заслонкой, электромагнитного реле Р, управляемого этим концевым выключателем, штатного регулировочного резистора количества впрыскиваемого газа Rxx и дополнительного регулировочного резистора количества впрыскиваемого газа Яц.
Работает устройство следующим образом: при отпущенной педали управления дроссельной заслонкой к блоку управления ГБА «Фаворит» подключен штатный регулировочный резистор количества впрыскиваемого газа Rxx- Он регулируется таким образом, чтобы на минимальных оборотах холостого хода содержание СО в отработанных газах не превышало нормативного значения 3,5 % установленного для газобаллонных автомобилей. При нажатии педали к блоку управления ГБА посредством контактов К реле Р, управляемого концевым выключателем привода управления дроссельной заслонкой, отключается штатный регулировочный резистор Rxx и подключается дополнительный регулировочный резистор количества впрыскиваемого газа і?н который отрегулирован по содержанию СО в отработанных газах на повышенных оборотах.
Выбор параметров блока управления комбинированием топлив
1. При разработке алгоритма работы блока комбинирования топлив необходимо учитывать быстродействие электромагнитных газовых и бензиновых форсунок. В связи с этим необходимы два варианта алгоритма комбинирования впрыска топлив, которые должны суммироваться на выходе блока комбинирования топлив.
2. Работа блока комбинирования должна быть такой, чтобы в случае если требуемая длительность импульса ниже суммы минимально возможных длительностей импульсов для газовой и бензиновой ЭМФ, каждый / -й импульс подачи газа должен заменяться подачей бензина. В случае если требуемая длительность импульса ЭМФ превышает сумму минимально возможных длительностей импульсов для газовой и бензиновой ЭМФ, каждый / - й импульс необходимо делать составным из двух импульсов - минимально возможной продолжительности для бензиновой ЭМФ, и оставшейся дли тельности для газовой ЭМФ.
3. Разработанный на основе результатов исследований алгоритм комбинированного впрыска бензина и газа учитывающий ограничения по быстродействию бензиновых и газовых форсунок обеспечивает заданный постоянный расход топлива через бензиновые форсунки. Это позволяет на практике решить задачу увеличения периодичности обслуживания бензиновых форсунок газобаллонных автомобилей с 15000 до 30000 км и получить экономический эффект 22,5 руб/1000 км.
1. Предложена схема двухтопливной комбинированной системы питания, позволяющая обеспечить работоспособность бензиновых ЭМФ и имеющая следующие особенности: - при работе двигателя управление суммарной подачей бензина и газа осуществляет блок управления системы впрыска бензина на основании сигналов датчиков системы впрыска бензина и управляющих воздействий водителя; - соотношение бензина и газа в топливовоздушной смеси определяется блоком управления комбинированием топлив исходя из экономических, экологических требований и обеспечения надежности ДВС.
2. Разработаны теоретические основы функционирования двухтопливной комбинированной системы впрыска бензина и газа ДВС ГБА включающие возможные варианты совместного функционирования бензиновых и газовых ЭМФ, расчет основных параметров их работы и уточненную математическую модель ГБА, позволяющую для различных режимов движения определять расход бензина и газа.
3. Анализ результатов расчетов с использованием уточненной математической модели двухтопливной комбинированной системы питания двигателя газобаллонного автомобиля показал, что наиболее критичным с точки зрения расхода бензина является городской цикл движения, а с экономической точки зрения доля расхода бензина в процентах от суммарного путевого расхода топлив не должна превышать 4,8 %, что соответствует для городского цикла расходу бензина приблизительно 0,18 л/ч.
4. Опытная эксплуатация автомобилей с двухтопливной комбинированной системой впрыска работающей по предлагаемому алгоритму постоянного часового расхода бензина позволила определить зависимость периодичности обслуживания бензиновых ЭМФ от часового расхода бензина. На основании этой зависимости установлено, что для обеспечения периодичности обслуживания бензиновых ЭМФ при эксплуатации ГБА на уровне работы ДВС на бензине - 30000 км, необходимо обеспечить часовой расход бензина через ЭМФ не менее 0,11 л/час.
5. Разработанный на основе результатов исследований алгоритм комбинированного впрыска бензина и газа учитывающий ограничения по быстродействию бензиновых и газовых форсунок обеспечивает заданный постоянный расход топлива через бензиновые форсунки. Это позволяет на практике решить задачу увеличения периодичности обслуживания бензиновых форсунок газобаллонных автомобилей с 15000 до 30000 км и получить экономический эффект 22,5 руб/1000 км.
