Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и определение задач исследования 7
1.1 Горючие газы, как топливо двигателей внутреннего сгорания 7
1.2 Практическая реализация поршневых ДВС, работающих на газе, и их исследование 12
1.3 Выводы по обзору состояния вопроса и определение основных целей исследования 19
Глава 2 Математическое моделирование рабочего процесса битопливного двигателя внутреннего сгорания 22
2.1 Общее описание математической модели 22
2.2 Математическое описание процесса сгорания 27
2.2.1 Математическое описание динамики выгорания топлива 27
2.2.2 Изменение длительности сгорания ср: и показателя сгорания т при переходе с бензина на сжиженный углеводородный газ 29
2.3 Программная реализация модели 34
2.4 Верификация модели 34
2.5 Выводы по главе 36
Глава 3 Теоретический анализ влияния перехода с бензина на газ на индикаторные показатели двигателя внутреннего сгорания и его регулировки 38
3.1 Влияние рода топлива, коэффициента избытка воздуха и угла опережения зажигания на нормальную скорость сгорания 38
3.1.1 Влияние на нормальную скорость сгорания состава смеси и вида топлива 38
3.1.2 Влияние рода топлива на зависимость нормальной скорости сгорания от угла опережения зажигания 39
3.1.3 Влияние перехода с бензина на газ и регулировочных параметров на продолжительность сгорания (р: 43
3.2 Влияние регулировочных параметров на индикаторные показатели двигателя при переводе его с бензина на газ 46
3.2.1 Влияние перехода с бензина на газ на зависимость индикаторной мощности двигателя от угла опережения зажигания 46
3.2.2 Влияние перехода с бензина на газ на зависимость удельного индикаторного расхода топлива от коэффициента избытка воздуха 51
3.3 Выводы по главе 52
Глава 4 Описание экспериментальной установки, методики исследований и обработки их результатов 54
4.1 Описание экспериментальной установки и объекта исследований 54
4.1.1 Общие требования к экспериментальной установке 54
4.1.2 Описание экспериментальной установки 54
4.1.3 Системы измерения расхода воздуха, топлива, газа и частоты вращения 55
4.1.4 Система питания двигателя сжиженным газом 56
4.1.5. Система зажигания 60
4.1.6 Система измерения времени изменения положения дроссельной заслонки 61
4.1.7 Система измерения крутящего момента 63
4.2 Методика и точность экспериментальных исследований 65
4.3 Методика получения и обработки экспериментальных данных 67
4.3.1 Составление плана эксперимента 67
4.3.2 Методика планирования и обработки экспериментальных данных70
4.4 Выводы по главе 74
Глава 5 Экспериментальное изучение влияния перехода с бензина на газ на эффективные показатели битопливного двигателя 76
5.1 Влияние перехода с бензина на газ на эффективную мощность ДВС и оптимальную величину угла опережения зажигания 77
5.2 Влияние перехода с бензина на газ на топливную экономичность двигателя внутреннего сгорания и коррекцию состава смеси 86
5.3 Влияние перевода двигателя с бензина на газ на эмиссию СО 96
5.4 Выводы по главе 98
Основные результаты и выводы по работе 99
Литература
- Практическая реализация поршневых ДВС, работающих на газе, и их исследование
- Изменение длительности сгорания ср: и показателя сгорания т при переходе с бензина на сжиженный углеводородный газ
- Влияние на нормальную скорость сгорания состава смеси и вида топлива
- Системы измерения расхода воздуха, топлива, газа и частоты вращения
Введение к работе
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 X 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.
Практическая реализация поршневых ДВС, работающих на газе, и их исследование
Практическое использование горючих газов в качестве топлива началось с первых поршневых двигателей внутреннего сгорания (Э. Ленуара, Н. Отто и ДР) В настоящее время интерес к использованию в ДВС газового топлива неуклонно растет, что связано не только с низкой себестоимостью производства сжиженного газа, но и с его другими преимуществами перед традиционными жидкими нефтяными топливами, в том числе с меньшими выбросами вредных веществ в атмосферу. Двигатели, работающие на газе, гораздо экологичнее как по нормируемым, так и по пока не нормируемым (альдегиды, полиароматические и ароматические углеводороды) компонентам отработавших газов [108].
Уже в начале 30-х годов в бывшем СССР проводились работы, связанные с использованием горючих газов в качестве топлива для автотранспорта и с созданием различных систем топливоподачи. В частности, серийно выпускались газогенераторные автомобили, двигатели которых работали на газе, вырабатываемом бортовыми газогенераторами. С конца 40-х годов активизировались работы по созданию газобаллонных автомобилей (ЗИЛ-13 8, ГАЗ-53-07,ЗМЗидр.).
В работах [44,89,93,106,107,167] приводятся данные о газовых двигателях грузовых и легковых моделей газобаллонных автомобилей ЗИЛ-138 и ГАЗ-53-07, описываются результаты применения газообразного топлива в дизельных двигателях путем подачи его во впускной трубопровод или в смеси с дизельным топливом.
В публикациях [1...4,9,15,20,28,30,33,41,95...99] приводятся конструктивные особенности газобаллонных автомобилей FORD, Chevrolet, International Harvecter, Mersedes-Benz, Mazda, Toyota, газового смесителя фирмы "Катакура Чикарин", трехступенчатого редуктора-испарителя модели RP-77 фирмы "Тартарини", в них подробно рассмотрены теплофизические и термодинамические свойства горючих газов и технические решения связанные с использованием их в качестве топлива для различных видов энергетических установок.
Ведутся работы [89] по созданию маломощных газовых двигателей для микролитражных автомобилей. Сообщается [64] о создании газового двигателя с искровым зажиганием, оборудованного турбокомпрессором с охладителем надувочного воздуха. Отмечается, что в этом двигателе достигнута экстремально низкая токсичность ОГ, соизмеримая с получаемой при стехиометрическом составе смеси в бензиновых двигателях с каталитическими нейтрализаторами тройного действия, а также подчеркивается высокое значение эффективного давления и стабильности сгорания. Двигатель может работать с высокой эффективностью при ос 1, он отличается низкой температурой ОГ.
В конце 30-х годов после сосредоточения основных научных исследований в НАТИ интенсивность работ по исследованию газовых двигателей и их совершенствованию в нашей стране возросла.
Большой вклад в это внесли исследования М.А. Айзермана, И. Туровского, Г.И. Самоля, В.Е. Кошкина, Е.А. Рудакова, К.И. Генкина и др. В их работах приводятся конструктивные особенности газобаллонных автомобилей и газобаллонных установок, результаты расчета основных узлов системы топливоподачи и исследования неравномерности работы редукторов, а также характеристики смесителя [50...52,68,162]. Сравнительный анализ и оптимизация работы двигателя при переводе его с бензина на газ, к сожалению, не рассматривались.
В ряде исследований [52,67,81,94,149,156,157,160] подробно рассмотрена работа на установившихся режимах различных газовых двигателях. Г.И. Самоль, И.И. Гольдблат, Л.К. Коллеров, К.И. Генкин [52,94,156] развили теоретические основы действительных циклов газовых двигателей, вопросы топливоподачи, дозировки и смесеобразования, провели исследования сгорания газовоздушных смесей, а также теплофизических и термодинамических свойств разнообразных горючих газов.
Исследователями изучались способы регулировок систем двигателя, так особое внимание уделялось в основном способам регулировок систем топливоподачи [42,46,47,76,80,122,123,137,139,140] и способам регулировок систем зажигания [129]. Авторами работ перечисляются улучшения, полученные экспериментальным путем. Теоретические исследования не проводились. Рыспановым Н.Б. [155] была разработана методика исследования рабочего процесса газодизеля на основе методов математической статистики. При проведении теоретических исследований автором установлено влияние регулировочных параметров газотопливной системы на рабочий процесс двигателя, сформулированы предложения по их оптимизации. Экспериментальной проверки результатов теоретических исследований авторами не проведено.
Изменение длительности сгорания ср: и показателя сгорания т при переходе с бензина на сжиженный углеводородный газ
В процессе сгорания, протекающем в ДВС легкого топлива, можно выделить следующие фазы: - формирование начального очага горения, в ходе которого сгорает часть топлива, и протекающая от начала искрового разряда до момента, когда размер начального очага (НО) превысит интегральный масштаб турбулентности; - основная фаза, представляющая собой распространение турбулентного фронта пламени по объему топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС, в результате которой сгорает основная часть топлива.
На развитие начального очага горения существенно влияет род применяемого топлива. В основной же фазе сгорания скорость распространения пламени подчиняется законам крупномасштабного турбулентного горения, мало зависящим от физико-химических свойств топливовоздушной смеси [63, 72,153].
Это позволило допустить, что показатель характера сгорания т не зависит от рода используемого топлива, т.е. считать показатель сгорания т таким же, каким он был получен при анализе ДВС размерности ВАЗ, работающем на бензине [85,164]. Учет изменения показателя сгорания ведется на основе соотношения, указанного в работе [164]. т = т0-0,1-(в-в0), (2.20) где т0 — показатель сгорания соответствующий начальным условиям, полученным на опорном режиме работы ДВС при частоте вращения коленчатого вала «=2000 мин"1, угле опережения зажигания =250ПКВ, коэффициенте избытка воздуха а=0,96; в0 - угол опережения зажигания равный 25ПКВ; в - текущее значение угла опережения зажигания;
Исходя из вышесказанного, было принято, что изменение общей продолжительности сгорания pz при переходе к работе двигателя с бензина на сжиженный углеводородный газ обусловлено изменением продолжительности лишь начальной фазы сгорания: Мгаз = МбензиН-3( Рг\о (2-21) где S{(p= \о = { рно \ензин - {(рно )газ (2.22)
Определение продолжительности срно проводилось на основе следующих допущений. Размер (радиус) начального очага горения гно в том понимании, которое было сформулировано в начале данного параграфа, не меняется при замене бензина сжиженным углеводородным газом и может быть записано так: для бензина: \ но) бензин \ н/бензин \ но/бензин7 (2.23) для сжиженного углеводородного газа: (гя0 L = Рн L (?но L (2.24) где (и„)бензин и (UH)aa3 — соответственно нормальные скорости ламинарного пламени бензовоздушной и газовоздушной смесей; (?ио)беішн и (тн0)газ - время формирования начального очага горения для бензовоздушной и газовоздушной смесей.
Из совместного рассмотрения (2.23) и (2.24) следует, что время формирования начального очага горения обратно пропорционально нормальной скорости:
Переход от измерения продолжительности формирования НО (тн0) в секундах к продолжительности сгорания ( рно), измеренной в градусах поворота коленчатого вала производился по формуле: ,0= -6-/2 (2.29) Для использования указанных соотношений были определены для различных условий нормальные скорости сгорания бензовоздушных и газовоздушных смесей по известной формуле [71], используя исследования [1, 2]: v+l е (2.30) Т;, где U„ - нормальная скорость сгорания топливовоздушной смеси; Xz — коэффициент теплопроводности продуктов сгорания при температуре к0 - константа скорости химической реакции; v — порядок химической реакции; Ни - низшая теплотворность горючей смеси; ро - плотность топлива при температуре 273 К и давлении 101330 Па; Со - весовая доля углерода в окислителе; Tz - теоретическая температура продуктов сгорания; Г0=273К; і?м - универсальная газовая постоянная; Е - энергия активации. В нашем случае считаем, что идет реакция второго порядка, тогда (2.30) примет вид:
Результаты расчета нормальных скоростей для рассматриваемых топливовоздушных смесей приведены в таблице 2.1. Видно, что нормальная скорость сгорания сжиженного углеводородного газа (U,i)sa3 больше нормальной скорости сгорания бензина (ин)бенМіИ.
Определение начальных условий: температуры и давления в конце такта сжатия, необходимые для расчета нормальных скоростей на каждом режиме работы ДВС производилось с помощью программы расчета рабочего цикла ДВС, разработанной на базе стандартного приложения Exel по следующим основным формулам:
Влияние на нормальную скорость сгорания состава смеси и вида топлива
В связи с тем, что при прочих равных условиях нормальная скорость сгорания газовоздушных смесей существенно превышает эту величину в бензовоздушных смесях должно измениться оптимальное значение угла опережения зажигания при переходе с бензина на газ. В свою очередь изменение в отражается на величине нормальной скорости сгорания.
Механизм действия угла опережения зажигания на нормальную скорость сгорания можно представить себе так. Чем больше в, тем меньшим значениям давления и температуры смеси отвечает начало воспламенения. Эти параметры по-разному влияют на UH: с уменьшением давления нормальная скорость растет, а с уменьшением температуры - нормальная скорость убывает. С уменьшением в значения давления и температуры смеси в момент начала воспламенения возрастают и их действие на нормальную скорость сгорания оказывается противоположным сказанному выше [63].
В качестве примера на рис. 3.2 представлены для сс=0,9 полученные расчетным путем графики зависимости нормальных скоростей сгорания бензо-и газовоздушной смеси от угла опережения зажигания. Видно, что нормальная скорость сгорания газовоздушной смеси в связи с большей химической активностью пропана в рассматриваемом диапазоне в слабо реагирует на изменение угла опережения зажигания. Нормальная скорость сгорания бензовоздушной смеси более заметно реагирует на этот угол. В диапазоне 20 1ЖВ в 36 ПКВ нормальная скорость уменьшается, а при дальнейшем увеличении в слабо растет. При других значениях а имеет место похожие зависимости нормальных скоростей от угла опережения зажигания.
Величина продолжительности сгорания определялась, исходя из сказанного в главе 2 настоящей диссертации предположения о том, что переход от бензина к газу меняет величину продолжительности сгорания только вследствие изменения продолжительности формирования начального очага горения. В свою очередь, эта продолжительность зависит от нормальной скорости сгорания, влияние на которую перехода с бензина на газ рассмотрены в предыдущих параграфах.
При расчете (pz использовались формулы (2.26) - (2.29). Как при использовании бензина, так и для газа изучалось изменение р в зависимости от состава смеси и от величины угла опережения зажигания, которые как было сказано в параграфах 3.1.1 и 3.1.2, влияют на величину UH, и, следовательно, на длительность формирования начального очага горения.
В качестве примера на рис. 3.3 для 6 =30 ПКВ приведены кривые зависимости (p==j[oi). При других в кривые cpz=f{a) сохраняют свой характер. Использование формул (2.26)-(2.29) естественно приводит к тому, что а, соответствующее (UJmax мало отличается от значения коэффициента избытка воздуха, соответствующего {(р тиг Рассмотренное в параграфе 3.1.2 влияние угла опережения зажигания на UH при принятой методике вычисления (р. определило зависимости (p jiff) (рис. 3.4): значения в соответствующее (I/J, мало отличается от значения в, соответствующего (tpjmm Проведенный анализ показал, что при одинаковых значениях регулировочных параметров продолжительность сгорания при использовании газовоздушных смесей оказывается меньше, чем в случае бензовоздушных смесей. Это должно отразиться на индикаторных показателях двигателя при переводе его на питание газом вместо бензина и повлиять на оптимальные значения регулировочных параметров.
Системы измерения расхода воздуха, топлива, газа и частоты вращения
Для измерения расхода воздуха использовался газовый счетчик 4 (РГ-40), для определения расхода газа - расходомер 18 (G-4), расход бензина фиксировался объемным методом, анализ состава отработавших газов осуществлялось с помощью газоанализатора ГИАМ-27, прошедшего предварительную поверку.
Текущий контроль за скоростным режимом двигателя производился при помощи электронного тахометра, состоящего из перфорированного диска который был установлен на валу балансирной машины и оптронной пары 9.
Система питания двигателя сжиженным газом
Для обеспечения битопливом двигатель был оснащен двухкамерным карбюратором 3, в конструкцию которого были внесены изменения, обеспечивающие возможность подачи газа в задиффузорное пространство. С этой целью в карбюратор были ввёрнуты два газовых штуцера 8 (рис. 4.1).
На двигатель был установлен комплект газобаллонного оборудования фирмы BRC Gas Equipment. В его состав входит: газовый баллон 10 с установленным на нём запорно-предохранительной (краны 12 и 13, клапан предельного давления), заправочной (клапан 11) и контрольной арматуры (указатель 14), электроклапаны «газ» 15 и «бензин» 7, газовый редуктор 16, электрический блок управления 17, кран-тройник 19, газовые штуцеры 8 и комплект соединительной и монтажной арматуры.
Баллон 1 (рис. 4.2) - стальной резервуар цилиндрической формы, емкостью 50 л, предназначался для хранения сжиженного углеводородного газа.
Баллон имеет унифицированный фланец для установки топливозаборного узла (мультиклапана).
Мультиклапан (рис 4.3) - представляет собой блок арматуры, включающий топливо-сборник газового топлива, устройство измерения количества топлива - , рабочие и аварийные клапаны. Заправочное устройство предназначено для подключения зарядного "пистолета" на газонаполнительной станции. В корпусе мультиклапана расположено предохранительное устройство, закрывающее мультиклапан в случае превышения расчётного давления в газовом баллоне. Мультиклапан рис. 4.3, электроклапан «Газ» - 4 (рис. 4.4) и газовый редуктор (рис. 4.5) соеденяются "магистральным" трубопроводом - (рис. 4.4) -медной трубкой, по европейским нормам безопасности покрытой резиной. Соединение мультиклапана с электроклапаном «Газ» может находиться под давлением 1,6 МПа. шшш Электроклапан "Газ" 4 (рис. 4.4) обеспечивает подачу и отключение газа к редуктору. Он объединен вместе с фильтром тонкой очистки и располагается на стенде самостоятельно.
Электроклапан "Бензин" 5 (рис. 4.4) - устройство блокирующее подачу бензина, когда автомобиль работает на газе. Он состоит из электромагнитного клапана и двух ниппелей (входной и выходной). На экспериментальном стенде клапан включался вручную.
Редуктор 16 (рис. 4.5) - двухступенчатый. Предназначен для ступенчатого снижения давления до минимально необходимого (близкого к атмосферному) и испарения жидкой фазы газового топлива. Надежное испарение обеспечивается подогревом редуктора, для чего он подключён к системе охлаждения двигателя
Для создания на свече 24 искрового разряда в экспериментах использовалась бесконтактная система зажигания, включающая электронный коммутатор 36.3734 и катушку зажигания 27.3705. Управление углом опережения зажигания, осуществлялось электронным блоком 27, описанным в работе [74]. С помощью указанной системы фиксировались также отметки угла поворота коленчатого вала и положения поршня в ВМТ.
Для измерения времени затрачиваемого на изменение положения дроссельной заслонки и фиксирования положения дроссельной заслонки в определенном положении в любых диапазонах её возможных перемещений был создан измерительный комплекс, показанный на рис. 4.9.
В его состав входят: узел управления заслонкой (У УЗ), блок преобразования сигнала (БПС), блок питания (БП) и электронный частотомер.
Узел управления заслонкой (рис. 4.10) включает подвижный рычаг управления 1, связанный тросовым приводом 3 с дроссельной заслонкой, а также двумя концевыми выключателями 2 фдр1 и фдр2, установленными на подвижных, фиксируемых упорах. Такая конструкция узла позволяет варьировать положение упоров, т.е. менять диапазон, в котором перемещается рычаг управления, а, следовательно, и дроссельная заслонка.
