Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ процесса эксплуатации газобаллонных автомобилей с двухтопливной системой питания. Задачи исследования 17
1.1. Анализ развития газобаллонной аппаратуры и перспективы использования газового моторного топлива 17
1.2. Требования к современному автомобильному двигателю. Анализ приспособленности двигателей с различными типами систем питания к работе на газовом моторном топливе 28
1.3. Анализ процесса эксплуатации газобаллонных автомобилей 38
1.3.1. Автомобили, оборудованные эжекционными системами питания газовым моторным топливом 38
1.3.2. Автомобили, оборудованные системами впрыска газового моторного топлива 47
1.3.3. Автомобили, оборудованные комбинированными системами питания 51
1.4. Проблемы совершенствования процесса эксплуатации двухтопливных автомобилей и пути их решения 60
1.5. Выводы и задачи исследования 69
2. Теоретические основы корректирующих воздействий по совершенствованию процесса эксплуатации газобаллонных автомобилей 73
2.1. Концепция совершенствования процесса эксплуатации газобаллонных автомобилей с двухтопливной системой питания 73
2.2. Теоретическое обоснование аддитивности смесей сжиженных газов по детонационной стойкости 77
2.3. Теоретические основы комбинирования топлив в эксплуатации 89
2.4. Математическая модель газобаллонного автомобиля с двухтопливной системой питания 97
2.5. Математическая модель системы комбинированной подачи топлива 106
2.6. Результаты расчетов расхода топлива автомобилем, оснащенным комбинированной системой питания 113
2.7. Теория расчетов параметров системы подачи газа в двигатель 117
2.8. Теоретическая оценка влияния эксплуатационных факторов
на работу системы впрыска газа 144
2.9. Определение мощности для испарения сжиженного газа на различных режимах работы газобаллонного автомобиля 161
2.10. Теоретические основы и расчет технологических параметров процесса слива газа 167
2.11. Выводы 184
3. Методы и средства экспериментальных исследований двигателей и газобаллонных автомобилей при работе на сжиженном газе 186
3.1. Методы и средства исследования детонационной стойкости сжиженных газов 186
3.1.1. Установка для исследования детонационной стойкости сжиженных газов по моторному и исследовательскому методам. Программа и методика испытаний 188
3.1.2. Особенности оборудования моторной установки с двигателем ЗИЛ-375 для детонационных испытаний 199
3.1.3. Метод измерения интенсивности детонации при определении октановых чисел сжиженных газов 204
3.1.4. Графический метод определения детонационной стойкости смесей сжиженных газов 207
3.2. Методы и средства оценки влияния эксплуатационных факторов на состав топливовоздушной смеси 210
3.2.1. Особенности оборудования моторной установки с двигателями ЗМЗ-4062.10, ВАЗ-2101 210
3.2.2. Методика отключения компьютерной системы подачи бензина в период использования газовой системы питания 214
3.2.3. Система электронного управления впрыска газового топлива при непрерывной либо циклической подаче 217
3.3. Методы и средства экспериментального исследования комбинированных систем подачи топлив 227
3.3.1. Экспериментальное определение порога начала подачи высокооктанового компонента при комбинировании топлив 227
3.3.2. Сравнительные эксплуатационные испытания газобаллонных автомобилей с универсальной и комбинированной системами питания 230
3.4. Методы и средства экспериментального исследования газобаллонного автомобиля с системой дополнительного подогрева газа в условиях низких температур 237
3.4.1. Испытания газобаллонного автомобиля с системой подогрева испарителя охлаждающей жидкостью 239
3.4.2. Испытания газобаллонного автомобиля с системой электроподогрева газа 242
3.5. Методика определения нормативов технического обслуживания двухтопливных систем питания 250
3.6. Выводы 252
4. Результаты экспериментальных исследований газовой аппаратуры 254
4.1. Экспериментальные исследования детонационной стойкости сжиженных газов на установке ИТ9-2 и двигателе ЗИЛ-375 254
4.2. Результаты испытаний двигателя ЗМЗ-4062.10 с системой впрыска газа 260
4.3. Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний комбинированной системой питания 265
4.4. Результаты испытаний газобаллонного автомобиля с устройствами подогрева газа 272
4.5. Результаты определения нормативов технического обслуживания двухтопливных систем питания 280
4.6. Выводы 285
5. Разработка корректирующих воздействий по совершенствованию процесса эксплуатации газобаллонных автомобилей 286
5.1. Совершенствование универсальных систем питания газобаллонных автомобилей 286
5.2. Переоборудование универсальной системы питания в комбинированную 302
5.3. Повышение эффективности эксплуатации газобаллонных автомобилей в условиях низких температур 308
5.4. Технологические особенности и организация процесса слива сжиженного газа из автомобильных баллонов 313
5.5. Повышение безопасности эксплуатации газобаллонных автомобилей при заправке автомобильных газовых баллонов 322
5.6. Эффективность внедрения результатов исследования 328
5.7. Выводы 332
Основные результаты и выводы 333
Список использованных источников 336
- Автомобили, оборудованные эжекционными системами питания газовым моторным топливом
- Результаты расчетов расхода топлива автомобилем, оснащенным комбинированной системой питания
- Особенности оборудования моторной установки с двигателем ЗИЛ-375 для детонационных испытаний
- Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний комбинированной системой питания
Введение к работе
Актуальность проблемы. Автомобильный транспорт играет важнейшую роль в народном хозяйстве страны, являясь наиболее энергоемкой отраслью. В условиях рыночных отношений эффективность и бесперебойность его работы приобретает исключительно важное народнохозяйственное и социально-экономическое значение. Большая часть автомобилей оснащена бензиновыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Важной и сложной является задача снижения эксплуатационных затрат и загрязнения окружающей среды, особенно в крупных городах и промышленных центрах.
Одним из перспективных способов снижения эксплуатационных затрат и токсичности ДВС является их перевод на питание газовым моторным топливом (ГМТ). Во всем мире, и прежде всего в Европе, проблемы энергообеспеченности транспорта с каждым годом обостряются. Прогнозы аналитиков предусматривают перевод к 2020 году до 23 % автомобилей на альтернативные виды топлива.
При переводе бензинового ДВС на питание ГМТ имеет место незначительное снижение максимальной мощности, но при этом существенно снижается токсичность отработавших газов и почти вдвое сокращаются расходы на горюче-смазочные материалы. Сложилась практика переоборудования бензиновых ДВС для питания ГМТ в эксплуатации путем установки комплекта газобаллонного оборудования (ГБО), в результате чего 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 + газ). В настоящей работе рассматривается совершенствование процесса эксплуатации газобаллонных автомобилей (ГБА) с двухтопливной системой питания при использовании газа сжиженного нефтяного (ГСН) в ДВС с искровым зажиганием.
Существующие теоретические положения и методы перевода бензи-
10 новых ДВС на питание ГМТ, лежащие в основе разработки и эксплуатации ГБО, не учитывают взаимного влияния газовой и бензиновой систем питания. Вопрос возможности их совместного (комбинированного) использования с целью повышения надежности систем питания и совершенствования процессов эксплуатации ГБА при использовании ГМТ освещен недостаточно.
Применение газа в качестве моторного топлива исключает некоторые недостатки традиционных карбюраторных систем питания. Одновременно с этим появляются другие дефекты, обусловленные спецификой использования альтернативного топлива. Создание современных конструкций ГБО осуществляют преимущественно наиболее доступными эмпирическими методами, но при этом ГБО не всегда удовлетворяет современному техническому уровню. Недостаточно изучены вопросы протекания рабочих процессов и не отработаны методы расчетов перспективных вариантов ГБО, что не позволяет в полной мере реализовать потенциальные преимущества ГМТ.
Кроме того, при установке выпускаемого ГБО на современные автомобили с ДВС, оснащенными системой впрыска топлива, появляются дефекты смесеобразования и воспламенения рабочей смеси, обусловленные физико-химическими свойствами ГМТ. Дальнейшее решение комплекса проблем возможно в рамках концепции, сформулированной в настоящей диссертации.
Вопросу использования ГМТ в автомобильных двигателях и эксплуатации ГБА посвятили свои работы такие известные отечественные ученые, как Аронов Д.М., Воинов А.Н., Генкин К.И., Гольдблат И.И., Горшков С.А., Ерохов В.И., Коллеров Л.К., Колубаев Б.Д., Лукшо В.Н., Матиевский Д.Д., Мкртчан Я.С., Морев В.И., Мортиров О.А., Патрахальцев Н.Н., Самоль Г.И., Соколик А.С. и другие. Основоположниками научных основ эксплуатации автомобилей в суровых условиях Сибири являются такие известные ученые как Захаров Н.С., Крамаренко Г.В., Кузнецов Е.С., Резник Л.Г. и другие. Научные работы этих ученых составили базу предлагаемых мероприятий по
совершенствованию процессов эксплуатации ГБА и методов создания ГБО.
Создание современных конструкций ГБО, а также совершенствование методов ее исследований, представляет собой одну из важнейших и актуальных социально-экономических задач. Работа выполнялась при поддержке грантом № 1.2.97Ф по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук Министерства общего и профессионального образования РФ 1997-2000 г.г., а также при выполнении договоров по планам научно-исследовательских работ Министерства ЖКХ РФ, Министерства нефтяной и газовой промышленности СССР.
Целью диссертационной работы является совершенствование процесса эксплуатации ГБА с двухтопливной системой питания.
Объектом исследований является процесс эксплуатации ГБА, а предметом - рабочие процессы двухтопливной системы питания ГБА.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, компьютерного моделирования, корреляционного и регрессионного анализа; математические методы планирования эксперимента; теории вероятности и математической статистики при обработке результатов экспериментов с использованием пакета прикладных программ для ПЭВМ. В основу теоретических исследований положены закономерности сгорания углеводородных топлив в ДВС, гидравлические и газодинамические процессы испарения и тепло-массообмена газовых сред.
Обоснованность и достоверность основных выводов и рекомендаций подтверждена материалами экспериментальных исследований систем питания ДВС в стендовых, лабораторно-дорожных и эксплуатационных условиях с использованием контрольно-измерительной и газоаналитической аппаратуры, отвечающей современным метрологическим требованиям, поставленной цели и задачам исследования. Реализация основных результатов работы подтверждена актами внедрения и применяемой на практике нормативно-технической документацией, разработанной автором.
12 Научная новизна исследований состоит в:
разработке научно-обоснованной концепции и основ теории корректирующих воздействий совершенствования эксплуатации ГБА с двухтопливной системой питания;
разработке расчетно-аналитического метода определения детонационной стойкости смесей ГСН по условиям аддитивности и метода добавки ГСН в низкооктановые бензины;
разработке метода оценки интенсивности детонации при исследовании детонационной стойкости высокооктановых топлив по октановой шкале;
разработке математических моделей двухтопливной системы питания для эжекционных систем и систем впрыска;
установлении закономерностей взаимного влияния бензиновой и газовой систем питания, разработке методов повышения эффективности эксплуатации ГБА в условиях низких температур, корректировке нормативов технических воздействий на двухтопливную систему питания и мероприятий по повышению безопасной эксплуатации ГБА;
теоретическом обосновании уровня стабильности состава топливо-воздушной смеси (ТВС) в различных условиях эксплуатации ГБА для систем впрыска газа в двигатель;
разработке методов расчета технологических параметров слива газа из автомобильных баллонов и рекомендаций по совершенствованию их за-порно-предохранительной арматуры.
Практическая значимость заключается в использовании результатов исследований при:
- конвертировании бензиновых ДВС для работы на ГСН специализированного подвижного состава, занятого перевозкой в сфере городского жилищно-коммунального хозяйства, на городском пассажирском автотранспорте, легковых автомобилях личного и служебного пользования;
- организации серийного производства разработанных конструкций
13 ГБА по приказам министра ЖКХ РСФСР в 1988 и 1989 г.г. в объемах более 10 тыс. шт.;
разработке, утверждении МЖКХ РСФСР технических условий на установку газобаллонную СибАДИ-РЗАА и организации ее производства;
разработке и постановке на производство «Установки газобаллонной ГБА-2 СибАДИ» для автомобилей ВАЗ и ГАЗ;
сертификации газобаллонной аппаратуры для автомобилей ВАЗ в 2000 г. и для автомобилей ГАЗ в 2002 г.;
внедрении в практику эксплуатации предложенных вариантов модернизации существующих систем питания ДВС газом путем включения оригинальных узлов, в частности - дозирующе-экономайзерного устройства, позволяющего снизить токсичность выхлопных газов на переходных режимах и режимах холостого хода, а также комбинированного карбюратора-смесителя для обеспечения работоспособности в условиях высокогорья (в 1975 году автомобиль-газовоз АЦЖГ-5,8 на шасси ЗиЛ-130 с разработанной схемой питания ГСН был удостоен золотой, серебряной и 3-х бронзовых медалей ВДНХ СССР);
создании двухтопливных комбинированных систем питания ДВС, обеспечивающих повышение их надежности при эксплуатации и позволяющих эффективно использовать ГСН совместно с низкооктановым бензином или газовым конденсатом; технические решения защищены патентами РФ;
разработках методов инженерного расчета двухтопливных систем питания ДВС, а также дозирующих элементов системы электронного впрыска газа, газового редуктора нового поколения с электронной системой управления процессами топливоподачи, включающей обратную пневматическую связь;
разработке методов подогрева ГСН, обеспечивающих снижение затрат на топливо в зимних условиях эксплуатации;
определении нормативов трудоемкости и периодичности обслуживания двухтопливных систем питания ГБА, реализованных в автотранспорт-
14 ных предприятиях г. Омска;
- определении технологических параметров процесса слива ГСН из автомобильных баллонов, доработке конструкции их запорной арматуры и исполнения постов слива газа.
Основные результаты диссертационной работы внедрены и используются хозяйствующими субъектами различного уровня, а также в учебном процессе вузов и колледжей.
Апробация. Результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на коллегии Министерства ЖКХ РСФСР (1988 и 1989 г.г.); на коллегии Министерства нефтяного хозяйства СССР; на всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования автомобильного транспорта в условиях жаркого климата и высокогорных районов Таджикистана» (Душанбе, 1978); на республиканской научно-практической конференции по эксплуатации газобаллонных автомобилей Министерства ЖКХ РСФСР (Омск, 1989); на международном симпозиуме «Применение природного и сжиженного нефтяного газа на автотранспорте» (Киев, 1991); на международной научно-практической конференции «Город и транспорт» (Омск, 1996); на международной научно-технической конференции «Автомобильные дороги Сибири» (Омск, 1998); на IV Российской научно-технической конференции «Прогрессивные методы эксплуатации и ремонта транспортных средств» (Оренбург, 1999); на XXVII научно-технической конференции ААИ/МАМИ «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа» (Москва, 1999); на международной научно-практической конференции «Проблемы адаптации техники к суровым условиям» (Тюмень, 1999); на международной научной конференции, посвященной 70-летию образования СибАДИ «Современные проблемы транспортного строительства, автомобилизации и высокоинтеллектуальные научно-педагогические технологии» (Омск, 2000); на международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» (Тюмень, 2002); на шестой Российской научно-
15 практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных
системах» (Оренбург, 2003); на 1-ой Российско-германской конференции по безопасности движения (Омск, 2002); на 43-ей международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Севера» (Омск, 2003).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 61 публикации, в том числе - монографии, 2 брошюрах, 2 учебных пособиях для вузов, 2 методических указаниях, 32 научных статьях в журналах, 14 докладах на международных конференциях и симпозиумах, 5 авторских свидетельствах СССР и 3 патентах РФ.
На защиту выносятся:
научно-обоснованная концепция и основы теории корректирующих воздействий совершенствования процесса эксплуатации ГБА с двухтопливной системой питания;
теоретическое обоснование аддитивности смесей ГСН, экспериментальное определение детонационной стойкости индивидуальных углеводородов и их смесей; графоаналитический метод определения детонационной стойкости смесей ГСН и метод оценки уровня детонации при исследовании детонационной стойкости высокооктановых топлив по октановой шкале;
математические модели ГБА с двухтопливной системой питания для эжекционных систем и систем впрыска и соответствующие им конструкции; методика расчета основных параметров ГБО;
теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение обеспечения стабильности состава ТВ С в различных условиях эксплуатации ГБА для систем впрыска газа в двигатель; механизм стабилизации состава ТВС;
методы повышения эффективности эксплуатации ГБА в условиях низких температур; нормативы технических воздействий на двухтопливную систему питания ГБА;
теоретическое обоснование и расчет параметров технологического процесса слива ГСН из автомобильных баллонов; требования к конструктивным параметрам запорно-предохранительной арматуры автомобильных баллонов; рекомендации по организации постов слива;
комплекс практических рекомендаций по совершенствованию процессов эксплуатации ГБА с двухтопливной системой питания.
В прикладных исследованиях, отраженных в диссертационной работе, принимали участие аспиранты Бухаров Л.Н., Ёлгин А.П., Жигадло А.П., Рудских В.И., Трофимов А.В., Залознов И.П., Темирбаев P.M., Лисин В.А.
1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ЭКСПЛУАТАЦИИ
ГАЗОБАЛЛОННОГО АВТОМОБИЛЯ С ДВУХТОПЛИВНОЙ
СИСТЕМОЙ ПИТАНИЯ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Автомобили, оборудованные эжекционными системами питания газовым моторным топливом
По совмещению редуктора (редукторов) с испарителем (подогревателем) ГМТ системы делятся на те, у которых редуктор (редукторы) не совмещен с испарителем (подогревателем) и те, у которых редуктор (редукторы) совмещен с испарителем (подогревателем) ГМТ.
Системы с раздельным исполнением редуктора (редукторов) и испарителя (подогревателя) ГМТ имеют ряд недостатков и по этой причине практически используются в основном на грузовых автомобилях с ДВС большого рабочего объема. К недостаткам относятся - высокая металлоемкость конструкции, большие габариты и большое число соединений газопроводов, что снижает надежность системы питания в целом.
Системы, у которых редуктор (редукторы) совмещен с испарителем (подогревателем) отличаются компактностью, низкой металлоемкостью, малым числом соединений газопроводов и практически не "обмерзают" даже при переходе с питания жидким топливом на ГМТ при недостаточно прогретом ДВС. Эти преимущества привели к тому, что практически все системы питания ГМТ имеют редуктор, совмещенный с испарителем (подогревателем).
Исключения составляют системы для комплексного использования физико-химических свойств ГМТ /82/ в которых, как правило, испаритель (подогреватель) разделен на две секции - основную, используемую для охлаждения содержимого изотермического кузова автомобиля, и дополнительную - для окончательного испарения ГМТ. Причем дополнительная секция испарителя (подогревателя), как правило, совмещена с редуктором.
По способу управления составом ТВ С системы питания ГМТ можно разделить на системы с пневматическим, механическим, электронным и с комбинированным управлениями. Управление составом ТВС осуществляется, как правило, посредством дозатора, установленного между редуктором и смесителем.
Управление пневматикой (разрежением во впускном коллекторе двигателя) получило наибольшее распространение ввиду своей простоты и надежности. Однако этот способ при всех своих преимуществах не может обеспечить высокую точность дозирования топлива и стабильность состава ТВС. Эти качества не могут быть достигнуты ввиду того, что управляющий параметр является косвенным. Этот способ управления не обеспечивает компенсации изменения состава ТВС при изменении состава ГМТ и при изменении давления газа в емкости для хранения вследствие изменения температуры окружающей среды.
Механически управляемые системы также распространены достаточно широко ввиду своей простоты и надежности. Управление, как правило, сводится к изменению проходного сечения дозатора в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки /111/. Недостатки, свойственные данному способу управления, точно такие же, как и в случае с пневматически управляемыми системами подачи ГМТ.
Электронное управление в эжекционных газовых системах применяется в основном на режимах пуска для подачи предпусковой порции газа в ДВС, а также для прекращения подачи газа при остановке ДВС. Электронное управление подачей ГМТ также применяется при переводе на питание ГМТ ДВС, оснащенных системами впрыска бензина. Такие двигатели оснащены достаточным количеством датчиков для контроля текущего состояния двигателя и электронным блоком, управляющим работой системы впрыска жидкого топлива. В этом случае электронное управление дозатором ГМТ, который установлен между редуктором и смесителем, обеспечивает высокую точность дозирования и стабильность состава ТВС. Особенно эффективно применение электронного управления с применением обратной связи по составу ТВС (например, с использованием кислородного датчика). В этом случае работа системы практически не зависит от состава и давления ГМТ в емкости для хранения ГМТ. Но в отечественной практике массового использования ГМТ на автомобильном транспорте этот метод до настоящего времени применения не нашел.
Комбинированное управление подачей ГМТ также находит свое применение на практике. Как правило, сочетаются пневматическое и механическое управление, электронное и механическое. Соответственно преимущества и недостатки того или иного способа управления подачей ГМТ будут определяться свойствами той или иной системы управления и набором управляющих параметров. 3) По месту подачи ГМТ во впускном коллекторе ДВС (рис. 1.7). Подача ГМТ после дроссельной заслонки не имеет преимуществ по сравнению с подачей ГМТ до дроссельной заслонки, но при этом имеет место ряд недостатков. Ввиду того, что разрежение за дроссельной заслонкой обратно пропорционально расходу воздуха, дозатор должен иметь большой диапазон регулирования и, как правило, конструктивно сложен и с трудом поддается регулировке /111/. Обязательным условием является наличие диффузора. Это обусловлено тем, что при максимальной нагрузке ДВС и при полностью открытой дроссельной заслонке разрежение во впускном коллекторе практически падает до нуля (не считая незначительного сопротивления воздушного фильтра) и подача ГМТ при отсутствии диффузора прекратилась бы. Вышеуказанные причины определили почти полное отсутствие применения подобного способа подачи ГМТ. Подача ГМТ до дроссельной заслонки является более предпочтительной. Это обусловлено рядом причин. Разрежение в диффузоре, установленном до дроссельной заслонки, полностью определяется его конструкцией и расходом воздуха через него и непосредственно не зависит от степени открытия дроссельной заслонки. Это обеспечивает небольшую величину диапазона регулирования дозатора и, следовательно, простоту конструкции и настройки. Кроме того, при переводе на ГМТ карбюраторных ДВС во многих случаях можно обойтись без модернизации карбюратора, а ограничиться лишь установкой адаптера (диффузора со смесителем) на входе в карбюратор. 4) По типу используемого смесителя системы подачи ГМТ подразде ляются на смесители с постоянным сечением диффузора и переменным разрежением и на смесители с переменным сечением диффузора и постоянным разрежением /62,283/. Смеситель с постоянным сечением диффузора является аналогом расходомера воздуха, так как разрежение в нем пропорционально расходу воздуха через него. Чем больше расход воздуха через диффузор, тем больше разрежение в нем. Это разрежение передается по газопроводу через дозатор на редуктор, который в зависимости от разрежения увеличивает или уменьшает количество подаваемого ГМТ. Достоинства такого смесителя: высокая надежность, простота конструкции, отсутствие подвижных деталей. Наряду с этим данный тип смесителя имеет недостатки. Этот смеситель требует использования редуктора с высокой степенью чувствительности, что приводит к необходимости применения диффузора с малым сечением, что оказывает влияние на коэффициент наполнения цилиндров двигателя при больших расходах воздуха. В таких смесителях трудно добиться линейной зависимости разрежения в диффузоре от расхода воздуха через него, что, в свою очередь, требует применения коррекции состава ТВС по расходу воздуха. Кроме того, состав ТВС, приготовляемой смесителем, зависит от соотношения плотностей ГМТ и воздуха. Представляет также проблему настройка смесителя, встраиваемого в многокамерный карбюратор с последовательным открытием дроссельных заслонок.
Результаты расчетов расхода топлива автомобилем, оснащенным комбинированной системой питания
При малых расходах воздуха (0,003 кг/с - режим минимальных оборотов холостого хода) зависимость коэффициента избытка воздуха от температуры становится менее выраженной. Для газа, состоящего из 100% пропана, изменение температуры окружающей среды с -25С до 30С вызывает уменьшение коэффициента избытка воздуха всего с 0,93 до 0,92 (на 0,01 для редуктора с рычажной передачей) и увеличение с 0,86 до 0,91 (на 0,05 для редуктора без рычажной передачи). Для газа, состоящего из 100% бутана, изменение температуры окружающей среды с 20С до 30С практически не вызывает изменение коэффициента избытка воздуха для редуктора с рычажной передачей и без нее.
Уменьшение коэффициента избытка воздуха (обогащение ТВС) с ростом температуры окружающей среды объясняется увеличением давления в емкости для хранения газа. Увеличение давления в емкости для хранения газа (эквивалентно давлению на входе в редуктор) вызывает при неизменном расходе газа уменьшение хода клапана редуктора и сжатие пружины редуктора. Сжатие пружины клапана редуктора, в свою очередь, увеличивает развиваемое ею усилие и способствует увеличению давления на выходе из редуктора. Увеличение давления на выходе из редуктора вызывает увеличение расхода газа через дозатор и обогащение ТВС.
С увеличением расхода воздуха двигателем влияние температуры окружающей среды на коэффициент избытка воздуха увеличивается вследствие того, что при этом увеличивается ход клапана редуктора и изменение температуры окружающей среды а, следовательно, и давления в емкости для хранения газа вызывает большее перемещение клапана редуктора и соответственно большее изменение усилия пружины редуктора.
Для редуктора без рычажной передачи при низких расходах воздуха, как уже отмечалось выше, наблюдается даже увеличение коэффициента избытка воздуха с ростом температуры окружающей среды. Это объясняется тем, что при низких расходах газа ход клапана редуктора очень мал и поэтому с ростом температуры и давления газа в емкости влияние давления на лапан редуктора возрастает. Рост давления на входе в редуктор способствует закрытию клапана и уменьшению выходного давления редуктора. Уменьшение выходного давления редуктора способствует увеличению коэффициента избытка воздуха.
Изменение доли пропана в газовой смеси также оказывает значительное влияние на коэффициент избытка воздуха. При малых расходах воздуха (0,003 кг/с - режим минимальных оборотов холостого хода) изменение доли пропана в газовой смеси с 0 до 1,0 вызывает изменение коэффициента избытка воздуха с 0,82 до 0,92 (на 0,10 для редуктора с рычажной передачей) и с 0,77 до 0,91 (на 0,14 для редуктора без рычажной передачи) при температуре окружающей среды 30С. Для газа при температуре окружающей среды -15С, изменение доли пропана в газовой смеси с 0,6 до 1,0 вызывает увеличение коэффициента избытка воздуха с 0,89 до 0,92 (на 0,03 для редуктора с рычажной передачей) и с 0,83 до 0,86 (на 0,03 для редуктора без рычажной передачи).
При больших расходах воздуха (0,123 кг/с - режим максимальной мощности) зависимость коэффициента избытка воздуха от доли пропана в газовой смеси становится менее выраженной. Для газа при температуре окружающей среды -15С, изменение доли пропана в газовой смеси с 0,7 до 1,0 вызывает уменьшение коэффициента избытка воздуха с 1,08 до 1,06 (на 0,02 для редуктора без рычажной передачи) и практически не изменяет коэффициент избытка воздуха для редуктора без рычажной передачи. Для газа при температуре окружающей среды 30С, изменение доли пропана в газовой смеси с 0 до 1,0 вызывает сначала уменьшение коэффициента избытка воздуха с 0,92 до 0,91 (при доле пропана 0,2) а потом его увеличение до 0,94 (всего изменение на 0,02 для редуктора с рычажной передачей). В аналогичном случае для редуктора без рычажной передачи изменение доли пропана в газовой смеси с 0 до 1,0 вызывает сначала уменьшение коэффициента избытка воздуха с 0,95 до 0,91 (при доле пропана 0,3) а потом его увеличение до 0,97 (всего на 0,02).
Увеличение коэффициента избытка воздуха (обеднение ТВС) с ростом доли пропана в газовой смеси объясняется уменьшением массового расхода газа при увеличении доли пропана. Пропан, по сравнению с бутаном, имеет большее значение показателя адиабаты и газовой постоянной. Обеднение происходит, несмотря на то, что пропану требуется большее количество воздуха для сгорания, чем бутану, и, несмотря на то, что с увеличением доли пропана в газовой смеси увеличивается давление в емкости для хранения газа.
С увеличением расхода воздуха двигателем влияние доли пропана в газовой смеси на коэффициент избытка воздуха уменьшается вследствие того, что при этом увеличивается ход клапана редуктора и изменение доли пропана в газовой смеси а, следовательно, и давления в емкости для хранения газа вызывает большее перемещение клапана редуктора и соответственно большее изменение усилия пружины редуктора. В этом случае происходит компенсация обеднения, вызванного увеличением доли пропана в газовой смеси, за счет увеличения выходного давления редуктора при увеличении входного давления.
Изменение расхода воздуха двигателем также оказывает значительное влияние на коэффициент избытка воздуха. При наличии газовой смеси, содержащей 100% бутана, изменение расхода воздуха двигателем с 0,003 до 0,123 кг/с вызывает увеличение коэффициента избытка воздуха с 0,82 до 0,92 (на 0,10 для редуктора с рычажной передачей) и с 0,77 до 0,95 (на 0,18 для редуктора без рычажной передачи) при температуре окружающей среды 30С.
Особенности оборудования моторной установки с двигателем ЗИЛ-375 для детонационных испытаний
Для детального изучения детонационной стойкости смесей ГСН и газовых ДВС воспользуемся методикой ГОСТ 10373-6, предназначенной для исследования взаимосоответствия бензинов в бензиновых ДВС. Стендовые детонационные испытания дают наиболее достоверные результаты по сравнения с дорожными, которые тоже предусмотрены вышеупомянутым ГОСТ , так как при стендовых испытаниях возможно применение более точной контрольно-измерительной аппаратуры, что значительно повышает надежность получаемых результатов.
Для проведения таких испытаний была создана экспериментальная установка, общий вид которой приведен на рис. 3.1 /175/. Загрузка ДВС осуществлялась при помощи электротормозного устройства с балансирной машиной постоянного тока. Шунтовая обмотка балансира имеет независимое возбуждение с регулированием силы тока реостатами. Гашение вырабатываемой мощности производилось водяным реостатом. Балансирная машина снабжена весовой головкой типа ВКМ-32, с ценой деления 100 г. Изменение нагрузки ДВС осуществлялось с пульта при помощи реостатов. Для контроля за напряжением и силой тока на пульте установлены щитковые электроприборы. К свободному концу вага балансирной машины прикреплен датчик привода тахометра. Показывающий прибор тахометра типа ТЭ-204 вынесен на щит прибора. На переднем конце вала ДВС закреплен привод датчика хода осциллографа «Орион», необходимый для управления разверткой индикаторной диаграммы. Заданный тепловой режим ДВС поддерживался изменением проходного сечения вентилей на входе и выходе водяного, соединенного с водопроводом ресивера. Температура воды на входе и выходе контролировалась термометром с ценой деления 1С. Температура масла поддерживалась в заданном интервале пропусканием его через масляный радиатор, а давление контролировалось манометром с датчиком автомобильного типа. Температура ОГ контролировалась с помощью хромель-алюмелевых термопар и показывающего прибора типа ГР-3. Температуру входящей в цилиндры ТВС замеряли в канале впускного коллектора термометром с ценой деления 1С. Поскольку программой работы намечалось определить влияние температуры поступающего в ДВС воздуха на фактическую детонационную стойкость ГСН, то в уравнительном бачке впускного тракта для подогрева поступающего в ДВС воздуха был поставлен закрытый электроподогреватель на 127 вольт, мощностью 1,1 кВт. Сила тока регулировалась реостатами. На высоких скоростных режимах для поддержания постоянной заданной температуры воздуха приходилось включать калориферную установку для подачи горячего воздуха в пространство над воздушным счетчиком, тем самым достигалось постоянство первоначально установленной температуры воздуха до 70С на входе в ДВС практически на всех скоростных режимах.
Питание ДВС осуществлялось бензином или ГМТ. Подвод бензина осуществлялся через 4-х ходовой кран, при помощи которого подавалось топливо в ДВС из бака, мерного сосуда и весового устройства. При снятии детонационной характеристики ДВС вместо мерного сосуда подсоединялись емкости с эталонным топливами 70, 80, 90, 100 и 110 о.е. В промежутках переключения с одного эталонного топлива на другое питание ДВС осуществлялось от бака техническим изооктаном с октановым числом 90 о.е.
Система подачи ГСН состоит из баллона, весового устройства, испарителя, двухступенчатого редуктора МКЗ-НАМИ, газового смесителя СГ-250 и манометров для контроля общего давления ГСН в системе и давления во второй ступени редукторе Давление ГСН на входе в смеситель контролировалось с помощью водяного пьезометра. Замеры на установке производились с помощью автоматической схемы, описанной ранее для установки ИТ-9. Обороты воздушного счетчика и вала ДВС измерялись с помощью импульсных счетчиков СБМ-100, которые включались через соответствующие реле. Третий импульсный счетчик был включен через контакты реле в сеть переменного тока с частотой 50 Гц и выполнял функции электрического секундомера. Частота сети контролировалась с помощью частотомера Д-506 класса 0,2. Включение и выключение счетчиков осуществлялось автоматически в момент начала и конца расходования установленной дозы топлива. Общий вид и монтаж приборов схемы автоматики показан нарис. 3.8.
Кроме весового метода замер расхода ГСН контролировался объемным методом с помощью топливомера РТС, блок-схема которого приведена нарис. 3.9. Датчик топливомера РТС представляет собой вертушку на игольчатых подшипниках, встроенную в трубе 1, последовательно включенную в систему подачи ГСН в ДВС. На установившемся режиме колебания оборотов вала ДВС незначительны и показания топливомера стабилизируется, показывая мгновенный расход ГСН на данном скоростном режиме, который пере-считывался затем в часовой расход. В собранном виде прибор тарировался весовым методом и поэтому применялся, как контрольный.
Для снятия регулировочных характеристик ДВС по углу опережения зажигания необходимо производить замеры момента подачи искры в цилиндры, выраженного в градусах поворота коленчатого вала. Измерение производилось с помощью стробоскопа с синхронизацией сигнала индуктируемым напряжением в обмотке провода первого цилиндра, при прохождении по нему тока высокого напряжения. Точность замера данного способа находится в соответствии с требованиями ГОСТ на детонационные испытания двигателя и равна 0,5 п.к.в. Контроль за моментом наступления детонации в цилиндрах ДВС осуществлялся по индикаторным диаграммам осциллографа (рис. 3.10).
Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний комбинированной системой питания
ДЭУ 1 выполнено с выступом 2, который размещен в виде проставки между корпусом газовоздушного смесителя: корпусом 3 дроссельных заслонок 4 и корпусом 5 смесительных камер, в котором установлена воздушная заслонка 6. Газовоздушный смеситель подключен к трубопроводу подачи ГМТ из редуктора-регулятора давления (не показан) и выполнен с магистралью перепуска ГМТ из редуктора-регулятора в задроссельное пространство с установленными в ней регулируемым дросселем и ДЭУ. Это устройство содержит корпус 7, к которому прикреплен патрубок 8 подвода газа, патрубок 9, сообщающий с задроссельным пространством замкнутую полость, одна из стенок которой образована мембраной. Шток 10 соединен с мембраной 11, нагружен пружиной 12 и связан с дозатором 13 переменного сечения, который выполнен в виде гиперболоида вращения и сопряженного с ним цилиндра. Патрубок 8 прикреплен к выступу 2 двумя винтами 14 (рис. 5.2, 5.4) соосно с дозатором, внутри патрубка размещено неподвижное кольцо-жиклер 15 с экспериментально подобранным проходным сечением.
Выступ (проставка) 2 состоит из двух пластин: верхней 16 тонкой и нижней 17, и из внутренней прокладки 18. Магистраль перепуска газа на участке между ДЭУ и задроссельным пространством смесителя выполнена в виде каналов в выступе и в отсеке дроссельных заслонок. Один канал 19 выполнен в виде выфрезеровки в нижней пластине 17 и сообщен со смесительной камерой. Канал 20 соединен с эмульсионным колодцем 21, который служит для системой холостого хода при работе двигателя на бензине. На этот случай предусмотрен винт 22 регулировки качества горючей смеси.
При пуске ДВС дроссельная 4 и воздушная 6 заслонки прикрыты, в за-дроссельном пространстве создается разрежение, которое передается в вакуумную полость редуктора-регулятора и в полость ДЭУ, ограниченную мембраной 11. Клапан второй ступени редуктора (не показан) при этом открывается, заполняя объем второй ступени редуктора и патрубок 8 подвода газа. Под действием разрежения дозатор 13 втягивается, преодолевая сопротивление пружины 12, и газ проходит в смеситель через сечение, образованное кольцом-жиклером 15 и профилем дозатора 13. Профиль дозатора имеет форму гиперболоида (образован вращением гиперболической кривой), поэтому даже при пульсирующем перемещении дозатора 13, что наблюдается при проворачивании ДВС стартером, открывается проходное сечение для образования обогащенной горючей смеси, необходимой для запуска ДВС (рис. 5.3). Как только ДВС запустился, максимальное разрежение втягивает дозатор 13, проходное сечение уменьшается, дроссельная заслонка 4 прикрывается, воздушная заслонка б открывается, ГМТ поступает через фрезерованный канал 20 в эмульсионный колодец 21, образуя при этом обедненный состав горючей смеси. Устойчивая частота холостого хода достигается подбором проходного сечения канала 21 регулировочным винтом 22 и степенью прикрытия дроссельной заслонки.
При резком открытии дроссельной заслонки разрежение в задроссель-ном пространстве падает, воздействие его на мембрану 11 уменьшается, пружиной 12 диафрагма со штоком 10 и дозатором 13 возвращается в положение ближе к исходному (рис. 5.2). В ДВС поступает порция ГМТ через увеличенное проходное сечение канала, образованного кольцом-жиклером 15 и дозатором 13. Провала в работе ДВС при этом не наблюдается, так как требуемое количество ГМТ определено проходным сечением канала, образованного кольцом-жиклером 15 и дозатором 13, причем, по мере падения разрежения, уменьшается поступление ГМТ через канал 20 и увеличивается его поступление через канал 19 в смесительную камеру, Обратная картина получается при закрытии дроссельной заслонки 4. При полностью открытой заслонке, что соответствует режиму максимальной мощности (рис. 5.2), в задроссельном пространстве разрежение минимальное, пружина 12 возвращает мембрану 11 со штоком 10 и дозатором 13 в исходное положение, что соответствует максимальному проходному сечению и соответственно максимальному расходу ГМТ.
Устойчивая работа ДВС на всех режимах его работы с предлагаемой конструкцией обусловлена тем, что ДЭУ смонтировано на проставке, помещенной в зоне высокого разрежения смесительной камеры, и исключены соединительные шланги главной дозирующей системы и системы холостого хода, а требуемый расход ГМТ на всех режимах его работы определяется экспериментально подобранным диаметром кольца-жиклера 15 и гиперболической формой дозатора 13. При резких открытиях дроссельной заслонки не наблюдается переобогащения смеси и двигатель без «провалов» набирает обороты потому, что требуемое «местное» обогащение смеси, которое наблюдается в карбюраторе при работе на бензине от действия ускорительного насоса, в случае работы на газе определено переменной формой поперечного сечения дозатора: гиперболическая форма продольного сечения его дает именно нужную порцию обогащения. Дальнейшее перемещение дозатора рассчитано на получение экономичного состава ТВС, а при перемещении до цилиндрической формы — на получение обогащенного состава ТВС, необходимой для снятия с ДВС максимальной мощности.
Необходимость переменной формы поперечного сечения дозатора 13 обусловлена тем, что, как показывает анализ нагрузочных и скоростной характеристик ДВС, изменение мощности не пропорционально изменению разрежения во впускном трубопроводе. Характер изменения разрежения во впускном коллекторе компенсируется характеристикой пружины 12 ДЭУ, а расход ГМТ при этом — переменной формой поперечного сечения дозатора 13 и величиной его линейного перемещения. Чувствительность ДЭУ тем выше, чем больше ход дозатора 13. Как показывают исследования, чувствительность ДЭУ вполне удовлетворительна, если на изменение разряжения во впускном коллекторе ДВС на величину 30 мм ртутного столба ход дозатора 13 составляет 1 мм.
