Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 10
1.1 Виды газомоторных топлив применимых в сельском хозяйстве и их основные свойства 10
1.2 Анализ существующих двухтопливныхсистем питания 13
1.3 Цели и задачи исследования 23
2 Теоретические исследования технико-экономических показателей атс в условиях эксплуатации на бинарном газобензиновом топливе 25
2.1 Анализ закономерностей основных показателей работы двигателя атс в условиях снятия внешней скоростной характеристики 25
2.2 Анализ теплотворных свойств топлив, используемых при эксплуатации АТС 27
2.3 Теоретическое обоснование улучшения эксплуатационных показателей АТС за счёт применения бинарного газобензинового топлива 30
2.4 Выводы по главе 2 41
Общая методика и дополнительное оборудование при проведении экспериментальных исследований ...43
3.1 Методика проведения исследований 43
3.2 Экспериментальное оборудование 47
3.3 Разработка программно-вычислительного комплекса 56
3.4 Опенка погрешностей измерений 63
3.5 Выводы по главе 3 63
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 66
4.1 Анализ показателей функционирования двигателя в условиях регулировочных характеристик 66
4.1.1 Анализ показателей функционирования двигателя атс в условиях характеристики по углу опережения заж-гания 66
4.1.2 Анализ показателей функционирования двигателя атс в условиях характеристики по составу смеси 72
4.2 Анализ показателей функционирования двигателя атс в условиях нагрузочной и скоростной характеристики..78
4.2.1 Анализ технико-экономичсеких показателей и кон
центрации вредных веществ двигателя атс в зависимости от нагрузки 78
4.2.2 Анализ энергетических, топливно-экономических показателей и концентрации вредных веществ в зависимости от скоростного режима работы двигателя атс 85
4.3 Практическое применение и экономическая эффективность бинарного газобензинового топлива на атс 90
4.4 Выводы по главе 4 97
Общие выводы 99
Список использованной литературы
- Анализ существующих двухтопливныхсистем питания
- Анализ теплотворных свойств топлив, используемых при эксплуатации АТС
- Разработка программно-вычислительного комплекса
- Анализ показателей функционирования двигателя атс в условиях характеристики по углу опережения заж-гания
Анализ существующих двухтопливныхсистем питания
Предложения по смешению газообразного и жидкого топлива для питания ДВС впервые возникли в связи с необходимостью обогащения низкокалорийного генераторного газа в режимах максимальных нагрузок ДВС. В условиях эксплуатации АТС в сельском хозяйстве, оборудованного газобаллонным оборудованием смешивание двух видов топлива является актуальной задачей.
Вопросами работы АТС на газообразном топливе занимались многие учёные зарубежных стран и России. Темой использования газообразного топлива на автотракторной технике и повышения эксплуатационных и технико-экономических показателей при работе тракторов на газе занимаются учёные Саратовского СГАУ, в частности этой теме посвящен ряд работ, которые выполнены под руководством Володина В.В. [26...30]. Применением смесевых видов топлива на АТС в сельском хозяйстве занимаются учёные Вятской ГСХА под руководством академика Российской Академии транспорта, доктора технических наук, профессора Лиханова В.А.. Данные исследования направлены на снижение выбросов вредных веществ в отработавших газах в атмосферу, а так же на улучшение топливно-экономических показателей. Наиболее перспективными видами топлива, по мнению исследовате лей, являются смеси состоящие из дизельного топлива и спиртов, а так же смеси дизельного топлива и рапсового масла. Основными положительными сторонами применения данного вида топлива на ДВС являются:
Перечисленные отрицательные моменты делают внедрение систем питания двигателей на смесевом (спирт + дизельное топливо) топливе сложным в практике, поэтому на данный момент не получили широкого распространения.
Вопросами применения газообразного вида топлива на АТС занимались учёные Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева, в частности А.Н. Тихомиров. Были исследованы и разработаны различные системы подачи газообразного топлива, в двигатель позволяющие улучшать экологические и топливно-экономические показатели двигателей автомобилей, оборудованных стандартным газобаллонным оборудованием [36...41]. Из изобретений, посвященных проблеме обогащения генераторного газа, для автомобильных и тракторных установок заслуживает внимания немецкий патент фирмы «Дейтц» от 1933года [42-44].
В этом патенте описано устройство для обогащения смеси генераторного газа с воздухом путем впрыска бензина во всасывающий коллектор насосом, связанным кинематической связью с дросселем, управляемым педалью. Педаль, управляющая дросселем карбюратора, также кинематической связью связана (рычажной передачей) с бензиновым насосом. Рычаг на рулевой колонке служил для изменения с помощью золотника пропорции смеси генераторного газа с воздухом, а рычаг позволял управлять обогащением этой смеси путем впрыска бензина во всасывающий коллектор.
Помимо вышеописанного варианта обогащения генераторного газа, распространена была подача в камеру сгорания газогенераторов. Данная схема была внедрена немецким обществом «Карбонит», германский патент № 497258, кл.24е, опубликован в 1930г. Такой же способ обогащения описан в японском патенте № 87525, кл. 151/2, опубликован в 1931г. Этой же тематике посвящено исследование Научно исследовательского автомобильного и автомоторного института (НАМИ) в 1949 году, но эти патенты не обеспечивают достаточной мощности на режимах максимального крутящего момента и максимальной мощности [44].
Исследования подачи жидкого топлива в генератоный газ проводились в научном автотракторном институте (НАТИ) в связи с переводом на генераторный газ пятитонного грузовика Ярославского автозавода с двигателем ЗИС-5. Мощность двигателя ЗИС-5 при работе на бензине стала равна72 л.с, при переводе на генераторный газ автомобиль развивал мощность не более 48 л.с. и динамические свойства значительно снизились, что было недостаточно для преодоления момента сопротивления. Чтобы компенсировать потерю мощности в ЗИС-5 к генераторному газу добавляли определённую часть жидкого топлива - керосин, бензин, спирт. Исследования проводились под руководством инженера В. А. Колосова в лабораторных условиях и на автомобиле при эксплуатации на дорогах общего пользования. При работе на чистом бензине двигатель имел нормальную степень сжатия 4,6. Испытания с присадкой бензина производились при стандартной регулировке карбюратора «ГАЗ-Зенит». При исследованиях с добавкой керосина применялся уменьшенный диффузор 013 мм и изменялось сечение жиклера. Результаты испытаний при числе оборотов двигателя 2500об/мин с присадкой различных жидких топлив свелись к следующему: а) с присадкой к генераторному газу керосина двигатель развивал мощ ность до 67 л.с, т.е. на 8% меньше номинальной мощности на бензине; б) с присадкой бензина наибольшая мощность получалась равной 75л.с, или на 4% больше номинальной мощности на бензине; в) с присадкой спирта была достигнута максимальная мощность 85 л.с, или на 18% выше номинальной мощности на бензине. Смешение газообразных и жидких углеводородов в середине XX века проводилось в первую очередь с целью увеличения мощности ДВС, в частности в режиме кратковременных нагрузок (затяжные подъемы, бездорожье и т.п.). Позднее предложения по бинарным схемам питания АТС с конвертируемыми ДВС смесями жидких и газообразных топлив имели направление на увеличение экономичности и улучшение экологических показателей работы двигателей.
В мае 1984 года опубликован патент США № 4450821 американцев Скотта Венинга и Дениса Дисконта с описанием системы питания двигателей внутреннего сгорания на газобензиновой смеси. Изобретение направлено на экономию бензина путем замещения бензина газообразным топливом на различных режимах работы двигателя, данный вариант системы питания позволял снижать затраты на топливо, но не достигались оптимальные энергетические показатели что отрицательно влияет на выполнения транспортных работ [45].
Анализ теплотворных свойств топлив, используемых при эксплуатации АТС
Для преодоления нагрузок АТС, эксплуатируемые в сельском хозяйстве должны развивать оптимальный крутящий момент и эффективную мощность, так как на режимы работы максимальной нагрузки и крутящего момента приходится до 30%. В ходе проведения исследований были выполнены теоретические исследования для определения технико-экономических показателей АТС, работающего на бензине и газе, была построена внешняя скоростная характеристика двигателя автомобиля в диапазоне скоростного режима от максимального крутящего момента до максимальной мощности (рисунок 2.1). В этом диапазоне целесообразно применять бинарное газобензиновое топливо, так как мощность и крутящий момент при работе двигателя на газе уменьшается, компенсация потери мощности при работе на одном лишь газе происходит за счёт перерасхода газа, что приводит к увеличению общего часового расхода топлива, соответственно увеличиваются затраты на топливо[55...61].
Первоначально выполнены теоретические расчёты по определению технико-экономических показателей двигателя АТС, работающих на газообразном топливе и на бензине.
В условиях скоростной характеристики двигателя эффективная мощность может быть описана выражением:
Теплофизические и химические свойства топлив используемых на АТС в сельском хозяйстве проявляются при сгорании [62-65]. Это определяет зависимость параметров сгорания от свойств не только топлива» но и окислителя, поэтому следует говорить о параметрах сгорания не топлива, а смеси топлива с окислителем. В качестве окислителя рассматриваем воздух, который содержит 21 % кислорода и 79% азота по объёму.
Одним из преобладающих параметров, которые влияют на горение и могут охарактеризовать топливовоздушную смесь является соотношение в этой смеси топлива и воздуха. Для характеристики состава рабочей смеси используют коэффициент избытка воздуха а, который показывает отношение содержания окислителя в смеси с единицей массы или объема топлива LK его содержанию, необходимому для полного сгорания — Lo [66].
Теплота сгорания топлива — результат реакции полного сгорания, является одним из основных параметров топлива. Продукты сгорания топлива, выходящие из двигателя выше значительно температуры, при которой конденсируется водяной пар (100С), в расчетах сгорания применяют термин -низшая теплота сгорания, которая отличается от высшей теплоты сгорания на количество тепла, выделяющегося при конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания [67].
Для газообразных топлив теплоту сгорания обычно приводят на единицу объёма (мЗ или моль). Температура и давление газа, определяющие массу вещества, содержащегося в единице объёма. Теплота сгорания единицы массы топлива зависит от давления и температуры топлива. Расчеты показывают, что при изменении начальной температуры пропан-бутана от 0 до 600С теплота сгорания единицы массы изменяется примерно на 1%. Такие же результаты получены и для других топлив [68]. Поэтому зависимостью теплоты сгорания от температуры в теплотехнических расчетах рабочих процессов двигателей можно пренебречь. Влияние давления сказывается еще меньше, чем влияние температуры, и им также можно пренебречь.
Метана составляет 13175 ккал/кг [71-73], нужно принять, что плотность метана равна 0,71 кг/мЗ, то путем вычислений получаем, что энергия единицы объема метана (соотнесенная к мЗ) составляет 9354 ккал/мЗ.
Для реализации внедрения системы питания АТС на бинарном газобензиновом топливе необходимо предварительное проведение анализа динамических свойств двигателя, которые складываются из свойств каждого отдельного элемента, входящего в его структуру [74,75].
Одним из таких элементов является система питания, определяющая цикловую подачу топлива, на установившихся режимах работы и в переходном процессе, когда цикловая подача меняется во времени (от цикла к циклу)
Подача бинарного газобензинового топлива может быть синхронизирована по углу положения коленчатого вала или иметь постоянное, или переменное фазовое смещение в зависимости режима работы двигателя и внешних условий.
Полученные внешние скоростные характеристики изменения крутящего момента и эффективной мощности при работе двигателя на бензине взяты за основу при определении показателей автомобиля работающего на бинарном газобензиновом топливе
Данные внешней скоростной характеристики позволили определить теоретические цикловые расходы топлива при работе автомобиля на газе, бензине и бинарном газобензиновом топливе для различных скоростных режимов.
Разработка программно-вычислительного комплекса
Данные полученные в результате проведения исследований были обработаны полиноминальными линиями тренда по методу наименьших квадратов, это математический метод, применяемый для решения различных задач, основанный на минимизации суммы квадратов отклонений некоторых функций от искомых переменных [95-96].
Линии тренда позволяют наглядно показать тенденции изменения данных и помогают анализировать задачи прогноза. Такого типа анализ также называется регрессионным анализом. С помощью регрессионного анализа можно продолжить линию тренда на диаграмме, чтобы оценить значения, которые находятся за пределами фактических данных.
При добавлении линии тренда на диаграмму Microsoft Office Excel можно выбрать любой из следующих шести различных типов тренда или регрессии: прямые, логарифмические, полиномиальные, степенные и экспоненциальные линии тренда, а также линии тренда с линейной фильтрацией. Тип линии тренда, который следует выбирать, определяется типом имеющихся данных.
Линия тренда получается наиболее точной, когда ее величина достоверности аппроксимации близка к единице. При аппроксимации данных с помощью линии тренда значение величины достоверности аппроксимации рассчитывается приложением Excel автоматически. При необходимости полученный результат можно показать на диаграмме.
Полиномиальная линия тренда используется для описания величин, попеременно возрастающих и убывающих. Степень полинома определяется количеством экстремумов (максимумов и минимумов) кривой. Полином второй степени может описать только один максимум или минимум. Полином третьей степени имеет один или два экстремума. Полином четвертой степени может иметь не более трех максимумов или минимумов [96].
В следующем примере (рисунок 3.17) полиномиальная линия тренда второй степени (один максимум) описывает зависимость расхода топлива от скорости движения. Близкая к единице величина достоверности аппроксима ции (0,979) свидетельствует о хорошем совпадении кривой с данными. Построение полиномиальной или криволинейной линии тренда путем расчета точек выполнены методом наименьших квадратов.
При эксплуатации АТС в тяжёлых дорожных условиях сельского хозяйства важным фактором, влияющим на параметры работы двигателя, является угол опережения зажигания. Для определения оптимальных углов опережения зажигания при эксплуатации АТС на бензине и газе и оценки зависимости эффективной мощности и удельного расхода топлива от угла опережения зажигания была снята характеристика по углу опережения зажигания на газ, на бензине и на бинарном газобензиновом топливе (рисунок 4.1).
Характеристика по углу опережения зажигания при работе ДВС на бензине, газе и на бинарном газобензиновом топливе Часовой расход топлива GT на протяжении снятия всей характеристики постоянный, так как положение дроссельной заслонки неизменное и частота вращения коленчатого вала постоянная.
Оптимальным углом опережения зажигания для данного скоростного и нагрузочного режимов следует считать 32 п.к.в. до ВМТ при работе двигателя на бензине и 28-43п.к.в. до ВМТ при работе двигателя на газе, так как при этом достигается максимальная мощность Ne и минимальный удельный эффективный расход топлива ge (рисунок 4.1). Это совпадение объясняется тем, что эффективная мощность и удельный расход топлива имеют обратно пропорциональную зависимость при постоянном часовом расходе топлива, так как скоростной режим должен выдерживаться постоянным и положение дроссельной заслонки не меняется [97].
Из анализа данных графика можно сделать вывод, что при изменении угла опережения зажигания при работе двигателя на газе достигаются более оптимальные показатели, чем при работе двигателя на бензине. При работе на бензине проявляется чётко выраженный оптимальный угол опережения зажигания. Делая угол более ранним или поздним, резко снижается эффективная мощность и увеличивается часовой расход топлива. Данные, по которым строились графики, приведены в таблицах (приложение 1).
При позднем зажигании (менее 28) процесс сгорания смещается в сторону расширения. Более поздний процесс сгорания ведёт к снижению максимального давления цикла, так как увеличивается объем над поршнем к моменту окончания фазы быстрого сгорания, что и приводит к падению эффективной мощности Ne. Так же возрастает неполнота сгорания смеси, все это приводит к увеличению удельного эффективного расхода топлива ge и перегреву двигателя [98].
При раннем зажигании (более 43) большая часть смеси сгорает до ВМТ, это увеличивает потери энергии на сжатие частично сгоревшего заряда, которое находится под большим давлением, это отражается на увеличении противодавления до прихода поршня в ВМТ. Увеличение противодавления приводит снижению экономичности двигателя. При работе на бинарном газобензиновом топливе наблюдается сглаженность графиков, как при работе на газе, но при этом, увеличивается максимальная мощность и угол опережения зажигания изменяется в более широком диапазоне. Заштрихованной областью на графике обозначена зона наиболее оптимальных углов опережения зажигания.
Исследования, проведенные на двигателе с системой питания на различных видах топлива, показывают, что угол опережения зажигания незначительно влияет на изменение токсичных веществ. Только при чрезмерно позднем зажигании возрастает концентрация (СО) и углеводородов (СН) в отработавших газах. Повышение СО и СН объясняется характером зависимости концентрации кислорода 02 и С02 от угла опережения зажигания [99,100]. Уменьшение доли продукта полного сгорания — углекислого газа и увеличение количества кислорода в продуктах сгорания свидетельствует о том, что в выпускной системе не происходит полного сгорания углеводородов.
Анализ показателей функционирования двигателя атс в условиях характеристики по углу опережения заж-гания
В целом, несмотря на кажущееся малое влияние скоростного режима на концентрацию токсичных веществ в отработавших газах, их массовый выброс в единицу времени будет возрастать с повышением частоты вращения из-за увеличения часовых расходов топлива GT и воздуха Ge, а, следовательно, и выброса отработавших газов [128-129].
Сравнивая данные по токсичности отработавших газов при работе двигателя на бензине и на газе видно, что при работе на газе наблюдается снижение выбросов по всем показателям, СО снижается на 28%, по СН снижается на 55%, кроме углекислого газа, здесь наблюдается рост до 10%.
Для практической реализации экспериментальной системы питания АТС с двигателем работающем на бинарном газобензиновом топливе на одном из автопассажирских предприятий Нижегородской области МУП «Сос-новское ПАП» была внедрена экспериментальная система питания, работающая на бензине, газе и на бинарном газобензиновом топливе
Схема работает следующим образом: при открытии дроссельной заслонки до 80% работает газовая система подачи топлива. Газ из бака через вентиль и через фильтр подается к фильтру отстойнику, после чего направляется в газовую топливную рампу. При этом переключатель панели управления стоит в положении «газ». При открытии дроссельной заслонки больше 80% , датчик положения дроссельной заслонки автоматически включает подачу бензина, который подаётся к монофорсунке 20, которая подаёт бензин на каждый такт впуска. Данный режим соответствует либо максимальному крутящему моменту, либо максимальной мощности при полном открытии дроссельной заслонки. Таким образом, в дополнение подачи газа в цилиндр ДВС подается дополнительная порция бензина, что увеличивает теплотворную способность топлива и позволяет преодолевать режимы перегрузок без переключения на более низкую передачу.
При запуске двигателя и его прогреве в режиме транспортного средства, согласно правилам техники безопасности, осуществляется на бензине, при этом переключатель панели управления переводится в положение «бензин». Таким образом, предлагаемая схема позволяет эксплуатировать на АТС в сельском хозяйстве одновременно обе схемы топливоподачи - газовую и бензиновую. Вследствие чего, увеличивается топливная экономичность работы ДВС и снижается концентрация вредных веществ отработавших газов.
Стоимость перевоза груза на АТС на прямую зависит от того, сколько ему нужно топлива, а это в свою очередь зависит от многих факторов основными из которых являются объем двигателя и масса исследуемого АТС. Поэтому, современные разработки инженеров-технологов направлены на создание экономичных автомобилей. Более экономичными по сравнению с бензиновыми двигателями считаются газовые ДВС, которые устанавливаются в автомобиль и позволяют использовать помимо основного топлива еще и газ. Речь идёт о сокращении эксплуатационных затрат и себестоимости транспортной работы [130-138].
Так же важным фактором, влияющим на эксплуатационные и экономические показатели, является качество дорожного покрытия. Согласно ГОСТ Р 52398-2005, автомобильные дороги по транспортно-эксплуатационным качествам и потребительским свойствам разделяют на категории в зависимости от различных параметров. В основном в сельской местности дороги имеют 4-5 категорию «Дорога обычного типа (нескоростная дорога)» По данным одного предприятий Нижегородской области - МУЛ " Сос-новское пассажирское АТП " где в рамках реализации совместной программы регионального правительства, ЗАО «СИБУР Холдинг» и ОАО «Газпром газэнергосеть» заключили соглашение о сотрудничестве по расширению использования сжиженных углеводородных газов в качестве моторного топлива. В Нижегородской области было переведено 100 единиц АТС на газ, треть которых(29 АТС) находится в Сосновском районе Нижегородской области и в том числе в МУЛ «Сосновское пассажирское АТП». В течение всего периода оценивается экономический, социальный и экологический и эффект от применения газа в качестве моторного топлива. По данным мониторинга были получены следующие данные по расходу газа на АТС (ГАЗ-3302 с двигателем ЗМЗ-402.10)