Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ состояния вопроса и задачи исследования 7
1.1 Водород - дополнительное топливо для ЛВС . 7
1.2 Способы регулирования бензоводородных двигателей с внешним смесеобразованием . 9
1.3 Анализ устройств для дозирования и смешения бензоводородовоздушной горючей смеси 17
1.4 Задачи исследования 28
Глава 2. Расчётно-теоретические исследования характерис тик топливной аппаратуры 30
2.1 Расчётная схема 30
2.2 Планирование численного эксперимента 48
2.3 Влияние дросселирования карбюратора-смесителя на состав топливовоздушной смеси и энергетические показатели двигателя 60
2.4 Зависимости между взаимным открытием дроссельных заслонок и расхода водорода от угла открытия бензинового дросселя 62
2.5 Выводы 74
Глава 3. Разработка топливной аппаратуры 75
3.1 Разработка общей схемы топливной аппаратуры 75
3.2 Механизм управления дроссельными заслонками 79
3.3 Дозатор водорода 87
3.4 Узел смешения водородовоздушного и бензовоздуш-ного потоков 98
3.5 Устройство отключения подачи водорода . 100
3.6 Конструкция реализованной топливной аппаратуры 102
3.7 Выводы 116
Глава 4. Экспериментальные исследования опытных образцов топливной аппаратуры 117
4.1 Экспериментальная моторная установка и методика испытаний бензоводородной топливной аппаратуры 117
4.2 Погрешности измерений .»...,.„. 123
4.3 Результаты моторных испытаний. 127
4.4 Лабораторныз дорожные испытания бензоводородной топливной аппаратуры 144
4.4.1 Методика исследований и стенды для испытаний 144
4.4.2 Требования к автомобилям 145
4.4.3 Требования к измерительным участкам 146
4.4.4 Требования к измерительной аппаратуре. 146
4.4.5 Особенности получения показателей и характеристик по п. п. I - 7 146
4.5 Анализ экономической эффективности 164
4.6 Выводы 174
Общие результаты и выводы 176
Список использованной литературы
- Водород - дополнительное топливо для ЛВС
- Анализ устройств для дозирования и смешения бензоводородовоздушной горючей смеси
- Влияние дросселирования карбюратора-смесителя на состав топливовоздушной смеси и энергетические показатели двигателя
- Механизм управления дроссельными заслонками
Введение к работе
В современных условиях в результате высоких темпов развития транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания они стали одним из основных источников загрязнения ат -мосферного воздуха и основным потребителем моторных нефтяных топлив. На долю автомобильного транспорта приходится около 60 % всех вредных выбросов, поступающих в атмосферу крупных промышленных центров и около 20 % потребления добываемой нефти. Поэтому энерго-экологическая проблема автомобильного транспорта приобрела в настоящее время особую актуальность.
Решениями ХХУІ съезда КПСС на I960 - 1985 гг. намечено "...создавать принципиально новые виды транспортных средств, а также транспортные энергосиловые установки, обеспечивающие существенное сокращение расхода топлива и энергии." Вместе с тем "...необходимо совершенствовать методы повышения эффек -тивности мероприятий в области охраны окружающей среды, всемерно развивать экологию."/ I /
С начала 70-х годов в связи с обострившейся энерго-эко-логической ситуацией у нас в стране и за рубежом большое внимание уделяется использованию синтетических топлив, в частности водорода и водородоносителей как топлива для ДВС. Преимущества и недостатки водорода как самостоятельного топлива хорошо изучены на сегодняшний день. Применение его в чистом виде сдерживается трудностями, связанными с нарушением рабочего процесса при работе на смесях, близких по составу к сте-хиометрическому, сложностью топливной аппаратуры для двигателей с внутренним смесеобразованием и отсутствием ёмких способов аккумулирования водорода. / 2, 3 /
Более интересным и перспективным с точки зрения практи 5 ческого использования является применение водорода в качестве дополнительного топлива к бензину. Это направоение открывает реальную возможность для повышения КПД бензиновых автомобильных двигателей, существенного снижения расхода бензина а также уменьшения содержания токсичных компонентов в отра -ботавших газах. /4, 5, б /
Большой практический интерес представляет создание универсальной топливной аппаратуры, обеспечивающей работу двигателя как на смесях бензина с водородом, в соответствии с выбранным оптимальным законом регулирования, так и на бензине. Необходимость работы на бензине на данном этапе обус -ловлена отсутствием сети водородных заправочных станций.
Настоящая работа посвящена созданию и исследованию универсальной топливной аппаратуры двигателя, обеспечивающей оптимальное регулирование его при работе на двухкомпонентной топливной смеси и на бензине.
Разработаны физические и математические модели топлив -ной аппаратуры, что позволило выявить соотношения между её регулировочными параметрами, необходимые для обеспечения смешанного регулирования рабочего процесса при переменном коэффициенте избытка воздуха и переменном соотношении бензин-водород в топливовоздушной смеси.
Созданы опытные образцы топливоподающей аппаратуры. Проведен комплекс экспериментальных исследований их характеристик на моторных стендах, а также в дорожно-лабораторных и эксплуатационных условиях.
В результате проведенных исследований разработано не -сколько вариантов топливоподающей аппаратуры, на которые получено 5 авторских свидетельств СССР, патенты США и Франции.
Патентование проводится также в Англии, §РГ, Швеции и Японии. Топливная аппаратура награждена серебряной медалью ВДНХ УССР и дипломом II степени Всесоюзного конкурса молодых ученых "Экотехника-82".
Техническая документация топливной аппаратуры, разработанная в СКТБ ИПМаш АН УССР на основании проведенных иссле -дований, передана Минавтопрому для опытно-промышленного внедрения на микроавтобусах Рижского завода микроавтобусов.
Исследования проводились в соответствии с заданием Об и 08 Госкомитета по науке и технике при Совете Министров СССР "Создать и внедрить энергоаккумулирующие вещества ( ЗАВ) , включая гидриды, и разработать способы их применения, обеспечивающие малотоксичную и нетоксичную работу двигателей и энергоустановок" научно-технической проблемы 0.85.03 "Со -здать и внедрить в народное хозяйство эффективные методы и аппараты защиты воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами".
Работа выполнена в ИПМаш АН УССР. Ряд экспериментов был проведен в лаботатории каф. ДВС Харьковского автодорожного института им. Комсомола Украины, а также на Центральном на -учно-исследовательском полигоне в г. Дмитрове.
Водород - дополнительное топливо для ЛВС
Опыт показывает, что при традиционном питании двигателя бензином, как правило, попытки снижения токсичности отрабо -тавших газов приводят к ухудшению экономических показателей /7, 8 /. Токсичность и экономичность двигателей определяется составом смеси, то есть коэффициентом избытка воздуха ( ), а у бензиновых двигателей он ввиду узких концентрационных пределов воспламенения бензовоздушных смесей составляет от 0,8 до 1,2. Причем, для получения максимальной мощноти необходимо работать с ОС =0,85-0,9/9/, что приводит к недогоранию топлива и выбросам продуктов неполного сгорания ( окиси углерода СО и углеводородов ./5 ,) в атмосферу с отработавшими газами. При работе на средних нагрузках для обеспечения хороших экономических показателей двигатель питают смесью с оС =1-1,15. Сгорание такой смеси характеризуется образованием больших количеств окислов азота ( wDx )/8/. Снижение уровня токсичности бензиновых двигателей достигатеся применением дожигателей и нейтрализаторов отработавших газов. Это сложные и дорогостоящие приборы. Кроме того, их применение ведет к ухудшению экономичности двигателей. В целях уменьшения количества образующихся окислов азота используют рециркуляцию части отработавших газов. Однако, этот прием также. приводит к ухудшению экономических показателей двигателя / 7, 10 /.
Известно, что экономичность двигателя тем выше, чем больше коэффициент избытка воздуха. Этим обусловлены попытки увеличения коэффициента избытка воздуха путем применения различных способов смесеобразования, например, послойного или форкамерно-факельного. При этом на отдельных режимах можно добиться устойчивого протекания рабочего процесса прис= 1,7-2. Однако, обеспечить стабильность рабочего процесса в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя - задача необычайно сложная / 8 /.
Расширить пределы сгорания бедных бензовоздушных смесей представляется возможным за счет обогащения их водородом. Водород как моторное топливо обладает рядом уникальных свойств - широкими пределами воспламенения в смеси с воздухом (оС = 0,15 - 10 ), высокой диффузией ( до 0,6 см/с ), высокой ско ростью распространения фронта пламени ( до 2,70 м/с ) и очень низкой энергией воспламенения ( 0,02 Мдж )/11/.
Эти свойства при использовании водорода в качестве са -мостоятельного топлива с одной стороны позволяют реализовать качественное регулирование рабочего процесса, а с другой -приводят к его нарушениям, таким как обратные вспышки на впуске, детонационноподобное сгорание и высокая жесткость рабочего процесса при составах смеси богаче ОС = 1,5 / 2, 3, 12, 13, 14, 15, 15, 17 /.
В связи с этим высказываются опасения, что область со -ставов водородовоздушной смеси богаче Об = 1,5 не может быть реализована в водородном двигателе, а это приведет к значи -тельному снижению литровой мощности поршневого двигателя ввиду низкой объемной теплотворной способности водорода.
В то же время указанные свойства водорода могут быть использованы для инициирования процессов горения бедных бензо-воздушных смесей. Рядом исследований было показано, что даже незначительная добавка водорода ( около 5 % по массе ) к бен-щину способствует обеднению топлиБОвоздушной смеси до ОС = 2 / 3 /. Это дало толчок новому направлению в организации ра -бочих процессов ДВС с искровым зажиганием, которое базируется на идее использования бензоводородовоздушных смесей при переменном соотношении бензин-водород и различной степени обеднения в зависимости от нагрузки.
Анализ устройств для дозирования и смешения бензоводородовоздушной горючей смеси
Исходя из способа регулирования двигателя следует, что топливная аппаратура должна обеспечить работу двигателя в, заданных пределах по коэффициенту избытка воздуха С согласно формуле 1.2 ) с переменным соотношением бензин-водород в топ-ливовоздушной смеси ( согласно формуле 1.3 ). Кроме того она должна обеспечивать работу двигателя на базовом топливе ( бензине ), а также желательно, чтобы двигатель при установке на него топливной аппаратуры не подвергался переделкам.
Еторое из перечисленных требований необходимо учитывать в связи с тем, что пока нет сети водородозаправочных станций.
Наиболее простой является топливная аппаратура для ка -чественного регулирования мощности. На первом этапе работы над бензоводородным автомобилем нами была создана топливная аппаратура, обеспечивающая качественное регулирование мощности двигателя / 32 /. Первичная камера I ( рис. 1.7 ) этой аппаратуры с двумя диффузорами 9 и 10 представляет собой бен-зовоздушный карбюратор со всеми необходимыми системами С кроме холостого хода ), а вторичная 2 является водородовоздуш -ным смесителем. Во вторичной камере расположена водородная форсунка 3, соединенная с верхней ( водородной ) полостью 7 корректора расхода водорода 8. Нижняя полость 5 корректора отделена от верхней мембраной б с дозирующей иглой и соединена трубопроводом Ч с вторичной камерой 2. Схема топливной аппаратуры для качественного регулирования мощности двигателя Такая топливная аппаратура работает следующим образом: при закрытой заслонке 12 воздух, поступающий в двигатель, проходит только через вторичную камеру 2, где смешивается с водородом, поступающим из форсунки 3. Так можно обеспечить режим холостого хода на водородовоздушной смеси. При открытии заслонки 2 через первичную камеру I начинает поступать воздух, а из главной дозирующей системы II - бензин. Водород продолжает поступать во вторичную камеру. Оба потока смеши -ваются во впускном коллекторе. Регулирование расхода водорода в зависимости от скоростной и нагрузочной характеристик происходит следующим образом: разрежение через трубопровод Ч подается в нижнюю камеру 5 корректора, воздействуя на мемб -рану б и связанную с ней иглу, причем при открытии дросселя 12 скорость потока воздуха в камере 2 падает, разрежение уменьшается и игла уменьшает проходное сечение для подачи водорода, расход водорода уменьшается. При изменении скоростного режима ( при фиксированном положении дросселя 12) например, в сторону увеличения, скорость потока воздуха через камеры I и 2 возрастает, разрежение на диффузоре камеры 2 увеличива -ется, мембрана опускается, расход водорода возрастает, под -держивая постоянным CL для данной нагрузки.
Понятно, что водород можно подавать и по-другому, оставляя неизменным бензовоздушный карбюратор и канал для подачи дополнительного воздуха. Известны, например, системы / 33, 34 /, в которых водород подводится в зону впускного клапана либо через проточку в клапане, либо по специальному трубо -проводу с золотником ( рис. 1.8 и 1.9 ). Роль золотника мо -жет выполнять клапан /35/( рис. 1.10 ). Эти системы обеспечивают цикловое дозирование водорода и позволяют впускать водород на такте всасывания. В ряде работ /15, 36 / предлагается подавать водород непосредственно в цилиндр двигателя, то есть обеспечить внутреннее смесеобразование по ЕОдороду. Дозирование водорода осуществляется либо изменением время-сечения дозирующего органа при постоянном давлении, либо изменением давления водорода при неизменном время-сечении.
Для управления дозирующим органом авторы работы / 37 / предлагают воспользоваться дизельным топливным насосом.
Следует отметить, что устройства для подачи водорода, описанные в / 33, 34, 35, 36, 37 / требуют изготовления специальных сложных и дорогостоящих узлов, находящихся в головке цилиндра ДВС.
Вернемся к топливной аппаратуре, показанной на рис. 1.7. Как уже отмечалось, она предназначена для качественного ре -гулирования мощности. Для получения максимальной мощности необходимо работать с сС = I - 1,05, а как показали ис -следования описанного устройства это возможно только, когда бензовоздушный смеситель настроен на приготовление смеси с оС- 0,6. При использовании бензовоздушного смесителя с сС = 0,9. то есть стандартного карбюратора и выборе проходного сечения для дополнительного воздуха по условию работы на режиме полной нагрузки с Ы. =1-1,05 (на бензоводороде ) устройство обеспечивает работу двигателя по зависимости, при -веденной на рис. I.II. Из рисунка видно, что закон регулирования не совпадает с рекомендованным по формуле 1.2.
Влияние дросселирования карбюратора-смесителя на состав топливовоздушной смеси и энергетические показатели двигателя
На базе математической модели процессов массообмена в структурной схеме карбюратора-смесителя с применением метода планирования численного эксперимента были проведены расчеты состава топливовоздушной смеси и среднего индикаторного дав -ления при различных уровнях дросселирования обеих камер. Среднее индикаторное давление fy расчитывалось по известной формуле / 29 Как видно из формулы С 2.64) внесенное в двигатель тепло суммируется из тепла, внесенного бензином и водородом. Неиз -вестный в этой формуле КПД ( fc ) нами принят соответствую -щим смешанному регулированию по рис 1.5 как функция коэффициента избытка воздуха и может быть аппроксимирован следующим выражением:
Для расчета состава смеси и среднего индикаторного давления в зависимости от углов открытия дросселей ( d/ и /#л ), частоты вращения вала двигателя ( А ) и расхода водорода (w) была составлена программа для ЭВМ БЭСМ-б.
Результаты расчета для нескольких скоростных режимов при ведены на рис. 2.9 - 2.II в виде линий уровней Р и оС в координатах j$f и j8z при постоянном расходе водорода &# = 0,3 кг/ч. Из рисунков видно, что скоростной режим работы дви -гателя не существенно влияет как на сС , так и на / (пунк -тирные ) при постоянном расходе водорода.
Принятые нами зависимости регулирования связывают сС , Pi , V по формулам ( 1.2 ), ( 1.3). В поле Д, tj$z (рис.2.9 - 2.II) можно было бы нанести точки, соответствующие закону регулирования, если пренебречь тем, что соотношение бензин-водород в смеси должно быть переменным. Б этом случае была бы получена зависимость между углами открытия дросселей j3f w/z обеспечивающая изменение &С в соответствии с формулой (1.2), но при постоянном расходе водорода. С изменением расхода водорода линии уровней &С и / в поле jS/ и / будут сдвинуты. На рис. 2.12 показаны поля сС в пространстве J&z # для углов открытия водородного дросселя / = 5, 6-f = 25 , уб/ - 75 .
Анализ рис. 2.12 показывает, что с увеличением расхода водорода ( Qu ) коэффициент избытка воздуха уменьшается, причем это уменьшение тем существеннее, чем больше угол от -крытия водородного дросселя (/?/ ), что подтверждает вывод о невозможности определения на основании рис. 2.9 - 2.12 за -висимости между открытием дросселей, обеспечивающей принятый закон регулирования.
Решение осуществлялось численным методом поиска некоторой функции двух переменных ( у#/ и ц ). При этом частота вращения вала двигателя в процессе решения изменялась в пределах 2000 мин -Т Т 3000 мин с шагом 500 мин , а интервал варьирования угла поворота бензинового дросселя составлял 75 при минимальном значении 0 с шагом 5 .
Функцией, имеющей минимум при выполнении условий смешанного регулирования ( формулы ( 1.2 ) и ( 1.3 )), была выбрана следующая эмпирическая зависимость, применение которой обес -печивало высокую скорость решения системы уравнений
Здесь "Y и вычислены по формулам (2.46 ) и ( 2.45 ) с использованием формул ( 2.59), ( 2.60 ), ( 2.63 ), а УІУІОІІ по формулам ( 1.3 ) и ( 1.2 ) с использованием ( 2.60 ), (2.63), ( 2.64 ), ( 2.65). Величина Pomatf» входящего в формулу ( 2.64), предварительно задавалась по рис. 2.9 - 2.II и корректировалась в ходе расчета. Значение С# подбиралось в ходе расчета из условия несовпадения ОС и (Х1 не более чем на 5 % Кратко суть поиска 4 и Qu заключается в следующем: по заданным » А » н и вычислялись fr, -, и , а также Д-и р . Затем по найденному значению /? определял-ся oCf , а по cf - Г. Изменяя f и fy, добивались равен ства d. с Л, и V с # . Задача была решена численным методом - "модифицированным методом Пауэла" ( ММП ) по про -грамме, описанной в / 67 /. Ниже ( рис. 2.13 - 2.16 ) приве -дена блок-схема программы для вычисления .Д/ и // по известным и ft , удовлетворяющим условиям смешанного регулирования. Программа реализована на ЭВМ БЭСМ-б.
На рис. 2.17 показаны зависимости взаимного открытия дроссельных заслонок водородной и бензиновой камер и зависи -мости подачи водорода от угла открытия бензиновой камеры. Открытие камер и подача водорода, как показано на рис. 2.17 теоретически обеспечивает смешанное регулирование рабочего процесса двигателя. Видно, что для каждого скоростного режима необходима своя зависимость взаимного открытия дросселей, причем, если принять эту зависимость неизменной, то с ростом частоты вращения вала двигателя рабочая смесь будет обогащаться на режимах больших нагрузок / 68 /. Пунктирной линией показана за -висимость между взаимным открытием дросселей, полученная экс -периментально и обеспечивающая соотношение между оС и Р по формуле ( 1.2 ). Среднеквадратическое несовпадение кривых составляет 0,043. Среднеквадратическое несовпадение кривых расчитывалось по формуле
Механизм управления дроссельными заслонками
В соответствии с проведенными теоретическими исследова -ниями принятый способ регулирования двигателя может быть pea -лизован только в случае изменения проходных сечений как бен -зинового карбюратора, так и водородовоздушного смесителя по вполне определенной зависимости. В случае применения заслонок для изменения проходных сечений карбюратора и смесителя возникает необходимость в разработке специального механизма привода заслонок.
Один из вариантов задающего механизма представляет со -бой ( рис. 3.3 ) пневматический привод дроссельной заслонки водородовоздушного смесителя, подобный показанному на рис.1.14 / ЧЧ /. В простейшем случае исполнения такого механизма управление карбюратором I осуществляется с помощью системы рычагов или тросов от педали акселератора 2, либо другого, заменяющего её устройства. При этом управление заслонкой 8 водородовоздушного смесителя осуществляется разрежением на диффузоре бензинового карбюратора с помощью мембранной коробки 7. Понятно, что если канал Ч, соединяющий мембранную коробку 7 с диффузо -ром карбюратора I неразрывный, то положение мембраны и связанной с ней заслонки 8 прямо будет зависеть от разрежения на диффузоре карбюратора I. Из рис. 2.17 видно, что по мере открытия заслонки карбюратора ( /Sz ) заслонку водородовоздушного смесителя первоначально необходимо открывать, а затем при крывать. То есть необходимо, чтобы функция разрежения бензиновой камеры имела экстремум. На рис. 3.4 показано влияние поворота бензиновой заслонки ( /32 ) и скоростного режима ( л ) на давление в бензиновом карбюраторе при выполнении закона поворота заслонок, указанного на рис. 2.17.
Анализ рис. 3.4 показывает, что давление на диффузоре в бензиновом карбюраторе монотонно уменьшается с увеличением угла открытия бензиновой заслонки, а значит сигнал по давлению в карбюраторе не может быть использован. Но давление в бензиновом карбюраторе существенно зависит от скоростного режима работы двигателя и, если преобразовать это давление по пути к мембранной коробке так, чтобы получить изменение его с минимумом при открытии заслонки ( jBz ) Д половины её наи -большего открытия, то можно скорректировать закон взаимного открытия заслонок так, чтобы мембранный механизм отслеживал положение заслонки водородовоздушной камеры по нагрузочному режиму в соответствии с рис. 2.17. Сигнал на мембране может быть изменен с помощью двух жиклеров 5 и б, установленных так, как это показано на рис.3.3. Одни из них представляет собой жиклер переменного сечения 5, которое зависит от угла поворота заслонки бензинового карбюратора. Сечение жиклера 5 изменяется таким образом, чтобы давление, подаваемое на мембрану от бензинового карбюратора, начиная примерно с половины хода бензиновой заслонки, уменьшалось, то есть сечение жиклера 5 увеличивалось.
Анализируя разработанный механизм, задающий взаимное положение заслонок, можно сделать вывод, что он сложен из-за наличия жиклера переменного сечения, но привлекателен тем, что осуществляет коррекцию закона взаимного открытия дросселей по скоростному режиму. При использовании двухкамерного бензинового карбюратора с последовательным открытием камер необходимость в жиклере переменного сечения может отпасть, так как в таком карбюраторе давление в первичной камере уменьшается по мере открытия заслонки первичной камеры, затем, когда в работы вступает вторичная камера, давление в первичной камере стабилизируется, а затем начинает незначительно увеличиваться ввиду перераспределения потоков воздуха между первичной и вторичной камерами. ( Следует отметить, что закон взаимного открытия дросселей первичной камеры карбюратора и водородовоздушного смесителя при использовании двухкамерного карбюратора с последовательным открытием камер и однокамерного водородовоздуш -ного смесителя будет отличаться от приведенного на рис. 2.17. Закон взаимного открытия для такого случая может быть получен путем несложного пересчета при условии, что отношения проходных сечений бензовоздушного и водородовоздушного каналов для каждой пары взятых значений углов открытия водородного и бензинового дросселей останутся неизменными.)
На рис. 3.5 / 72 / показан механический задающий меха -низм в виде кулачковой пары. Е этом случае на оси заслонки 3 бензинового карбюратора I ( рис. 3.5) устанавливается кула -чок 4, по которому перекатывается ролик 5 коромысла б, жестко связанного с осью заслонки 7 водородовоздушного смесителя 8. Профиль кулачка выбран таким, чтобы обеспечить взаимный закон открытия дросселей по рис. 2.17.
