Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования...?
1.1. Улучшения топливных и экологических показателей двигателя ,6
1.2. Газ как альтернативное топливо 11
1.3. Особенности работы двигателя с предкамерой 15
1.4. Анализ газовых систем питания 22
1.5. Особенности рабочих процессов при использовании сжиженного нефтяного газа 26
1.6. Анализ экологических и экономических параметров 28
Задачи исследований 30
2. Расчетно-теоретическое обоснование интенсификации процесса сгорания пропан-бутановых смесей в автомобильном двигателе с искровым зажиганием за счет применения предкамеры 32
2.1. Математическая модель оптимизации конструктивных параметров предкамеры автомобильного двигателя с искровым зажиганием 32
2.2. Тепловой расчет автомобильного двигателя с модернизированной системой питания при работе на пропан-бутановых смесях 43
2.3. Расчетыо-теоретическое обоснование конструктивных параметров модернизированной системой питания автомобильного двигателя с искровым зажиганием 56
2.4 Метод интенсификации процесса сгорания пропан-бутановых смесей в автомобильном двигателе с искровым зажиганием за счет
применения предкамеры 58
Выводы 59
3. Методика экспериментальных исследований и при меняемое оборудование 60
3.1 Общая методика исследований 60
3.2 Методика модернизации системы питания автомобильного двигателя с искровым зажиганием „61
3.3 Методика определения индикаторных показателей модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием 62
3.4 Методика экспериментальных исследований топливных и экологических показателей модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием при работе на пропан-бутановых смесях 64
3.5 Экспериментальная установка и применяемое оборудование 67
3.6 Обработка результатов испытаний. Погрешность измерений 74
4. Результаты экспериментальных исследований по-улучшению топливных и экологических показателей автомобильного двигателя с искровым зажиганием путем перевода на альтернативное топливо 81
4.1 Модернизация системы питания автомобильного двигателя с искровым зажиганинем 81
4.2 Результаты экспериментальных исследований оптимизированных конструктивных параметров предкамеры 81
4.2.1 Результаты экспериментальных исследований индикаторных показателей модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием 82
4.2.2 Результаты экспериментальных исследований топливно-экономических показателей модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием при работе на пропан-бутановых смесях 84
4.2.3 Результаты экспериментальных исследований по улучшению экологических показателей модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием при работе на пропан-бутановых смесях 87
Выводы
5. Реализация результатов исследований и их технико- экономическая эффективность 90
Общие выводы и рекомендации 94
Литература 96
Приложение 104
- Улучшения топливных и экологических показателей двигателя
- Математическая модель оптимизации конструктивных параметров предкамеры автомобильного двигателя с искровым зажиганием
- Методика модернизации системы питания автомобильного двигателя с искровым зажиганием
- Модернизация системы питания автомобильного двигателя с искровым зажиганинем
Введение к работе
Современное двигателестроение является основной энергетической базой транспортных установок и сталкивается с двумя взаимосвязанными проблемами - истощением нефтяных запасов и, загрязнением воздушного бассейна планеты из-за токсичных выбросов с отработавшими газами (ОГ). Использование альтернативных топлив в той или иной мере позволяет решить эти проблемы.
Применение газового топлива позволяет не только сократить расход нефти на производство моторных топлив, но и существенно снизить содержание токсичных веществ в отработавших газах автомобилей. Сравнение традиционного топлива (бензина) с природным газом (пропан-бутановая смесь) по содержанию токсичных веществ в ОГ показывает, что интегральная экологическая опасность (ИЗО) для бензина почти в 100 раз выше, чем для газового топлива. При этом основной вклад в ИЗО вносит содержание бенз-а-пирена, но даже без этого фактора ИЗО для бензина в 2 ... 3 раза выше ИЗО газовых топлив [3].
Перевод любого двигателя на газовое топливо обеспечит выполнение требований ЕВРО - 2 по содержанию токсичных веществ в ОГ. Доказана принципиальная возможность создания автомобильного транспорта, работающего на газовом топливе с низкой, ультранизкой и нулевой эмиссией токсичных веществ с ОГ [3].
По мнению Мирового совета по энергии до 2020 г. природный газ представляется как самое технологически подготовленное альтернативное топливо для ДВС, требующее минимальных затрат на его переоборудование с жидкого топлива на газообразное. При этом мощность двигателей может быть сохранена, экономичность увеличена, а содержание токсичных составляющих в ОГ - уменьшено до норм Евро-3 [3].
Улучшение экологических показателей (решения задачи по выполнению норм ЕЭК ООН по токсичности Euro 3 и Euro 4) при сгорании бензина в ДВС с искровым зажиганием в настоящее время не возможно без
применения нейтрализаторов ОГ [26, 35]. Как показывают исследования[14, 54] снижение токсичности возможно применением альтернативного вида топлива [2], что требует дальнейшего исследования.
Одним из направлений снижения содержания вредных веществ в отработавших газах и улучшения топливно-экономических показателей автомобильных двигателей является дальнейшее совершенствование рабочего процесса путем применения альтернативного топлива и модернизации системы питания двигателя. Цель работы
Целью данной работы является улучшение топливных и экологических показателей работы автомобильного двигателя с искровым зажиганием путем интенсификации процесса сгорания альтернативного топлива. Научная новизна работы
Метод интенсификации процесса сгорания ПБС в автомобильном двигателе с искровым зажиганием за счет применения предкамеры.
Комплекс математических моделей, позволяющих оценить влияние конструктивных параметров предкамеры автомобильного двигателя на его топливные и экологические показатели при работе на ПБС.
Практическая ценность работы:
Система питания модернизированного автомобильного двигателя, обеспечивающая снижение энергии воспламенения ПБС в предкамере от искрового зажигания.
Комплекс конструктивных решений, позволяющих оценить влияние параметров предкамеры на топливные и экологические показатели работы автомобильного двигателя на ПБС.
Сравнительные индикаторные показатели автомобильного двигателя с искровым зажиганием при работе на ПБС.
Рекомендации по улучшению основных показателей работы автомобильного двигателя с использованием ПБС.
1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования
Улучшения топливных и экологических показателей двигателя
Среди источников энергии XXI века важнейшая роль отводится поршневым двигателям внутреннего сгорания. Поршневые двигатели в настоящее время занимают господствующее положение в транспортной энергетике, и их общая мощность в несколько раз превышает установленную мощность всех электростанций. [25, 6]
В цилиндре двигателя химическая энергия топлива преобразуется в тепловую, а затем в механическую на KB (коленчатый вал), совершает полезную работу. Эффективный КПД, в современных бензиновых двигателях достигает 25-33%, в дизелях 35-40%, в газовых двигателях 23-30%. [15,30,55,68].
Совершенствования рабочих процессов, конструкции и технической эксплуатации для решения проблемы повышения топливной экономичности и экологической безопасности, поршневых ДВС является актуальной.
Усовершенствование организации рабочего процесса возможно путем увеличения значений индикаторных показателей и снижения затрат мощности на механические потери.
Повышение индикаторного КПД возможно за счет улучшения процессов смесеобразования и сгорания топлива, улучшения характеристик топливоподачи, совершенствования процесса газообмена, сокращения по ч терь теплоты в процессах сгорания и расширения и т.д. [1,11,30, 64, 65].
Влияние смесеобразования на работу двигателя не однозначно. Работа двигателя на бедных смесях сопровождается снижением температуры пламени и увеличенной потерей тепла в стенки цилиндра. Вместе с тем происходит более полное сгорание топлива. По другим источникам [55] использование бедных смесей связано с ухудшением условий поджигания заряда, снижением скорости и полноты его сгорания. Увеличение степени сжатия (е) способствует эффективному сгоранию бедных смесей и известно давно [7, 8]. Турбулизация заряда является средством подавления детонации и в совокупности с высокой є позволяет существенно улучшить топливную экономичность (ТЭ) [48]. Ухудшение условий воспламенения бедных смесей обусловлено увеличенной теплоотдачей от очага зажигания, превосходящей в ряде случаев теплоту сгорания [13]. Повышение температуры заряда позволит снизить теплоотдачу фронта пламени.
Допустимые значения по условиям устойчивой работы и антидетонационной стойкости двигателей коэффициент избытка воздуха (а) и є в современном двигателе показано на рис. 1.1 [48]. С повышением є граница неустойчивой работы двигателя смещается в сторону обеднения смеси. Введение турбулизации заряда сопровождается повышением антидетонационных свойств двигателя и смещением предела устойчивой работы в область более бедных смесей.
Обеднение горючей смеси до а =1,0..1,1 сопровождается возрастанием максимума NOx при умеренном содержании СО и СН в ОГ. Дальнейшее обеднение смеси соответствует уменьшению выбросов СО. умеренному выбросу NOx и повышенному содержанию СтН„. Кинетика образования NOx может быть объяснена с помощью модели Я.Б. Зельдовича. Модель позволила провести параметрический анализ различных характеристик двигателя при оптимальном регулировании угла опережения зажигания [38].
Она учитывала три этапа: пограничную зону, сгоревшую и несго-ревшую части заряда. Разбавление смеси рециркулирующими газами вызывает замедленное ее сгорание, повышение циклической нестабильности и уменьшение индикаторного КПД О/, )(рис. 1.3).
Максимальный выброс NOx соответствует а= 1,05 при отсутствии в свежем заряде рециркуляционных отработанных газов (РОГ). Обеднение горючей смеси с а=1,0 до а= 1.67 при отсутствии РОГ сопровождается уменьшением NOx (сплошные линии), практически пропорциональным снижением ge и понижение температуры ОГ. Обеднение горючей смеси при а=1,0 введением РОГ до 20,0% (пунктирные,, утолщенные линии) сопровождается уменьшением выбросов NOx, также снижением ge и температуры ОГ. Смещение рабочего диапазона а с 0,80.. 0,94 до а 1.0 и связанное с этим снижение ge на 4.. 6% [28,74]
Гомогенизация обеспечивает заметное обеднение горючей смеси. Она достигается сочетанием интенсивного испарения с электронным дозированием топлива. Наилучшая гомогенизация наблюдается при использовании газового топлива в связи с отсутствием топлива в жидкой фазе.
Обеднение горючей смеси сопряжено с нестабильностью образования и развития первичного очага пламени, увеличивающегося при прикрытии дроссельной заслонки (ДЗ) из-за возрастания количества остаточных газов, уменьшения плотности и турбулизации.
Снижение содержания остаточных газов на частичных нагрузках возможно путем применения подогрева заряда как альтернатива дросселированию.
Существенное повышение ТЭ бензиновых двигателей связано с совершенствованием рабочего процесса (РП) в рамках традиционной схемы [51], а также создание двигателей с расслоенным зарядом, потребовавшим известных конструктивных изменений [9,17,53,54].
Подводя итог вышесказанному, следует отметить, что улучшение топливно-экономических и экологических показателей является сложной комплексной задачей, зависящей от множества взаимосвязанных факторов.
Математическая модель оптимизации конструктивных параметров предкамеры автомобильного двигателя с искровым зажиганием
. На основании анализа работ [9,14,15, 53], посвященных применению альтернативных топлив в двигателях с принудительным зажиганием, в диссертации обоснована концепция разработки комбинированной, двухкамерной системы смесеобразования для сжигания газового топлива. В качестве прототипа принят ДВС УЗАМ-3317.
На кафедре «Автомобили и тракторы» СПбГАУ проводится НИР по эффективному использованию газовых топлив [56]. При этом концептуальным положением организации рабочего процесса является оптимизация процессов сгорания в зависимости от режимов работы двигателя и видов альтернативных топлив. Широкое применение пропан-бутановых смесей в качестве топлива в. автомобильных ДВС сопряжено с рядом специфических требований к организации рабочего процесса двигателя. К этим требованиям относятся: надежное искровое воспламенение и эффективное сжигание топли-вовоздушной смеси на пусковых и частичных режимах нагрузки двигателя.
Ужесточение нормативов, ограничивающих выбросы вредных веществ, стремление повысить экономичность и удельную мощность двигателей внутреннего сгорания (ДВС) заставляют искать пути совершенствования рабочих процессов ДВС.
Для современного отечественного и зарубежного двигателестроения характерна тенденция применения в ДВС альтернативных топлив. При этом концептуальным положением организации рабочего процесса является оп 33 тимизация процессов смесеобразования и сгорания в зависимости от режимов работы двигателя и видов альтернативных топлив.
Использование математического моделирования способствует значи-тельному снижению объема дорогостоящих натурных испытаний. В то же время решения таких задач должны позволять адекватно моделировать соответствующие процессы и быть достаточно простыми, чтобы дать возможность решать сложные оптимизационные задачи, т.к. при поиске оптимального решения с большим числом влияющих факторов приходится проводить расчеты многочисленных вариантов конструкции.
Широкое использование газового топлива и, в частности, пропан -бутановых смесей (ПБС) в качестве альтернативного топлива, сопряжено с рядом специфических требований, которые необходимо решить при организации рабочего процесса двигателя. Одним из требований является обеспечение надежного искрового воспламенения и эффективного сжигания, обедненных ПБС с воздухом на пусковых и частичных режимах нагрузки двигателя. Повышение напряжения на электродах запальных свечей в полтора - два раза, как показывает практика, не снимает проблему.
Перспективным направлением в решении указанной проблемы является использование в цилиндре предкамеры камеры с установленной в ней свечи зажигания. Устойчивое воспламенение и горение в ней запальной части заряда позволяет получить тепловой импульс для объемного воспламенения и интенсивного сгорания основного заряда в цилиндре. Для этого необходимо оптимизировать конструктивные параметры предкамеры таким образом, чтобы скорость газовых потоков, давление и температура газов, коэффициент избытка воздуха в камере позволили с учетом характера протекания рабочего процесса получить минимальную энергию воспламенения запальной части заряда.
Газообмен между предкамерой и цилиндром существенно влияет на термодинамические показатели камеры. На такте впуска ПБС поступает в пред 34 камеру за счет разряжения в цилиндре из независимой системы питания, обеспечивая продувку камеры от остаточных газов и наполнение ее газовой смесью. На такте сжатия газовоздушная смесь из цилиндра нагнетается в предкамеру вместе с остаточными газами и повышает в ней коэффициент избытка воздуха от нуля до расчетного значения.
Энергия воспламенения неподвижных газо-воздушных смесей в стандартных условиях зависит от природы газа и коэффициента избытка воздуха. Математическая обработка опытных данных позволила со среднеквадратичной погрешностью 0,002 - 0,006 получить для этих условий аппроксимирующие зависимости изменения энергии воспламенения пропана и бутана от коэффициента избытка воздуха а. Так, для пропано-воздушной смеси энергия воспламенения при изменении а от 0,5 до 0,8 аппроксимируется полиномом вида Оп = 26,3317 а4 -178,4966 а3 + 303,6328 а2 -198,6652 а + 5,48667; (2.1) а при изменении а от 0,8 до 2 Qn = 10,48694 а4 - 32,24132 а 3 + 37,4894 а2 -19,11923 а + 3,790225. (2.2) Аналогично были определены аппроксимирующие зависимости и для бу-тано-воздушных смесей. При изменении а от 0,46 до 0,7 энергия воспламенения Q6 = -222,2885 а 4 + 376,4045 а3 -153,7337 а2 - 31,66859 а + 22,01734; (2.3) а при изменении а от 0,7 до 2 Q6 = 0,7453233 а 4 + 0,8138847 а3 - 0,39219 а2 -1,56227 а + 1,08721. (2.4) Здесь и далее Qj имеет размерность в мДж.
Методика модернизации системы питания автомобильного двигателя с искровым зажиганием
Модернизированная система питания включает в себя: баллон 1 (рис. 3.4); электронные весы, расходомер топлива 8 позволяющий определять расход топлива с точностью 5 %; соединительные трубопроводы; испари тель, предкамерная приставка для двигателя 2 (рис. 3.1), механизм управ ления дроссельными заслонками 12 (рис. 3.6). Управление открытием дроссельной заслонкой вынесено на пульт дистанционного управления двигателем. Температура топливовоздушной смеси на впуске измерялась при помощи хромель-копелевой термопары 5 (рис. 3.1), установленной во впускном коллекторе, в качестве регистрирующего прибора использовался потенциометр ЭПВ2-10А, класс точности 0.5.
Предкамеры устанавливались в свечные отверстия головки цилиндров серийного двигателя УЗАМ 3317. ПБС подводится через систему основного питания к предкамере (рис. 3.1). На режиме разрежения клапан открывается и ПБС проходит через предкамеру обдувает, охлаждает и пополняет ее.
Таким образом, переход от локального воспламенения к объемному воспламенению был осуществлен за счет применения предкамер (рис. 3.2).
Индицирование двигателя УЗАМ 3317 проводилось в четвертом цилиндре при помощи: пьезокварцевого датчика давления (рис. 3.5) соединенного с электрометрическим усилителем сигнала при помощи коаксиального кабеля; магнитоэлектрического датчика отметок углов поворота коленчатого вала; установленного на маховике и отметкой соответствующей верхней мертвой точке, установленного там же; для регистрации сигналов датчика давления, угла опережения зажигания и углов поворота коленчатого вала использованы приборы, обеспечивающие требуемую чувствительность.
Комплект контрольно-измерительных приборов (рис.3.3) позволяет регистрировать параметры работы двигателя в соответствии с требованием ГОСТ 14846-81. Исходная информация с датчиков поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) Е440 и далее обрабатывается и хранится в ПК
Пьезокварцевый датчик давления газов имеет максимальное рабочее давление и собственную частоту 20 кГц, обеспечивающую в рабочем диапазоне частот вращения учет требуемых гармоник 150 порядка.
Большую роль в достижении необходимой точности и достоверности результатов эксперимента сыграл выбор контрольно-измерительной аппаратуры и мест измерений. Выбор приборов основывался на: целях и задачах экспериментального исследования; опыте подобных испытании, проводимых на кафедре "Автомобили и тракторы" СПбГАУ; рекомендациях изложенных в литературе [29, 66]; а также с учетом требований предъявляемых ГОСТ 14846-81. Расположение комплекса измерительной аппаратуры было выбрано из условия обеспечения минимальных помех, оказываемых работой двигателя на показания приборов. Вся измерительная аппаратура была поверена в соответствии с существующими положениями о контрольно-измерительных приборах.
При испытаниях двигатель работал перед началом измерений на каждом заданном режиме не менее 15 мин. для установления термодинамического равновесия и стабилизации параметров рабочего процесса. После стабилизации параметров рабочего процесса на каждом из заданных режимов фиксировали по 1000 индикаторных диаграмм.
Тарировка пьезокварцевого датчика давления газов осуществлялась до и после испытаний при помощи специального тарировочного устройства по показаниям лабораторного манометра класс точности 0.5, в прямом и обратном направлении. В пределах 0-10 МПа, датчик давления имеет практически линейную характеристику.
Для оценки влияния геометрических параметров предкамеры в системе зажигания двигателя, а также установочного угла опережения зажигания на показатели его работы (Ne, ge, состав ОГ) были проведены испытания двигателя на тормозной установке.
В соответствии с программой были сняты следующие характеристики:
а) внешняя характеристика;
б) регулировочные характеристики по качеству смеси при различных открытиях дросселя (частичные) при n = 2000,3200 и 5400 мин"1
в) нагрузочные характеристики при п = 2000,3200 и 5400 мин"1.
г) регулировочные характеристики по углу опережения зажигания (час тичные и внешняя характеристики) при п = 2000,3200 и 5400 мин"1.
д) характеристики оптимальных углов опережения зажигания в зави симости от коэффициента избытка воздуха.
При снятии регулировочных характеристик угол опережения зажигания для каждого режима подбирался оптимальным по показанию весового механизма тормоза.
Режимы испытаний двигателя соответствовали следующим значениям эффективной мощности (%) при снятии скоростных характеристик: х.х., при открытии дроссельной заслонки на 25, 50,75 и 100 %.
Модернизация системы питания автомобильного двигателя с искровым зажиганинем
Модернизация системы питания состояла в том что, на серийный двигателя УЗАМ 3317 в свечные отверстия головки цилиндров устанавливались предкамеры соответствующего объема и диаметра соединительного канала. В качестве топлива использовался ПБС следующего по объему состава: пропан СЗН8 - 0.50; бутан С4Н10 - 0.50.
Эксперименты проведены с целью подтверждения адекватности результатов расчетно-теоретических исследований оптимальных параметров предкамеры и натурных испытаний образцов предкамер. Для этого были изготовлены экспериментальные предкамеры с одним соединительным каналом следующих диаметров dK = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 мм и следующих объемов VK -1500,2000,3000,4000 мм3.
Для оценки оптимальных условий воспламенения ПБС в предкамере приняты эффективные показатели работы модернизированного двигателя (рис. 4.1). Исследования проводились на номинальном скоростном режиме (п = 5400 мин"1) с коэффициентом избытка воздуха в цилиндре а = 1,01 - 1,1.
Анализ полученных зависимостей изменения эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива от диаметра канала и объема предкамеры (рис. 4.1) показывает, что оптимальная экономичность и мощность модернизированного двигателя достигается при оптимальных параметрах предкамеры (dK= 4 мм и VK=2000 мм3);
Зависимости изменения эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива модернизированного двигателя от диаметра канала и объема предкамеры ( Д - VK= 1500 мм3; х - VK= 2000 мм"1; - Vh- = 3000 мм3;— - VK=4000MM3).
Для оценки процессов сгорания базового и модернизированного двигателей при работе на ПБС сняты индикаторные диаграммы (рис. 4.2 и 4.3). Из анализа индикаторных диаграмм определены максимальное давление (Pz) и температура (Tz) цикла, а также периоды сгорания. Первый период сгорания от начала подачи до момента отрыва линии сгорания (период задержки воспламенения) 336-350" п.к.в., второй период от момента отрыва линии его рання до максимального давления (период видимого горения) 350-370 п.к.в., третий период догорание после прохождения Pz.
Развернутая индикаторная диаграмма модернизированного двигателя при работе на ПБС на номинальном режиме работы: Р, Т - соответственно давление и температура цилиндровых газов; Рс - давление сжатия; 1 - момент опережения зажигания; 2 - момент отрыва линии сгорания от линии простого сжатия.
Применение предкамеры интенсифицирует процесс сгорания, в результате чего Pz возрастает на 0,2 МПа и смещается в сторону ВМТ на 5 п.к.в. по сравнению с соответствующими показателями базового варианта (рис 4.3). Максимальная температура цикла составила 2900К (рис 4,2),
Вышеназванные показатели свидетельствуют об интенсификации процесса сгорания и повышении экономичности работы на 4%.
Индикаторные диаграммы базового и модернизированного двигателя при работе на ПБС на режиме п=4700 мин"1. - Модернизированный двигатель. Базовый двигатель.
Результаты экспериментальных исследований топливно-экономических показателей модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием при работе на ПБС.
На рис. 4.4 представлены сравнительные регулировочные характеристики модернизированного и базового двигателя в зависимости от коэффициента избытка воздуха в цилиндре на режимах п = 5400 мин" и п = 2000 мин" .
Необходимо отметить, что с повышением коэффициента избытка воздуха при прочих равных условиях эффективная мощность указанных двигате 5 лей снижается. При этом модернизированный двигатель обеспечивал устойчивое воспламенение и сгорание рабочей смеси в цилиндре при а = 1,7 - 1,8, в то время как базовый двигатель -при а 1,35.
