автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Эксплуатация автомобилей с универсальной газобензиновой системой питания в режиме комбинирования топлив

Я9 - ^Н8 ^

Министерство общего и профессионального образования Российской федерации

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Ёлгин Анатолий Петрович ЭКСПЛУАТАЦИЯ АВТОМОБИЛЕЙ С УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОБЕНЗИНОВОЙ СИСТЕМОЙ ПИТАНИЯ В РЕЖИМЕ КОМБИНИРОВАНИЯ ТОПЛИВ

Специальность 05.22.10 - эксплуатация автомобильного транспорта

(СибАДИ)

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Певнев Н.Г.

Омск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................7

1.1. Эксплуатация автомобилей на различных видах топлива........................7

1.2. Эксплуатация автомобилей с универсальными газобензиновыми

системами питания.....................................................................................1.1

1.3. Комбинирование топлив............................................................................14

1.4. Выводы по результатам анализа состояния вопроса...............................26

1.5. Задачи исследований...................................................................................28

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................30

2.1. Общая методика исследований..................................................................30

2.2. Факторы, определяющие соотношение подаваемых компонентов в режиме комбинирования топлив..............................................................32

2.3. Модель управления соотношением подаваемых компонентов в режиме комбинирования топлив............................................................................39

2.4. Выводы по результатам аналитических исследований............................52

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................53

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований....................................53

3.2. Описание экспериментальной установки..................................................53

3.3. Методика проведения эксперимента.......................*.................................55

3.4. Планирование эксперимента......................................................................58

3.5. Оценка степени влияния выбранных факторов, определяющих соотношение подаваемых компонентов в режиме комбинирования топлив..........................................................................................................61

3.6. Оценка взаимного влияния выбранных факторов, определяющих соотношение подаваемых компонентов в режиме комбинирования топлив..........................................................................................................65

3.7. Определение численных значений параметров модели управления

соотношением подаваемых компонентов в режиме комбинирования..69

3.8. Проверка адекватности разработанной математической модели исследуемому процессу.............................................................................80

3.9. Выводы по главе 3.......................................................................................82

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И

ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ..............................................................84

4.1. Рекомендации по использованию результатов исследований...............84

4.2. Описание устройства и работы усовершенствованной системы питания........................................................................................................85

4.3. Расчет экономической эффективности от внедрения результатов исследований..............................................................................................90

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...............!..........................................................................94

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................................96

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ..........................................................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ..........................................................................................107

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ..........................................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ..........................................................................................111

ВВЕДЕНИЕ

При эксплуатации автомобильного транспорта используются различные виды топлив, в том числе бензин с различной детонационной стойкостью и газообразные топлива. От вида применяемого топлива зависят эксплуатационные затраты и себестоимость перевозок.

Наиболее низкими по себестоимости являются газообразные топлива и низкооктановые бензины. Но в- настоящее время они недостаточно широко используются. Это связано с тем, что в применении различных видов топлива есть свои особенности и ограничения.

Наиболее широкое распространение среди газобаллонных автомобилей получили универсальные системы питания, работающие по схеме: газообразное топливо или жидкое топливо. Однако некоторые эксплуатационные показатели автомобилей с универсальными газобензиновыми системами питания хуже, чем показатели автомобилей с чисто бензиновыми или чисто газовыми системами питания. В то же время имеется потенциал улучшения этих показателей.

Имеются попытки применения комбинированных систем питания, работающих по схеме: газообразное топливо плюс жидкое топливо одновременно. Предполагается, что режим комбинирования топлив приводит к улучшению эксплуатационных показателей газобаллонных автомобилей.

В этих направлениях выполнен ряд научно-исследовательских работ, однако, в них отсутствуют обоснованные методики комбинирования топлив. Недостаточно раскрыты возможности универсальных и комбинированных систем питания. Поэтому дальнейшие научно-исследовательские работы по повышению эффективности эксплуатации автомобилей с универсальными системами питания и применению комбинированных топлив являются актуальными.

Целью работы является повышение эффективности эксплуатации автомобилей с универсальной газобензиновой системой питания путем применения режима комбинирования топлив.

В данной работе на основе анализа состояния вопроса в результате аналитических исследований выявлено, что при комбинировании топлив, изменяя соотношение подаваемых компонентов необходимо обеспечить нормальные условия сгорания топливно-воздушной смеси.

Соотношение подаваемых компонентов определяется режимом работы двигателя. Режим работы двигателя, а, следовательно, и соотношение подаваемых компонентов определяется двумя факторами. Определяющими факторами для изменения соотношения подаваемых компонентов являются разрежение во впускном коллекторе двигателя и степень открытия дроссельной заслонки. Экспериментальными исследованиями это подтверждено. Разработаны алгоритмические модели системы регулирования соотношения подаваемых компонентов при комбинировании топлив с математической моделью, составленной по результатам экспериментальных исследований и имитационной, составленной по разработанной конструкции, для оценки соответствия конструкции функциональному назначению.

В работе произведена оценка предполагаемого экономического эффекта от внедрения результатов исследований и даны рекомендации по их использованию.

На защиту выносятся следующие основные положения и разработки.

1. Эффективность эксплуатации автомобилей с универсальной газобензиновой системой питания повышается при применении режима комбинирования топлив.

2. Разрежение во впускном тракте и частота вращения коленчатого вала двигателя являются факторами, определяющими соотношение подаваемых компонентов в режиме комбинирования топлив при постоянной степени открытия дроссельной заслонки.

3. Алгоритмическая модель управления соотношением подаваемых компонентов в режиме комбинирования топлив.

4. Система управления соотношением подаваемых компонентов в режиме комбинирования топлив.

Объектом исследования в данной работе является процесс функционирования системы "Режим работы двигателя - соотношение подаваемых компонентов топлива".

Предметом исследований в данной работе является система "Режим работы двигателя ВАЗ-2101 - соотношение подаваемых бензина и сжиженного газа".

Рабочая гипотеза: предполагается, что существуют закономерности изменения соотношения подаваемых компонентов в режиме комбинирования, обеспечивающие нормальное сгорание топливно-воздушной смеси на всех режимах работы двигателя.

Автор благодарит к.т.н., доц. Захарова Н.С. (Тюменский ГНГУ) за научные консультации и огромную практическую помощь, оказанную при редактировании текста диссертации и применении программы "REGRESS" (автор программы - Захаров Н.С.), использованной при обработке экспериментальных данных.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Эксплуатация автомобилей на различных видах топлива

В настоящее время при эксплуатации автомобильного транспорта используются различные виды топлив, в том числе бензин с различной детонационной стойкостью и газообразные топлива.

Низкооктановые сорта бензина имеют наиболее низкую себестоимость производства и составляют наибольшую долю в продуктах первичной переработки нефти. Низкооктановые бензины используются в двигателях с невысокой степенью сжатия. Степень сжатия двигателя ограничивается в связи с тем, что при повышении степени сжатия при работе на низкооктановом топливе, возникает детонация.

Примерная среднестатистическая зависимость между допускаемыми значениями степени сжатия, при которых появляется слышимая детонация, и октановыми числами бензина показана на рис. 1.1 /1, стр. 120/. При понижении степени сжатия снижается КПД двигателя, в результате снижаются экономические и мощностные показатели двигателя.

Зависимости индикаторного КПД ( т]{) от степени сжатия (б), полученные для двигателя с различными камерами сгорания представлены на рис. 1.2/1, стр. 159/. При построении кривой относительного роста т/г, для 8=1,0 было принято 77,=1. Рассматривая зависимость !]{=/(б), видим, что для всех камер сгорания ее характер примерно одинаковый, использование более дорогого высокооктанового бензина позволяет улучшить характеристики двигателя, что ведет к улучшению эксплуатационных характеристик автомобиля.

Высокооктановые бензины могут быть получены при первичной переработке нефти, но процент выхода, по сравнению с низкооктановыми фракциями, значительно ниже. Высокооктановые бензины также могут быть

б 8 10 Степень сжатия

Рис. 1.1. Зависимость между допускаемыми значениями степени сжатия, и октановыми числами бензина 1 - 0ц=120мм; 2 - йц=90мм; 3 - 0ц=60 мм; Ьц - диаметр цилиндра.

6 8 10 12 & Рис. 1.2. ИзменениеТ|. в зависимости от & для различных камер сгорания

I, II, III, IV - формы камер сгорания; . - относительный индикаторный КПД

получены при переработке низкооктановых бензинов путем реформинга или добавкой антидетонаторов.

Каталитический реформинг - достаточно дорогостоящий процесс. В результате реформинга октановое число топлива повышается за счет увеличения содержания ароматических углеводородов до 65...70 %, по сравнению с прямой перегонкой нефти, при которой их содержание составляет 10... 15 %. Однако, бензины, содержащие ароматические соединения, обладают повышенной склонностью к нагарообразованию. Применение широко распространенного антидетонатора - тетраэтилсвинца РЬ(СгН5)4 приводит к непоправимому загрязнению окружающей среды окислами свинца РЬО. Применение других антидетонаторов, например, на основе марганца: циклопентадие-нилтрикарбонил (ЦТМ) - МпС2Н5(СО)з пока не получило широкого распространения, в связи с более высокой стоимостью.

Применение газообразных топлив является достойной альтернативой применению высокооктановых бензинов /24/. Газообразное топливо является наиболее дешевым в получении и обладает высокой антидетонационной стойкостью. Это ведет к снижению эксплуатационных затрат на топливо с сохранением преимуществ высокофорсированного двигателя. Применение сжатого природного газа (основная составляющая метан) затрудняется сложностью организации сети заправочных компрессионных станций и хранения запасов газа на автомобиле. Поэтому наибольшее распространение из газообразных топлив получил сжиженный нефтяной газ (СНГ).

СНГ по физико-химическим свойствам является высококачественным и полноценным топливом для автомобильных двигателей. Основные компоненты СНГ - бутан и пропан, представляющие собой побочные продукты преимущественно добычи или переработки нефти. Наряду с указанными компонентами в состав СНГ входят другие предельные и непредельные углеводороды: метан, этан, этилен, бутилен, пентаны и т.д.

Суммарное их количество, применяемое в СНГ, не превышает 5...6 %. Для большинства основных компонентов газов октановое число составляет

90.. .96 (мм) и 98... 112 (им) /24/ т.е. - выше, чем у лучших сортов автомобильных бензинов. -

Применение газового топлива при эксплуатации автомобильного транспорта не только экономит традиционное топливо, но и снижает загрязнение окружающей среды.

При использовании газов в качестве топлива при эксплуатации автомобилей исключается возможность попадания жидкой фазы в цилиндры двигателя, вследствие чего снижается смывание масляной пленки со стенок цилиндров и замедляется изнашивание цилиндро - поршневой группы. При этом не образуются лаковые отложения, и отсутствует нагарообразование в цилиндрах двигателя и в системе питания. В условиях эксплуатации это дает возможность увеличить сроки замены моторного масла, масляных фильтров и реже проводить регулировки двигателя и его систем, что ведет к снижению эксплуатационных затрат.

При применении газового топлива в автомобильном транспорте, увеличивается срок службы масла в 1,5...2 раза, в результате чего расход его в эксплуатации уменьшается на 15...20 % (по сравнению с бензиновыми двигателями), а затраты сокращаются на 15...30 %, возрастает моторесурс двигателя, срок службы свечей зажигания увеличивается на 40 % /24/.

К важным преимуществам СНГ следует отнести и относительно невысокую их стоимость, что ведет к снижению затрат на топливо при эксплуатации автомобилей. В зависимости от режима работы, газовый двигатель из-за более "мягкого" протекания рабочего процесса обеспечивает снижение уровня шума на 8.. .9 дБ по сравнению с бензиновым /24/. .

Однако при переводе двигателя с жидкого топлива на газообразное, его мощность снижается. При переводе на СНГ происходит снижение мощности на 5...7 %, а при работе на сжатом природном газе (СПГ) - на 18...20 %. Причины этого явления связаны в основном с уменьшением:

- теплоты сгорания рабочей смеси;

- коэффициента наполнения цилиндра;

- коэффициента молекулярного изменения при сгорании газообразных топлив /24/.

Снижение коэффициента наполнения происходит в результате того, что топливо поступает в двигатель в газообразном состоянии, занимая больший объем, по сравнению с каплями жидкого топлива. Поэтому в одном и том же объеме рабочей смеси содержится меньший массовый заряд, чем при использовании жидкого топлива.

Наиболее заметно (5... 10 %) снижается мощность газового двигателя (по сравнению с бензиновым) при высокой частоте вращения коленчатого вала, когда кроме уменьшения коэффициента наполнения проявляется более низкая скорость сгорания газо-воздушной смеси (по. сравнению с бензовоз-душной). При небольшой частоте вращения, когда объем заряда смеси, поступающей в цилиндры двигателя, сравнительно невелик, заметного снижения мощности не происходит /24/.

Использование газового топлива на автомобильном транспорте за рубежом получило широкое распространение. Наибольшее распространение на автомобильном транспорте газовое топливо получило в Японии, США, Канаде, а в европейских странах - в Италии, Германии, Франции, Бельгии и Великобритании. Особый интерес представляет опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей в Японии. Япония является примером страны, не располагающей собственными сырьевыми ресурсами для производства СНГ, но добившейся заметных успехов в части эффективного использования СНГ в различных отраслях экономики, особенно на автомобильном транспорте /24,26/.

1.2. Эксплуатация автомобилей с универсальными газобензиновыми системами питания

На основе опыта использования СНГ в качестве автомобильного топлива, наиболее предпочтительным является использование автомобилей с универсальной системой питания.

Универсальные системы питания получили широкое распространение и составляют наибольшую часть среди систем питания автомобилей, использующих альтернативные виды топлив. Универсальная система питания позволяет применять в качестве топлива газ с сохранением полноценной системы питания бензином.

Автомобили, оснащенные универсальной системой питания, могут применяться в различных регионах, даже там, где не всегда имеется возможность заправки каким-либо из этих топлив или поставки какого-либо из этих топлив ограничены. Кроме того, такие автомобили имеют возможность продолжать полноценную работу, в случае выхода из строя одной из систем питания.

Однако для достижения универсальности приходится идти на некоторые компромиссы. При изучении опыта эксплуатации автомобилей с универсальной системой питания, были выявлены некоторые их недостатки. Причиной некоторых из них является именно универсальность системы. Эти недостатки характерны и для универсальной системы питания, на которую имеется патент с уча�