автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Методические основы разработки на базе дизелей малотоксичных двигателей, питаемых природным газом

со

СП

СГ)

а.

Фёдоров Владимир Михайлович

На правах рукописи

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ НА БАЗЕ ДИЗЕЛЕЙ МАЛОТОКСИЧНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ, ПИТАЕМЫХ ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели.

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998г.

Работа выполнена в Московском Государственном Автомобильно - Дорожном Институте (Техническом Университете).

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Хачиян Алексей Сергеевич.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук

Карпов Владимир Петрович

- кандидат технических наук

......................Безруков Борис Борисович

Ведущая организация - Центральный научно - исследовательский автомобильный и автомоторный институт (ГНТ РФ НАМИ), Москва.

Защита состоится си^ьл^ 1998 г. на заседании диссертационного

совета К 053.30.09. ВАК РФ в МАДИ(ТУ), 125829, ГСП-47, А-319, Москва, Ленинградский проспект, 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Автомобильно - дорожного института (Технического университета).

Автореферат разослан ^се^гл^

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Власов В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: Современный этап развития автомобильного двигателестрония характеризуется стремлением к рациональному использованию энергоресурсов при одновременной минимизации вредного воздействия работы двигателей на окружающую среду.

К основным путям удовлетворения соответствующих требований относится применение топлив, альтернативных бензину и дизельному топливу. Одним из топлив, могущих удовлетворить требованиям рационального расходования энергоресурсов и защиты окружающей среды, является природный газ. Масштабы применения природного газа на автомобильном транспорте России совершенно не соответствуют уровню добычи газа и состоянию инфраструктуры по заправке газом.

Основной причиной неудовлетворительного состояния дел с применением природного газа на автомобильном транспорте России является отсутствие соответствующего законодательства, создающего льготные условия для применения природного газа.

Имеется и другая причина - малая изученность особенностей применения природного газа, преимуществ им обеспечиваемых. Недостаточное финансирование НИР и ОКР по применению природного газа на транспорте явилось причиной того, что в России сравнительно небольшое число исследований посвящено этой проблеме. Подавляющая часть зарубежных публикаций преследует рекламные цели и не содержит результатов научных исследований.

Цель работы: Разработка методических основ создания на базе дизелей малотоксичных автомобильных двигателей, питаемых природным газом. Научная новизна. На основании расчетно - экспериментальных исследований показано, что при конвертации автомобильного дизеля без наддува в газовый двигатель без наддува с искровым зажиганием, внешним смесеобразованием и количественным регулированием невозможно без специальных устройств обеспечить выполнение действующих в Европе норм EURO - 2, если одновременно ставится задача сохранения мощности и крутящего момента.

Разработана методика прогнозирования характеристик тепловыделения автомобильного газового двигателя с высокой степенью сжатия.

Разработаны методики и пакет программ для прогнозирования показателей и характеристик газового двигателя с различными вариантами систем наддува.

К научной новизне можно отнести также ряд результатов расчетного анализа, которые отражены в автореферате.

Практическая ценность: При создании на базе автомобильных дизелей газовых двигателей без наддува могут быть использованы рекомендации по выбору систем питания, зажигания и их регулирования. При разработке малотоксичных газовых двигателей с наддувом могут быть использованы программы прогнозирования показателей и характеристик двигателя при различных вариантах системы надцува, а также конкретные рекомендации по выбору системы наддува.

Реализация работы на производстве. Результаты проведенных исследований использованы при изготовлении на АО КамАЗ трех образцов газового двигателя без наддува для автобуса ЛиАЗ - 5256. Начата работа по реализации проекта автобуса с газовым двигателем. С использованием результатов анализа характеристик газового двигателя при различных системах надцува спроектирован и изготовлен макетный образец газового двигателя на базе дизеля КамАЗ - 7406Т. Расчетные методики, реализованные в виде программ, используются в учебном процессе кафедры "Автотракторные двигатели" МАДИ(ТУ) для обучения студентов специальности 101200 "Двигатели внутреннего сгорания".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научных конференциях, проводившихся в МАДИ(ТУ) в 1992 -1998 годах, на семинаре по использованию газов в качестве моторного топлива в Киеве в 1991г., на конференциях по автомобилям, питаемым газовым топливом, ЫОУ'94 в городе Торонто, Канада и КОУ'96 в городе Куала Лумпур, Малайзия.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ. Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений; содержит 116 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 25 таблиц и список литературы, включающий 78 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, его научная новизна.

В первой главе рассмотрены различные способы конвертации автомобильных дизелей в газовые. Отмечено, что основной способ конвертации дизелей, применявшийся в России - перевод дизелей на газодизельный процесс не является оптимальным для транспортных средств, эксплуатируемых в районах с гарантированным газоснабжением. Дается обоснование целесообразности конвертации дизеля в чисто газовый двигатель с внешним смесеобразованием, искровым зажиганием и количественным регулированием. Рассматриваются различные способы конвертации. Пока-

зано, что для удовлетворения перспективных норм Е1ЛЮ-3 наиболее целесообразна конвертация дизеля в газовый с использованием концепции "двигателя, работающего на бедных смесях". При этом определенные преимущества может обеспечить центральная подача газа под избыточным давлением. Конвертация дизеля в газовый двигатель, работающий на сте-хеометрических смесях, сопряжена с пониженной экономичностью и повышенной тепловой напряженностью деталей.

Рассмотрен ряд выполненных ранее в нашей стране работ по газовым двигателям, в том числе, работы, выполненные в МГТУ, учреждениях РАН, ЦНИДИ, НАМИ, ВНИИГАЗе, НАТИ.

Приводятся наиболее удачные примеры реализации способов конвертации в США, Японии и Европе. К сожалению, в подавляющем большинстве публикаций содержатся только полученные характеристики двигателя, преимущественно по токсичности.

В опубликованных работах не уделено внимания проектированию систем пуска и холостого хода, не рассматриваются проблемы конвертации базового дизеля без наддува в газовый двигатель, работающий при составах смеси, обеспечивающих, с одной стороны, сохранение мощностных показателей базового дизеля, а, с другой, - возможную минимизацию вредных выбросов. Нет данных по сравнительному анализу различных систем наддува. Отсутствуют сведения по моделированию на ЭВМ показателей и характеристик автомобильных газовых двигателей с различными системами наддува.

Анализ публикаций привел к выводу о том, что в наибольшей степени целям данной работы отвечают методики и программы, разработанные для автотракторных дизелей в МАДИ(ТУ) В.В.Синявским под руководством А.С.Хачияна.

По результатам анализа выполненных ранее работ сформулированы задачи исследования:

1. Разработка и изготовление объектов исследования - газовых модификаций двигателей КамАЗ с высокой степенью сжатия.

2. Разработка и монтаж стендовых установок.

3. Выбор систем питания и зажигания.

4. Исследование возможности обеспечения норм по вредным выбросам в случае конвертации дизеля без наддува в газовый двигатель без наддува с искровым зажиганием, внешним смесеобразованием и количественным регулированием при сохранении мощности и максимального момента базового дизеля.

5. Разработка методик и программ прогнозирования показателей и характеристик газовых двигателей с регулируемым наддувом, в которых

шшрш

а).

0,01-0,02

для обеспечения малой токсичности реализуется концепция "двигателя, работающего на бедных смесях".

6. Расчетный анализ различных вариантов систем регулируемого наддува и выбор на его основе варианта, обеспечивающего при смесях с а = 1,5 - 1,6 заданную мощность, высокие запас крутящего момента и экономичность.

Вторая глава посвящена описанию объектов исследований, экспериментальных установок, а также методике и результатам экспериментальных исследований. На рис. 1,а показаны камера сгорания и расположение свечи зажигания. Двигатель имеет степень сжатия е « 13. При S/D = 120/120, Пиом = 2200 мин', мощность 143,5 кВт. Один из исследованных двигателей снабжен газовоздушным смесителем с регулирующим органом специальной конструкции, обеспечивающей практически полную разгруженность его от осевых сил и поворотных моментов в газовом потоке (рис. 1,6). Это создает возможность автоматического управления режимом работы с применением регулятора прямого действия. Во втором двигателе, на котором проведены опыты по подбору систем пуска, холостого хода и 13-ти ступенчатому циклу применен газовоздушный смеситель с регулирующим органом в виде эллиптической заслонки. Для проведения экспериментальных исследований разработаны и смонтированы две установки. При разработке экспериментальных установок предусмотрены возможности точного измерения расхода газа, индицирования давления в цилиндре, изучения изменения ряда параметров на пусковых режимах и определения концентрации основных токсичных компонентов.

Опыты и расчетные оценки показали, что при осуществлении пуска с помощью системы холостого хода наблюдается переобогащение смеси на режимах холостого хода и малых нагрузок, что недопустимо. Проведены

Рис.1. Способ конвертации дизеля в газовый двигатель.

1-Дкффуюр; 2-Вход во впускной коллектор одного т блоков цилиндров двигателя; З-Рычаг привода золотников; 4-Ось золотников; 5-Подвнжный золотник; б-Неподвижный золотник.

опыты, направленные на подбор минимально необходимой для пуска подачи газа через систему холостого хода. В результате опытов выяснено:

1. Время пуска существенно зависит от величины угла опережения зажигания. Оно уменьшается при уменьшении его до 5° .

2. Применение пускового клапана с подобранным расходом газа, открывающегося с некоторым запаздыванием относительно момента включения стартера, обеспечивает заметное времени пуска.

3. При относительно холодном двигателе (tw,tM = 10 - 18°С) и температуре в помещении tB = 13°С небольшие преимущества по времени пуска обеспечивает многоискровая система зажигания. На прогретом двигателе преимущества не обнаружены. Время пуска удалось уменьшить до 1 -1,5 с.

Анализ пробных опытов при холостом ходе выявил необходимость поиска компромисса между расходом газа, выбросами углеводородов и стабильностью частоты вращения. Из выполненных опытов следует:

- Выбросы углеводородов существенно снижаются при уменьшении угла опережения зажигания до 5° до ВМТ, при повышении минимальной частоты вращения с 600 до 700 - 750 мин*1.

- Повышение энергии зажигания до 112 МДж обеспечивает небольшое улучшение показателей работы двигателя.

- Увеличение зазора между электродами свечей зажигания с 0,5 до 0,7 мм не обеспечивает положительный эффект.

Экспериментальное исследование влияния на параметры цикла и двигателя различных факторов выполнено по результатам определения регулировочных характеристик по углу опережения зажигания.

Достижение наилучшей экономичности цикла и двигателя при 40 -50% избытке воздуха позволило высказать предположение о том, что обеднение смеси не сопровождается заметным снижением качества горения (его полноты и длительности). Об этом свидетельствуют и достаточно высокие значения индикаторного к.п.д., достигающего при а = 1,5 значения 0,438 при п = 1000 мин-1 и 0,483 при п = 1600 мин-1. Поэтому естественна рекомендация о регулировке системы питания таким образом, чтобы на частичных открытиях дроссельной заслонки обеспечивалась существенно бедная смесь.

Выбор избытка воздуха при полном открытии дроссельной заслонки определяется необходимостью обеспечения мощности и максимального момента базового дизеля. На базовом дизеле достигается значение максимального момента 680 - 700 НМ. Опыты обнаружили, что для достижения такого момента, при полном открытии дроссельной заслонки регулировка системы питания должна обеспечивать на режимах п = 1400 - 1600 мин-1 а = 1,05. На базовом дизеле а при полных нагрузках и тех же частотах вра-

щения равно 1,45. Для достижения мощности базового дизеля а должно быть снижено с 1,53 до 1,15. Основной причиной столь существенного снижения избытка воздуха для достижения значения мощностных показателей базового дизеля, как показал анализ, является уменьшение наполнения двигателя воздухом и снижение индикаторного КПД.

Значения максимального давления цикла близки и даже несколько выше чем в дизеле, при заметно меньшей степени сжатия. Это может быть следствием более короткого, чем в дизеле, горения газовоздушной смеси. Величина максимального эффективного КПД несколько выше 0,35, и практически не уступает значению, полученному на базовом дизеле, несмотря на существенно меньшие значения степени сжатия (е = 12,9 вместо 17) и коэффициента избытка воздуха. Отметим в целом невысокие значения температуры выпускных газов ^.ср. Так, при п = 1600 мин-1 , а = 1,05 и полном дросселе максимальная температура не превышает 570° С. В диссертации приведено объяснение невысоких температур выпускных газов, несмотря на малый избыток воздуха. Величина температуры выпускных газов важна для обеспечения надежности работы выпускного клапана и его седла.

Близкие к имеющим место в дизеле значения оптимальных углов начала видимого сгорания при меньших длительностях горения (по результатам исследования тепловыделения) могут свидетельствовать о меньших потерях теплоты в среду охлаждения, несмотря на большие значения максимальных температур цикла. Наиболее вероятной причиной этого является меньшее образование сажи при горении, наличие которой существенно увеличивает степень черноты и излучательную способность пламени. Следует иметь также в виду, что в дизеле, вследствие бо'льших избытков воздуха, меньше средняя по камере термодинамическая температура заряда. Температуры же пламени могут быть заметно более высокими и близкими к тем, которые наблюдаются в газовом двигателе.

Максимальные зарегистрированные значения (ёр/ёф) шах не превышают при оптимальных углах опережения зажигания 0,6 МПа/град, что существенно меньше, чем в дизеле, и может быть причиной зарегистрированного ранее снижения шумоизлучения на 2 - 4 дБ по сравнению с базовым дизелем.

Изучена возможность улучшения показателей при применении системы зажигания, обеспечивающей более высокую (112 МДж), чем базовая система зажигания (40 - 50 МДж) энергию. Опыты выполнены при п = 1000 мин-' , так как на режимах малых частот имеют место более высокие пробивные напряжения.

Частичная пагрузка,п=1000 мнн"^

Icrnc.fti

В этой серии опытов определяли содержание в выпускных газах СН (суммарно) и N0*. На рис. 2 показана сг, кг/,« одна из определенных характеристик. Из нее следует, что повышение энергии разряда не обеспечивает улучшения мощностных и экономических показателей.

При запаздывании зажигания снижается не только содержание в выпускных газах окиси азота (особенно заметно при более бедной смеси), но и углеводородов. Если первое объясняется снижением максимальной температуры газов за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания, то второе, предположительно, связано с повышением температуры газов в конце процесса расширения ^тк .вып.кл« При позднем начале видимого сгорания повышаются давления и температуры в пристеночной зоне в конце процесса расширения, что способствует более полному выгоранию смеси.

Применение более высокой энергии искрового разряда способствует повышению повторяемости циклов и, как следствие, снижению выбросов СН.

Обеднение смеси имеет следствием существенное, на порядок, снижение выбросов ЫОк как при частичном, так и при полном открытии дроссельной заслонки.

К сожалению, регулировка системы питания на обеспечение бедной смеси (а = 1,6) при всех режимах работы двигателя невозможна, так как при этом резко снижаются момент и мощность двигателя. Так, увеличение

Рис. 2. Регулировочная характеристика по углу опережения зажигания.

с_0 а=jn] Базовая сшша зажигания (49 ыДж)

0_0 д_ ('59!

"Л. Риулирумаясшш!зажигания(112мДж)

избытка воздуха с 1,05 до 1,6 приводит к снижению крутящего момента до 525 НМ, то есть на 25%, что недопустимо.

Возможны, следовательно, два решения:

1. Регулировка системы питания для обеспечения а = 1,05 - 1,15 при полном открытии дроссельной заслонки, а = 1,5 - 1,6 на частичных режимах и а = 1,3 -1,4 на режимах минимальных оборотов холостого хода.

2. Применение наддува с тем чтобы обеспечить получение высоких значений мощности и максимального крутящего момента при работе газовой модификации с а = 1,6 на всех режимах кроме Пххтш.

В ряде работ основной причиной снижения индикаторного к.п.д. при работе двигателя с искровым зажиганием на бедных смесях считается нестабильность последовательных циклов двигателя. В наших опытах небольшое снижение экономичности наблюдалось лишь на режиме п = 1600 мин-1 при а = 1,6 и глубоком дросселировании (Ре = 0,25 МПа при Ре.тах = 0,785 МПа в случае полного открытия дроссельной заслонки).

Для оценки нестабильности последовательных циклов проведены исследования при различных режимах и регулировках и энергиях искры, поджигающей смесь. Использовали для оценки нестабильности шесть параметров: К pil , Kpi2 , Kpzl, Kpz2 , K(dp/d(T))max.I , K(dp/d4,)max.2 - Они Характеризуют нестабильность последовательных циклов по величинам среднего индикаторного давления, максимального давления цикла, длительности первой фазы горения, максимальной скорости нарастания давления и выражены в %.

Km -

/А/7Л

J

" 1 х юо%, где

х 100%, Кпг -ПсР) 11/ср — /7Т.

ЛП - диапазон изменения соответствующего параметра, Пср - среднее значение соответствующего параметра, 5, - отклонение величины параметра в текущих циклах от среднего значения параметра Пср. Параметры с индексом "1" определяли при 5 = Птах - Пср, а с индексом "2" при среднеквадратичном отклонении. На рис.3 приведена часть полученных по нестабильности результатов.

Чем позже начинается зажигание, тем, как правило, больше нестабильность значений параметров. Обеднение смеси при оптимальных по экономичности углах опережения зажигания имеет следствием повышение нестабильности максимального давления цикла. Нестабильность значений Р, мал о зависит от состава смеси. Минимальная нестабильность по й получена вблизи оптимальных значений угла опережения зажигания.

о—о -Регулируемая система зажигания (112 мДж) х__х - Базовая система зажигания (40 мДж)

Нестабильное ти величины максимального давления цикла, оцениваемые по величинам Кр21 и Крг2, при обеих открытиях дроссельной заслонки близки между собой. Наиболее важные из параметров, характеризующих нестабильность последовательных циклов: КРп не превышает на режимах @о"£к 5%, а КР12 -1,5%, Кр21 на тех же значениях не

Pi» МПа 0,54

0,52

превышает Kpz2 5%.

20%, а

30 25 20 1510 5©03 а)

30 25 201510 5 0О б)

Увеличение энергии разряда существенно ста-

Рис. 3. Пример определения параметров, характери- билизирует после-

зующих нестабильность последовательных циклов. ,„ 1ТТ„,

довательные цик~

лы при обоих составах смеси как в отношении величины среднего индикаторного давления, так и по величине максимального давления цикла, что хорошо согласуется с отмеченным выше снижением концентрации СН в выпускных газах. Отметим также, что положительный для нестабильности последовательных циклов эффект от увеличения энергии зажигания при бедных смесях более выражен при позднем начале зажигания, когда больше плотность заряда в искровом промежутке.

Оценивая нестабильность последовательных циклов в целом, можно отметить ее удовлетворительные значения для всех исследованных режимов при обеих энергиях искрового разряда. Пропуски вспышек при опытах не наблюдались ни на одном из режимов работы. Это свидетельствует о достаточно хорошей организации процессов смесеобразования и зажига-

ния смеси. Дальнейшие опыты решено проводить при транзисторной бесконтактной системе зажигания, выпуск которой освоен отечественной промышленностью,

После подбора регулировок газового двигателя воспроизводились режимы 13-ступенчатого цикла по ОСТ 37.001.234-81 к по правилам ЕЭК ООН № 49.

В табл. 1 приведены результаты расчета удельных выбросов по ОСТ 37.001.234-81 и по Правилам Р 49. По ОСТ получаются меньшие, чем по правилам Р 49, удельные выбросы ИОх, но большие удельные выбросы углеводородов. Связано это с различиями в режимах, и особенно в весовых коэффициентах.

Таблица 1

N0« СН СО

г/кВт.ч г/кВт.ч г/кВт.ч

Правила ОСТ 14,35 - 3,5 9,4

Правила ЕТЖО-2 7 1,1 4

Базовый дизель 15 3,4 4,1

Газовый двигатель АО КамАЗ(ОСТ) 11,99 5,88 67,54

Газовый двигатель МАДИ (ОСТ) 9,5 2,95 1,85

Газовый двигатель МАДИ (Р49) 12,31 1,78 1,834

Выбросы существенно меньше регламентируемых ОСТ. Выбросы N0* определенные по Правилам Р 49 существенно больше регламентируемых стандартами ЕШЮ-1 и ЕТЛЮ-2. Выше регламентируемых и выбросы СН. Превышение над регламентируемыми выбросов СН свидетельствует о необходимости установки окислительных нейтрализаторов.

Большие, чем регламентируемые европейскими стандартами, удельные выбросы N0*, как показал анализ, связаны с влиянием режимов полной нагрузки, особенно в случае определения удельных выбросов по Правилам Р49, когда на долю режимов полной нагрузки суммарно приходится весовой коэффициент 0,35. При определении по ОСТ влияние режимов полной нагрузки также оказывается решающим. Большая концентрация N0* в выпускных газах на режимах полной нагрузки связана с тем, что были вынуждены на этих режимах регулировать двигатель на значения коэффициента избытка воздуха, при которых наблюдается максимальный выброс N0*. Видимо при конвертации дизелей без наддува на питание природным газом с внешним смесеобразованием удовлетворить нормам по 1ЧОх можно лишь при снижении мощности до значений обеспечиваемых при а = 1,5 - 1,6. Так как это неприемлемо, решено уделить внимание методическим основам разработки варианта модели газового двигателя с наддувом.

Третья глава посвящена расчетным методикам. В качестве базовой использовалась методика расчета четырехтактного цикла дизеля. В нее внесен ряд изменений и дополнений, учитывающих особенности работы газового двигателя с внешним смесеобразованием. Отметим основные особенности: 1. Возможен расчет цикла с газообразным топливом любого состава, задаваемого объемными долями п.

2. Предусмотрены возможности применения однофазного закона выгорания по уравнению, предложенному Б.Д.Ефремовым и Б.Я.Черняком, а также по уравнению И.И.Вибе.

3. Диссоциация учтена приближенно при расчете средних параметров цикла снижением индикаторного к.п.д. цикла т)], среднего индикаторного давления Р| И М&КСИМЕЛЬНОИ ТбМПСрЕТурЫ ЦИКЛЗ 1 гпах» Соответствующие поправки определены с использованием данных К.А.Морозова для бензиновых двигателей.

4. Теплообмен между зарядом и стенками в период газообмена рассчитывается по соответствующей формуле Г. Вошни, а в период сжатия - горения - расширения - по формуле В. Аннанда.

5. При расчетах учитываются утечки заряда и оценивается склонность к детонации.

Расчет параметров цикла газового двигателя проводится итерациями. Они повторяются до тех пор, пока разница между параметрами в контрольных точках (начала сжатия и конца выпуска) не станет меньше заданной величины (1%).

Основой метода расчета процесса газообмена является решение уравнения энергетического баланса для открытой системы совместно с уравнениями состояния и сохранения массы газа.

Основой метода расчета процессов сжатия - сгорания - расширения служит уравнение первого закона термодинамики, записанное с учетом потери массы заряда через кольцевое уплотнение цилиндра. Совместное его решение с уравнением состояния позволяет определить параметры рабочего тела в каждый момент цикла.

Методика расчета характеристик тепловыделения газового двигателя основана на использовании модели расчета цикла четырехтактного цикла газового двигателя. В качестве исходных данных вводятся геометрические параметры двигателя, параметры топлива и воздуха, и экспериментальные данные: частота вращения п, часовой массовый расход топлива Ог, часовой массовый расход воздуха Ов, массив ординат давлений индикаторной диаграммы, угол начала открытия выпускного клапана фо вып, коэффициент остаточных газов уосг. Последний определяется по результатам предвари-

тельного расчета 4-х тактного цикла газового двигателя с использованием закона тепловыделения по данным испытаний двигателей - прототипов.

Рассчитываются скорости и интегральные характеристики полного и активного тепловыделения. Перед расчетом характеристик тепловыделения проводилась коррекция исходных данных. Методика коррекции описана в диссертации. Проводилось также сглаживание зависимостей р(<р). Для этой цели после исследования нескольких способов был выбран способ "скользящего среднего" по 21 точке.

По результатам расчета тепловыделения его длительность ф2 оказалась в пределах 30 ... 60 градусов, причем ср2 растет при увеличении частоты вращения и а, уменьшении Р5 и существенном удалении угла начала видимого сгорания от его оптимального значения.

Анализ полученных расчетами по экспериментальным индикаторным диаграммам (осредненным по 16 циклам) 42-х кривых активного тепловыделения 5ра М<р показал, что известная формула И.Вибе недостаточно точно описывает законы тепловыделения для газового двигателя с высокой степенью сжатия. После анализа различных законов тепловыделения была выбрана формула Ефремова - Черняка, которая для определения текущих значений коэффициента активного тепловыделения представлена в следующем виде:

где т и 3 - коэффициенты, характеризующие форму кривой; ср2 - продолжительность тепловыделения, град, п.к.в.; срн.в.сг - Угол начала видимого сгорания (положительный до ВМТ); ср - текущий угол поворота коленчатого вала (отрицательный до ВМТ).

Разработана программа для ПЭВМ, с помощью которой определяется сочетание параметров в формуле тепловыделения, обеспечивающее минимальную сумму средних квадратичных отклонений между экспериментальными и расчетными зависимостями 4(ф)-

С использованием полученных сочетаний ср2, ¡;тах, т и р регрессионным анализом определены полиномы их зависимости от управляющих факторов (п, а, Р5, (рн.в.сг)> которые использованы при расчете циклов газового двигателя.

Методика расчета совместной работы газового двигателя с ТКР основана на разработанной ранее методике расчета совместной работы дизеля с ТКР. В модели дополнительно предусмотрены возможности регулирования наддува перепуском воздуха после компрессора на вход и выход

турбин, установки одного или двух ТКР, а также применение приводного нагнетателя ПН.

Режим совместной работы двигателя, компрессора и турбины определяется методом последовательных приближений на основе равенства частот вращения и мощностей компрессора и турбины, а также равенства расходов газа через компрессор, поршневую часть и турбину с учетом утечек, а также возможного перепуска воздуха после компрессора на вход и выход турбин и газа, минуя турбины.

Режим работы двигателя задается частотой вращения п, коэффициентом избытка воздуха а, углом начала видимого сгорания (рн.в.сг> эффективным проходным сечением дросселя |ДяР.

В модели используются расчетные полиномы для т)ь Рг, Т\, АР™, и Тдст. в функции п, а, Р5, Т$, Р(, Фн.в.сп полученные с использованием результатов расчетов по модели четырехтактного цикла газового двигателя. Здесь Тдет - температура адиабатного сжатия последней части заряда от давления в начале сжатия до максимального давления цикла, определяющая приближенно вероятность детонации. При расчетах выбран шести-факторный пятиуровневый план, состоящий из 48 точек.

Компрессоры и турбины представлены либо экспериментальными, либо обобщенными характеристиками.

В начале расчетов ориентировочно задается частота вращения ротора ТКР пр, давление и температура воздуха перед впускными клапанами Р5, Т8, давление перед турбиной Р( и коэффициент наполнения г|у. Рассчитывается ориентировочное значение расхода воздуха Ов.

С использованием характеристик компрессоров определяется степень

повышения давления як, адиабатический к.п.д. г|к.ад, запас по помпажу ^ , и мощность компрессора Не.

О" к.п ом

Если используется регулирование перепуском части воздуха после компрессора на вход или выход турбины, задается эффективное проходное сечение перепускного отверстия и рассчитывается расход перепускаемого воздуха. Далее с учетом потерь давления в охладителе наддувочного воздуха уточняется давление перед впускными клапанами, определяется температура воздуха на выходе из компрессора Тк, текущая эффективность холодильника Ех и уточняются Т8, г|У и Св.

Если применяется перепуск части воздуха после компрессора на вход в турбину, температура газа перед турбиной определяется по уравнению смешения.

В случае перепуска части газа в обход турбины задается эффективное проходное сечение перепускного отверстия и определяется расход перепускаемых газов.

С использованием экспериментальных или обобщенных характеристик турбин определяется степень понижения давления 711, эффективный к.п.д. г}с.е, мощность турбин №.е и уточняется давление перед турбиной Рь

Если мощности компрессора и турбины отличаются более чем на 1%, расчет повторяется, начиная с расчета компрессора, если менее 1% - определяется среднее давление механических потерь и рассчитываются основные показатели двигателя.

При дополнении расчетной схемы газового двигателя с турбонадцу-вом приводным нагнетателем, условия совместной работы двигателя с турбокомпрессором (ТКР) дополняются равенством расходов газов через двигатель, компрессор ТКР и ПН с учетом добавления топлива и возможного перепуска части воздуха после компрессора ТКР и ПН на вход и выход турбин, а также равенством давлений на выходе из ПН и входе в компрессор при установке ПН перед компрессором и равенством давлений на выходе из компрессора и входе в ПН при установке ПН после компрессора.

При расчете приводного нагнетателя используются его представленные полиномами характеристики, полученные на основе экспериментальных характеристик приводного нагнетателя, спроектированного для дизеля КамАЗ -7406Т.

Предусмотрены возможности отключения ПН при частотах выше заданной и применения в приводе ПН вариатора.

При установке на двигатель ПН, среднее эффективное давление определяется

Ре = Р)" ^м " Рн-

В четвертой главе приведены результаты расчетного анализа вариантов системы наддува газового двигателя реализующего концепцию "двигателя, работающего на бедных смесях".

Анализу подвергнуты восемь вариантов систем наддува.

Расчетным путем определялись внешние скоростные характеристики, обеспечиваемые в диапазоне п = 1000 - 2200 мин-' при неизменном коэффициенте избытка воздуха а = 1,5. В качестве ограничения использована величина максимального давления цикла Р2 = 12 МПа. Системы подбира-

лись так, чтобы при номинальной частоте вращения обеспечить мощность двигателя 1Че = 200 кВт.

Результаты части расчетов приведены в на рис. 4. При рассмотрении их следует иметь в виду, что низшая теплота сгорания по результатам анализа ряда проб газа принята равной 49,2 МДж/кг.

По результатам расчетного анализа следует отметить:

1. Перепуск части газов, минуя турбину, обеспечивает несколько лучшую экономичность, чем перепуск части воздуха, нагнетаемого компрессором, на выход турбины.

2. При использовании вместо двух одного турбокомпрессора больших размеров и перепуске газов минуя турбину достигается существенно больший запас крутящего момента и несколько большее значение Т1тах. Лучшие результаты достигаемые при одном турбокомпрессоре связаны с более высоким к.п.д. ТКР, уменьшением потерь на газообмен и увеличением механического к.п.д.

3. Применение приводного нагнетателя типа Руте с числом оборотов на номинальном режиме 4500 мин-' (к.п.д. нагнетателя 0,694 - 0,705) обеспечивает незначительный запас крутящего момента. Экономичность двигателя на всех режимах хуже, чем в случае двух ТКР и тем более хуже, чем в случае одного ТКР.

4. Применение при двух ТКР второй ступени наддува в виде приводного нагнетателя, отключаемого при частоте вращения 1500 мин-', позволяет существенно повысить запас крутящего момента (с 11,8% до 37%). Однако на внешней скоростной характеристике в результате отключения нагнетателя появляется резкий провал момента, что может оказать неблагоприятное воздействие на динамику автотранспортного средства.

5. Проверены два способа формирования благоприятной внешней характеристики в случае комбинированной системы наддува с двумя ТКР и одним, используемым в качестве второй ступени наддува, нагнетателем: с использованием в приводе нагнетателя вариатора; и с применением в ТКР турбин малого сечения и регулируемого перепуска газов, минуя турбины, после отключения нагнетателя. В обоих случаях удается обеспечить благоприятную внешнюю характеристику, несколько лучшую при регулируемом перепуске газов.

5. Сравнение характеристики двигателя, обеспечиваемой при системе наддува с двумя ТКР и ПН, с характеристикой, обеспечиваемой при газотур-зинном наддуве с одним ТКР, обнаруживает преимущества комбинированной системы в диапазоне частот вращения п < пмк тах. При п = 1000 лин-1 крутящий момент двигателя, выше, чем в случае системы газотур-5инного наддува на 27%.

Рис. 4 Сравнение расчетных характеристик газового двигателя при установке одного и двух ТКР. — 2 ТКР и перепуск газов мимо турбин, - - 1 ТКР и перепуск газов мимо турбины.

1,5

1Д

1,2

1,1

1,0

0,9

Se

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0

9 1,0 у;

7. При всех исследованных вариантах системы наддува практически на всех режимах температура адиабатного сжатия до максимального давления цикла ниже 1050 К, что может обеспечить работу двигателя при степени сжатия 8 = 12 без детонации. Конечно, этот вывод предстоит подтвердить экспериментально.

8. По результатам расчетного анализа оптимальный вариант системы наддува: - с одним ТКР и перепуском части выпуск-

Рис. 5. Сравнение внешней характеристики двига- ных газов, минуя тур-теля Cummins L10-260G с рассчитанной по про- бину. Для обеспече-

грамме. ния большей унифи-.........Cummins L10-260G, кации с серийн0 вы.

-- расчет.

^ пускаемыми моделя-

ми дизелей КамАЗ с наддувом возможно применение и системы газотурбинного наддува с двумя ТКР и перепуском части газов, минуя турбину.

На рис. 5 приведено в относительных величинах сравнение внешняя характеристик крутящего момента и удельного эффективного расхода топлива газового двигателя фирмы Cummins с расчетными характеристиками газового двигателя с газотурбинным наддувом, разработанного на базе дизеля КамАЗ. В обоих случаях используется концепция "двигателя, работающего на бедных смесях". Можно отметить достаточно близкий характер изменения параметров.

Расчетный анализ подтвердил возможность разработки газового двигателя с высоким запасом крутящего момента при реализации концепции "двигателя, работающего на бедных смесях" и использовании хорошо

опробированной системы газотурбинного наддува с перепуском части газов, минуя турбину. По результатам ряда зарубежных работ при этом могут быть удовлетворены перспективные нормы по выбросам: EURO-3 (Европа) и ULEV (США). С использованием результатов расчетного анализа такой двигатель разработан и изготовлен.

Заключение и выводы

С использованием расчетных и экспериментальных исследований разработаны методические основы конвертации автомобильных дизелей на питание природным газом при обеспечении минимальных вредных выбросов. В процессе работы спроектированы, изготовлены и испытаны два варианта газовых модификаций двигателя КамАЗ без наддува. Созданы также две экспериментальные установки для проведения испытаний. __________Проведенные работы позволили сделать следующие выводы:

1. При использовании пускового клапана с подобранным жиклером -дозатором, включаемого с подобранным запаздыванием относительно момента включения стартера, угле опережения зажигания 5° до ВМТ время пуска двигателя при температурах воздуха, жидкостей в системах охлаждения и смазки 13-18°С не превышает 1 -1,5 с. При названных условиях незначительное преимущество обеспечивает многоискровая система зажигания.

2. Выбросы углеводородов на режиме минимальных оборотов холостого хода существенно снижаются при повышении частоты вращения с 600 мин-1 до 700 - 750 мин-' , запаздывании зажигания до значения 5° угла поворота коленчатого вала до ВМТ и обеспечении коэффициента избытка воздуха а = 1,3-1,4.

3. При конвертации автомобильных дизелей без наддува на питание природным газом с искровым зажиганием, внешним смесеобразованием, количественным регулированием и высокой степенью сжатия (е = 13) обеспечивается достижение мощности и максимального момента не ниже чем в базовом дизеле. Близкими к дизельным значениям оказываются при полном открытии дроссельной заслонки значения эффективного к.п.д. При этом, однако, заметно снижается коэффициент избытка воздуха.

4. При значениях состава смеси, обеспечивающих получение максимального момента и номинальной мощности базового дизеля (а = 1,06 -1,15), концентрация окислов азота в выпускных газах близка к максимальной. В то же время, температура выпускных газов не превышает имеющей место в базовом дизеле.

5. Обеднение смеси до а = 1,5 - 1,6 обеспечивает снижение концентрации окислов азота в выпускных газах практически на порядок по сравнению с а = 1,06 - 1,15. Поэтому на всех частичных нагрузочных режимах газового двигателя необходимо обеспечивать а = 1,5 -1,6.

6. При коэффициенте избытка воздуха а = 1,6 вполне приемлемая нестабильность последовательных циклов обеспечивается не только при полном но и при частичном дросселе.

7. Повышение энергии разряда не оказывает заметного влияния на мощность и экономические показатели, но обеспечивает заметное снижение параметров, характеризующих нестабильность последовательных циклов, и концентрацию СН в выпускных газах.

8. При определении удельных выбросов по ОСТ 37.001.234-81 и по правилам Р49 выбросы на двух из 13 режимов (режимы максимального момента и номинальный) оказывают решающее влияние на средние значения удельных выбросов. Поэтому удовлетворить нормам EURO - 2 оказывается невозможным без применения специальных мер.

9. Для удовлетворения норм выбросов необходимо применить наддув и реализовать при высоких удельных показателях концепцию "двигателя, работающего на бедных смесях".

С целью уменьшения затрат времени и средств на разработку газового двигателя с наддувом разработаны:

1. Методика и программа расчета цикла четырехтактного газового двигателя с внешним смесеобразованием при заданных значениях параметров на впуске и давления на выпуске.

2. Методика и программа расчета тепловыделения с использованием экспериментальных индикаторных диаграмм газового двигателя.

3. Методика и программа расчета характеристик газового двигателя при различных системах наддува.

Определены индикаторные диаграммы двигателя при различных режимах и регулировках. По ним выполнен анализ тепловыделения. Его результаты использованы при разработке методики и программы прогнозирования характеристик тепловыделения.

Выполнен расчетный анализ циклов и характеристик газового двигателя с наддувом. Его результаты приведены выше.

По результатам анализа оптимальный вариант системы наддува - с одним ТКР и регулируемым перепуском части выпускных газов минуя турбину. Для обеспечения большей унификации с выпускаемыми моделями дизелей КамАЗ возможно применение и системы наддува с двумя ТКР и регулируемым перепуском части газов минуя турбины. При этом, однако,

существенно ниже окажется запас крутящего момента и несколько выше будут расходы топлива.

С использованием результатов расчетного анализа выполнено проектирование и изготовление макетного образца газового двигателя с двумя ТКР и возможностью перепуска газов минуя турбины. Реализовать оптимальный вариант не удалось ввиду необходимости литья новых коллекторов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Труды международного научного семинара по эксплуатации автомобильных двигателей. Польша, город Щецин, май 1993г. Алексей С. Ха-чиян, Игорь Г. Багдасаров, Виталий Ф. Водейко, Владимир М. Федоров. Перевод дизелей на питание природным газом.

________A.S. Khatchiyan, V.V. Sinyavsky, V.M. Phyodorov. Computer Modeling

of Natural Gas Superchargered and Compound Engines Performances. NGV'94 International Conference. Toronto, Canada.

A.C. Хачиян, И.Г. Багдасаров, А.Д. Камладзе, В.М. Федоров. Перевод дизелей на питание природным газом. В сб. "Повышение эффективности автомобильных и тракторных двигателей". МАДИ(ТУ). М. 1995г.

A.C. Хачиян, В.В. Синявский, В.М. Федоров, А. Бенаббаси. Моделирование на ЭВМ показателей газового двигателя с наддувом. В сб. "Повышение эффективности автомобильных и тракторных двигателей". МАДЩТУ). М. 1995г.

V.N. Loukanin, V.F. Vodeyko, A.S. Khatchiyan, V.V. Sinyavsky, V.M. Phyodorov, H. Bouez. Investigation of Active Heat Release, Variations of Sequential Cycles Parameters and Exhaust Gas Emission in CNG Engine Equipped with Various Ignition Systems. NGV'96 International Conference. Kuala Lumpur, Malaysia.