автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных показателей автотранспортных средств в сельском хозяйстве применением бинарного газобензинового топлива

На правах рукописи

Фролов Сергей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ПРИМЕНЕНИЕМ БИНАРНОГО ГАЗОБЕНЗИНОВОГО ТОПЛИВА

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I и ¡ :юн 2015

005569976

Нижний Новгород — 2015

005569976

Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО «Нижегородская ГСХА»)

Научный руководитель: Жолобов Лев Алексеевич

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Лиханов Виталий Анатольевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Вятская ГСХА», заведующий кафедрой тепловых двигателей, автомобилей и тракторов

Тихомиров Александр Николаевич

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (НГТУ), доцент кафедры «Энергетические установки и тепловые двигатели»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Саратовский государ-

ственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова

Защита состоится 2 июля 2015 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва» по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М.М. Бахтина ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва» и на сайте www.шrsu.ru/ru/diss/diss.php?ELEMENT_ID=34642

Автореферат разослан «/М» мая 2015 г. и размещен на официальном сайте Минобрнауки РФ ЬНр:/?уак2.ed.gov.ru «30» апреля 2015 г.

Учёный секретарь ¿rV^l- С.А. Величко

диссертационного совета /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Автотранспортные средства (АТС), использующиеся в сельском хозяйстве, должны прежде всего отвечать эксплуатационным требованиям по энергетическим возможностям и топливной экономичности.

Значительная часть времени эксплуатации автомобилей связана с перевозкой грузов в тяжёлых дорожных условиях (дороги 4-5 категории в соответствии с ГОСТ Р 52398-2005 «Классификация автомобильных дорог»). Для преодоления нагрузок в тяжёлых дорожных условиях особую роль приобретает адаптация двигателей АТС к эффективному функционированию на режимах максимального крутящего момента и максимальной эффективной мощности.

Также важно учитывать, что в условиях сельскохозяйственного производства режимы работы двигателя непрерывно изменяются. Нестационарные режимы являются преобладающими и составляют около 85—90 % при движении по грунтовым дорогам и 30—35 % па загородных усовершенствованных автомобильных дорогах от общего времени эксплуатации.

Таким образом, обеспечение высоких потребительских качеств АТС в условиях сельскохозяйственной эксплуатации неразрывно связано с возможностью реализации максимальных значений крутящего момента и эффективной мощности по скоростной характеристике.

Особую значимость это имеет для АТС, переведённых на газомоторное топливо. Газ при всех достоинствах, в частности, вдвое меньшей цены, чем на бензин, имеет существенный недостаток — теплота сгорания газовоздушной смеси более низкая, чем у бензовоздушной смеси. Вследствие этого у АТС, работающих на газовом топливе, снижается крутящий момент и эффективная мощность двигателя. Существующие решения не обеспечивают эффективную эксплуатацию АТС во всём диапазоне нагрузок.

В этой связи актуальность приобретает поиск новых решений по обеспечению эффективной эксплуатации АТС. работающих на газообразном топливе в условиях сельского хозяйства.

Степень разработанности темы. Опыт разработки и эксплуатации систем питания автомобилей на газообразном топливе описан в научных трудах российских и зарубежных учёных. Вопросами применения альтернативных видов топлива, в том числе бинарного газобензинового топлива в автомобилях, занимались В.В. Володин, А.И. Говорун, В.И. Ерохов, Б.П. Загородских, В.И. Каблуков, О.Д. Климпуш, В.А. Колосов, В.В. Кудрявцев, В.А. Лиханов, В.Г. Павлюков, А.Д. Пархачев, В.И. Прокопьев, В.А. Рубцов, Венинг Скотт, А.Н. Тихомиров, А.И. Храпов, A.B. Чумаков, В.А. Шишков, В.А. Щербинин и др.

Опыт эксплуатации автомобилей, работающих на газе, показывает, что они обеспечивают лучшую экономичность и лучшие экологические показатели по сравнению с бензиновыми двигателями на режимах частичных нагрузок. Однако вопросы влияния бинарного газобензинового топлива на топливно-экономические и экологические показатели АТС на режимах от максимального крутящего момента до максимальной эффективной мощности в данных работах недостаточно полно рассмотрены.

В существующих системах возможности изменять соотношения компонентов бинарного газобензинового топлива на режимах от максимального крутящего момента до максимальной эффективной мощности для преодоления моментов сопротивления в условиях эксплуатации крайне ограничены.

Исследования проведены в соответствии с поручением Правительства Российской Федерации от 19 августа 2011 г. № ВЗ - П11 - 5884 «Проект предложений о техническом перевооружении сельскохозяйственной техники в части перехода на использование газомоторного топлива».

Цель исследований — повышение эксплуатационных показателей двигателей сельскохозяйственных автотранспортных средств на режимах от максимального крутящего момента до максимальной эффективной мощности применением бинарного газобензинового топлива.

Объект исследований - эксплуатационные показатели автотранспортных средств при работе на бинарном газобензиновом топливе.

Предмет исследований - закономерности изменения эксплуатационных показателей АТС при работе на бинарном газобензиновом топливе.

Научную новизну работы представляют:

— установленные закономерности изменения цикловых расходов бинарного газобензинового топлива с учётом скоростных и нагрузочных режимов для определения оптимального состава бинарного газобензинового топлива;

— методика оценки влияния бинарного газобензинового топлива на эксплуатационные показатели АТС;

— программа ЭВМ для определения цикловых расходов бинарного газобензинового топлива для двигателей с искровым зажиганием;

— усовершенствованная схема системы питания конвертируемого двигателя АТС, позволяющая работать на бензине, газе и на бинарном газобензиновом топливе.

Практическая значимость работы. Перевод АТС, эксплуатируемых в сельском хозяйстве, на бинарное газобензиновое топливо повышает их эксплуатационные показатели. Данное решение обеспечивает рост эффективной мощности и крутящего момента в тяжёлых дорожных условиях.

Реализация результатов исследований. Техническое решение по конструктивной адаптации АТС к работе на бинарном газобензиновом топ-

ливе принято к внедрению в МУП «Сосновское ПАП» (р. п. Сосновское, Нижегородская область).

Материалы исследований приняты к использованию в учебном процессе на инженерном факультете ФГБОУ ВПО НГСХА в дисциплинах «Теория, конструкция и расчёт автотракторных ДВС» и «Теория, конструкция и расчёт тракторов и автомобилей».

Научные положения и результаты исследований, выноснмые на защиту:

— расчётно-теоретическое обоснование эксплуатационных показателей двигателя АТС на бинарном газобензиновом топливе;

— рациональное соотношение бензина и газа в бинарном газобензиновом топливе в режиме максимальных нагрузок;

— количественные оценки эксплуатационных показателей при работе АТС на бензине, газе и на бинарном газобензиновом топливе.

Степень достоверности и апробация результатов исследований. Теоретические результаты исследований подтверждены экспериментальными данными при работе АТС на бензине, газе и на бинарном газобензиновом топливе.

Основные положения диссертации обсуждались и были одобрены на Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи — путь к обществу, основанному на знаниях» в г. Москве (2011, 2013 г.), на Международной научно-практической конференции «Наука — Технология — Ресурсосбережение» в г. Кирове (2011, 2012 г.), научно-практических конференциях в ФГБОУ ВПО «Нижегородская ГСХА» (2011-2014 гг.)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 работ, из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, в т. ч. одна статья без соавторов. Общий объём публикаций 2,3 п. л., из них автору принадлежит 1 п. л.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 144 наименований и приложения на 16 страницах. Общий объём диссертации составляет 148 страниц, содержит 52 рисунка и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой темы, определена цель, выбран объект исследований, изложена общая концепция работы и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследований» приведён обзор газомоторных видов топлива, применяемых на АТС в сельском хозяйстве, и даны их основные характеристики. Сделан анализ опыта приме-

з

нения систем питания АТС, работающих на смесевых видах топлива, раскрыта необходимость применения бинарного газобензинового топлива.

В ходе анализа установлено, что широкой практике применения комбинированных систем топливоподачи двигателей АТС препятствует отсутствие информации о соотношении бензина и газа в бинарном газобензиновом топливе на режимах максимального крутящего момента и максимальной мощности. На основе анализа научной и патентной литературы были определены цель и задачи исследований.

В связи с этим целью настоящих исследований является повышение эксплуатационных показателей автотранспортных средств в сельском хозяйстве применением бинарного газобензинового топлива.

На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

1. Теоретически обосновать значения цикловых подач бинарного газобензинового топлива для различных скоростных и нагрузочных режимов эксплуатации АТС в сельском хозяйстве.

2. Разработать методику расчёта эксплуатационных показателей АТС, работающего на бинарном газобензиновом топливе.

3. Усовершенствовать схему подачи бинарного газобензинового топлива при эксплуатации АТС.

4. Провести сравнительные стендовые и эксплуатационные исследования АТС на бинарном газобензиновом топливе.

Во втором разделе «Теоретические исследования технико-экономических показателен АТС в условиях эксплуатации на бинарном газобензиновом топливе» разработана методика по расчёту технико-экономических показателей двигателя АТС.

В условиях скоростной характеристики эффективная мощность может быть описана выражением:

1 + —-

(1)

где Иех - текущая средняя эффективная мощность, кВт; Л/е- номинальная средняя мощность, кВт; пх - текущая частота вращения коленчатого вала, мин"1; Пех - номинальная частота вращения коленчатого вала, мин"1. Удельный расход топлива определяется выражением:

ёех ^<\'

1,2-1,2 — +

г \2 п.

где дех - текущий удельный эффективный расход топлива, г/кВт*ч. На основании зависимостей (1) и (2) произведены расчёты. По результатам расчёта построены внешние скоростные характеристики двигателя, работающего на газообразном топливе и на бензине (рисунок 1). Как видно из графика, наибольшая разница в мощности проявляется при эксплуатации двигателя на газе и бензине в диапазоне частот вращения коленчатого вала от максимального крутящего момента до максимальной эффективной мощности.

Рисунок 1 - Теоретическая внешняя скоростная характеристика двигателя: Ые бен, Ые газ - эффективная мощность двигателя при работе на бензине и газе, кВт; Мк бен, Мк газ - крутящий момент двигателя при работе на бензине и газе, Н*м; ge бен, ge газ — эффективный удельный расход топлива при работе на бензине и газе, г/кВт *ч

Полученная внешняя скоростная характеристика изменения крутящего момента и эффективной мощности двигателя автомобиля, работающего на бензине, принята за основу при обосновании показателей работы двигателя на бинарном газобензиновом топливе.

Цикловой расход бензина дцб в условиях эксплуатации определяется многими факторами:

9цб = /(МеРеСп, Рт-рАдех, Чу. щ> Лм, Ле.Зе, СТ, п). (3) При практических расчётах цикловой расход бензина может быть определен по выражению:

5ц бен. = Ст/0,03/п/г, (4)

где г -количество цилиндров; (7Т — часовой расход топлива, кг/ч Часовой расход бензина (Ст бен(гбт)) в бинарном топливе находим по выражению:

_ _ ДЫех-3,б

"тбен(гбт) - „ .„ ' (5)

4 «ибен.Че

где Ни бен. — низшая теплота сгорания бензина, мдж; ДЫех - разница по мощности при работе ДВС на бензине и на газе, кВт; Г]е -эффективный КПД двигателя.

Эффективную мощность для газа (Ые газ) и для бензина (Ые б) рассчитываем отдельно. По разнице мощностей ДВС на бензине и на газе определяем количество добавляемого в газ бензина для компенсации энергетических потерь по причине снижения теплоты сгорания:

АПех = Ыеб-Мегза, (6)

Эффективный КПД двигателя (т]е) находим по формуле:

Че =Ш- *7мп . (7)

где Т]I бен." индикаторный КПД двигателя, 7/мп - механический КПД двигателя.

Индикаторный КПД:

Р/-Iо -а

Ъ = И -п .г, ' "и Рв Чу

где ¿о - количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1кг. топлива, кмоль; ос — коэффициент избытка воздуха; Т]у — коэффициент наполнения (принимаем Г)у= 0,8); Ни - низшая теплота сгорания топлива, мДж/кг.

Механический КПД:

Лмп =5:, (9)

Для определения индикаторного давления (Р;.) используем выраже-

Р1=Ре+РМп, (10)

Среднее эффективное давление связано с эффективной мощностью двигателя выражением:

Л7„„ -30-т

(П)

-30-т

где У^- объём цилиндра, л; ¿- количество цилиндров; т- тактность двигателя.

Среднее давление механических потерь:

Рмп = А + В ■ Сп , (12)

где Сп - скорость поршня, м/с; А, В коэффициенты, для бензиновых двигателей А=0,05; В=0,015

Скорость поршня выразится формулой:

„ 5-п

Сп" (13)

где Б- ход поршня, мм.

Методика расчёта цикловых расходов бензина и газа в составе бинарного газобензинового топлива реализована в программном продукте, результаты представлены на графике (рисунок 2).

Результаты теоретических исследований показали, что для компенсации потери мощности на номинальном режиме при работе двигателя ЗМЗ 402 на газе необходимо добавлять до 10 % бензина.

В. мг/цикл

-—■

--•

1500 2000 2500 3000 3500

Рисунок 2 — Цикловые подачи газа (1),

Л500 П, мин"1

бензина (2). бензина при работе на бинарном газобензиновом топливе (3)

Как видно из графика (рисунок 2), цикловая подача бензина, добавляемого в газ (мг/цикл), может быть аппроксимирована зависимостью (14), коэффициент детерминации (Я2= 0,98):

Вцб= -3*10"7 *п2+ 0,038*п + 54,225, (14)

Полученная зависимость даёт возможность рассчитывать соотношение бензина и газа в бинарном газобензиновом топливе для АТС, использующих различные типы двигателей. Для этой цели была разработана программа по определению цикловых расходов топлива при работе АТС на бинарном топливе в зависимости от режима работы двигателя.

Также были определены часовые расходы бензина и газа в бинарном газобензиновом топливе с учётом скоростного (рисунок 4) и нагрузочного (рисунок 5) режимов работы двигателя автомобиля.

в , КГ/Ч

тгаз

201

18-

16 14 12 10.

й е , КГ/Ч

тбен

по

т

~Г

- 7 " 6

" 5 4 3 2 1

1—1-1—1—I—1-1—1—Г 0

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

п, мин'1

Рисунок 4 — Зависимость часовых расходов бензина и газа от скорости вращения коленчатого вала при работе ДВС на бинарном газобензиновом топливе

G , кг/ч 35-,

30-

25

20

15-

10

G

т бен

\

10

20

---^

30

—г— 40

G , , кг/ч

* бек 10-

9 -

7 65 -4 3 21 -

—г— 50

N ,кВт

Рисунок 3 - Зависимость часовых расходов бензина и газа от нагрузки при работе ДВС на бинарном газобензиновом топливе

Транспортный расход топлива автомобиля определяется по следующей формуле:

Чш = т^Ь • (15)

100*П

Эксплуатационный расход топлива автомобиля:

Qs =

ge3KCnn.*Ne

(16)

"s lQ*Va*yT '

где ут ~ плотность топлива, кг/л (для бензина — 0,725 кг/л); Va - скорость движения автомобиля, м/с; де ЭКСПл. ~ удельный эксплуатационный расход топлива, г/кВт*ч.

Удельный расход топлива (,деэкспл ):

5еэкспл. = Кп * KN * де , (17)

где ge - удельный расход топлива по внешней скоростной характеристике, г/кВт*ч; Кп - коэффициент, учитывающий влияние на удельный расход топлива скоростного режима работы двигателя; KN — коэффициент, учитывающий влияние на удельный расход топлива нагрузочного режима работы двигателя.

Изменение транспортного расхода топлива при работе двигателя АТС на газе и бензине определяем по выражению:

м и/ ~ газ Чуу

бен.

(18)

Данные расчётов показали, что применение бинарного газобензинового топлива снижает эксплуатационный расход топлива на 20 % , транспортный расход топлива на 12 %.

В третьем разделе «Общая методика и дополнительное оборудование при проведении экспериментальных исследований» разработана экспериментальная установка для исследования работы двигателя АТС на бензине, газе и бинарном газобензиновом топливе, включающая оригинальный программно-вычислительный комплекс для съёма и обработки опытных данных, управления режимами испытаний, представлена общая и частная методики испытаний.

Система питания на бинарном газобензиновом топливе исследуемого двигателя (ЗМЗ 402) представлена на изображении (рисунок 5).

2 9ц7 21

Рисунок 5 - Экспериментальная установка с системой питания на бинарном газобензиновом топливе:

1 — двигатель; 2 - датчик давления; 3 - газовая рампа; 4 - газовый счётчик; 5 — дозатор; б — фильтр отстойник газовый; 7 - редуктор газовый; 8 - газовый клапан; 9 — баллон газовый; 10 - газоанализатор Инфракар М; 11 -бак топливный; 12 — фильтр бензиновый; 13 - весовое устройство; 14 — тормозной стенд; 15 — спецдиск; 16 - датчик положения коленчатого вала; 17 — блок управления; 18 — ККЬ адаптер; 19 — персональный компьютер; 20 -термопара; 21 - газоанализатор ДАГ-16; 22 - датчик детонации; 23 -датчик абсолютного давления; 24 — датчик температуры отработавших газов; 25 — датчик массового расхода воздуха; 26 - датчик положения дроссельной заслонки

Газовая система питания состоит из газового баллона 9, из него газ поступает к газовому клапану 8. После этого газ в жидкой фазе поступает в испаритель редуктора 7, подбираемый с учётом рабочего объёма двигателя. При испарении газа резко снижается его температура, поэтому редуктор включен в систему охлаждения ДВС, откуда подаётся охлаждающая жидкость температурой 85-95 С . В редукторе давление газа снижается с 1,6 МПа до рабочего, равного 0,1 МПа. Из редуктора испаренный газ поступает в фильтр отстойник 6, где очищается от примесей. Очищенный газ поступает в дозатор 5, после чего проходит через газовый счетчик 4 и попадает в специально изготовленную топливную рампу 3, где, распределяясь на потоки, поступает на впускные клапаны цилиндров. Рабочая смесь из штатной топливной системы через главную дозирующую систему попадает во впускной коллектор. В результате перемешивания воздуха, низкомолекулярных газовых углеводородов и высокомолекулярных бензиновых углеводородов образуется бинарное газобензиновое топливо.

Во время снятия характеристик на тормозном стенде определялись основные показатели работы двигателя: эффективная мощность, крутящий момент, часовой и удельный расходы топлива.

Для оценки концентрации (СО, СП) в отработавших газах использовался газоанализатор «Инфракар М».

Стендовые исследования проводились на бензиновом двигателе ЗМЗ 402 (автомобиль ГАЗ-3302), который был переведён на электронное управление с помощью дополнительного оборудования и специально разработанного программно-вычислительного комплекса.

Программно-вычислительный комплекс автоматически обрабатывает данные с датчиков, дополнительно установленных на двигатель. На изображении (рисунок 6) показана схема устройства программно-вычислительного комплекса. Данные с датчиков двигателя передаются на специальный блок управления, который обрабатывает полученную информацию и передаёт на

персональный компьютер, где она отображается в цифровом и графическом виде с последующей передачей на принтер.

..Пврсттшй компьютер

§тк икшнт Маш

\

\

>

А

у

Я-1-8 1..........1.,

Шштщщи тт^ят я&шм

К | ! Ч. 1 ^

! 1

№

58-гфоЫ заотт ш т шюВе коташ Ы

коюнтгокм

-а

ЫктЫтя

Шщщй&жф

Рисунок 6 - Электронная схема дополнительного оборудования для управления карбюраторным двигателем

В четвёртом разделе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведены результаты экспериментальных исследований двигателя ЗМЗ 402, устанавливаемого на автомобиль ГАЭ-3302, при работе на бинарном газобензиновом топливе.

Важным фактором, влияющим на параметры работы двигателя, является угол опережения зажигания. Для определения оптимальных углов опережения зажигания на бинарном газобензиновом топливе и газе была снята характеристика по углу опережения зажигания (рисунок 7):

35 30 25

20-

15

10 5

-

1 ч\ч\ 1

Оптимальная - . Оптимальная зона У.аз.

(Га ) \\ 1 (Г.6.Т) -Г

1 -•

к

!-г опт ■ ■ Ч ■ ■

де г/кВт"ч 1500 ■1400 •1300 1200 •1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

- ЫекВт, бензин — ■

• ^кВт. газ — * — МекВт, гбт

О град, п.к.в-

— ~ д^/кВт'ч.бензик д^/кВГч.гаа —*—д^кВГч.ГБТ

Рисунок 7—Характеристика по углу опережения зажигания при работе ДВС на бензине, газе и на бинарном газобензиновом топливе

Параллельно замерялось количество вредных веществ в отработавших газах при работе ДВС на бинарном газобензиновом топливе и при работе на газе. При чрезмерно позднем зажигании возрастает концентрация (СО) и углеводородов (СН) в отработавших газах, значения СО, СН снижаются. Показатели СО и СН значительно улучшаются по сравнению с серийной бензиновой системой питания, но незначительно уступают показателям двигателя, работающего на пропан-бутановой смеси. При работе на бинарном газобензиновом топливе СО увеличивается на 4 % по сравнению с показателями работы двигателя на газе, СН увеличивается на 6 %.

На показатели концентрации вредных веществ в отработавших газах большое влияние оказывает качество топливовоздушной смеси. Для определения оптимальной топливоподачи для различных скоростных и нагрузочных режимов были сняты характеристики по составу смеси при работе ДВС на бинарном газобензиновом топливе и газе. Оценивая количественные данные вредных веществ в отработавших газах при работе ДВС на бинарном газобензиновом топливе и на газе, можно сделать вывод, что при работе на би-

нарном газобензиновом топливе значения СН и СО незначительно повышаются. В частности, СН повышается на 2 %, СО увеличилось на 4 %.

После регулировочных характеристик были сняты основные характеристики, позволяющие оценить технико-экономические показатели двигателя, работающего на бензине, газе и на бинарном газобензиновом топливе.

При снятии внешней скоростной характеристики имитировался режим работы АТС, эксплуатируемого в сельском хозяйстве на режимах максимальной мощности и максимального крутящего момента. Характер изменения энергетических и экономических показателей при этом представлен на изображении (рисунок 8), что подтверждает результаты теоретических исследований по расчёту скоростной характеристики двигателя (рисунок 1).

Данные о количестве вредных веществ в отработавших газах в зависимости от эффективной мощности ДВС при работе на бинарном газобензиновом топливе показывают, что значения по СО и СН больше на 15 % по сравнению с газом.

Мк'Н*м Ме,кВт

С(,кг/ч де,г/кВт*ч

Г 4000 3800 3600 3400

: 3200

3000 : 2800 : 2боо

Г 2400 Г 2200 Г 2000 1800 Г 1600 Г 1400

: 1200 : юоо 800 600 400 200 о

2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

П, МИН"

Рисунок 8 — Экспериментальная внешняя скоростная характеристика при работе ДВС на бензине, газе и бинарном газобензиновом топливе

Эффективная мощность Ые при работе ДВС на бензине и бинарном газобензиновом топливе возрастает с повышением частоты вращения от 2000 до 4000 мин"1 до максимального значения 50 кВт. При работе ДВС на газе максимальная эффективная мощность ДВС равна 43 кВт при частоте вращения коленчатого вала 4000 мин'1. Однако с повышением частоты вращения более 4000 мин"1 возрастают и механические потери, что замедляет темп роста Ые, и потом происходит ее снижение вследствие дополнительного уменьшения коэффициента наполнения.

Анализ данных концентрации вредных веществ в отработавших газах при работе ДВС на бинарном газобензиновом топливе показал увеличение СО на 4 % , СН на 6 % относительно работы двигателя на газообразном топливе.

Для подтверждения данных стендовых исследований были проведены дорожные испытания автомобиля ГАЗ-3302 с двигателем ЗМЗ 402, оборудованного экспериментальной системой питания на бинарном газобензиновом топливе. Схема экспериментальной системы питания АТС для работы на бинарном газобензиновом топливе представлена ниже (рисунок 9).

16

15 ц гйт г / V 999 . 1-

74 I / I

Щ/1ШЖ

НЕНЗ-

3

4

Рисунок 9 — Схема экспериментальной системы питания А ТС с конвертируемым двигателем для работы на бинарном газобензиновом топливе I — бензиновый бак; 2 — топливный насос; 3 - топливный фильтр; 4 - топливопровод подачи бензина к форсунке; 5 — топливная рампа для газа; 6 — дросселирующие отверстия; 7 — впускной трубопровод; 8 — головка блока цилин-

: дров; 9 — газовый баллон; 10 — вентиль подачи газа; 11 — филыпр газовый;. 12 —редуктор газовый; 13 — фильтр отстойник; 14 — клапан управления подачи газа в зависимости от положения дроссельной заслонки; 15 — панель управления топливоподачей; 16 —индикаторы включения топлива; 17 — дроссельная заслонка; 18 - датчик положения дросселя; 19 — цепь управления дросселем; 20 — форсунка подачи бензина

Экспериментальная система питания работает следующим образом: при открытии дроссельной заслонки до 80 % работает газовая система подачи топлива. Газ из бака через вентиль и через фильтр подается к фильтру отстойнику, после чего направляется в газовую топливную рампу. При этом переключатель панели управления стоит в положении «газ». При открытии дроссельной заслонки больше 80 % датчик положения дроссельной заслонки автоматически включает подачу бензина, который подаётся к монофорсунке 20, которая подаёт бензин на каждый такт впуска. Данный режим соответствует либо максимальному крутящему моменту, либо максимальной мощности при полном открытии дроссельной заслонки. Таким образом, в дополнение подачи газа в цилиндр ДВС подается дополнительная порция бензина, что увеличивает теплотворную способность топлива и позволяет преодолевать режимы перегрузок.

Запуск двигателя и его прогрев согласно правилам техники безопасности осуществляется на бензине, при этом переключатель панели управления переводится в положение «бензин». Таким образом, предлагаемая схема позволяет эксплуатировать одновременно обе схемы топливоподачи — газовую и бензиновую, вследствие чего увеличивается топливная экономичность работы ДВС и снижается токсичность отработавших газов.

Применение предлагаемой системы питания на автомобиле ГАЭ-3302 с двигателем ЗМЗ 402 на бинарном газобензиновом топливе с соотношением компонентов 100 : 10 по сравнению с работой на газе позволяет снизить затраты на топливо. Расчётный годовой эффект составил 35712 рублей на один автомобиль за счёт разницы в цене пропан-бутана и бензина с учётом эксплуатационных затрат.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что для обеспечения крутящего момента и эффективной мощности на уровне бензинового двигателя для различных скоростных и нагрузочных режимов в сельском хозяйстве к подаваемому газу конвертируемого двигателя необходимо добавлять не более 10 % бензина.

2. Разработана программа для ЭВМ, реализующая методику расчёта цикловых подач газа и бензина в составе бинарного газобензинового топлива

для двигателей АТС. На программное средство подана заявка для регистрации.

3. Предложена усовершенствованная схема системы питания, позволяющая работать на бензине, газе и на бинарном газобензиновом топливе, которая включает блок управления и дозирующие устройства.

4. Сравнительные эксплуатационные исследования АТС, работающих на различных видах топлива, показали, что применение бинарного газобензинового топлива снижает эксплуатационный расход топлива на 20 %, транспортный расход топлива на 12 %.

5. При работе автомобиля ГАЭ-3302 с двигателем ЗМЗ 402 на бинарном газобензиновом топливе 100 : 10, по сравнению с работой на газе, расчётный годовой эффект составил 35712 рубля на один автомобиль.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Жолобов, JI.A. Предпосылки к использованию бинарного топлива в ДВС с искровым зажиганием / JI.A. Жолобов, М.Ю. Ушаков, С.А. Фролов // Современные проблемы науки и образования. — № 1(51). — 2014. — URL: www.science-education.ru/115-l 1866 (дата обращения: 20.10.2014).

2. Жолобов, JI.A. Расчетно-экспериментальная оценка параметров ДВС, работающего на бинарном топливе / Л.А. Жолобов, С.А. Фролов // Нива Поволжья. -№3 (32). - 2014. - С. 49-54.

3. Фролов, С.А. Применение бинарного топлива в ДВС с искровым зажиганием / С.А. Фролов // Современные проблемы науки и образования. -№ 6(50). - 2013. - URL: www.science-education.ru/113-11128 (дата обращения: 20.10.2014).

Публикации в других изданиях

4. Жолобов, Л.А. Повышение топливной экономичности автотранспортных средств за счёт применения газобензиновой смеси / Л.А. Жолобов, С.А. Фролов // Теоретические и прикладные аспекты современной науки: сб. науч. трудов VII Международной науч.-практич. конф. — Белгород, 2015. — С. 35-38.

5. Жолобов, Л.А. Применение бинарного топлива в системе питания ДВС с искровым зажиганием / Л.А. Жолобов, П.В. Казанцев, А.П. Матвеев, С.А. Фролов // Сборник материалов Всероссийской науч. конф., посвящён-ной 60-летию ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА». - Пенза, 2011. - С. 70-72.

6. Жолобов, Л.А. Двухтопливная система питания ДВС / Л.А. Жолобов, С.А. Фролов // Материалы XVII Нижегородской сессии молодых учёных. Технические науки. - Н. Новгород, 2012. - С. 36-38.

7. Жолобов, Л.А. Применение бинарного топлива в системе питания ДВС с искровым зажиганием / Л.А. Жолобов, С.А. Фролов // Научно-техни-

17

. ческое творчество молодёжи — путь к обществу, основанному на знаниях: сб. докладов III международной науч.-практич. конф. - М., 2011. - С. 70-72.

8. Жолобов, JI.A. Влияние бинарного топлива на токсичность отрабо-' тавших газов / JI.A. Жолобов, С.А. Фролов // Перспективы развития сельскохозяйственного производства: материалы I- международной науч.-практич. конф. молодых ученых и профессорско-преподавательского состава инженерного факультета, посвященной 75-летию со Дня рождения заслуженного деятеля науки РФ, академика РАЕ, д-ра технических наук, профессора А.Н. Важенина.-Н. Новгород, 2013. - С. 96-101.

9. Жолобов, JI.A. Применение бензогазовой смеси в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием / JI.A. Жолобов, С.А. Фролов // Научно-техническое творчество молодёжи — путь к обществу, основанному на знаниях: сб. докладов 5-й международной науч.-практич. конф. -М., 2013. - С. 354-387.

Ю.Жолобов, JI.A. Двухтопливная система питания бензинового двигателя, часть 1 / JI.A. Жолобов, П.В. Казанцев С.А. Фролов // Наука — Технология - Ресурсосбережение: материалы 5-й международной науч.-практич. конф., посвящённой 60-летию инженерного факультета. — Киров, 2012. — С. 62-69.

11. Жолобов, JI.A. Оценка технико-экономических и экологических показателей ДВС, работающего на бинарном топливе / JI.A. Жолобов, С.А Фролов // Материалы НПК студентов и преподавателей по итогам 2010—2011 годов. - Н. Новгород: НГСХА, 2011. - С. 33.

12. Жолобов, JI.A. Расчет цикловых подач ДВС, работающего на бинарном топливе // JI.A. Жолобов, П.В. Казанцев, С.А Фролов // Наука — Технология — Ресурсосбережение: материалы VI Международной науч.-практич. конф., посвящённой 60-летию инженерного факультета. - Киров, 2013. -С. 34-37.

13. Жолобов, JI.A. Бинарное топливо в системе питания ДВС / Л.А.-Жолобов, O.A. Фролов // Вклад молодых учёных в-инновационное развитие АПК России: сб. материалов Всероссийской науч.-практич. конф. — Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - С. 196-198.

14. Жолобов, JI.A. Снижение токсичности отработавших газов при работе ДВС на бензогазовой смеси / JI.A Жолобов, С.А Фролов // Материалы международной НПК. - Н. Новгород, 2012. - С. 79-82 (ISSN 2306-8647).

15. Фролов, С.А. Применение бинарной системы питания в двигателях с искровым зажиганием с разработкой программно-вычислительного комплекса / С.А. Фролов // Труды Всероссийского совета молодых учёных и специалистов аграрных образовательных и научных учреждений. — М., 2014. - С. 32-35 (ISBN 978-5-7367-1033-1).

Отпечатано типография «Август» г. Н. Новгород,ул. Кузнечихинская, д. 100,оф. 15 ФорматАб, бумага офсетная 80 гр. Подписанов печать 19.0Б.2015г. Тираж 150 шт.