автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка и исследование топливной аппаратуры для ДВС, работающих на смеси бензина с водородом

Введение.

Глава I. Анализ состояния вопроса и задачи исследования

1.1 Еодород - дополнительное топливо для ДВС

1.2 Способы регулирования бензоводородных двигателей с внешним смесеобразованием

1.3 Анализ устройств для дозирования и смешения бензоводородовоздушной горючей смеси

1.4 Задачи исследования

Глава 2. Расчётно-теоретические исследования характеристик топливной аппаратуры

2.1 Расчётная схема.

2.2 Планирование численного эксперимента

2.3 Влияние дросселирования карбюратора-смесителя на состав топливовоздушной смеси и энергетические показатели двигателя

2.4 Зависимости между взаимным открытием дроссельных заслонок и расхода водорода от угла открытия бензинового дросселя

2.5 Выводы

Глава 3. Разработка топливной аппаратуры.

3.1 Разработка общей схемы топливной аппаратуры.

3.2 Механизм управления дроссельными заслонками.

3.3 Дозатор водорода

3.4 Узел смешения водородовоздушного и бензовоздуш-ного потоков.

3.5 Устройство отключения подачи водорода

3.6 Конструкция реализованной топливной аппаратуры

3.7 Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования опытных образцов топливной аппаратуры

4.1 Экспериментальная моторная установка и методика испытаний бензоводородной топливной аппаратуры.

4.2 Погрешности измерений.

4.3 Результаты моторных испытаний.

4.4 Лабораторные дорожные испытания бензоводородной топливной аппаратуры

4.4.1 Методика исследований и стенды для испытаний

4.4.2 Требования к автомобилям

4.4.3 Требования к измерительным участкам.

4.4.4 Требования к измерительной аппаратуре.

4.4.5 Особенности получения показателей и характеристик по п.п. I - 7.

4.5 Анализ экономической эффективности

4.6 Выводы.

Общие результаты и выводы.

В современных условиях в результате высоких темпов развития транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания они стали одним из основных источников загрязнения ат -мосферного воздуха и основным потребителем моторных нефтяных топлив. На долю автомобильного транспорта приходится около 60 % всех вредных выбросов, поступающих в атмосферу крупных промышленных центров и около 20 % потребления добываемой нефти. Поэтому энерго-экологическая проблема автомобильного транспорта приобрела в настоящее время особую актуальность.

Решениями ХХУ1 съезда КПСС на 1980 - 1985 гг. намечено ".создавать принципиально новые виды транспортных средств, а также транспортные энергосиловые установки, обеспечивающие существенное сокращение расхода топлива и энергии." Вместе с тем ".необходимо совершенствовать методы повышения эффек -тивности мероприятий в области охраны окружающей среды, всемерно развивать экологию."/ I /

С начала 70-х годов в связи с обострившейся энерго-эко-логической ситуацией у нас в стране и за рубежом большое внимание уделяется использованию синтетических топлив, в частности водорода и водородоносителей как топлива для ДВС. Преимущества и недостатки водорода как самостоятельного топлива хорошо изучены на сегодняшний день. Применение его в чистом виде сдерживается трудностями, связанными с нарушением рабочего процесса при работе на смесях, близких по составу к сте-хиометрическому, сложностью топливной аппаратуры для двига -тел ей с внутренним смесеобразованием и отсутствием ёмких способов аккумулирования водорода. / 2, 3 /

Более интересным и перспективным с точки зрения практического использования является применение водорода в качестве дополнительного топлива к бензину. Это направоение открывает реальную возможность для повышения КПД бензиновых автомобильных двигателей, существенного снижения расхода бензина а также уменьшения содержания токсичных компонентов в отра -ботавших газах. /4, 5, б /

Большой практический интерес представляет создание универсальной топливной аппаратуры, обеспечивающей работу двигателя как на смесях бензина с водородом, в соответствии с выбранным оптимальным законом регулирования, так и на бензине. Необходимость работы на бензине на данном этапе обус -ловлена отсутствием сети водородных заправочных станций.

Настоящая работа посвящена созданию и исследованию универсальной топливной аппаратуры двигателя, обеспечивающей оптимальное регулирование его при работе на двухкомпонентной топливной смеси и на бензине.

Разработаны физические и математические модели топлив -ной аппаратуры, что позволило выявить соотношения между её регулировочными параметрами, необходимые для обеспечения смешанного регулирования рабочего процесса при переменном коэффициенте избытка воздуха и переменном соотношении бензин-водород в топливовоздушной смеси.

Созданы опытные образцы топливоподающей аппаратуры. Проведен комплекс экспериментальных исследований их характеристик на моторных стендах, а также в дорожно-лабораторных и эксплуатационных условиях.

В результате проведенных исследований разработано не -сколько вариантов топливоподающей аппаратуры, на которые получено 5 авторских свидетельств СССР, патенты США и Франции.

Патентование проводится также в Англии, эРГ, Швеции и Японии. Топливная аппаратура награждена серебряной медалью ВДНХ УССР и дипломом II степени Всесоюзного конкурса молодых ученых "Экотехника-82".

Техническая документация топливной аппаратуры, разработанная в СКТБ ИПМаш АН УССР на основании проведенных иссле -дований, передана Минавтопрому для опытно-промышленного внедрения на микроавтобусах Рижского завода микроавтобусов.

Исследования проводились в соответствии с заданием Об и 08 Госкомитета по науке и технике при Совете Министров СССР "Создать и внедрить энергоаккумулирующие вещества ( ЗАВ) , включая гидриды, и разработать способы их применения, обеспечивающие малотоксичную и нетоксичную работу двигателей и энергоустановок" научно-технической проблемы 0.85.03 "Со -здать и внедрить в народное хозяйство эффективные методы и аппараты защиты воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами".

Работа выполнена в ИПМаш АН УССР. Ряд экспериментов был проведен в лаботатории каф. ДВС Харьковского автодорожного института им. Комсомола Украины, а также на Центральном на -учно-исследовательском полигоне в г. Дмитрове.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЕОПРОСА И ЗАЛАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В настоящее время в качестве топлива для ЛЕС используют преимущественно бензин и дизельное топливо, которые яв -ляются продуктами переработки нефти. Топливная аппаратура для питания ДВС с воспламенением от искры и сжатия разработана и исследована достаточно хорошо. Системы питания газовых и смешанных двигателей также довольно хорошо изучены. Топливная аппаратура для бензоводородных двигателей практически отсутствует, поскольку работы по применению водорода в качестве дополнительного топлива были начаты недавно, около восьми лет назад, и только в настоящий момент вышли на ста -дию опытно-конструкторской проверки. На данном этапе приме -нения водорода в качестве дополнительного топлива потребовалась разработка топливной аппаратуры, реализующей известные способы регулирования бензоводородных двигателей. Прежде чем перейти к анализу известных в настоящее время способов регулирования и топливоподающей аппаратуры, остановимся на осо -бенностях водорода как дополнительного топлива.

1.1. Водород - дополнительное топливо для ДВС

Опыт показывает, что при традиционном питании двигателя бензином, как правило, попытки снижения токсичности отрабо -тавших газов приводят к ухудшению экономических показателей /7, 8 /. Токсичность и экономичность двигателей определяется составом смеси, то есть коэффициентом избытка воздуха С ), а у бензиновых двигателей он ввиду узких концентрационных пределов воспламенения бензовоздушных смесей составляет от 0,8 до 1,2. Причем, для получения максимальной мощноети необходимо работать с (X =0,85-0,9/9/, что приво-лит к недогоранию топлива и выбросам продуктов неполного сгорания ( окиси углерода СО и углеводородов в атмосферу с отработавшими газами. При работе на средних нагрузках для обеспечения хороших экономических показателей двигатель питают смесью с оС = I -1,15. Сгорание такой смеси характеризуется образованием больших количеств окислов азота ( / 8 /. Снижение уровня токсичности бензиновых двигателей достигатеся применением дожигателей и нейтрализаторов отработавших газов. Это сложные и дорогостоящие приборы. Кроме того, их применение ведет к ухудшению экономичности двигателей. В целях уменьшения количества образующихся окислов азота используют рециркуляцию части отработавших газов. Однако, этот прием также. приводит к ухудшению экономических показателей двигателя / 7, 10 /.

Известно, что экономичность двигателя тем выше, чем больше коэффициент избытка воздуха. Этим обусловлены попытки увеличения коэффициента избытка воздуха путем применения различных способов смесеобразования, например, послойного или форкамерно-факельного. При этом на отдельных режимах можно добиться устойчивого протекания рабочего процесса прио£= 1,72. Однако, обеспечить стабильность рабочего процесса в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя - задача необычайно сложная / 8 /.

Расширить пределы сгорания бедных бензовоздушных смесей представляется возможным за счет обогащения их водородом. Водород как моторное топливо обладает рядом уникальных свойств - широкими пределами воспламенения в смеси с воздухом {ОС о

О,15 - 10 ), высокой диффузией ( до 0,6 см /с ), высокой скоростью распространения фронта пламени (до 2,70 м/с ) и очень низкой энергией воспламенения ( 0,02 Мдж ) / II /.

Эти свойства при использовании водорода в качестве са -мостоятельного топлива с одной стороны позволяют реализовать качественное регулирование рабочего процесса, а с другой -приводят к его нарушениям, таким как обратные вспышки на впуске, детонационноподобное сгорание и высокая жесткость рабочего процесса при составах смеси богаче ОС = 1,5 / 2, 3, 12, 13, 14, 15, 16, 17 /.

В связи с этим высказываются опасения, что область со -ставов водородовоздушной смеси богаче ОС = 1,5 не может быть реализована в водородном двигателе, а это приведет к значи -тельному снижению литровой мощности поршневого двигателя ввиду низкой объемной теплотворной способности водорода.

В то же время указанные свойства водорода могут быть использованы для инициирования процессов горения бедных бензо-воздушных смесей. Рядом исследований было показано, что даже незначительная добавка водорода ( около 5 % по массе ) к бензину способствует обеднению топливовоздушной смеси до ОС = 2 / 3 /. Это дало толчок новому направлению в организации ра -бочих процессов ДВС с искровым зажиганием, которое базируется на идее использования бензоводородовоздушных смесей при переменном соотношении бензин-водород и различной степени обеднения в зависимости от нагрузки.

Результаты исследования топливной аппаратуры для бензово-дородных двигателей, полученные при выполнении диссертационной работы мл.н.сотр. Института проблем машиностроения АН УССР А.В.Белогубом, внедрены в курс "Автомобильные двигатели" и дипломное проектирование на кафедре ДВС для студентов специальности 1609.

Декан автомобильного факультета к.т.н., доцент

Н.Алексеенко

1. Материалы XX I съезда КПСС. - М.:Политическая литература,1981, - 224 с.

2. Подгорный А.Н., Варшавский И.Л. Водород - топливо будущего. - Киев: Наук, думка, 1980. 240 с.

3. Варшавский И.Л, Энергоаккумулирующие вещества и их использование. - Киев: Наук, думка, I960. - 240 с.

4. Варшавский И.Л., Мищенко А,И., Талда Г.Б. Применение водорода Б качестве добавок к бензину в ДВС с искровым зажиганием. - Харьков, 1977. - 15 с. ( Препринт-53/Ин-т пробл. машиностр. АН УССР)

5. Варшавский И.Л., Мищенко А,И., Талда Г.Б. Применение добавок водорода к бензину для ДЕС с искровым зажиганием. Б кн.: Автотракторные двигатели внутреннего сгорания: М. , 1977, вып. 63, с. 94 - 95

7. Вахонин Л.И., Маркова И.В., Таркопольская Э.Б. Двигателивнутреннего сгорания: в 2-х т. - М.: Машиностроение, 1977. - т . 2 . 162 с.

8. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания.М.: Машиностроение, I98I. - ПО с.

9. Двигатели внутреннего сгорания/Орлин А.С, Алексеев В.П.,Вырубов Д.Н. и др. : В 4-х т. М. : Машиностроение, 1973.т. 4. Системы поршневых двигателей. 460 с.

10. Филлипов А.З. Токсичность отработавших газов тепловых двигателей. - Киев: Вища школа, 1980. - 160 с.

11. Oemichen М.У- l/asseAsto/^ ar£*s Motod:Rc^mctteE.''.)isc/i.

13. Хмыров В.И., Лавров Б.Е. Водородные двигатели. - Алма-Ата:Наука, I98I. 112 с.

14. Рикардо Г.Р. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания.- М. : Госэнергоиздат, 1932. - 380 с.

15. Трелин Ю.А. Исследование особенностей работы ЛЕС с искровым зажиганием при добавках водорода в бензовоздушную смесь. Дисс. . . . канд. техн. наук. - Волгоград, I98I. 210 с.

16. Раменский А.Ю. Исследование рабочих процессов автомобильного двигателя на бензино-водсродных топливных композициях: Автореферат . . .канд. техн. наук, - М., 1982. - 20 с.

17. Шатров Е.В., Раменский А.Ю. Кузнецов Б.Н. Исследованиемощностных, экономических и токсических характеристик двигателя, работающего на бензоводородовоздушных смесях. Автомобильная промышленность, 1979, Wll, с. 12 1^.

18. Исследование рабочего процесса двигателя ГЛЗ-2'f, при работе на бензоводородовоздушной смеси. - Отчет Ш Р , Per № 76067073, Харьков, лАДИ, 1979. - 50 с.

19. А.с. 1002632 ( СССР). Способ работы двигателя внутреннегосгорания и двигатель внутреннего сгорания/ А.Й.Мище-г1К0, Г.Б.Талда, В.А.Байков, А.Е.Белогуб. - Опубл. в Б.И., 1963,

21. Варшавский И.Л., Сухленко W.V. Работа двигателей; внутреннего сгорания на водороде по дизельному циклу. - Харьков, 1977. - 25 с. ( Препринт - 57/ йн-т пробл. машиностр. АН УССР).

22. А.с. 931928 ( СССР). Способ работы многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания и многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания/ И.Л.Варшавский, А.П.К^^дряш, А.В.Проценко, А.И. Шеина, Е.П.Мараховский. - Опубл. в Б,И., 1982, X?- 20.

23. А.с. 1004663 (СССР) Способ работы двигателя внутреннегосгорания и устройство для его осуществления/ Е.А.Банков, Б.П.Гурман, А.С.Клименко. - Опубл. в Б.И., 1983, /ЯО.

24. Разработка и исследование системы питания двигателяЗИЛ-130 для работы на бензоводородовоздушных смесях. - Отчет НИР, Per. № 78025018, М., 1977. - 102 с.

25. А.с. 844802 ( СССР ) . Карбюратор для двигателя внутреннего сгорание Г.Н.Злотин, 0.И.Козлов, А.Б.Суворов, Ю.А.Трелин, А.Б. Ушаков. - Опубл. в Б.И., I98I, №25.

26. А.с. 1052697 С СССР ) . Карбюратор для двигателя внутреннего сгорание Л.Н.Подгорный, А.А.Макаров, Л.И.Мищенко, Л.Т. ймеренко. - Опубл. в Б.И., 1983, №26.

27. А.с. 1028864 (СССР). Карбюратор для двигателя внутреннегосгорания/ А.А.Макаров, А.И.Домрачев, А.Т.Нмеренко, П.К.Ефремов. - Опубл. Б Б.И., 1983, № 26.

31. Термодинамические и теплофизические свойства продуктовсгорания/ Под ред. Е.П.Глушко. - М.: АН УССР, 1976,т.I , 26бс.

32. Нащекин Е.Б. Техническая термодинамика и теплопередача.М. : Высш. школа, 1980, - 459 с.

33. Андреев В.И., Горячий Я.Е., Морозов К.А., Черняк Б.Я.,Смесеобразование в карбюраторных двигателях. - М.: Машиностроение, 1975. - 176 с.

34. Бахвалов И.С. Численные методы. - М.: Науках, 1973, т.1632 с.

35. Циннер К. Наддув поршневых двигателей. - Л.: Машиностроение, 1978. - 274 с.

36. Орлов В.А., Лосев В.Е. Автомобильные карбюраторы. - Л . :Машиностроение, 1977. - 246 с.

37. Винарский М.С., Лурье М.Е. Планирование эксперимэнта в технологических исследованиях. - Киев: Техника, 1975. - 166 с.

38. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планированиеэксперимента при поиске оптимальных условий. - М. : Наука, 1970. - 254 с.

39. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента при исследованиимногокомпонентных систем. - М.: Наука, 1976. - 390 с.

40. Налимов В.В. Теория эксперимента. - М.: Наука, I97I, - 207с.

41. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. - М.: Наука, 1965. 340 с. 58'. Налимов В.В. Новые идеи в планировании экспериментов. -М.: Наука, 1969. - 334 с.

42. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. - М.:Мир, 1967. - 406 с. 61 . Налимов В.В., Голикова Т.П. Логические основания планирования эксперимента. - М.: Изд. МГУ, 1977. - 72 с.

43. Адлер Ю.П., Грановский Ю.Б. Обзор прикладных работ по планированию эксперимента. - М.: МГУ, 1972. - 125 с.

44. Финни Д. Введение в теорию планирования эксперимента.М.: Наука, 1970. - 286 с.

45. Федоров В.Б. Теория опти1.5ального эксперимента. - М. : Наука,1.7I. - 312 с.

46. Круг К.К. Планирование эксперимента. - М,: Наука, 1966.424 с.

47. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Р,, Копылов И.П. Планированиеэксперимйнта в электромеханике. - М.: Энергия, 1975. - 185с.

48. Трохименко Я.К. Метод обобщенных чисел и анализ линейныхцепей. - М.: Сов. радио, 1972. - 311 с.

49. Белогуб А.В., Мищенко А.И. Расчет дросселирующих элементовбензоЕОдородного карбюратора-смесителя, -• Харьков, 1983. 13 с. Рукопись представлена йн-том пробл. машиностр. АН УССР. Леп. в ВИНИТИ 24 мар. 1983, :.? 478-8^3.

50. Мазный Г.Л. Программирование на БЭСМ-б в системе "Лубна".М.: Наука, 1978. - 272 с.

51. Кузнецов В.М., Шатров Е.Е., Раменский А.Ю,, Голубченко Н.И.Топливная аппаратура бензоводородного двигателя. - Авто мобильная промышленность, 1982, 1.^ 11, с, 7 - 9 .

52. А,с. 1002644 (СССР). Система питания двигателя внутреннегосгорания/ А.И.Мищенко, Г.Б.Талда, А.Е.Белогуб. - Опубл. в Б.И., 1963, .^9.

53. А.с. 1002643 (СССР). Двигатель внутреннего сгорания/А.И.Мищенко, Г.Б.Талда, А.В.Белогуб. - Опубл. в Б.И., 1983, Ю,

54. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.:Машипостроение, I98I. - 438 с.

55. Морозов К.А., Матюхин Л.М. Особенности систем питания современных бензиновых двигателей ( учебное пособие). - М.; МАЛИ, I98I. - 68 с.

56. Морозов К.А., Бенедиктов А.Р., Сербии Е.П. Об испарениибензина с поверхности впускного клапана. В кн.: Автотракторные двигатели внутреннего сгорания. - М.: МАДИ, 1977, вып. 144, с» 106 - I I I .

57. Разработка, термодинамический анализ и оптимизация цикловтепловых двигателей и энергетических установок для водо родной энергетики: Отчет НИР. Per. I.'? 78079779. - Харьков: Ин-т пробл. машиностр. АН УССР, 1982, т . 1 . - 178 с.

58. Чугаев P.P. Гидравлика. - Л . : Энергия, I97I. - 552 с.

59. Автомобильные и тракторные двигатели/Под ред. И.М.Ленина.М.: Высш. школа, 1976. - ч .1 . Теория двигателей и системы их питания. 368 с.

60. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания.М.: Высш. школа, 1975. - 319 с.

61. ГОСТ 14846-69. Двигатели внутреннего сгорания. Методы стендовых испытаний. - М.: Изд. стандартов, 1970.

62. Kpe '^lлeБcкий П.П. Расходомеры и счетчики количества. - Л . :Машиностроение ( Ленингр. отд-ние). 1975. - 776 с.

63. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.М.: Энергия, 1978. - 703 с.

64. Моторные испытания и доводка системы питания и гидридногоаккумулятора водорода двигателя ЗМЗ-24: Отчет Ш?, Per. А^7903б592. - Харьков : ХАДИ, I98I. - 150 с.

65. Кривалис С. Погрешности исходных коэффициентов расходадиафрагм. - Измерительная техника, 1959, № 8, с. 5 4 - 5 6 .

66. Куров Б.А., Лаптев А., Еалабин И.В. Испытания автомобилей. - М.: Машиностроение, 1976. - 206 с.

67. Методы комплексного исследования и оптимизации тяговоскоростных качеств и топливной экономичности автомобилей: Проект, первая редакция. -Дмитров, Моск. обл.: Автополигон НАМИ, 1977. - 160 с.

68. ГОСТ 20306-74. Автомобили и автопоезда. Оценочные показатели и методы определения топливной экономичности. - введ. 1005.74. - 50 с.

69. ОСТ 37001,054-74. Автомобильные двигатели. Нормы и методыопределения. - введ. 10.05.74. - 50 с.

70. Методическое пособие по расчету экономической эпхгективности новой и улучшенной автомобильной техники. - М.: 1980. - 37 с.