автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование рабочих процессов ДВС с искровым зажиганием, работающих на смесевых газовых топливах

005062365

На правах рукописи

Демидов Алексей Андреевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ, РАБОТАЮЩИХ НА СМЕСЕВЫХ ГАЗОВЫХ ТОПЛИВАХ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 2013

Москва - 2013

005062365

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Федеральном государственном унитарном предприятии Центральном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»

Научный руководитель Научный консультант

Официальные оппоненты: —

кандидат технических наук Теренченко Алексей Станиславович

Фомин Валерий Михайлович доктор технических наук, профессор МГМУ «МАМИ»

доктор технических наук Козлов Андрей Викторович

Онищенко Дмитрий Олегович кандидат технических наук, доцент МГТУ имени Н. Э. Баумана

Ведущее предприятие — ОАО «Заволжский моторный завод»

Защита состоится "3" июля 2013 г. в /Ц—^ часов на заседании диссертационного совета Д 217.014.01 при Государственном научном центре Российской Федерации Федеральном государственном унитарном предприятии Центральном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательско автомобильном и автомоторном институте ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» по адресу: 125438, г. Москва, Автомоторная ул., 2.

E-mail: A.Zubakin@nami.ru

Тел.: (495) 456-40-40

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотек ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному выше адресу.

Автореферат разослан " ¿J&" УХЛ^лЛ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., с.н.с

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Увеличение численности населения и улучшение благосостояния людей приводит к росту легкового автомобильного парка. Как известно, в Российской Федерации преимущественно каждый легковой автомобиль снабжен двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием (ДВС с ИЗ), который является основным потребителем бензина, получаемого из невозобновляемой нефти и основным источником выбросов вредных веществ и парниковых газов в окружающую среду.

В связи с этим в настоящее время актуальны проблемы исчерпаемости природных нефтяных запасов и загрязнения окружающей среды, особенно в крупных городах с высокой плотностью населения и легкового автомобильного парка. Для решения вышеописанных проблем существуют направления, позволяющие снизить негативное воздействие автотранспортных средств (АТС) на окружающую среду и уменьшить расход невозобновляемых нефтяных ресурсов.

Одним из таких направлений является использование в ДВС с ИЗ альтернативных жидких и газовых моторных топлив, получаемых из различных ненефтяных источников и позволяющих снизить концентрацию вредных веществ и парниковых газов в отработавших газах ДВС с ИЗ легковых автомобилей.

Номенклатура жидких альтернативных моторных топлив для ДВС с ИЗ представлена преимущественно спиртовыми топливами, такими как этанол и метанол.

Среди газовых топлив в качестве моторного топлива в настоящее время в ДВС с ИЗ активно используются природный и нефтяной газы. В качестве моторных топлив также могут быть использованы промежуточные и побочные горючие газовые продукты, такие как коксовый газ, доменный газ, водяной газ, синтез-газ, получаемые в процессе деятельности различных производственных предприятий. Помимо этого в качестве моторных топлив можно применять биогаз различного состава, получаемого из отходов сельскохозяйственных, животноводческих, деревообрабатывающих и других предприятий. В качестве моторных топлив для ДВС с ИЗ также могут применяться водород, ацетилен, аммиак и другие горючие газы и их смеси.

Газовые моторные топлива и их смеси могут быть многокомпонентными и иметь в своем составе горючие и негорючие газы различного элементарного состава. Физико-химические свойства газовых компонентов характеризуются различными низшей теплотой сгорания, пределами воспламеняемости, скоростью горения, теплоемкостью, молекулярной массой, октановым числом и рядом других свойств, которые в значительной мере будут влиять на процесс сгорания газового смесевого топлива и мощностные, топливо-экономические и экологические показатели ДВС с ИЗ.

Для анализа и обоснования выбора перспективных газовых моторных топлив для ДВС с ИЗ необходимы сравнительные расчетные исследования изменения мощностных, топливо-экономических и экологических показателей

ДВС с ИЗ при его переводе с традиционного бензина на газовые топлива и их смеси.

Таким образом, необходима методология и инструментарий для исследования и расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на различных газовых топливах и их смесях, учитывающие их состав и физико-химические свойства, а также позволяющие рассчитать параметры для дальнейшего проектирования систем топливоподачи, зажигания и управления ДВС с ИЗ.

Цель диссертационной работы. Разработка математической модели и проведение расчетных и экспериментальных исследований рабочих процессов ДВС с ИЗ при его работе как на моно так и смесевых газовых топливах, расширение сырьевой базы моторных топлив и достижение современных и перспективных требований по мощностным, топливо-экономическим и экологическим показателям.

Задачи исследования:

• разработка математической модели для расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах, учитывающей их многокомпонентный состав и различные физико-химических свойства;

• разработка метода математического описания закона тепловыделения в ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах на основе проведенных экспериментальных исследований;

• создание макетного образца ДВС с ИЗ для работы на смесевом газовом топливе и проведение на нем сравнительных экспериментальных исследований для проверки правильности расчетов, выполненных с помощью математической модели;

• проведение расчетно-теоретических исследований влияния процесса сгорания смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ на мощностные, топливо-экономические и экологические показатели;

• проведение аналитических исследований характерных режимов работы ДВС с ИЗ в составе комбинированной энергоустановки (КЭУ) автобуса в сравнении с режимами работы ДВС в стандартизованных испытательных циклах, используемых для сертификации ДВС различного назначения по экологическим требованиям;

• проведение сравнительных расчетных исследований мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ в составе КЭУ при его работе на смесевых газовых топливах на режимах испытательного цикла.

Объектами исследований являются созданный макетный образец ДВС с ИЗ 24 7,7/6,7, работающий на бензине и синтез-газе воздушной конверсии метана (СГ ВКМ) и серийный ДВС с ИЗ ЗМЗ 40522.10.

Методы исследования. Расчетно-теоретические исследования проводились с помощью разработанной в процессе выполнения работы, прикладной компьютерной программы 2Z«GAS». Экспериментальные исследования проводились на моторном стенде в ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ".

Достоверность результатов данной работы обеспечена сопоставлением расчетных результатов, выполненных с помощью программы «2ZGAS», с

результатами собственных экспериментальных исследований, а также экспериментальных исследований, проведенных в ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ" ранее.

Научная новизна состоит:

• в разработке математической модели для расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах с учетом их многокомпонентного состава и различия физико-химических свойств;

• в разработке метода математического описания закона тепловыделения в ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах, основанного на обработке и анализе результатов экспериментальных исследований ДВС с ИЗ, работающего на бензине;

• в разработке методики проведения экспериментальных исследований ДВС с ИЗ при его работе на СГ ВКМ и результатах экспериментальных испытаний ДВС на СГ ВКМ;

• в результатах расчетных исследований влияния процесса сгорания смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ на мощностные, топливо-экономические и экологические показатели;

• в результатах аналитических исследований характерных режимов работы ДВС с ИЗ в составе КЭУ в сравнении с режимами работы ДВС в стандартизованных испытательных циклах, используемых для сертификации ДВС различного назначения по экологическим требованиям;

• в получении сравнительных результатов расчетных исследований топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах на режимах испытательного цикла.

Практическая ценность работы включает:

• разработку прикладной компьютерной программы «27СА5» с пользовательским интерфейсом, позволяющей производить расчеты рабочего процесса и определять мощностные, топливно-экономические и экологические показатели ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах;

• создание стендового макетного образца ДВС с ИЗ с системой питания и системой электронного управления топливоподачей для его работы на СГ ВКМ и проведение на нем сравнительных экспериментальных исследований на бензине и СГ ВКМ.

Основные положения, выносимые на защиту: математическая модель расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах;

• метод математического описания закона тепловыделения в ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах, основанный на обработке и анализе результатов экспериментальных исследований ДВС с ИЗ на бензине;

• результаты расчетных и экспериментальных исследований мощностных, топливо-экономических и экологических показателей созданного макетного образца ДВС с ИЗ при его работе на бензине и СГ ВКМ;

результаты расчетных исследований влияния процесса сгорания смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ на мощностные, топливо-экономические и экологические показатели;

• результаты аналитических исследований характерных режимов работы ДВС с ИЗ в составе КЭУ в сравнении с режимами работы ДВС в стандартизованных испытательных циклах, используемых для сертификации ДВС различного назначения по экологическим требованиям;

• сравнительные результаты расчетных исследований мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах на режимах испытательного цикла.

Личный вклад автора.

1. На основе технической и патентной литературы сделан обзор теоретических и экспериментальных работ по применению в ДВС с ИЗ различных газовых топлив, а также проведены аналитические исследования существующих математических моделей по расчету рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах.

2. Разработана математическая модель для расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах, учитывающая их многокомпонентность и различия физико-химические свойств.

3. Разработан метод математического описания закона тепловыделения в ДВС с ИЗ при его работе на газовых топливах и их смесях, основанный на обработке и анализе результатов экспериментальных исследований ДВС с ИЗ, работающего на бензине.

4. Разработана прикладная программа «27СА5» с пользовательским интерфейсом, позволяющая производить расчеты рабочего процесса и определять мощностные, топливно-экономические и экологические показатели ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах.

5. Разработана методика проведения экспериментальных исследований ДВС с ИЗ при его работе на бензине и СГ ВКМ.

6. Создан стендовый макетный образец ДВС с ИЗ, на котором проведены сравнительные экспериментальные исследования и получены мощностные, топливо-экономические и экологические показатели при его работе на бензине и СГ ВКМ.

7. Получены результаты теоретических исследований влияния процесса сгорания смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ на мощностные, топливо-экономические и экологические показатели.

8. Получены результаты аналитических исследований характерных режимов работы ДВС с ИЗ в составе КЭУ автобуса в сравнении с режимами работы ДВС в стандартизованных испытательных циклах, используемых для сертификации ДВС различного назначения по экологическим требованиям.

9. Получены сравнительные результаты расчетных исследований мощностных топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах на режимах испытательного цикла.

Реализация результатов работы.

Результаты расчетных и экспериментальных исследований мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах используются в учебном процессе кафедры

«Менеджмент высоких технологий» МАДГТУ (МАДИ) при чтении курса лекций и проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам: «Инновационные технологии в сфере мобильных энергетических установок», «Инновационные технологии энергосбережения».

Программа для ЭВМ «2Z GAS» внедрена в учебный процесс кафедры «Тракторы и автомобили» «МГУ Природообустройства» и используется при выполнении практических занятий по дисциплине «Рабочие процессы энергетических установок».

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы были доложены на: Научно-технической студенческой конференции "Технологии и разработки в природообустройстве" (ФГОУ ВПО "МГУП", г. Москва, 2009 г.); Международной научно-практической конференции "Научные проблемы автомобильного транспорта" (ФГОУ ВПО "МГАУ", г. Москва, 2010 г.); 12-ой Международной автомобильной конференции "Современные силовые установки для автомобильной, внедорожной и специальной техники" (ОАО "АСМ-холдинг", г. Москва, 2010 г.); VIII Международном Автомобильном Научном Форуме (МАНФ-2010) "Развитие национальной базы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ" (НИЦИАМТ ФГУП "НАМИ", г. Дмитров, 2010 г.), Международной научно-технической конференции ААИ, посвященной 145-летию МГТУ "МАМИ" "Автомобиле - и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров" (МГТУ "МАМИ", г. Москва, 2010 г.), Научно-технической конференции "5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе" (МГТУ "МАДИ", г. Москва, 2011 г.) , 74 Международной научно-технической конференции ААИ "Экология и энергетическая эффективность автотранспортных средств" (НИЦИАМТ ФГУП "НАМИ", г. Дмитров, 2011 г.), 75 Международной научно-технической конференции ААИ "Перспективы развития автомобилей. Развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками" (ОАО "АВТОВАЗ", г. Тольятти, 2011 г.), Международной молодежной конференции "Энергоэффективный автомобильный транспорт будущего" (МГТУ "МАМИ", Москва, 2012 г.), а также на заседании научно-технического совета в ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ".

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах, из них 6 работ в изданиях, входящих в перечень утвержденных ВАК РФ изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций; содержит 178 страниц машинописного текста, 56 иллюстраций, 40 таблиц, 2 страницы основных обозначений и сокращений и списка используемой литературы из 158 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность работы, научная новизна и практическая ценность, даны сведения о структуре работы, реализации её результатов и апробации.

В первой главе проанализированы современные мероприятия по снижению выбросов вредных веществ и парниковых газов для достижения современных норм на токсичность и мероприятия по снижения расхода топлив. Обосновано, что одним из перспективных путей снижения выбросов вредных веществ и парниковых газов, а также снижения зависимости от невозобновляемых нефтяных ресурсов является применение альтернативных моторных топлив. Проведен анализ сырьевой базы невозобновляемых и возобновляемых ресурсов для производства альтернативных моторных топлив, описаны виды альтернативных топлив и опыт их использования в ДВС.

Работами в области исследования и применения альтернативных моторных топлив для ДВС с ИЗ в ряде научно-исследовательских и учебных центров Российской Федерации были осуществлены такими учеными как: Бризицкий О.Ф., Галышев Ю.В., Девянин С.Н., Звонов В.А., Иващенко H.A., Каменев В.А., Кавтарадзе Р.З., Козлов A.B., Кутенев В.Ф., Луканин В.Н., Лукшо В.А., Теренченко A.C., Фомин В.М., Хрипач H.A., Шайкин А.П. и другими исследователями.

В качестве газовых альтернативных моторных топлив сегодня активно используется природный газ и сжиженный нефтяной газ. Однако, помимо этого в ДВС с ИЗ возможно применение других горючих газов и их смесей, таких, как: водород, биогаз и синтез-газ различных составов и способов получения, доменный и коксовый газы, образующиеся на производственных предприятиях, различные газовые смеси.

В настоящее время за рубежом активно проводятся теоретические и экспериментальные исследования по использованию различных газов в качестве топлив для ДВС с ИЗ. В частности в работе К.С. Midkiff и другие были проведены экспериментальные исследования ДВС с ИЗ General Motors при его работе на 3 различных составах биогаза. Результаты показали, что мощностные показатели двигателя уменьшаются пропорционально уменьшению содержания метана в биогазе, при этом расход топлива увеличивается. Выбросы NOx и СН снижаются с уменьшением содержания метана, а выбросы СО остаются без изменений. Активно проводятся исследования использования метан-водородных смесей в ДВС с ИЗ. В частности, в работе выполненной в Китае в университете Цинхуа проведены стендовые экспериментальные исследования 6-цилиндрового двигателя при работе на топливах с различными добавками Нг к СН4, которые показали, что с увеличением доли Н2 (0, 30, 45, 50 % по объему) выбросы СО, СН, СО2 значительно падают, при этом выбросы NO2 возрастают, однако авторами удалось добиться снижения выбросов NOx регулировками параметров рабочего процесса ДВС.

В отечественной практике накоплен опыт по исследованиям применения синтез-газа в качестве моторного топлива. Во ФГУП НАМИ под руководством

Каменева В.Ф. при участии Хрипача H.A., Лежнева Л.Ю. и других были проведены работы по получению синтез-газа из метанола на борту автомобиля Москвич 2141 и использования его, как добавки к метанолу. Результаты испытания этого автомобиля по методике ездового цикла Правил № 83 ЕЭК ООН установили улучшение его экологических качеств по сравнению с базовым прототипом: выбросы СО снизились на 95%, СН на 98%, NOx на 68%. Сотрудниками ФГУП РФЯЦ-ВНИИФ совместно с институтом катализа им. Борескова Г.К. и заводом ЗМЗ при участии Бризицкого О.Ф был изготовлен автомобиль "Соболь" с генератором синтез - газа на борту. В результате экспериментальных дорожных испытаний автомобиля "Соболь" при его работе на смеси синтез-газа и метана, в сравнении с бензином установлено, что выбросы СО снизились в 21 раз, выбросы СН увеличились в 2 раза, выбросы NOx снизились в 10 раз, СОг снизились в 1,85 раза. В ТГУ были проведены стендовые испытания двигателя ВАЗ 2114 с генератором синтез-газа. В качестве топлив были использованы синтез-газ паровой конверсии метана (СГ ПКМ) и метан. При оборотах двигателя 2185 мин"'и Ре = 0,2 МПа при работе ДВС на синтез-газе, выбросы СО снизились в 20 раз, выбросы СН снизились в 1,75 раза, выбросы NOx увеличились в 1,5 раза, выбросы СО2 остались без изменений по сравнению с работой ДВС на метане.

На первых этапах работ по переводу ДВС с ИЗ на различные газовые моторные топлива и их смеси целесообразно использование математических моделей для проведения сравнительных исследований изменения мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС при переходе на эти топлива. Математические модели не требуют натурных образцов ДВС и позволяют варьировать значения сколь угодно большого числа факторов, влияющих на показатели работы ДВС с ИЗ.

Расчетные модели ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах появились сравнительно недавно. Они предусматривают различные подходы к расчету рабочего процесса ДВС и расчету образования выбросов вредных веществ.

Многозонная модель рабочего процесса ДВС ISIS, разработанная N.N. Mustafi, Y.C. Miraglia и др.при использовании в качестве топлива синтез-газа (52% СО, 44% Н2, 4% N2 по объему), как видно на рисунке 1, показывает превышение расчетных выбросов NOx над экспериментальными в шесть раз.

Рисунок 1 - Соотношение расчетных показателей NOx по модели ISIS и экспериментальных данных при работе ДВС на синтез-газе

Federico Perini, Fabrizio Paltrinieri предложена двузонная математическая модель, позволяющая рассчитывать мощностные, экономические и экологические показатели работы ДВС при его работе на смеси СЬЦ и Н2. Модель предусматривает расчет рабочего процесса и выбросов СО и Нз не в зависимости от скорости тепловыделения, а в зависимости от изменения скорости распространения фронта пламени. Результаты расчетов представлены на рисунке

Ali-

»*2LB 3 і

зо І»

—— Расчет м Эксперимент

ЗвО

зо©

v

з

5 »»

О.Ш 0.7 О.» О. О

КЬуффяцжент «збмтка »оілуп»

Рисунок 2 - Сравнение экспериментальных и расчетных результатов, полученных при работе ДВС с ИЗ на смеси Н2+СН4

Анализ других существующих математических моделей для расчета рабочего процесса ДВС при его работе на различных газах показывает, что модели позволяют адекватно рассчитывать мощностные и экономические показатели ДВС, однако велика погрешность расчетов экологических показателей. Таким образом, для исследования рабочего процесса ДВС при его работе на различных многокомпонентных газах необходима разработка математической модели и программы расчетов, а также проведение экспериментальных исследований для проверки ее адекватности.

На основе проведенного анализа из I главы сформулированы цель работы и задачи исследований.

Во второй главе на основе математической модели В.А. Звонова для ДВС с ИЗ разработана двухзонная нульмерная математическая модель расчета рабочего процесса ДВС при его работе на различных газовых топливах. Данную математическую модель характеризуют следующие особенности и допущения:

1) горение топлива происходит при постоянном значении коэффициента а;

2) в каждый момент времени давление газа во всех зонах одинаково;

3) между зонами отсутствует теплообмен;

4) отвод теплоты в стенки определяется по зависимости Вошни;

5) теплота, отведенная в стенки от каждой зоны, определяется путем распределения общей теплоты между зонами пропорционально их объемам и температурам газов;

6) расчет равновесного состава в зоне продуктов сгорания производится для 18 компонентов на каждом шаге расчета (С, СО, С02, СН4, Н20, Н2, N2, Оэ, 02, О, Н, N. N02, N0, ИНз, Ш03, ОН, НСЫ);

7) термические N0* образуются в зоне продуктов сгорания по цепному механизму Я.Б.Зельдовича;

8) концентрация И0Х в цилиндре ДВС с ИЗ определяется, как отношение их общего количества в зоне продуктов сгорания к количеству рабочего тела в цилиндре;

9) расчет процесса сгорания производится на основе закона выгорания топлива, определяемого по закону, сформулированному И. И. Вибе.

Для расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ на смесевых газовых топливах в математическую модель В.А. Звонова автором внесены зависимости для расчета физико-химических свойств газовых топлив и их смесей. Газовые топлива в зависимости от сырья и способов получения являются смесью компонентов с различным процентным содержанием горючей СН4, Н2,СО, С2Нб, СзН8, С4Нш, С5Н12, С3Нб, С4Н8, и негорючей части: С02, О2, Н20, N2, которые непосредственно влияют на физико-химические свойства топлива и соответственно на расчет рабочего процесса.

Для расчета теплоты сгорания смесевого газового топлива Ни(т) используется формула (1)

Л _ _/=]_

" "»„<„, ' О)

где #„£Ч.;-низшая теплота сгорания горючих газов в кДж/кг;

тир) - молекулярная масса всех компонентов топлива, включая горючую и негорючую часть;

у[(г.ч.) - количество горючих компонентов в объемных долях; г,- - общее содержание компонентов в объемных долях;

Для расчета молекулярной массы смесевого газового топлива использована формула(2)

ти(т) = 'ти(о ^2)

Для расчета элементарного состава газового топлива на первом шаге рассчитывается элементарный состав каждого компонента, входящего в газовое топливо. Расчет элементарного состава каждого из компонентов рассчитывается по формулам (3)

= (3)

ти(о) "».<„) »«.(„)

где у, т, I, р, ! - индексы элементов в химических формулах компонентов газового топлива, соответственно С, Н, О, 5, N.

Для исходного газового топлива элементарный состав рассчитывается по формулам (4)

С = £С;, я = £я, 0 = £0„ " = Я = (4)

1-1 У-1 /=1 1-1

Уравнение изобарной теплоемкости топливовоздушной смеси во впускном ресивере рассчитывается по формуле (5)

тСР = + Ъ«Т, + + га{а. + Ь,Тг) > (5)

где атЬт,ст, ав,Ьв - коэффициенты изобарных теплоемкостей топлива и воздуха; г, - объёмная доля топлива во впускном ресивере; гв - объемная доля воздуха во впускном ресивере.

Для определения значения коэффициентов теплоемкости ат,Ьт,ст, исходя из коэффициентов изобарных теплоемкостей компонентов газового топлива, использованы формулы (6)

= Хд ь- = Ё6' =

(6)

Для расчета процесса сгорания автором разработан метод математического описания закона тепловыделения в ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах и их смесях по результатам экспериментальных исследований ДВС с ИЗ. В математической модели процесс сгорания описывается с помощью закона тепловыделения И.И. Вибе по формуле (7)

= 1 - ехр [-б,908(^>~9?0)"+1 ]

«>' , (7)

где х~~ Доля теплоты; т - показатель сгорания; у г — продолжительность сгорания, град.п.к.в.; <р0 - угол начала сгорания;

(р — текущее значение угла поворота коленчатого вала, град, п.к.в.

Разработанный метод позволяет подбирать показатели т и ср2, для различных газовых топлив и их смесей при известных значений то и <р2 на соответствующих режимах работы ДВС с ИЗ на бензине. Метод основан на различии нормальной скорости распространения пламени при горении бензина и нормальной скорости распространения пламени при горении смесевого газового топлива.

Для расчета нормальной скорости распространения пламени в смесях многокомпонентного газа с воздухом, содержащего набор различных горючих компонентов применима формула (8)

и = ¿Л. х^+^х^....+£/„ хг. ^

г{+г2.... + гх

где I]- скорость распространения пламени (м/с).

Если в многокомпонентном газе присутствуют балластные газы N2 и СО2, то для расчета нормальной скорости распространения пламени применима формула (9), учитывающая содержание N2 и С02

ипіо6щ) = и„ ■ (1 - І0,01 ■ М2 - 0,012 ■ С02) (9)

Для выбора показателей т и <рг (индекс б относится к параметрам бензинового ДВС, индекс г - к параметрам газового ДВС) при горении различных газовых топлив и их смесей используются зависимости (10 и 11)

а„,„. ... (10)

= Лю ■ К0-59-К-кр-К • + 0,8],

а(г)

где а - коэффициент избытка воздуха

0,25 ■ к„

+ 1,96

здесь коэффициенты кр, ктн ки, представляют собой отношения (12)

Т . С/.,,,

иф)

(П)

(12)

где и„(г) и и „(в) - это нормальные скорости распространения пламени бензина и исследуемого газового топлива;

Т(г)и Т(б) -это средние температуры по циклу при работе ДВС с ИЗ на бензине и исследуемом газовом топливе, рассчитанные при вводе в математическую модель одинаковых значений параметрах т и <ро\

Р(г) 11 Р(6) - это средние давления по циклу при работе ДВС с ИЗ на бензине и исследуемом газовом топливе, рассчитанные при вводе в математическую модель одинаковых значений параметрах т и (ро.

В состав некоторых смесевых газовых топлив, например в состав синтез-газа, может ВХОДИТЬ N2, поэтому при определении концентраций Гщ, и Гмо И Гмор в зоне продуктов сгорания по методике расчета равновесного состава было учтено влияние количество N2 , входящего в состав топлива.

Для проведения расчетов с помощью разработанной математической модели и получения конечных результатов расчетов разработан алгоритм и программный код, который был реализован в виде программного обеспечения «22СА8», интерфейс которой представлен на рисунке 3.

Ииодные йанныа топлива

йоиднае оанмыв двигателя

ПРОЦЕСС КАПОпееЖЙ

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

х:"ТЕГ Т г.

ИНЮЖАТСтЕ ПОКАЗАТЕЛИ

Вабор закона сгорания

Им'г'"

Вчіор Р1РЧ«Т» [ШНОМОМГО скт»» продукті

КТИЗНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВЫБРОСЫ СЖСИЙОв АЗ ., ,„.,>..,^„>5:, КЩМЕХЛОТЕРЬ

Рисунок 3 -Интерфейс программы 2Ъ «вАБ»

После расчета программа выводит на экран конечные параметры процессов наполнения, сжатия, сгорания, индикаторные и эффективные показатели ДВС, показатели выбросов NOx и С02. Для идентификации и проверки адекватности математической модели и программы расчетов необходимо проведение экспериментальных исследований.

В третье главе диссертационной работы приведена методика проведения экспериментальных исследований, описание и технические характеристики созданного макетного образца ДВС с ИЗ и оборудования, использованного при проведении испытаний. Приводится обработка экспериментальных результатов и оценка адекватности расчетов программы, путем сравнения экспериментальных показателей с расчетными. Объект испытаний - макетный образец ДВС с ИЗ, созданный на базе карбюраторного ДВС KOHLER СН 22/640, путем установки разработанных автором системы питания с электронной системой управления подачи газового топлива для работы ДВС с ИЗ бензине и СГ ВКМ. В качестве топлива для проведения сравнительных испытаний были выбраны бензин АИ-92 и СГ ВКМ состава (53% N2; 5% С02; 30% Н2 , СО 12%), аналогичный получаемому во ФГУП НАМИ, методом воздушной конверсии метана на малогабаритной установке по производству альтернативных моторных топлив, разработанной под руководством В.А. Лукшо.

На рисунке 4 показана схема установки для проведения экспериментальных испытаний.

1 - бак с бензином, 2 - шаровой кран, 3 - электромагнитные клапана, 4 -мерные емкости, 5 - топливный насос, 6 - ДВС, 7 - карбюратор, 8 - впускной коллектор, 9 -выпускной коллектор, 10 - баллон с СГ ВКМ, 11 - редуктор, 12 -манометр, 13 - газовый клапан, 14 - ротаметр, 15 - газовые форсунки, 16 -карданный вал, 17- тормозное устройство, 18 - весовая головка, 19 -газоанализатор, 20-расходомер воздуха, 21-ресивер, 22 - воздуховод

а) б)

Рисунок 5 -Макетный образец ДВС с ИЗ при проведении экспериментальных испытаний на бензине и СГ ВКМ. (а - макетный образец, установленный на стенде; б - установка газовых форсунок во впускной трубопровод макетного образца)

При проведении экспериментальных исследований на бензине проводились измерения на режимах внешней скоростной характеристики, при проведении экспериментальных исследований на СГ ВКМ на трёх режимах при п = 1000, 1400, 1800 мин"1 при работе ДВС на полной нагрузке.

Сравнение расчетных и экспериментальных показателей мощности (Ые) и удельного расхода топлива ('¿е) ДВС с ИЗ при проведении расчетных и

Измерение частоты вращения вала и крутящего момента ДВС проходило на стенде марки DS 736-4/V, фирмы «MEZ-VSETIN», общий вид макетного образца ДВС на стенде показан на рисунке 5(a). Часовой расход воздуха определялся с помощью газового счетчика РГ-40. Расход бензина определялся объемным способом с помощью мерных емкостей, часовой расход синтез-газа измерялся ротаметром и корректировался с учетом плотности синтез-газа. Выбросы С02 и NOx измерялись газоанализатором Инфралайт ПР. Все измерительное оборудование прошло предварительную тарировку в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Для работы ДВС на СГ ВКМ во впускной коллектор ДВС с ИЗ были установлены газовые форсунки фирмы LOVATO с измененным диаметром штуцера, как показано на рисунке 5(6). Для определения периодичности открытия и закрытия первой форсунки с изменением частоты вращения ДВС и обеспечения впрыска газа в заданный период времени на ДВС был установлен датчик Холла модели 1GT101DC Honeywell. Электронная система управления подачи топливом сделана на базе платы OLIMEX PIC-USB-4550 с встроенным микроконтроллером PIC18F4550. С помощью микроконтроллера, управляемого с компьютера, вручную можно задавать такие параметры, как: продолжительность впрыска форсунок, задержка открытия первой и второй форсунок, ток импульса для

экспериментальных исследований по внешней скоростной характеристике представлено на рисунке 6.

И 1—

и

И і—

6

і») ¡Ж Ж

• (яш-1)

• Снвгаз (экг.)

• — Сингаї (рост.)

а) б)

Рисунок 6 - Сравнение расчетных и экспериментальных показателей (а) и gc(б) при работе ДВС на бензине и СГ ВКМ

Сравнение расчетных и экспериментальных показателей выбросов СС)2 и Ж)х ДВС с ИЗ при проведении расчетных и экспериментальных исследований на режимах внешней скоростной характеристике представлено на рисунке 7.

*>х (і*вп)

»• - І _ .»-

В Бенаофкс.)

-Бенин (ріст.)

Сяд-ш(э*с)

- — Сня,іаз(расч.?

10» 1500 2000 2500 3000 3500 -1000 ,(>ая-1)

¡г*Вгч)

121» т—

500 1000 1500 2000 25Ю 3000 3500 «00 .даи-і)

а) б)

Рисунок 7 - Сравнение расчетных и экспериментальных показателей выбросов Ж)х(а) и С02 (б) при работе ДВС на бензине и СГ ВКМ

Также проведена проверка адекватности разработанной модели по результатам экспериментальных испытаний ДВС ЗМЗ 4062.10 на пропан-бутане и ЗМЗ 40522.10 на метане, проведенные в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Оценка адекватности расчетов математической модели по результатам собственных экспериментальных исследований и исследований, проведенных ранее, показала, что различие между расчетными и экспериментальными показателями составляет не более 10%, в связи с чем сделан вывод о том, что разработанная математическая модель позволяет адекватно рассчитывать мощностные, топливо-экономические и экологические показатели ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах.

В четвертой главе приводится описание расчетных исследований, выполненных с помощью разработанной математической модели. Объектом для проведения дальнейших расчетных исследований выбран ДВС с ИЗ ЗМЗ 40522.10. На первом этапе проведены расчетные исследования влияния выбора параметров т, <р2 и (ро при описании процесса сгорания на результаты расчетов мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ. Расчетные исследования выполнялись на режиме максимального крутящего момента при п=3000 мин"1 при полном открытии дросселя и при а= 1.

В качестве топлив выбраны: бензин, метан, биогаз из отходов крупного рогатого скота, синтез газ паровой конверсии метана (СГ ПКМ) и СГ ВКМ. Физико-химические свойства исследуемых газовых топлив указаны в таблице 1.

По результатам расчетных исследований, подробно описанных в диссертационной работе, можно заключить, что выбор параметров описания закона сгорания, а также физико-химические свойства сжигаемого топлива имеют значительное влияние на результаты расчета мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ.

Таблица 1 - Физико-химические свойства газовых топлив

Топливо Состав % Молекулярная масса, mu Теплота сгорания Ни, кДж/кг Скорость распространения пламени Un, (м/с)

СН4 СО н2 со2 n2

Бензин - - - - - 114 43960 0,33

Метан 100 - - - - 16 49995 0,37

Биогаз 65 - - 35 - 25,8 20153 0,36

СГПКМ - 35 65 - - 11,1 23017 1,83

СГВКМ - 12 30 5 53 21 5055 1,95

Одним из перспективных направлений является применение транспортных средств с КЭУ, состоящей из первичного источника энергии - ДВС и вторичного -электрохимического источника тока. В ГНЦ РФ ФГУП НАМИ проводилась научно-исследовательская и опытно конструкторская работа по созданию автобуса с КЭУ ЛиАЗ-5292 HN. В качестве силового агрегата выбран ДВС с ИЗ ЗМЗ-40522.10. Для оценки экологических показателей ДВС с ИЗ в составе КЭУ разработанного автобуса необходимо решить вопрос, связанный с разработкой методик сертификационных испытаний.

Предварительные проведенные исследования различных стационарных испытательных циклов, показали, что существующий 13-ти режимный стационарный испытательный цикл ESC, разработанный ЕЭК ООН и утвержденный Правилами №49 наиболее полно отражает режимы работы

двигателей в составе комбинированной энергетической установки исследуемых городских автобусов.

С целью улучшения топливо-экономических показателей и достижения перспективных экологических норм на выбросы вредных веществ и парниковых газов, а также расширения сырьевой базы моторных топлив, представляет интерес использования в качестве топлива смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ в составе КЭУ.

Для достижения данной цели необходимо проведение сравнительных расчетных исследований топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ в составе КЭУ автобуса при его работе на смесевых газовых топливах на режимах 13-ти ступенчатого стационарного испытательного цикла ESC, разработанного ЕЭК ООН и утвержденного Правилами №49. В качестве топлив для проведения расчетных исследований выбраны: бензин, метан, биогаз свиного навоза, СГ ПКМ при а =1 и при а =1,7 и СГ ВКМ. Результаты расчетных исследований представлены на рисунках 8, 9, 10.

Рисунок 8. Результаты расчетных исследований А^(а) и £е(б) при работе ДВС с ИЗ в составе КЭУ автобуса на смесевых газовых топливах

а) б)

Рисунок 9. Результаты расчетных исследований выбросов NOx(^&) иСОг (б) при работе ДВС с ИЗ в составе КЭУ автобуса на смесевых газовых топливах

Рисунок 10. Результаты расчетных исследований эффективного КПД (г]е)) при работе ДВС с ИЗ в составе КЭУ автобуса на смесевых газовых топливах

В результате проведенных расчетных исследований ДВС с ИЗ в составе КЭУ автобуса при его работе на смесевых газовых топлив по 13-ти ступенчатому циклу Правил ЕЭК ООН № 49 установлено, что наибольшее значение,= 31 КВт достигается при работе ДВС с ИЗ на бензине, наименьшее значение ge^ц)= 258 г/КВт'ч получено при работе ДВС с ИЗ на метане, при работе ДВС с ИЗ на биогазе, СГ ПКМ (а=1,7) и СГ ВКМ по выбросам ЫОх двигатель укладывается в норму Евро-5, наименьший выброс С02 достигается ДВС с ИЗ при его работе на СГ (ПКМ) (а=1,7) и наилучшее значение г]е достигнуто при работе ДВС с ИЗ на СГ ПКМ (а=1).

Анализ результатов проведенных расчетных исследований показал, что, не смотря на потерю на 29 % и увеличение §е на 64% в сравнении с бензином, при использовании СГ ПКМ (а =1,7) в ДВС с ИЗ в составе КЭУ в 1,38 раз снижается уровень нормируемых выбросов С02, по выбросам N0* ДВС с ИЗ в составе КЭУ соответствует экологическому классу Евро-5 и имеет высокий показатель = 0,36.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать рабочий процесс ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах. Данная модель отличается учетом многокомпонентного состава смесевого газового топлива и различием физико-химических свойств газов, входящих в топливо.

2. Сформулирован и теоретически обоснован метода математического описания закона тепловыделения в ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах, основанный на обработке и анализе результатов экспериментальных исследований ДВС с ИЗ, работающего на бензине.

3. Созданные математическая модель и метод математического описания закона тепловыделения легли в основу разработанных алгоритма и программного обеспечения 2Z «GAS», позволяющих проводить сравнительные расчетные исследования ДВС с ИЗ при его работе на различных смесевых газовых топливах.

4. Создан макетный образец ДВС 24 6,7/7,7, на котором проведены экспериментальные испытания на бензине и СГ ВКМ на режимах внешней скоростной характеристики.

5. Оценка адекватности расчетов математической модели по результатам данных экспериментальных исследований и исследований, проведенных в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» ранее, показала, что различие между расчетными и экспериментальными показателями составляет не более 10 %, в связи с чем сделан вывод о том, что разработанная математическая модель позволяет адекватно рассчитывать мощностные, топливо-экономические и экологические показатели ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах.

6. Проведены расчетные исследования влияния выбора параметров описания процесса сгорания смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ, которые показали, что параметры описания закона сгорания, а также физико-химические свойства сжигаемого топлива имеют значительное влияние на результаты расчета мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ.

7. Проведены исследования режимов работы ДВС с ИЗ в составе КЭУ автобусов, в сравнении со стационарными испытательными циклами, принятыми в США, Европе и Японии для сертификации ДВС по экологическим нормам, которые показали, что из существующих испытательных циклов 13-ти режимный стационарный испытательный цикл ESC, принятый ЕЭК ООН и утвержденный Правилами №49 наиболее полно отражает режимы работы двигателей в составе КЭУ городского автобуса.

8. С помощью математической модели и программы 2Z «GAS» проведены сравнительные расчетные исследования мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ в составе КЭУ автобуса при его работе на смесевых газовых топливах на режимах 13-ти ступенчатого стационарного испытательного цикла ESC. Анализ результатов проведенных расчетных исследований показал, что, не смотря на снижение среднего за цикл показателя Ne(u) на 29 % и увеличение ge(u) на 64% в сравнении с бензином при использовании СГ ПКМ (а=1,7) в ДВС с ИЗ в составе КЭУ в 1,38 раз снижается уровень нормируемых выбросов СОг , по выбросам NOx ДВС с ИЗ в составе КЭУ соответствует экологическому классу Евро-5 и имеет высокий показатель це = 36%.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 .Демидов, A.A. Альтернативные виды топлива для двигателей с воспламенением от сжатия. /Е.И. Выбрик, A.A. Демидов// Материалы научно-технической конференции. "Технологии и разработки в природообустройстве". - Москва: ФГОУ ВПО МГУП, 2009. - С. 33 -42.

2.Демидов, А.А.Сертификация автотранспортных средств массой более 3,5 тонн с комбинированной энергетической установкой/А.А. Демидов//Тезисы и доклады международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ имени В.П. Горячкина «Научные проблемы автомобильного транспорта» - Москва : ООО «УМЦ «Триада», 2010. - С.44-45.

3. Демидов, A.A. Комплексное решение по снижению выбросов вредных веществ и парниковых газов автотранспортными средствами/ В. Ф. Кутенев, А. С. Теренченко., Ю.В. Шюте, A.A. Демидов //Материалы 12-ой Международной автомобильной конференции "Современные силовые установки для автомобильной, внедорожной и специальной техники" - Москва: ОАО "АСМ-холдинг", 2010 (электронное издание на CD).

4.Демидов, А.А..Анализ методик испытаний для сертификации автотранспортных средств массой более 3,5 тонн с комбинированной энергетической установкой/ A.B. Козлов, A.C. Теренченко, H.A. Хрипач, А.А Демидов//Конструкции и сертификация автомобильной техники: сб. науч. ст. /ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»,-М„ 2010 . - С. 71-78-(Труды НАМИ; вып.№245).

5.Демидов, A.A. Проблемные вопросы снижения выбросов парниковых газов автотранспортными средствами/А.А.Демидов, Ю.В. Шюте, A.C. Теренченко, A.B. Козлов //Развитие национальной базы научно-исследовательских и опытно конструкторских работ: VII Международный автомобильный научный форум : сб. ст./ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ". - М., 2011 г.-С.104 -115,- (Труды НАМИ; вып. №246).

6. Демидов, A.A. Особенности рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием на газовом топливе биомассы/ A.B. Козлов, A.C. Теренченко, A.A. Демидов //Тезисы докладов научно-технической конференции 5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе. — Москва: МАДИ, 2011г.-С.41-42.

7.Демидов, A.A. Расчетные исследования влияния закона сгорания на мощностные, топливно-экономические и экологические показатели двигателя с искровым зажиганием при его работе на различных газовых топливах/ A.B. Козлов, A.C. Теренченко, A.A. Демидов, //Энергоэффективность и комплексная безопасность автотранспортных средств: сб. науч. ст. /ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ". - М., 2011. - С. 37-47. - (Труды НАМИ; вып. №247)

8. Демидов, A.A. Исследование показателей двигателя с искровым зажиганием при работе на газовых топливах/ В.А. Лукшо, A.B. Козлов, A.C. Теренченко, A.A. Демидов // Транспорт на альтернативном топливе.-2011.- № 6 (24).- С. 28-34.

9. Демидов, А.А.Теоретические исследования силовых установок, работающих на альтернативных топливах/А.А.Демидов, A.B. Козлов, A.C. Теренченко // Сборник материалов 75-ой Международной научно-технической конференции ААИ

"Перспективы развития автомобилей. Развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками". - Тольятти, ОАО "АВТОВАЗ", 2011. (электронное издание на CD).

Ю.Демидов, A.A. Расчетные и экспериментальные исследования двигателя внутреннего сгорания, работающего на газовых топливах из биомассы/А.А Демидов., A.C. Теренченко, A.B. Панфилов //Труды НАМИ/ ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ". -М., 2012. С.69-80.-( Труды НАМИ; вып.№250)

П.Демидов A.A. Результаты расчетных и экспериментальных исследований параметров ДВС, работающих на газовых топливах из биомассы/Демидов А.А.//Автомобильная промышленность №5 -М., «Машиностроение», 2013 -С.30-31.

Подписано в печать 26.05.2013г. Формат 210x148/16, объем 1,0 п.л. Тираж 110 экз. ООО «КопиПринт» 105064, г. Москва, ул. Земляной Вал, д. 24/32.

Министерство промышленности и торговли российской федерации ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт

"НАМИ"

На правах рукописи

04201359568

Демидов Алексей Андреевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС С ИСКРОВЫМ

ЗАЖИГАНИЕМ, РАБОТАЮЩИХ НА СМЕСЕВЫХ ГАЗОВЫХ \

ТОПЛИВАХ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация,нахоискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - кандидат технических наук Теренченко А.С.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение.................................................................................... 4

Глава 1 Применение смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ..................... 13

1.1 Экологические и энергетические проблемы современных ДВС с ИЗ и методы их решения.......................................................................

1.2 Анализ современной сырьевой базы для производства альтернативных моторных топлив для ДВС с ИЗ...................................................... 22

1.3 Виды газовых моторных топлив и и опыт их применения в ДВС с ИЗ.... ^

1.4 Обзор математических моделей для расчета рабочего процесса и экологических показателей ДВС с ИЗ при его работе смесевых газовых

топ ливах..................................................................................... 41

Выводы по первой главе.................................................................. 49

Постановка цели и задачи исследования............................................. 50

Глава 2 Разработка математической модели для расчета мощностных, топливо-экономических и экологических показателей две с из при его работе на смесевых газовых топливах................................................ 51

2.1 Особенности математической модели и её основные допущения........... ^

2.2 Определение элементарного состава и физико-химических свойств смесевых газовых топлив............................................................... ^

2.3 Расчет параметров рабочего тела в процессе газообмена, наполнения и сжатия......................................................................................... 58

2.4 Расчет процесса сгорания............................................................ ^

2.5 Разработка метода математического описания закона тепловыделения

при работе ДВС с ИЗ на смесевых газовых топливах............................... ^

2.6 Расчет потерь теплоты............................................................... ^

2.7 Расчет образования оксидов азота................................................. 74

2.8 Расчет индикаторных и эффективных показателей ДВС с ИЗ............... 76

2.9 Разработка алгоритма и программного обеспечения «2Z GAS», для

расчета мощностных, топливо-экономических и экологических показателей

ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах.......................... ^^

Выводы по второй главе.................................................................. 82

Глава 3 Проведение экспериментальных исследований ДВС с ИЗ при его работе на бензине и синтез-газе воздушной конверсии метана.................. 84

3.1 Описание испытательного стенда и измерительной аппаратуры.......... 84

3.2 Создание макетного образца ДВС для его работы на бензине и СГ ВКМ.. 92

3.3 Методика проведения экспериментальных исследований, получение и обработка результатов.................................................................... 100

3.4 Идентификация математической модели и анализ правильности её

работы....................................................................................... 108

Выводы по третьей главе................................................................ 119

Глава 4 Исследование эффективности применения смесевых газовых топлив в две с из в составе КЭУ автобуса........................................... ^20

4.1 Расчетные исследования влияния процесса сгорания на мощностные, топливо-экономические и экологические показатели ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах................................................ 120

4.2 Анализ методик испытаний для сертификации автотранспортных средств массой более 3,5 тонн с комбинированной энергетической

установкой.................................................................................. 128

4.3 Проведение расчетных исследований ДВС с ИЗ в составе КЭУ при его

работе на смесевых газовых топливах.................................................

Выводы по 4 главе.........................................................................

142

Заключение.................................................................................. 143

Список сокращений и условных обозначений....................................... ^^

Список литературы.......................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ А......................................................................... 167

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.......................................................................... 168

ПРИЛОЖЕНИЕ В.......................................................................... 173

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение численности населения и улучшение благосостояния людей приводит к росту легкового автомобильного парка. Как известно, в Российской Федерации преимущественно каждый легковой автомобиль снабжен двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием (ДВС с ИЗ), который является основным потребителем бензина, получаемого из невозобновляемой нефти и основным источником выбросов вредных веществ и парниковых газов в окружающую среду.

В связи с этим в настоящее время актуальны проблемы исчерпаемости природных нефтяных запасов и нарушения экологии, особенно в крупных городах с высокой плотностью населения и легкового автомобильного парка. Для решения вышеописанных проблем существуют направления, позволяющие снизить негативное воздействие автотранспортных средств (АТС) на окружающую среду и уменьшить расход невозобновляемых нефтяных запасов.

Одним из таких направлений является использование в ДВС с ИЗ альтернативных жидких и газовых моторных топлив, получаемых из различных ненефтяных источников и позволяющих снизить уровень вредных веществ и парниковых газов в отработавших газах АТС.

Номенклатура жидких альтернативных моторных топлив для ДВС с ИЗ представлена преимущественно спиртовыми топливами, такими как этанол и метанол.

Среди газовых топлив в качестве моторного топлива в настоящее время в ДВС с ИЗ активно используются компримированный природный газ (КПГ) и сжиженный нефтяной газ (СНГ). В качестве моторных топлив также могут быть использованы промежуточные и побочные горючие газовые продукты, такие как коксовый, доменный, водяной, синтез-газ (СГ), получаемые в процессе деятельности различных производственных предприятий. Помимо этого в качестве моторных топлив можно применять биогаз различного состава,

получаемый из отходов сельскохозяйственных, животноводческих,

деревообрабатывающих и других предприятий. В качестве моторных топлив для ДВС с ИЗ также могут применяться водород, ацетилен, аммиак и другие горючие газы и их смеси.

Смесевые газовые моторные топлива могут быть многокомпонентными и иметь в своем составе горючие и негорючие газы различного элементарного состава. Физико-химические свойства газовых компонентов характеризуются различными теплотой сгорания, пределами воспламеняемости, скоростью горения, теплоемкостью, молекулярной массой, октановым числом и рядом других свойств, которые в значительной мере будут влиять на процесс сгорания газового смесевого топлива и мощностные, топливо-экономические и экологические показатели ДВС с ИЗ.

Для предварительного анализа и обоснования выбора перспективных газовых моторных топлив для ДВС с ИЗ необходимы сравнительные расчетные исследования изменения мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ при его переводе с традиционного бензина на смесевые газовые топлива.

Таким образом, необходима методология и инструментарий для исследования и расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах, учитывающие их состав и физико-химические свойства, а также позволяющих рассчитать параметры для дальнейшей проектировки систем топливоподачи, зажигания и управления ДВС с ИЗ.

Цель диссертационной работы. Разработка математической модели и проведение расчетных и экспериментальных исследований рабочих процессов ДВС с ИЗ при его работе как на моно так и смесевых газовых топливах, расширение сырьевой базы моторных топлив и достижение современных и перспективных требований по мощностным, топливо-экономическим и экологическим показателям.

Задачи исследования:

• разработка математической модели для расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах, учитывающей их многокомпонентный состав и различные физико-химических свойства;

• разработка метода математического описания закона тепловыделения в ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах на основе проведенных экспериментальных исследований;

• создание макетного образца ДВС с ИЗ для работы на смесевом газовом топливе и проведение на нем сравнительных экспериментальных исследований для проверки правильности расчетов, выполненных с помощью математической модели;

• проведение расчетно-теоретических исследований влияния процесса сгорания смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ на мощностные, топливо-экономические и экологические показатели;

• проведение аналитических исследований характерных режимов работы ДВС с ИЗ в составе комбинированной энергоустановки (КЭУ) автобуса в сравнении с режимами работы ДВС в стандартизованных испытательных циклах, используемых для сертификации ДВС различного назначения по экологическим требованиям;

° проведение сравнительных расчетных исследований мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ в составе КЭУ при его работе на смесевых газовых топливах на режимах испытательного цикла.

Объектами исследований являются созданный макетный образец ДВС с ИЗ 24 7,7/6,7, работающий на бензине и синтез-газе воздушной конверсии метана (СГ ВКМ) и серийный ДВС с ИЗ ЗМЗ 40522.10.

Методы исследования. Расчетно-теоретические исследования проводились с помощью разработанной в процессе выполнения работы, прикладной компьютерной программы «2ZGAS». Экспериментальные исследования проводились на моторном стенде в ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ".

Достоверность результатов данной работы обеспечена сопоставлением расчетных результатов, выполненных с помощью программы «2Z GAS», с

результатами собственных экспериментальных исследований, а также

экспериментальных исследований, проведенных в ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ"

ранее.

Научная новизна состоит:

• в разработке математической модели для расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах с учетом их многокомпонентного состава и различия физико-химических свойств;

• в разработке метода математического описания закона тепловыделения в ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах, основанного на обработке и анализе результатов экспериментальных исследований ДВС с ИЗ, работающего на бензине;

• в разработке методики проведения экспериментальных исследований ДВС с ИЗ при его работе на СГ В КМ и результатах экспериментальных испытаний ДВС на СГ ВКМ;

• в результатах расчетных исследований влияния процесса сгорания смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ на мощностные, топливо-экономические и экологические показатели;

• в результатах аналитических исследований характерных режимов работы ДВС с ИЗ в составе КЭУ в сравнении с режимами работы ДВС в стандартизованных испытательных циклах, используемых для сертификации ДВС различного назначения по экологическим требованиям;

• в получении сравнительных результатов расчетных исследований топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах на режимах испытательного цикла.

Практическая ценность работы включает:

• разработку прикладной компьютерной программы «2Z GAS» с пользовательским интерфейсом, позволяющей производить расчеты рабочего процесса и определять мощностные, топливно-экономические и экологические показатели ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах;

• создание стендового макетного образца ДВС с ИЗ с системой питания и системой электронного управления топливоподачей для его работы на СГ ВКМ и проведение на нем сравнительных экспериментальных исследований на бензине и СГ ВКМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

• математическая модель расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах;

• метод математического описания закона тепловыделения в ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах, основанный на обработке и анализе результатов экспериментальных исследований ДВС с ИЗ на бензине;

• результаты расчетных и экспериментальных исследований мощностных, топливо-экономических и экологических показателей созданного макетного образца ДВС с ИЗ при его работе на бензине и СГ ВКМ;

• результаты расчетных исследований влияния процесса сгорания смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ на мощностные, топливо-экономические и экологические показатели;

результаты аналитических исследований характерных режимов работы ДВС с ИЗ в составе КЭУ в сравнении с режимами работы ДВС в стандартизованных испытательных циклах, используемых для сертификации ДВС различного назначения по экологическим требованиям;

• сравнительные результаты расчетных исследований мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах на режимах испытательного цикла.

Личный вклад автора. 1. На основе технической и патентной литературы сделан обзор теоретических и экспериментальных работ по применению в ДВС с ИЗ различных газовых топлив, а также проведены аналитические исследования существующих математических моделей по расчету рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах.

2. Разработана математическая модель для расчета рабочего процесса ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах, учитывающая их многокомпонентность и различия физико-химические свойств.

3. Разработан метод математического описания закона тепловыделения в ДВС с ИЗ при его работе на газовых топливах и их смесях, основанный на обработке и анализе результатов экспериментальных исследований ДВС с ИЗ, работающего на бензине.

4. Разработана прикладная программа «2Z GAS» с пользовательским интерфейсом, позволяющая производить расчеты рабочего процесса и определять мощностные, топливно-экономические и экологические показатели ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах.

5. Разработана методика проведения экспериментальных исследований ДВС с ИЗ при его работе на бензине и СГ ВКМ.

6. Создан стендовый макетный образец ДВС с ИЗ, на котором проведены сравнительные экспериментальные исследования и получены мощностные, топливо-экономические и экологические показатели при его работе на бензине и СГ ВКМ.

7. Получены результаты теоретических исследований влияния процесса сгорания смесевых газовых топлив в ДВС с ИЗ на мощностные, топливо-экономические и экологические показатели.

8. Получены результаты аналитических исследований характерных режимов работы ДВС с ИЗ в составе КЭУ автобуса в сравнении с режимами работы ДВС в стандартизованных испытательных циклах, используемых для сертификации ДВС различного назначения по экологическим требованиям.

9. Получены сравнительные результаты расчетных исследований мощностных топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ при его работе на смесевых газовых топливах на режимах испытательного цикла.

Реализация результатов работы.

Результаты расчетных и экспериментальных исследований мощностных, топливо-экономических и экологических показателей ДВС с ИЗ при его работе на

смесевых газовых топливах используются в учебном процессе кафедры «Менеджмент высоких технологий» МАДГТУ (МАДИ) при чтении курса лекций и проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам: «Инновационные технологии в сфере мобильных энергетических установок», «Инновационные технологии энергосбережения».

Программа для ЭВМ «2Z GAS» внедрена в учебный процесс кафедры «Тракторы и автомобили» «МГУ Природообустройства» и используется при выполнении практических занятий по дисциплине «Рабочие процессы энергетических установок».

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы были доложены на: Научно-технической студенческой конференции "Технологии и разработки в природообустройстве" (ФГОУ ВПО "МГУП", г. Москва, 2009 г.); Международной научно-практической конференции "Научные проблемы автомобильного транспорта" (ФГОУ ВПО "МГАУ", г. Москва, 2010 г.); 12-ой Международной автомобильной конференции "Современные силовые установки для автомобильной, внедорожной и специальной техники" (ОАО "АСМ-холдинг", г. Москва, 2010 г.); VIII Международном Автомобильном Научном Форуме (МАНФ-2010) "Развитие национальной базы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ" (НИЦИАМТ ФГУП "НАМИ", г. Дмитров, 2010 г.), Международной научно-технической конференции ААИ, посвященной 145-летию МГТУ "МАМИ" "Автомобиле - и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка к