автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение основных показателей газовой модификации дизеля путем совершенствования рабочего процесса

\ На правах рукописи

Хакимов Рамиль Тагирович

УЛУЧШЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ_и ^о ^

ГАЗОВОЙ МОДИФИКАЦИИ ДИЗЕЛЯ ПУТЕМ Х^/

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

Специальность: 05.04.02 — Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт — Петербург - Пушкин 2006

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор

технических наук, профессор Николаенко Анатолий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Петриченко Михаил Романович

доктор технических наук, профессор Ложкин Владимир Николаевич

Ведущая организация: ООО «Центральный научно-исследовательский

дизельный институт» (ЦНИДИ)

Защита состоится «?&»0£ 2006г. в^часов на заседании диссертационного совета Д 220.060.05 при ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 189620, Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, 2, ауд. 719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Санкт-Петербургского государственного аграрного университета»

Автореферат разослан «<*3>> ¿>¿""2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета д.т.н., профессор

У

Т.Ю.Салова

ОБЩАЯ ХАРАТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В нашей стране эксплуатируется огромный парк автомобилей, не удовлетворяющих требуемым нормам токсичности. Данное положение заставляет искать новые технические решения, позволяющие снизить выбросы вредных веществ без существенного изменения конструкции двигателя. Применение газовых видов топлив является одним из путей решения данной проблемы.

В числе альтернативных топлив наиболее перспективным на ближайшее будущее представляется природный газ. Моторные свойства газа позволяют использовать его в качестве топлива для двигателей почти без переделок базовых моделей. При этом мощность установки может быть сохранена, экономичность увеличена, а содержание токсичных составляющих отработавших газов - уменьшено.

На природном газе могут работать как бензиновый и дизель, так и другие виды двигателей. Накопленный опыт, в соответствии с политикой отечественного рынка двигателестроения, распространяется только на двигатели, конвертируемые для работы на природном газе. Разработанные газовые модификации на базе стандартных двигателей, обуславливают простату перевода двигателя с одного топлива на другое при минимальных изменениях конструкции. Несмотря на то, что основные принципы действия газового двигателя достаточно изучены, конструирование каждой новой модели начинается практически с нуля, поскольку су-ществующиеся рекомендации имеют качественный характер и основаны только на опыте создания и эксплуатации конкретных двигателей. В частности, нет достаточно четких рекомендаций по рациональному способу регулирования рабочего процесса газового двигателя. Существующие экспериментальные данные процессов смесеобразования и сгорания, и их трактовка достаточно противоречивы. Для того чтобы научно обосновать проектирование газового двигателя и прогнозирование их эксплуатационных, экономических и экологических характеристик, необходимо углубленное изучение особенностей газового рабочего процесса, которое позволит разработать математические модели этих процессов с проведением технических мероприятий и получение экспериментальной оценкой их эффективности.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертации является улучшение основных показателей газовой модификации дизеля путем совершенствования рабочего процесса на основе уточненного физического и математического описания процессов, протекающих в цилиндре газового двигателя.

Достижение указанной цели потребовало решения следующих задач.

1. Теоретический анализ и математическое описание зависимостей основных параметров, определяющих скорость тепловыделения, от регулировочных и режимных параметров цикла.

2. Разработки математической модели рабочего цикла газового двигателя на основе полученного описания характеристики тепловыделения.

3. Создания алгоритма расчета рабочего процесса газового двигателя, и апробирования программы расчета на ПЭВМ.

4. Создания экспериментальной установки на базе газовой модификации дизеля (ГМД), оснащенного электронной системой управления и информационно-измерительным комплексом, обеспечивающие исследование особенностей рабочего процесса.

5. Проведения эксперимента для оценки влияния различных факторов на мощностные, экономические, экологические характеристики и параметры рабочего процесса газового двигателя.

Объект исследования. Рабочий процесс газовых модификаций дизелей 8ГЧ12/12 и 12ГЧН18/20.

Методы исследовании. В основу исследования положено сочетание теоретического анализа физических закономерностей процессов, протекающих в цилиндре двигателя, экспериментальных и расчетных исследований.

Достоверность результатов исследований определяется

- физической обоснованностью принятых теоретических предпосылок; достаточной точностью применявшегося информационно-измерительного комплекса;

- согласованием полученных зависимостей с теоретическими положениями и данными экспериментов.

Научная новизна.

1. Комплекс моделей и методика расчета для обоснования и разработки модернизированной системы управления рабочим процессом ГМД.

2. Сформулированная физически обоснованная модель сгорания и тепловыделения в ГМД; предложенные зависимости определения ее параметров.

Практическая значимость.

1. Рекомендации по реализации результатов расчетных теоретических и экспериментальных исследований.

2. Рекомендации по улучшению показателей газовой модификации при работе по нагрузочной и внешней скоростной характеристик.

3. Модернизированная система электронного управления рабочим процессом газового двигателя.

4. Зависимости, полученные путем экспериментально-теоретического исследования, для расчетного прогнозирования параметров ГМД и выбора рациональных регулировочных решений.

Реализация результатов работы. Предложенная усовершенствованная технологическая схема и параметры её элементной базы, а также модернизированная структура электронного управления составом газовоздушной смеси использованы при разработке предложений в эскизный проект газопоршневого двигателя 12ГЧН 18/20 в ОАО «Звезда». Материалы исследований используются в учебном процессе на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания и теплотехника» Санкт-Петербургского Государственного Аграрного Университета при подготовке студентов и аспирантов, а также Санкт-Петербургском Государственном Университете Сервиса и Экономики

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Комплекс модернизированных математических моделей и методики расчета параметров протекания рабочего процесса ГМД.

2. Модернизированная система электронного управления ГМД.

3. Результаты экспериментальных исследований специфики рабочих процессов в газовом двигателе.

4. Физически обоснованные и экспериментально подтвержденные зависимости параметров тепловыделения в газовом двигателе от исходных условий в цилиндре.

5. Полученные зависимости регулирования состава газовоздушной смеси и угла опережения зажигания топлива ГМД.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на международной научно - практической конференции «Техника и технологии агропромышленного комплекса», Москва, Московский Государственный Агроинже-нерный Университет им. В.П. Горячкина, 2004г.; на международной научно — практической конференции «Экологическая безопасность автотранспортного комплекса: передовой опыт России и стран европейского союза» Санкт - Петербург, 2005г.; в ежегодных международных научно-технических конференциях СПбГАУ, Санкт-Петербург, 2003 - 2006.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 14 печатных работах, из них 2-е в центральной печати.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя: введение, четыре главы, заключение, список литературы. Содержит 143 страницы основного текста, в том числе 51 рисунков, 2 таблицы, список использованных источников из 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, а также цели и задачи настоящей работы. Представлена краткая аннотация диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены вопросы разработки и исследования газовых процессов. Большой вклад в развитие науки внесли ряд отечественных и зарубежных ученых, таких как Генкин КМ, Коллеров Л.К., Хандов З.А., Генин А.Б., Таре-ев В.М., Равкинд Л.А., Гайнуллин Ф.Г., Кеймаха Я.И., Liu. Z., Karim, G.A., Miyo-shi N.. Gebert К., и др.

Показано, что при переводе дизеля на газовый рабочий цикл с воспламенением от источника зажигания, можно обеспечить существенную экономию топлива и уменьшение токсичных выбросов с отработавшими газами при сохранении паспортной мощности двигателя без снижения его надежности и долговечности. Анализ различных схем регулирования мощности газового двигателя показывает, что возможно применить качественное регулирование, однако для обеспечения стабильной и экономичной работы на режимах малых нагрузок желательно тем или иным способом обогащать смесь на этих режимах. С этой целью предложены различные схемы и алгоритмы регулирования подачи топлива, но единое мнение по вопросам их выбора отсутствует.

Имеющиеся экспериментальные данные о влиянии различных факторов на динамику тепловыделения, жесткость процесса сгорания, максимальные давления сгорания противоречивы и не находят физически обоснованных объяснений.

Основная причина таких разногласий заключается в отсутствии достаточно детализованных исследований, на базе которых строятся формальное математическое описание процессов сгорания в газовом двигателе.

Известные формулы расчета характеристик тепловыделения газового двигателя являются чисто эмпирическими и имеют весьма узкий диапазон применения.

По результатам проведенного анализа состояния вопроса сформулированы задачи исследования, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

В второй главе проведен теоретический анализ и предложено математическое описание процессов воспламенения и сгорания рабочей смеси в цилиндре газовой модификации дизеля.

Химические превращения в двигателях не могут быть отнесены к простым реакциям. Известно, что сгорание углеводородов осуществляется по сложным цепным механизмам.

Теория цепных химических реакций рассматривает главным образом элементарные процессы, происходящие с отдельными молекулами и атомами. Правда, она также дает и общие макроскопические закономерности скоростей реакций, но решение дифференциальных уравнений, описывающих эти закономерности, для исходных продуктов затруднительно и требует значительного числа констант, определяемых опытным путем. В течение процесса сгорания (окисления) изменяются давление, объем и температура горящей смеси. В каждый момент времени в камере сгорания поле температур неоднородно: по крайней мере, существует условный раздел между сгоревшей и несгоревшей частью заряда. В пределах каждой из этих частей температуру можно считать выровненной за счет высокой степени турбулентности.

Описание процессов в камере сгорания ГМД и широко применяемых двигателей, исследованных ранее, имеет свои особенности. Они определяются самим газовым рабочим процессом: в камере сгорания находится гомогенная газовоздушная смесь, выгорание которых происходит по различным механизмам. Один из механизмов основывается на традиционной для двигателей с принудительным воспламенением модели распространения фронта пламени по объему камеры сгорания.

Так, можно считать, что в камере сгорания находится гомогенная газовоздушная смесь, которой присуще некоторое движение в объеме, ограниченном поверхностями цилиндра, поршня и головки цилиндров. И только после воспламенения газа, находящегося в обогащенной зоне камеры сгорания, фронт пламени начинает распространяться в районы более бедной газовоздушной смеси.

Именно с этого момента можно проводить определенную аналогию с процессами выгорания топлива в двигателях с принудительным воспламенением. Тогда при определенных допущениях можно считать, что при сгорании газовоздушной смеси происходит продвижение фронта пламени от периферии топливного факела до стенок камеры сгорания.

Точное математическое описание всей совокупности процессов, результатом которых является воспламенение и выгорание топлива, весьма затруднительно.

Компромиссным решением, будет моделирование процесса с учетом параметров новых условий и физических представлений о процессе.

Участок динамики тепловыделения связан с распространением пламени от источника воспламенения до стенки камеры сгорания и последующим догоранием смеси за фронтом пламени. Интервал от источника воспламенения до достижения определенной скорости тепловыделения для большинства исследованных двигателей укладывается в диапазон 2-3 градуса ПКВ.

Для второй фазы сгорания определяющим параметром является угол <р2, при котором достигается второй максимум скорости тепловыделения. Теоретический анализ позволил предположить определяющую роль факторов, влияющих на скорость распространения турбулентного пламени, в числе которых основными являются коэффициент избытка воздуха и температура смеси перед фронтом пламени.

Ф2. 25 -----------

град 2з____________

21-------------

19--------------

15--------1-

"—икГт -J——:

0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35

Рис. 1 Зависимость показателя <р2 от коэффициента избытка воздуха газового двигателя 8ГЧ12/12

Зависимость показателя <р2 от коэффициента избытка воздуха при постоянной частоте вращения (рис. 1) хорошо согласуется с теоретическим представлением о влиянии концентрации горючего в смеси с окислителем — при обеднении газовоздушной смеси происходит замедление скорости сгорания, связанное с отводом из реакционной зоны теплоты на нагрев воздуха в зоне не сгоревшей газовоздушной смеси. Исследования скорости распространения фронта пламени в зависимости от температуры подогрева реагирующих газовоздушных смесей, проведенные на горелках, и при распространении фронта пламени в трубах позволяют сделать вывод о допустимости аппроксимации такой зависимости степенной функцией с показателем степени 1,6-2,0.

При работе двигателя по нагрузочной характеристике (рис. 2), состав смеси в наибольшей степени зависит от частоты вращения, то есть от нагрузки. Влияние частоты вращения на скорость распространения пламени, согласно результатам большинства исследований, проведенных на двигателях с искровым зажиганием, выражается прямо пропорциональной зависимостью, так что скорость сгорания, выраженная в углах поворота коленчатого вала, остается при постоянном составе смеси практически неизменной. Кажущаяся зависимость угла <р2 от частоты вращения (рис. 2), определяется, в действительности, зависимостью коэффициента избытка воздуха от нагрузки. Перестроив эти данные соответствующим образом,

1

<

убеждаемся в том, что при каждой из частот вращения основным фактором, влияющим на угол <р2, является коэффициент избытка воздуха газовоздушной смеси. Тенденция роста угла выгорания топлива во второй фазе сгорания при увеличении коэффициента избытка воздуха характерна для всех положений дроссельной заслонки. Это согласуется с теоретическими предпосылками о снижении скорости сгорания горючих смесей с малой концентрацией горючего. Также логичным является то, что при прикрытии заслонки, а, следовательно, уменьшении количества воздуха, попадающего в цилиндр, - значение угла <рг снижается.

1000 1200 О Удр=65%

1400 1600 □ Удр=35%

1800

2000 2200

П, об./мин.

д Открыта

Рис. 2 Продолжительность распространения пламени в зависимости от частоты вращения и положения газовоздушной заслонки при работе по нагрузочной характеристике и постоянном установочном угле опережения зажигания -12° ПКВ газовой модификации дизеля 8ГЧ12/12.

В то же время при изменении частоты вращения характер зависимости угла <Р2 от коэффициента избытка воздуха меняется. Это, по всей вероятности, связано с влиянием температурного состояния цилиндра, качеством подаваемого топлива и другими факторами. Тем не менее, общая тенденция настолько очевидна, что позволяет вывести зависимости, необходимые для моделирования.

Зависимость угла <р2 от турбулентной скорости распространения пламени можно представить в следующем виде:

<Рг ="=—. (2.1)

ит

где п - частота вращения двигателя, I - расстояние от источника воспламенения до стенки камеры сгорания.

Тогда зависимость для ц>2 можно (с учетом зависимости для и„,) представить следующим образом:

(2-2)

Поскольку значения коэффициентов а$ и а} не определены, будем искать значения степени при коэффициенте избытка воздуха и частоте вращения, обозначим их соответственно |>1 и Ь2.

^-{ту ь^аПпТ ^ыТ, (2.3)

Обычно признается, что скорость распространения турбулентного пламени пропорциональна, при прочих равных условиях, частоте вращения коленчатого

вала. Однако в действительности определяющим фактором является не частота вращения как таковая, а скорость затекания смеси в цилиндр. Поэтому в зависимость, аппроксимирующую изменение величины <р2 от параметров режима двигателя, была добавлена переменная, отвечающая за турбулизацию свежего заряда, которая пропорциональна объему поступившей смеси для данных оборотов коленчатого вала двигателя. Таким образом, был получен безразмерный комплекс, включающий в себя коэффициент избытка воздуха, температуру, объем поступающей газовоздушной смеси и число оборотов коленчатого вала двигателя на исходном и исследуемом режимах.

<р> . {тГ^аХУ/п) __ А'

Й, {ТлТ*{алУу01ъ) К„

ф2/ф18

(2.4)

0,5 1 1,5

х Эксперимент

2 2,5 3 -Аппроксимация

Рис. 3 Зависимость относительного угла выгорания во второй фазе сгорания от безразмерного комплекса К/Ко.

Для определения характера зависимости относительного угла выгорания во второй фазе сгорания от К/Ко, необходимо проанализировать зависимость (рис. 3), где прослеживается четкая линейная аппроксимирующая зависимость. Следовательно, формула для аппроксимации параметра <р2 приобретает вид:

<р2 ■■

^5^+0,6378 \+<ра, (2.5)

С учетом изложенного в качестве основы для численного описания процессов выгорания в ГМД нами выбрана формула вида

(¡<р

= — 0,5^— Т

<Р, ^ ] [ ) Я>г )

к,-1

(2.6)

где X/ и Х2 - доли теплоты, выделившейся соответственно в первой и во второй фазе, срс — текущее значение угла поворота кривошипа, отсчитываемое от начала сгорания, <р и ¡р2 — углы от начала горения до достижения максимальной скорости выгорания соответственно в первой и во второй фазах сгорания. Способы определения этих параметров описаны выше.

На основе полученных результатов сформулирована математическая модель рабочего цикла газового двигателя, в которую, наряду с обычными термодинамическими зависимостями, введен ряд разработанных формул, представленных выше.

Разработанная математическая модель позволила провести ряд расчетов по количественной оценке влияния режимных и регулировочных факторов на выходные показатели газовой модификации дизеля.

На основании результатов расчета определены рациональные зависимости коэффициента избытка воздуха, эффективный КПД и угла опережения зажигания при работе газовой модификации дизеля по нагрузочной характеристике. Получены экспериментальные данные по токсичности отработавших газов двигателя (рис 8...10). С точки зрения получения наилучшей экономичности газовой модификации дизеля преимущество имеет вариант зависимости, при котором угол опережения зажигания равен 0= 12° со степенью сжатия 8=12,4 на всех режимах работы газового двигателя 8ГЧ12/12.

Третья глава посвящена описанию методики экспериментального исследования. Разработаны методы экспериментального исследования, позволяющие установить влияние различных параметров, определяющих внешнее воздействие на объект регулирования — ГМД. В число варьируемых параметров, влияющих на рабочий процесс газового двигателя, вошли: коэффициент избытка воздуха, средняя температура за время распространения сгорания в газовоздушной смеси, частота вращения КВ, объем поступающей в цилиндр газовоздушной смеси, угол опережения зажигания рабочей смеси и степень дросселирования газовоздушной смеси на впуске.

Рис. 5 Принципиальная схема системы управления газовыми модификациями дизелей, а) - ГМД - 8ГЧ12/12; б) - ГМД - 12ГЧН18/20; В - воздух; Г— газ; 1- потенциометр, имитирующий электронную педаль акселератора; 2 — электропривод дроссельной заслонка; 3 - дроссельная заслонка; 4 - катушка зажигания; 5 - свеча зажигания; 6 — электромагнитный дозатор газа; 7 — электронный блок управления газовым двигателем (Корвет 9,2); 8 - разъем диагностический; 9 - датчик температуры на впуске; 10 - датчик абсолютного давления на впуске; 11 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 12 — датчик угловой скорости и положения коленчатого вала; 13 - датчик углового положения распределительного вала (фазы); 14 — датчик углового положения дроссельной заслонки; 15 — кислородный датчик (Х- зонд); 16 — оптоэлектронный датчик для определения угла поворота КВ; 17 — турбокомпрессоры; 18 — охладитель надувочного воздуха.

тгп_шр

а) б)

Для проведения экспериментального исследования были разработаны экспериментальные установки на базе дизелей 8412/12 и 12ЧН18/20, дооборудованные необходимой газовой аппаратурой и системой электронного регулирования подачи газовоздушной смеси (рис. 5).

Рис. 6 (а) - стенд испытания ГМД - 8ГЧ12/12: 1 - щит управления; 2 - микропроцессорный регулятор скорости; 3 - индукторная тормозная установка модели ЕД-41 «Мотортест»; 4 - датчик отметки углов поворота распределительного вала; 5 - перфорированный диск для определения углового положения КВ; (б) -Опытный комплект электронной системы управления двигателем: 1 -БЭУ «Корвет 9.2»; 2 — силовой щит коммутационный управления и аварийной сигнализации; 3 - микропроцессорный регулятор частоты вращения; 4 - осциллограф контроля частотных сигналов выхода, микропроцессорного регулирования скорости; 5 — силовой щит нагрузки; б — пульт настройки электронного регулятора частоты вращения; 7 — блок питания;

Рис. 7 (а) — Пульт управления стенда: 1 - блок контроля температуры ОГ; 2 — указатель нагрузки; 3 — указатель частоты вращения КВ; 4 — указатели разряжения на впуске; 5 — частотомер; 6 — блок управления нагрузкой; (б) — испытуемый газовый двигатель 12ГЧН18/20; (в) - узел регулирования подачи газовоздушной смеси; 1 — газовый ресивер; 2 — газовый смеситель дроссельный с приводом;

В соответствии с задачами исследования, были получены индикаторные диаграммы в цифровом виде, допускающем прямой ввод экспериментальных данных для обработки в ЭВМ. Для этого был разработан информационно-измерительный комплекс, обеспечивающий ввод в ПЭВМ, обработку и регистрацию в реальном масштабе времени давления в цилиндре, подъема клапана газового дозатора, и текущих значений угла поворота коленчатого вала.

В главе приведены зависимости для обработки регистрируемых параметров и оценка погрешностей результатов экспериментального исследования. Обращено особое внимание на учет особенностей газового рабочего процесса (теплоты сгорания газового топлива, коэффициентов избытка воздуха, текущих теплоемкостей рабочего тела) при обработке индикаторных диаграмм.

Четвертая глава содержит описание программы испытаний и результатов экспериментальных исследований. По результатам экспериментальных исследований по влиянию угла опережения зажигания и объема камер сгорания на показатели рабочего процесса двигателя 8ГЧ12/12 при работе на номинальном режиме (рис. 8) установлено, что реализация газового рабочего цикла обеспечивается при коэффициенте избытка воздуха а = 1^-1,35. Предложенная зависимость показывает, что при смешанном регулировании и приближении коэффициента избытка

воздуха а = I возрастает эффективность преобразования энергии топлива в полезную работу. Это связано с обогащением газовоздушной смеси и более быстрым ее сгоранием. Возрастание максимального давления и жесткости процесса сгорания при увеличении угла опережения зажигания, полученное в результате эксперимента, объясняется увеличением количества топлива, подготовленного к сгоранию на момент воспламенения. По этой же причине наблюдается возрастание выбросов МОх, которые интенсивно образуются в первой фазе процесса сгорания.

Сравнение показателей рабочего процесса при работе двигателя в газовом режиме работы при различных углах опережения зажигания газовоздушной смеси (рис. 8) показало, что при увеличении угла опережения зажигания до значения 18° ПКВ до ВМТ происходит рост эффективного КПД, как для исследуемого ГМД, так и для его прототипа, однако скорость этого роста различна, в связи с чем, при значительном увеличении угла опережения зажигания, эффективный КПД газового двигателя возрастает, что подтверждается экспериментальными исследованиями.

Для газового режима работы при увеличении угла опережения зажигания в > 18° прослеживается возрастание «жесткости». Темперагуры отработавших газов

0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1.4

- 1 - 12ГЧН18/20-п=1500об/мин а

- 2 - Прототип (8ГЧ12/12)- п=2200 об/мин

- 3 - 8ГЧ12/12 — п=2200 об/мин

Рис. 8 Параметры рабочего процесса газовых модификаций дизелей, при изменении коэффициента избытка воздуха, 1 - смешанное регулирование ф03= -22 гр. ПКВ; 2 — смешанное регулирование ф03= -18 гр. ПКВ; 3 - смешанное регулирование ф03= -12 гр. ПКВ

газового двигателя близки к таковым у прототипа при больших углах опережения. С уменьшением угла опережения зажигания, температуры отработавших газов газового двигателя также возрастают.

Выбросы (СО, КОх) оксидов углерода и азота ГМД снижаются при уменьшении угла опережения зажигания, однако выбросы СН - увеличиваются.

Исследование влияния дросселирования газовоздушной смеси на экономические и экологические характеристики ГМД показано, что применение смешанного регулирования при работе двигателя по нагрузочной характеристике позволяет повысить эффективный КПД и уменьшить выбросы СН. При этом на малых нагрузках предпочтительнее активное дросселирование газовоздушной смеси, со снижением эффекта дросселирования по мере приближения к номинальному режиму. Определение выбросов ОГ по газовой модификации дизеля 12ГЧН 18/20 не проводились.

СН, 1600

N0* 1400

р.р.м. 1200

1000

800

600

400

200

со, 0

ве. р.р.м

700

г/лс 650

220 600

210 500

200 450

400

180 ве. зьи

Г/Л!>

170 280

160 260

240

150 220

140 200

130 180

160

120 140

120

б)

—

- Прототип (8ГЧ12/12)

Рис. 8 Нагрузочная характеристика ГМД - 8ГЧ12/12 при п = 1400 об/мин, 0 = 18°(а) и в = 12°(б) - коэффициенте избытке воздуха а = 1,25

Из анализа результатов исследований (рис. 8... 10) установлено:

- на режиме 1400 об/мин, прототип - 8ГЧ12/12 со степенью сжатия е =11,4 в сравнении с исследуемым ГМД - е=12,4 имеет более низкие значения 1ЧОх в диапазоне средних и полной нагрузок, и меньшие значения СО и СН только в диапазоне средних нагрузок;

- на режиме 2200 об/мин у исследуемого двигателя ниже концентрация СН и выше концентрация ЫОх, концентрация СО выше при Ре > 5,5 кг/см2;

- температура отработавших газов и удельный расход топлива на всех режимах выше у двигателя 8ГЧ12/12 со степенью сжатия е =11,4.

Анализ результатов исследований, (таблице 1) показало что:

- при работе исследуемого ГМД происходит снижение удельной концентрации ЫОх в ОГ двигателя на 4...7%;

Удельная концентрация СН снижается на 23...44%. Удельная концентрация СО снижается незначительно;

- по удельной концентрации СО двигатель укладывается в требования Правил 49-02 при использовании обоих вариантов камеры сгорания;

- по удельной концентрации >Юх исследуемый двигатель не укладывается в требования Правил 49-02 при 0=18°.

Уменьшение угла опережения зажигания с 18° до 12° приводит к уменьшению выбросов ]ЧОх, СО и СН в ОГ. Концентрация СН в ОГ значительно превышает требования Правил № 49-02, для снижения которых возможно использовать окислительный нейтрализатор.

-8ГЧ12/12- ©= 15". - Прототип- 8ГЧ12/12- 0= 12'

Рис. 9 Нагрузочная характеристика ГМД при п = 2200 об/мин и коэффициенте избытке воздуха а = 1,25

Значения удельных выбросов вредных веществ с отработавшими газами по методике Правил № 49-02 ЕЭК ООН приведены в таблице 1.

Таблица 1

Объект испыта- УОЗ, СН, СО,

ний. Град. г/кВт-ч г/кВт-ч г/кВт-ч

Прототип: 12 4,69 19,79 3,6

8ГЧ12/12 18 9,28 18,11 3,94

Исследуемый 12/15 4,48 11,06 3,30

8ГЧ12/12 18 8,58 13,83 3,84

Требования Правил №49-02 (Евро-2) 7,0 1,1 4,0

При проведении исследований выявлено, что, двигатель при 0=12° и степени сжатия меньше е < 11.4 на режиме нагрузки, близкой к номинальной, на оборотах п = 2200 мин"1, работает неустойчиво, увеличивается разница температур ОГ левого и правого рядов цилиндров, возрастает концентрация СН в ОГ, что вызвано пропусками воспламенения. При степени сжатия е =12,4, при 0 = 12° двигатель работает устойчиво на всех режимах и происходит снижение концентрации СН в отработавших газах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

На основе расчетно-теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты.

1. Установлено, что длительность движения фронта пламени достаточно полно описывается совокупностью параметров, которые, согласно теории горения, определяют скорость его распространения.

2. На основе теоретических положений и результатов эксперимента получено математическое описание процессов воспламенения и сгорания в газовом двигателе, учитывающее турбулентную скорость распространения фронта пламени по углу поворота коленчатого вала, при этом предложены методы определения основных его параметров.

3. Комплекс показателей — коэффициент избытка воздуха (а), средняя температура за время распространения сгорания в газовоздушной смеси (7), частота вращения КВ (и), объем поступающей в цилиндр газовоздушной смеси (К), а также зависимости, полученные в ходе исследований, описывают характер протекания рабочего процесса; при этом изменение скорости распространения фронта пламени внутри цилиндра, определяется информационно-измерительным комплексом, выражая полученные значения в единицах угла ПКВ.

4. Предложенная модернизированная схема системы электронного управления с применением дополнительного информационно-измерительного канала, обеспечивает возможность оценки основных параметров и характеристики показателей рабочего процесса газового двигателя на основании комплексных показателей (а, Т, п, У).

5. В результате расчетно-теоретических исследований установлено, что сгорание в газовом двигателе может быть представлено как совокупность развивающихся процессов — воспламенения, быстрого сгорания части газового топлива в воздушной среде и распространения фронта турбулентного пламени от очага воспламенения до стенки камеры сгорания. Определяющим параметром для описания фазы сгорания является - длительность движения фронта пламени, выраженная в углах поворота коленчатого вала. Установлено, что с увеличением а от 1 до 1,35, определяемый угол ПКВ характеризует увеличение скорости распространения фронта пламени внутри цилиндра на 25...30%.

6. Результаты экспериментальных исследований экологических и топливно-экономических показателей характеризуют преимущество работы исследуемого двигателя 8ГЧ12/12, при этом выбросы МОх снижаются на 3%, СО — 7,5 %, уровень СН уменьшается при использовании сравнительно простого окислительного нейтрализатора на 10 — 15%, в сравнении с требованиями правил №49-02 (Евро-2). Удельный расход топлива (&.) исследуемого двигателя 8ГЧ12/12 уменьшается на

7,2...15% по сравнению с двигателем 12ГЧН18/20 и на 1...1,5% с прототипом 8ГЧ12/12.

7. При использовании полученной математической модели рабочего процесса, с учетом результатов экспериментов по оценке факторов, определяющих токсичность отработавших газов двигателя, определен рациональный способ регулирования газовых двигателей, обеспечивающий обоснованный компромисс между требованиями максимального КПД двигателя и ограничениями, накладываемыми необходимостью минимизации токсичности отработавших газов исследуемого двигателя.

8. Усовершенствованная технологическая схема и параметры ее элементной базы, а также модернизированная структура системы электронного управления составом газовоздушной смеси использованы при разработке предложений в эскизный проект газопоршневого двигателя 12ГЧН18/20 в ОАО «Звезда» г. Санкт-Петербург.

9. Полученные результаты подтверждают достижение цели диссертационной работы: улучшение основных показателей газовой модификации дизеля путем совершенствования рабочего процесса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Капустин A.A., Дыбок В.В., Грушко А.Э., Хакимов Р.Т. Научное обоснование и выбор параметров элементной базы системы приготовления газовоздушной смеси газовой модификации дизеля с наддувом 12ЧН18/20. // Материалы межвузовской конференции. / Санкт-Петербургская государственная академия сервиса и экономики - 2003. - т. I - С. 204 - 208.

2. Капустин A.A., Дыбок В.В., Грушко А.Э., Хакимов Р.Т. Определение расчетных показателей рабочего процесса и параметров системы приготовления газовоздушной смеси газовой модификации дизеля с наддувом 12ЧН18/20. // Материалы межвузовской конференции. / Санкт-Петербургская государственная академия сервиса и экономики - 2003. - т. I - С.208 - 214.

3. Хакимов Р.Т. Постановка частичных задач для решения проблем создания газодизеля. II Инновационные подходы к развитию сферы сервиса. Материалы конференции. / Санкт-Петербургская государственная академия сервиса и экономики - 2003. - т. I - С. 201 - 204.

4. Николаенко A.B., Капустин A.A., Хакимов Р.Т. Совершенствования системы питания газовой модификации дизеля КамАЗ 740.10. II Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей / Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2004. - С. 44 - 51.

5. Капустин A.A., Николаенко A.B., Дыбок В.В., Пономарев A.B., Хакимов Р.Т., Соколов М.Г., Тарасова М.Г. К вопросу использования природного газа в двигателях внутреннего сгорания. // Информационный бюллетень. Вопросы охраны атмосферы от загрязнения. / НПК «АТМОСФЕРА» при Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова - 2004. - №2(30) - С. 49 - 72.

6. Николаенко A.B., Капустин A.A., Дыбок В.В., Хакимов Р.Т. Научное обоснование и выбор параметров элементной базы системы приготовления газовоздушной смеси газовой модификации дизеля с наддувом. // Улучшение эксплуатаци-

онных показателей двигателей, тракторов и автомобилей / Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2004. - С. 302 - 317.

7. Николаенко A.B., Капустин A.A., Дыбок В.В., Хакимов Р.Т. Анализ исследования по оптимизации параметров газовых двигателей, созданных на базе дизелей. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей / Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2004. - С. 323-330.

8. Николаенко A.B., Капустин A.A., Дыбок В.В., Хакимов Р.Т. Обоснование концепции системы приготовления газовоздушной смеси. // Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2004. - С. 330 - 340.

9. Николаенко A.B., Хакимов Р.Т., Капустин A.A. Совершенствование системы питания модернизированного дизеля при работе на газовоздушной смеси. // техника и технологии агропромышленного комплекса. / Вестник Московского Государственного Аграрного Университета — 2004. — №4(9) — С. 47 - 52.

10. Николаенко A.B., Хакимов Р.Т. Улучшение экологических, топливно-экономических и ресурсных показателей путем совершенствования технического обслуживания тракторных дизелей. //Сельский механизатор — 2004,—№11-С. 4 — 5.

11. Николаенко A.B., Хакимов Р.Т. Использование природного газа для автомобилей продолжает развиваться. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей / Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. -СПб.: СПбГАУ, 2004. - С. 139 - 143.

12. Фучкин C.B., Алексеевский Д.А., Соколов М.Г., Хакимов Р.Т. Экономические, экологические и прочностные характеристики ДВС при работе на природном газе. // Экологическая безопасность автотранспортного комплекса. / труды III международной научно-практической конференции-СПб.: МАНЭБ, 2005.— 127— 131.

13. Николаенко A.B., Хакимов Р.Т. Математическое моделирование и расчет рабочего процесса газовой модификации дизеля. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей / Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2006. - С. 363 - 387.

14. Капустин A.A., Фучкин C.B., Алексеевский Д.А., Хакимов Р.Т., Соколов М.Г. Основные критерии рабочего процесса при проектировании систем управления ДВС, работающих на природном газе. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей / Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2006. - С. 294 - 304.

Подписано в печать 26.05.2006 Бумага офсетная. Формат 60X90 1/16 Печать трафаретная. Усл. пач. л. 1 Тираж 100 экз. Заказ 576

отпечатано с оригинал-макета заказчика в копировально-множительном центре "АРГУС". Санкт-Петербург-Пушкин, ул. Пушкинская, д. 26/21. тел.: (812) 570-89-68

Per. №233909 от 07.02.2001

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследований.

1.1. Применения природного газа и снижения токсичности отработавших газов в двигателях внутреннего сгорания.

1.2. Регулирование состава газовоздушной смеси.

1.3. Регулирование мощности газовой модификации дизеля.

1.4. Особенности рабочих процессов ■'

1.5. Анализ применения технических средств для систем приготовления газовоздушной смеси.

1.6. Концепция модернизации системы приготовления газовоздушной смеси.

1.7. Схема системы приготовления газовоздушной смеси. 32 • >

1.8. Выводы

Глава 2. Разработка комплекса модернизированных моделей по расчету •, физического состояния рабочего тела и рабочего цикла газового двигателя.

2.1. Модель физического состояния рабочего тела 39 •

2.2. Коэффициенты переноса газов моторных топлив.

2.3. Математическая модель процесса газообмена при регулируемом теплообмене на впуске

2.4. Методика расчета рабочего процесса газовой модификации дизеля.

2.4.1. Термодинамическая модель рабочего цикла.

2.4.2. Физическая и математическая модель выгорания и тепловыделения.

2.4.3. Скорость распространения пламени.

2.4.3.1. Ламинарная скорость распространения пламени.

2.4.3.2. Турбулентная скорость распространения пламени.

2.4.4. Определение параметров тепловыделения. 75 2.4.4.1 .Влияние характеристик выгорания на показатели рабочего цикла

2.5. Выводы

Глава 3. Методика экспериментального исследования.

3.1 Общая методика эксперимента.

3.2. Экспериментальные установки. 87 3.3 Приборы и оборудование, используемые при исследованиях

3.4. Обработка результатов исследования.

3.5. Индикаторные показатели.

3.6. Оценка погрешностей результатов экспериментального исследования.

3.7. Выводы

Глава 4. Результаты экспериментального исследования рабочего процесса газовой модификации дизеля. 105 4.1. Программа экспериментов. 105 4.2.Основные параметры и характеристики газовой модификации дизеля

4.2.1. Расходы воздуха и газа.

4.2.2. Коэффициент избытка воздуха.

4.2.3. Эффективный КПД.

4.2.4. Температура отработавших газов.

4.3. Параметры рабочего цикла.

4.3.1. Максимальное давление цикла.

4.3.2. Скорость нарастания давления.

4.4. Влияние угла опережения зажигания на период воспламенения

4.5. Характеристика тепловыделения.

4.5.1. Показатели первой фазы тепловыделения.

4.5.2. Продолжительность второй фазы сгорания.

4.6. Экологические показатели газовой модификации дизеля.

4.7. Выводы. 127 Заключение. 128 Литература. 131 Приложение.

Условные сокращения.

ВМТ - верхняя «мертвая» точка;

ПКВ — поворот коленчатого вала;

ДВС — двигатель внутреннего сгорания;

ОГ - отработавшие газы;

XX - холостой ход;

ГА - газовая аппаратура;

KB - коленчатый вал;

КПД — коэффициент полезного действия;

СУГ - сжиженные углеводородные (нефтяные) газы;

КПГ — компримированный природный газ;

ТЭ - топливная экономичность;

НМТ — нижняя «мертвая» точка;

ЭУ - электронное управление;

БЭУ — блок электронного управления;

ОМЧВ - ограничения минимальной частоты вращения;

ЧН — частичная нагрузка;

ПМ - полня мощность;

ЭВМ — электронная вычислительная машина;

УОЗ - угол опережения зажигания;

КШМ - кривошипно-шатунный механизм;

ГД - газовый дозатор;

ГМД - газовая модификация дизеля.

Одной из основных задач проектирования современного автомобиля является достижение экологической чистоты двигателя. Предельно допустимые выбросы вредных веществ для европейских стран ужесточаются каждые пять лет.

В нашей стране эксплуатируется огромный парк автомобилей, не удовлетворяющих требуемым нормам токсичности. Данное положение заставляет искать новые технические решения, позволяющие снизить выбросы вредных веществ без существенного изменения конструкции двигателя. Применение газовых топлив является одним из путей решения данной проблемы.

В настоящее время все большее распространение получают в качестве моторных топлив сжиженные углеводородные (нефтяные) газы (СУГ) и природный газ. Контроль выбросов вредных веществ для автомобилей, оснащенных двигателями с принудительным зажиганием, выполняется в соответствие с ГОСТ Р 41.8399, ГОСТ Р 52033-2003 и ГОСТ 17.2.02.06-99.

Наиболее перспективным альтернативным топливом для ДВС, как с экономической, так и с экологической точек зрения является природный газ. При этом одним из важнейших направлений является использование газа в качестве моторного топлива для ДВС в целях замены жидких топлив (дизельных и бензиновых), т.е. для расширения ресурсов топлив в стране и для снижения токсичных выбросов автомобильным транспортом и другими установками с ДВС.

Проведя сравнительную оценку влияния различных топлив на экологические показатели двигателей с принудительным воспламенением относительно традиционного топлива - бензина по методикам правил 83.01 ЕЭК ООН и 83.03 ЕЭК ООН можно сделать следующие выводы:

1. Применение КПГ имеет большие резервы по снижению токсичности, чем стандартные виды топлив.

2. Применение КПГ и СУГ в качестве моторного топлива для автотранспорта обеспечивает снижение токсичности, однако не позволяет отказаться от дорогостоящих систем впрыска топлива и удовлетворять действующим нормам ГОСТ Р 41.83-99 (правила 83.03, ЕЭК ООН).

3. Использование антитоксичных систем является обязательным для достижения перспективных норм токсичности.

На природном газе могут работать как бензиновый и дизель, так и другие виды двигателей. Но накопленный опыт в соответствии с политикой отечественного рынка двигателестроения распространяется только на двигатели, конвертируемые для работы на природном газе. Разработанные газовые модификации на базе стандартных двигателей, обуславливают простату перевода двигателя с одного топлива на другое при минимальных изменениях конструкции.

Для получения адекватного экономического эффекта от конвертации дизеля на газовый рабочий процесс при этом необходимо поддерживать эффективный КПД на заданном уровне. Реализация такой задачи возможна в процессе исследовательской работы по оптимизации рабочего процесса газовой модификации дизеля (ГМД). Несомненно, что такая оптимизация нуждается в теоретическом обосновании с использованием методов математического моделирования и должна базироваться на понимании процессов происходящих в камере сгорания ГМД, с прогнозированием технических мероприятий с экспериментальной оценкой их эффективности. Так, необходимо представлять суть физических и химических процессов, инициирующих и сопровождающих сгорание топлива при газовом рабочем процессе.

Цель исследования заключается в создании физически обоснованной математической модели рабочего процесса и разработке на ее основе направлений совершенствования рабочего процесса ГМД. Реализация поставленных целей, в результате анализа состояния теории газовой модификации дизеля на данном этапе, потребовала решения следующих задач:

1. Проведения углубленных экспериментальных исследований с целью выявления влияния различных факторов на параметры рабочего процесса ГМД.

2. Проведения теоретических исследований для установления рода зависимостей от основных параметров, определяющих скорость распространения фронта пламени в газовоздушных смесях.

3. Усовершенствования системы регулирования подачи газа и воздуха для ГМД.

4. Получения зависимостей, позволяющих адекватно описывать характеристику тепловыделения.

5. Создания комплекса модернизированных математических моделей и алгоритма расчета рабочего процесса ГМД, и апробирования программы расчета на ПЭВМ.

В диссертационной работе проведен анализ особенностей рабочего процесса ГМД, вариантов его практической реализации, а также модернизированных моделей и методик расчета динамики тепловыделения двигателя. В результате анализа определены основные направления их развития. Газовый двигатель обладает рядом преимуществ по сравнению с дизелем, в том числе меньшим уровнем шума, большим моторесурсом, отсутствие нагара на поршнях и свечах, а также в отработавших газах, отсутствие детонации (октановое число газа 105-115), более длительный срок моторного масла (в 1,5,-2 раза), лучшими экологическими показателями, и наконец, топливной экономичностью.

Многообразие схем и конструкций электронного управления подачей топлива в ГМД свидетельствуют о сложной взаимосвязи между факторами, определяющими эффективность процесса, и отсутствии единого подхода к решению проблемы. Противоречивость данных, приводимых различными авторами о рабочем процессе и протекании сгорания в газовом двигателе, во многом определяется тем, что в рассмотренных случаях, скорее всего использовались различные виды газовых топлив, а также способы регулирования и виды газовой аппаратуры. Это не позволяет выработать конкретные рекомендации по оптимизации рабочего процесса с применением электронной системы управления при конвертации дизельных двигателей для работы на природном газе. Обзор математических моделей газового рабочего процесса показал, что работы в этом направлении ведутся с недостаточной интенсивностью, что связано со сложностью описания процесса. Сформулированы задачи исследования (гл. 1).

Во второй главе предложен комплекс модернизированных моделей и методик расчета рабочего процесса газовой модификации дизеля. Представлена модель физического состояния рабочего тела, а также модернизированная модель процесса газообмена при регулируемом теплообмене на впуске газовой модификации дизеля. Рассмотрено влияние различных физических факторов, определяющих сгорание в цилиндре двигателя. Выбрана формула для описания динамики тепловыделения ГМД. Получены зависимости параметров характеристик тепловыделения при использовании природного газа и режима работы двигателя. Исследованы пути решения по определению рационального способа регулирования ГМД.

Экспериментальному исследованию рабочего процесса ГМД посвящена третья глава. Сформулированы цели экспериментальных исследований и методика их проведения. Для реализации экспериментов разработана экспериментальная установка, позволяющая установить зависимость основных показателей работы двигателя от режимных и регулировочных параметров, а также оценить влияние различных факторов на индикаторный КПД, угол опережения зажигания, максимальное давление сгорания и скорость повышения давления. Для исследования параметров рабочего процесса газового двигателя разработан и реализован информационно-измерительный комплекс на базе ПЭВМ. Произведена оценка погрешности измерений.

В заключительной четвертой главе определено адекватность результатов расчетных и экспериментальных данных, в ходе проведенных исследований. Приведены количественные оценки влияния отдельных величин и факторов на параметры рабочего процесса. Получены зависимости характеристик тепловыделения от долей теплоты газа и режимов работы ГМД. Выполнена сравнительная оценка эффективности работы ГМД в зависимости от сочетания различных входных параметров.

Научную новизну работы представляет:

1. комплекс моделей и методику расчета для обоснования и разработки модернизированной системы управления рабочим процессом ГМД.

2. Сформулированная физически обоснованная модель сгорания и тепловыделения в ГМД; предложенные зависимости для определения ее параметров.

Практическая значимость:

1. Рекомендации по реализации результатов расчетных теоретических и экспериментальных исследований.

2. Рекомендации по улучшению показателей газовой модификации при работе по нагрузочной и внешней скоростной характеристик.

3. Модернизированная система электронного управления рабочим процессом ГМД.

4. Зависимости, полученные путем экспериментально-теоретического исследования, могут быть использованы для расчетного прогнозирования параметров газового двигателя и выбора рациональных регулировочных решений.

5. Усовершенствованная технологическая схема и параметры ее элементной базы, а также модернизированная структура системы электронного управления составом газовоздушной смеси использованы при разработке предложений в эскизный проект газопоршневого двигателя 12ГЧН18/20 в ОАО «Звезда» г. Санкт-Петербург.

На защиту выносятся:

1. Комплекс модернизированных математических моделей протекания рабочего процесса ГМД.

2. Модернизированная система электронного управления ГМД.

3. Результаты экспериментального исследования специфики рабочих процессов в газовом двигателе.

4. Физически обоснованные и экспериментально подтвержденные зависимости параметров тепловыделения в газовом двигателе от исходных условий в цилиндре.

5. Полученные зависимости регулирования состава газовоздушной смеси и угла опережения зажигания топлива ГМД.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

4.7. Выводы.

1. Перевод дизеля на газовый рабочий процесс обеспечивает возможность сохранения мощности базового двигателя без ухудшения показателей экономичности и существенного повышения нагрузок на детали КШМ.

2. Основными факторами, влияющими на протекание рабочего процесса, мощ-ностные, экономические и экологические показатели газового двигателя являются, применения смешанного регулирования газовоздушной дополнительный информационно измерительный канал системы электронного управления ГМД, угол опережения зажигания, а также коэффициент избытка воздуха. Последний фактор играет решающую роль в изменении параметров двигателя при работе по нагрузочной характеристике.

3. Данные, полученные при исследовании влияния дросселирования газовоздушной смеси на эффективный КПД позволяют делать выводы о предпочтительности смешанного регулирования.

4. При работе по газовому рабочему процессу концентрация СО в ОГ при 0=18° ниже на 1,62 г/кВт-ч, при 0=12° на 1,0 г/кВт-ч. Концентрация СН при 0=18° повышается на 0,07 г/кВт-ч и при 0=12° понижается на 7,83 г/кВт-ч. Выбросы NOx при 0=18° выше на 1,67 г/кВт-ч и при 0=12° ниже на 0,77 г/кВт-ч.

5. При рассмотрении нагрузочных характеристик представленных на рис. 4.20.4.23 видно, что с уменьшением надпоршневого зазора, концентрация СО в ОГ снижается на всех режимах работы двигателя. Концентрация NOx снижается при 0=12° и повышается при 0=18° снижается температура ОГ в среднем на 30° и улучшается топливная экономичность двигателя в среднем на 10 г/лсч. При 0=15° концентрации СН уменьшаются незначительно по NOx и СО результаты ухудшаются нежели при 0=12° это заметно по рис. 4.23. Выбросы углеводородов могут быть уменьшены при использовании каталитического нейтрализатора отработавших газов.

128

Заключение.

Научная новизна работы представляет:

1. комплекс модернизированных моделей и методику расчета для обоснования модернизированного управления рабочим процессом газового двигателя.

2. Сформулированная физически обоснованная модель сгорания и тепловыделения в газовом двигателе и предложены зависимости для определения ее исходных параметров.

Практическая значимость:

1. Рекомендации по реализации результатов расчетных теоретических и экспериментальных исследований.

2. Рекомендации по улучшению показателей газовой модификации при работе по винтовой и внешней скоростной характеристик.

3. Модернизированная система электронного управления рабочим процессом газового двигателя.

4. Зависимости, полученные путем экспериментально-теоретического исследования, могут быть использованы для расчетного прогнозирования параметров газового двигателя и выбора рациональных регулировочных решений.

5. Усовершенствованная технологическая схема и параметры ее элементной базы, а также модернизированная структура системы электронного управления составом газовоздушной смеси использованы при разработке предложений в эскизный проект газопоршневого двигателя 12ГЧН18/20 в ОАО «Звезда».

В результате исследований, которое включали: анализ схем, конструкций и управления газовыми двигателями 8ГЧ12/12 и 12ГЧН18/20, методов их исследования, существующих данных по рабочим процессам, разработку и создание t экспериментальной установки, можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что длительность движения фронта пламени достаточно полно описывается совокупностью параметров, которые, согласно теории горения, определяют скорость его распространения.

2. На основе теоретических положений и результатов эксперимента получено математическое описание процессов воспламенения и сгорания в газовом двигателе, учитывающее турбулентную скорость распространения фронта пламени по углу поворота коленчатого вала, при этом предложены методы определения основных его параметров.

3. Комплекс показателей - коэффициент избытка воздуха (а), средняя температура за время распространения сгорания в газовоздушной смеси (7), частота вращения KB («), объем поступающей в цилиндр газовоздушной смеси (V), а также зависимости, полученные в ходе исследований, описывают характер протекания рабочего процесса; при этом изменение скорости распространения фронта пламени внутри цилиндра, определяется информационно-измерительным комплексом, выражая полученные значения в единицах угла ПКВ.

4. Предложенная модернизированная схема системы электронного управления с применением дополнительного информационно-измерительного канала, обеспечивает возможность оценки основных параметров и характеристики показателей рабочего процесса газового двигателя на основании комплексных показателей (а, Т, п, V).

5. В результате расчетно-теоретических исследований установлено, что сгорание в газовом двигателе может быть представлено как совокупность развивающихся процессов - воспламенения, быстрого сгорания части газового топли ва в воздушной среде и распространения фронта турбулентного пламени от очага воспламенения до стенки камеры сгорания. Определяющим параметром для описания фазы сгорания является - длительность движения фронта пламени, выраженная в углах поворота коленчатого вала. Установлено, что с увеличением а от 1 до 1,35, определяемый угол ПКВ характеризует увеличение скорости распространения фронта пламени внутри цилиндра на 25.30%.

6. Результаты экспериментальных исследований экологических и топливно-экономических показателей характеризуют преимущество работы исследуемого двигателя 8ГЧ12/12, при этом выбросы NOx снижаются на 3%, СО — 7,5 %, уро вень СН~уменьшается при использовании сравнительно простого окислительного нейтрализатора на 10 - 15%, в сравнении с требованиями правил №49-02 (Ев-ро-2). Удельный расход топлива (ge) исследуемого двигателя 8ГЧ12/12 уменыиается на 7,2. 15% по сравнению с двигателем 12ГЧН18/20 и на 1.1,5% с прототипом 8ГЧ12/12.

7. При использовании полученной математической модели рабочего процесса, с учетом результатов экспериментов по оценке факторов, определяющих токсичность отработавших газов двигателя, определен рациональный способ регулирования газовых двигателей, обеспечивающий обоснованный компромисс между требованиями максимального КПД двигателя и ограничениями, накладываемыми необходимостью минимизации токсичности отработавших газов исследуемого двигателя.

8. Усовершенствованная технологическая схема и параметры ее элементной базы, а также модернизированная структура системы электронного управления составом газовоздушной смеси использованы при разработке предложений в эскизный проект газопоршневого двигателя 12ГЧН18/20 в ОАО «Звезда» г. Санкт-Петербург.

9. Полученные результаты подтверждают достижение цели диссертационной работы: улучшение основных показателей газовой модификации дизеля путем совершенствования рабочего процесса.

131

1. Автомобильный справочник. 1-е изд. перевод с англ., М.: изд-во «За рулем», 2000. - 895 с.

2. Бойков И.А. Измерение давлений при быстропротекающих процессах. М.: «Энергия», 1970. - 64 с.

3. Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях. М.: «Машиностроение», 1969-48 с.

4. Васильев Ю.Н. Методические рекомендации по тепловому расчету ДВС. -М.: ВНИИГаз, 1980. 45 с.

5. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. М.: Машгиз, 1962. - 271 с.

6. Вукалович М.П., Новиков И.И. Уравнение состояние реальных газов. // М.: Госэнергоиздат, 1948. 338 с.

7. Воинов А.Н. Процессы сгорания в быстроходных поршневых двигателях. -М.: Машиностроение» 1965. 212 с.

8. Волчок Л.Я. Методы измерений в двигателях внутреннего сгорания — М. — Л.: Машгиз, 1966.-272 с.

9. Газодизельные КамАЗы. // Автомобильная промышленность. 1989. — №1. -С.6-8.

10. Гайнуллин Ф.Г., Гриценко А.И., Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С. Природный газ как моторное топливо на транспорте. — М.: Недра, 1986. — 327 с.

11. Генкин К.И. Газовые двигатели. М.: Машиностроение, 1977.

12. Генкин К.И. Анализ и расчет влияния сгорания на рабочий процесс в двигателе с искровым зажиганием. Поршневые ДВС. М.: АН СССР, 1952.

13. Генкин К.И. Экономия топлива за счет применения бедных смесей и оптимального регулирования. // Автомобиль 1951. - №8 — С.29 — 32.

14. Гиршфельдер Дж., Кертис Ч., Берд Р. молекулярная теория газов и жидкостей.

15. Гуревич Н.А., Аксенов В.Л., Куц В.П. Сравнение экологических показателей дизельного и газодизельного двигателей // Химическая технология. 1988. - №5. - С. 8 - 13.

16. Гуреев А. А. О перспективах развития топливного производства в двигателестроении // Химия и технология топлив и масел. 1980. - №9 — С. 22-23.

17. Двигатели внутреннего сгорания. Том 1. Теория рабочих процессов.// Под. ред. В.Н. Луканина. М.: Высшая школа, 1995. 369 с.

18. Двигатели внутреннего сгорания. Система поршневых и комбенированных двигателей. 2-е изд. А.С. Орлин, В.П. Алексеев, Д.Н. вырубов и др. М.: Машиностроение, 1973. — 480 с.

19. Двигатели внутреннего сгорания. Т. II. Авиационные двигатели сост. Д.Р. Пай. / Пер. Г.И. Гервасияи, Н.Т. Ожгихина; под ред. А.А. Добрынина. М.: Гос. изд. обон. пром. 1940. - 261 с.

20. Дьяченко Н.Х., Пугачев Б.П., Магидович Л.Е. Определение основных параметров характеристики тепловыделения // Труды ЛПИ №316 Л. 1970. -С. 76-82.

21. Дьяченко Н.Х., Пугачев Б.П., Магидович Л.Е. Определение основных параметров характеристики тепловыделения // Труды ЛПИ №316 Л. 1970. С. 76-82.

22. Долганов К.Е., Лисовал, А.А., Колесник Ю.И. Система питания и регулирования для переоборудования дизелей в газодизели // Двигателестроение. — 1995. №2 — с. 6 - 10.

23. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и продуктам их сгорания. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 288 с.

24. Ерохов В.И. Совершенствование систем питания. Диссертация на соискание ученой степени д-ра техн. наук: 05.04.02. М., 1996. — 384 с.

25. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение, 1973. 199 с.

26. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Справочное руководство. Л.: Недра, (Ленингр. отд-ние), 1980. 263 с.

27. Канишев А.Б., Петриченко P.M. Расходные характеристики и особенности течения сжимаемого газа через малые отверстия прямоугольные сечения. // Изв. вузов СССР. Сер. Энергетика. 1985. - №5. - С. 24 - 27.

28. Карпов В.П., Соколик А.С. О влиянии давления на скорость ламинарного и турбулентного горения. М. ДАН СССР, 1960 - т. 132 - №6 - 1341с.

29. Коллеров JI.K. Газовые двигатели поршневого типа. // 2-е изд. перераб. JL: Машиностроение, 1968 248 с.

30. Кочинев Ю.Ю., Серебренников В.А. Техника и планирование эксперимента. JL: ЛПИ, 1986 - 70 с.

31. Красовский О.Г., Матвеев В.В. Численное моделирование рабочего процесса дизелей, газовых двигателей и газодизелей // Двигателестроение. — 1990. -№11. С. 11-13.

32. Лавров Н.В. Физико-химические основы процесса горения топлива. — М.: Наука, 1971.-272с.

33. Лиханов В.А. Природный газ как моторное топливо для тракторных дизелей. Киров: ГИПП «Вятка», 2002. - 277 с.

34. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.

35. Мамедова М.Д. Работа дизеля на сжиженном газе. — М.: Машиностроение, 1980.-151 с.

36. Михеев В.П. Газовое топливо и его сжигание. — Л.: Недра, 1966. — 327с.

37. Михеев В.П., Медников Ю.П. Сжигание природного газа. JL: Недра, 975. -391с.

38. Михеев В.П. Газовое топливо и его сжигание. Л.: Недра, 1966.- 327с.

39. Николаенко А.В. Исследование рабочего процесса автомобильного двигателя с факельным зажиганием при карбюраторном смесеобразовании и впрыске легкого топлива: Дис. Канд. техн. наук. Л., 1961, 156 с.

40. Николаенко А.В. Улучшение топливно-энергетических и экологических показателей автотракторных двигателей. Л.: ЛСХИ, 1990. -46 с.

41. Николаенко А.В., Капустин А.А., Дыбок В.В., Хакимов Р.Т. Обоснование концепции системы приготовления газовоздушной смеси. // Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. СПб.: СПбГАУ, 2004. - С. 330 - 340.

42. Николаенко А.В., Хакимов Р.Т., Капустин А.А. Совершенствование системы питания модернизированного дизеля при работе на газовоздушной смеси. // техника и технологии агропромышленного комплекса. / Вестник

43. Московского Государственного Аграрного Университета 2004. - №4(9) -С. 47 - 52.

44. Николаенко А.В., Хакимов Р.Т. Улучшение экологических, топливно-экономических и ресурсных показателей путем совершенствования технического обслуживания тракторных дизелей. // Сельский механизатор -2004.-№11-С. 4-5. ~

45. Николаенко А.В., Шкрабак B.C. Энергетические установки и машины. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. Пособие. СПб.: СПбГАУ, 2004. -438 с.

46. Основы горения углеводородных топлив. // Под ред. Л.Н. Хитрина и В.А. Попова М.: Издательство иностранной литературы, 1960. — 664 с.

47. Панкратов Г.П. Двигатели внутреннего сгорания, автомобили, тракторы и их эксплуатация. М.: изд-во Высшая школа, 1989. - 319 с.

48. Перевод двигателей внутреннего сгорания на газообразное топливо. // Под ред. Д.Н. Вырубова. -М.: Машгиз, 1946. 239 с.

49. Перевод нефтяных двигателей на газообразное топливо. Под. ред. Я.И. Кеймаха и Ф.А. Парфентьева. М.: Государственное научно-техническое изд-во машиностроительной литературы, 1946. -253 с.

50. Петриченко Р.М Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания. Учеб. Пособие. Л.: Ленинград. Ун-тет, 1983 -244с.

51. Петриченко P.M., Оносовский В.В. Рабочие процессы поршневых машин. -Л.: Машиностроение, 1972. — 167 с.

52. Равкинд А. А. Унифицированные газовые дизельные двигатели. — М.: Недра, 1967.-196 с.

53. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков: Высшая школа, 1980 - 169 с.

54. Райков И .Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. — М.: Высшая школа, 1975. 320 с.

55. Родичев В.А. и Родичева Г.И. Тракторы и автомобили. М.: Высшая школа, 1982.-320с.

56. Розенблит Г.Б., Виленский П.И., Горелик Я.И. Датчики с проволочными преобразователями для исследования двигателей внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение, 1966. 136 с.

57. Русинов Р.В. Двигатели автомобилей и тракторов. Устройство и расчёт систем двигателей. С-Пб.: СПбГТУ, 1998 - 120с.

58. Салова Т.Ю. Экологический мониторинг окружающей среды при эксплуатации автотракторной техники. — СПб.: Индикатор, 1998. — 80 с.

59. Свиридов Ю.Б. Принципы построения обобщенной теории сгорания в дизелях // Двигателестроение 1980. - №9 - с. 21 - 23.

60. Семенов Н.Н Развитие теории цепных реакций и теплового воспламенения. -М: Знание, 1969.-95с.

61. Семенов Н.Н. О типах кинетических кривых цепных реакций (1-закономерности автокабалитического типа). // Доклады АН СССР. М., 1944.-т. ХШ-№8.

62. Соколик А.С., Воинов А.Н., Свиридов Ю.Б. Влияние химических и турбулентных факторов на процесс сгорания в двигателях. // В сб. Сгорание в транспортных поршневых двигателях М.: АН СССР, 1961 - С. 153 - 166.

63. Тареев В.М. Справочник по тепловому расчету рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания. 3-е изд. перераб. Л.: изд-во «Речной транспорт», 1961. - 417 с.

64. Теория двигателей внутреннего сгорания. // Под ред. Н.Х. Дьяченко Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974. - 552 с.

65. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания. // Справочное пособие. / А.К. Костин, В.В. Ларионов, Л.И. Михайлов Л.: Машиностроение. Ленингр. отдел., 1979. — 222 с.

66. Теплотехнический справочник. 2-е изд., перераб. // Под ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. Т.1. - М.: «Энергия», 1975. - 744 с.

67. Термодинамические свойства газов. / М.П. Вукалович, В.В. Кириллов, С.А. Ремизов и др. М.: ГНТИ, 1953. - 376 с.

68. Фадин А.А. Дизели и газовые двигатели. Каталог-справочник. М.-Л.: Машгиз, 1961.-128 с.

69. Федотов А.В. Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств. — М.: Машиностроение, 1979. 173 с.

70. Хакимов Р.Т. Постановка частичных задач для решения проблем создания газодизеля. // Инновационные подходы к развитию сферы сервиса. Материалы конференции. / Санкт-Петербургская государственная академия сервиса и экономики 2003. - т. I - С. 201 - 204.

71. Хандов З.А., Генин А.Б. Судовые газосиловые установки. JL: Издательство министерство речного флота СССР, 1951. — 372 с.

72. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. М.: МГУ, 1957. - 442 с.

73. Чепель В.М., Шур И.А. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий. 7-е изд. перераб. Под. ред. В.Е. Берхмана. Л.: Недра (Ленингр. отд-ние), 1980. — 282 с.

74. Чудаков Е.А., Генкин К.И. Транспортный газовый двигатель с внутренним смесеобразованием. М., Изд. АН СССР, 1954 - 224 с.

75. Шевцов Г.Е. Газодизель ГД-700. // Транспортное машиностроение. М.: ЦИНТИмаш, 1962 - сер. VI.

76. Шевцов Г.Е. Исследования рабочего процесса четырехтактного газодизеля с наддувом на природном газе. М., М-во тяжелого, энерг. и трансп. машиностроения, научно исследоват. ин-т информации по тяжелому, энерг. и трансп. машиностроению (ДВС), 1968 - 31 с.

77. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС. Алгоритмы прикладных программ. // Под. ред. д-ра техн. наук проф. P.M. Петриченко. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние.), 1990. 328 с.

78. Weaver C.S. and Turner S. H. "Dual Fuel Natural Gas/Diesel Engines: Technology, Performance, and Emissions," SAE Paper 940548.

79. Dugger G.L., Weast R.C., Heimel S., Flame Velocitu and Preflame reaction in Heated Propane-Air Mixtures, Ind. Engng. Chem., 1955, v. 47. №1

80. Liss W.E., Thrasher W. И., ''Natural Gas as a Stationary and Vehicular Fuel," SAE Paper 912364.

81. Hupperich P., Dirnhoiz M., "Time-Controller Pilot Injection for Stationary and Heavy-Duty Gas Engines," SAE Paper 971713.

82. Gebert K., Beck N. J., Barkhimer R. L., Wong, H., "Strategies to Improve Combustion and Emission Characteristics of Dual Fuel Pilot Ignited Natural Gas Engines," SAE Paper 971712.

83. Liu Z., Karim G. A., "The Ignition Delay Period in Dual Fuel Engines," SAE Paper 950466.

84. Gebert K., Beck N. J., Barkhimer R. L., Wong, H., "Development of Pilot Fuel Injection System for CNG Engine," SAE Paper 961100.

85. Liu Z., Karim G. A., "A Predictive Model for the Combustion Process in Dual Fuel Engines," SAE Paper 952435.

86. Miyoshi N., Matsumoto S., Katoh К., Tanaka Т., Harada J., Takahashi N., Yokota K., Sugiura M., Kasahara K., "Development of a new Concept Three-Way Catalyst for Automotive Lean-Burn Engines," SAE Paper 950809.

87. Degobert P., Automobiles and Pollution, SAE Publications, Warrendale, PA, 1995.

88. John D. Maples, James S. Moore, Jr., Philip D. Patterson, Vincent D. Schaper, Alternative Fuels for U.S. Transportation, 2000.1. АКТ

89. О внедрении результатов диссертационной работы1. Хакимова Р.Т.

90. Ofy> /<£ 2005г. г. Санкг-Петербург.1. Комиссия в составе:

91. Председатель комиссии: Члены комиссии:

92. Калинец Н.Е. ' Зяблов В.Н.1. Цг—всокин Н.Г.

93. О внедрении результатов диссертационной работы Хакимова Р.Т.

94. Технология обслуживания транспортных средств» СПбГУСЭ, д.т.н., профессор. А.А. Капустин

95. Утверждаю: ВИО «Санкт-Петербургского эщАграрного Университета»йЩГПрофессор Ефимов В.А.2006 г.2006 г.1. СПРАВКА

96. Об использовании результатов НИР Хакимова Р.Т. в учебном и научно-исследовательских процессах

97. Автомобили и автомобильное хозяйство

98. Д.т.н., профессор Г. А. Курмашев