CC BY
13Транспорт УДК 62-14 Код ВАК 05.22.10
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОДОГРЕВА ГАЗОВОГО ТОПЛИВА, КАК УСЛОВИЕ УСПЕШНОГО ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
И.В. Бердышев1*
1 ФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Екатеринбург, Россия
* E-mail: berdyshev2@bk.ru
Аннотация. В статье определена научная проблема - запуск двигателя на газообразном топливе в условиях низких температур. Это обусловлено специфическими особенностями газа и топливной аппаратуры, не позволяющими создать состав топливной смеси, готовой к воспламенению. В работе выдвинута гипотеза о том, что подогрев газа в редукторе-испарителе позволит обеспечить успешный запуск двигателя в условиях низких температур. Целью исследования является установление временных и количественных показателей запуска двигателя на газовом топливе с использованием предварительного подогрева газа и без него при отрицательных температурах окружающего воздуха. В качестве теплоносителя предлагается использовать горячий воздух от отопителя, автономно работающего на бензине. Горячий воздух от отопителя подается через патрубок в кожух, в который помещен редуктор-испаритель. Теплом воздуха нагревается пространство вокруг редуктора, материал редуктора, охлаждающая жидкость в нем и газовоздушная смесь, далее поступающая в цилиндры и обеспечивающая запуск двигателя. В ходе опытных исследований произведены замеры времени на запуск, расхода топлива при предварительном подогреве топлива в редукторе, без предварительного подогрева топлива, при запуске двигателя на бензине. Также произведены замеры времени и расхода топлива, необходимых для прогрева двигателя после запуска до 40°С, необходимых для начала полноценной работы автомобиля. Результаты замеров позволили сделать выводы о том, что возможность запуска двигателя на сжиженном нефтяном газе значительно ограничена температурными условиями. Время запуска ДВС на газе без подготовки топлива при температуре от нуля до минус 8°С значительно превышает время запуска ДВС, работающих на СНГ, с использованием разогрева горячим воздухом. Предпусковой подогрев топлива при низких температурах позволяет значительно расширить температурный диапазон запуска двигателя, работающего на газе. Значительное уменьшение затрат времени и топлива при запуске двигателя, работающего на СНГ, позволяет утверждать, что разработанная схема подготовки топлива доказала свою эффективность.
Ключевые слова: газообразное топливо, подогрев, запуск, двигатель, низкие температуры, горячий воздух, отопитель.
USE OF GAS FUEL HEATING AS A CONDITION FOR SUCCESSFUL STARTING OF THE ENGINE UNDER LOW TEMPERATURES I.V. Berdyshev1*
1 FSBEI HE Ural SAU, Ekaterinburg, Russia
* E-mail: berdyshev2@bk.ru
Summary. The article defines a scientific problem - starting the engine on gaseous fuel in low temperatures. This is due to the specific features of the gas and fuel equipment, which do not allow creating a composition of the fuel mixture ready for ignition. The paper put forward a hypothesis that heating the gas in the reducer-evaporator will ensure a successful engine start at low temperatures. The purpose of the study is to establish the time and quantitative indicators of starting a gas-fueled engine with and without gas preheating at negative ambient temperatures. It is proposed to use hot air from a heater that runs autonomously on gasoline as a heat carrier. Hot air from the heater is supplied through a branch pipe to the casing, in which the reducer-evaporator is placed. The heat of the air heats up the space around the gearbox, the gearbox material, the coolant in it and the gas-air mixture, which then enters the cylinders and provides the engine start. In the course of experimental studies, measurements were made of starting time, fuel consumption when preheating the fuel in the gearbox, without preheating the fuel, when starting the engine with gasoline. We also measured the time and fuel consumption required to warm up the engine after starting up to 40 ° C, which is necessary to start the full operation of the car. The measurement results led to the conclusion that the ability to start the engine on LPG is significantly limited by temperature conditions. The time for starting an internal combustion engine running on gas without fuel preparation at temperatures from zero to minus 8 ° C significantly exceeds the starting time for an internal combustion engine operating on LPG using hot air heating. Preheating the fuel at low temperatures allows you to significantly expand the temperature range for starting a gas engine. A significant reduction in time and fuel consumption when starting an engine running on LPG allows us to assert that the developed fuel preparation scheme has proven its effectiveness.
Keywords: gaseous fuel, heating, starting, engine, low temperatures, hot air, heater.
Постановка проблемы (Introduction)
Газообразное топливо получило высокое и заслуженное признание во многих отраслях промышленности. Оно, по мнению экспертов, является высококачественным топливом для двигателей внутреннего сгорания и заменителем жидкого моторного топлива нефтяного происхождения.
Данный факт подтверждается надежностью и более длительным сроком службы газовых двигателей по сравнению с двигателями, работающими на жидком топливе, вследствие низкой зольности газообразного топлива и благоприятных условий смазки [1,2].
Но существует момент, осложняющий работу двигателей на сжиженном нефтяном газе (СНГ). Это запуск автомобиля на СНГ в условиях низких температур окружающего воздуха. Если в летнее время пуск двигателей осуществляется за несколько секунд и без особого труда, то в зимний период на пуск холодного двигателя затрачивается до 15 % сменного времени [3,4].
Затрудненный запуск бензиновых двигателей, работающих на СНГ, связан с уменьшением скорости распространения фронта пламени, специфическими особенностями газа и топливной аппаратуры, не позволяющими создать состав топливной смеси, способный к активному воспламенению.
Из вышесказанного определяется научная проблема: запустить бензиновый двигатель, работающий на сжиженном нефтяном газе (СНГ), без дополнительных устройств (подвод тепла или др.) можно только при температуре не ниже минус 10°С.
В качестве гипотезы принято утверждение: изучение причин затрудненного запуска двигателя на СНГ и устройства газобаллонного оборудования позволило установить, что успешный пуск в холодное время года обеспечивается за счет подогрева газа в редукторе-испарителе.
Целью исследования является установление параметров (времени, расход топлива) запуска двигателя внутреннего сгорания на сжиженном нефтяном газе в условиях отрицательных температур.
Методология и методы исследования (Methods)
экспериментальные исследования проводились на автомобиле ГАЗ-3307 с бензиновым двигателем, работающем на СНГ. Газовое оборудование фирмы «Lovato». Дополнительные средства измерения показателей стандартные, устройство для тепловой подготовки редуктора-испарителя изготовлено по заказу в мастерских предприятия.
Средством предпускового разогрева редуктора-испарителя низкого давления (система подготовки газа) и охлаждающей жидкости в нем, является воздушный стандартный индивидуальный независимый универсальный отопитель 015-0010-10 [5]. Горячий воздух от отопителя через патрубок подается к редуктору-испарителю, помещенному в металлический кожух.
Тем самым создаются условия для испарения и воспламенения газовоздушной смеси в двигателе.
При этом одновременно может быть достигнуто:
- сокращение времени на пуск двигателя в холодное время,
- повышение рабочего времени смены,
- продление срока службы двигателя.
Существует способ запуска, при котором двигатель запускают на бензине, и после прогрева до температуры плюс 40...50° С переводят на газ [6,7].
Для подогрева газа в качестве теплоносителя может быть использован горячий воздух. Эффективный разогрев редуктора-испарителя обеспечивается непосредственной подачей горячего воздуха в зону его расположения.
Использование отопителя обеспечивает повышение температуры газа, воспламенение заряда при меньших пусковых оборотах. Практика показала, что использование его возможно в любых условиях и при любых отрицательных температурах. Отопитель работает на бензине независимо от двигателя, расход топлива составляет 0,35 л/ч.
В ходе исследования редуктор-испаритель разогревался до температуры плюс 40°С, в результате чего подаваемый в него жидкий газ переходил в парообразное состояние, поступал в газовоздушный смеситель, перемешивался с горячим воздухом и далее поступал через карбюратор в цилиндры, обеспечивая удовлетворительный запуск двигателя [8,9].
Результаты (Results)
В результате проведения лабораторных испытаний на экспериментальной установке двигатель (ЭУД) была определена длительность разогрева редуктора-испарителя и охлаждающей жидкости в нем перед запуском при отрицательных температурах окружающего воздуха с использованием отопительной установки.
Одновременно с разогревом редуктора происходит разогрев подкапотного пространства также до температуры плюс 40°С. Временные затраты и расход топлива (бензина) отопителем на разогрев сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Временные затраты и расход топлива (бензина) отопителем на разогрев сведены
Температура окружающего воздуха и охлаждающей жидкости,°С Время разогрева Редуктора перед запуском, мин Расход топлива отопителем, л
0 1,60 0,008
-5 2,60 0,013
-8 2,90 0,014
-15 3,80 0,019
-18 4,60 0,023
-20 5,10 0,025
Анализ данных таблицы позволяет сделать вывод о том, что при использовании воздушного подогревателя для разогрева редуктора-испарителя и охлаждающей жидкости в нем затрачивается от 1,60 до 5,10 мин в зависимости от температуры окружающего воздуха. Расход топлива отопителем незначительный.
Для достижения наибольшего эффекта в работе запущенный двигатель необходимо прогреть до температуры плюс 40...50°С.
В связи с этим произведены замеры времени и расхода топлива, необходимого для
разогрева двигателя до плюс 40°С на СНГ с предварительной тепловой подготовкой газа и на СНГ без предварительного разогрева газа.
В ходе исследования определена длительность разогрева двигателя на СНГ без использования предварительного разогрева топлива. Результаты разогрева двигателя на СНГ от температуры окружающего воздуха до плюс 40°С сведены в таблицу 2.
Таблица 2 - Результаты разогрева двигателя на СНГ от температуры окружающего воздуха до плюс 40°С
Температура окружающего воздуха и охлаждающей жидкости при запуске ЭУД, °С Время разогрева ЭУД на СНГ, мин Расход газа, л Время разогрева ЭУД на бензине, мин Расход бензина, л
0 17 4,250 - -
-5 19 4,750 - -
-8 23 5,750 - -
-15 - - 26 4,760
-18 - - 28 5,120
-20 - - 30 5,500
Данные таблицы показывают, что запуск двигателя на СНГ и дальнейший его разогрев возможен только при температуре окружающего воздуха до минус 8°С.
Время разогрева при указанных минусовых температурах от нуля до минус 8°С составляет от 17 до 23 мин с расходом топлива (СНГ) от 4,250 до 5,750 л. При температурах воздуха ниже минус 8°С необходим запуск и разогрев двигателя на бензине. Время разогрева на бензине составляет от 26 до 30 мин, расход бензина при этом - 4,7 - 5,5 л.
Результаты продолжительности разогрева ЭУД на бензине до температуры плюс 40°С при различных низких температурах окружающего воздуха сведены в таблицу 3.
Таблица 3
Температура окружающего воздуха и охлаждающей жидкости при запуске двигателя, °С Время разогрева двигателя на бензине, мин Расход топлива двигателем, л
0 15 2,750
-5 18 3,290
-8 21 3,840
-15 26 4,760
-18 28 5,120
-20 30 5,500
Из таблицы видно, что разогрев двигателя до температуры плюс 40°С занимает от 15 до 30 минут с расходом топлива от 3,2 до 5,5 л.
Для подтверждения гипотезы проведены опытные исследования с применением подогрева СНГ в редукторе-испарителе с помощью отопительной установки в условиях отрицательных температур. Данные о продолжительности разогрева двигателя на газе сведены в таблицу 4.
Таблица 4 Данные о продолжительности разогрева двигателя на газе
Температура окружающего воздуха и охлаждающей жидкости при запуске ЭУД, °С Время разогрева редуктора до +40 °С перед запуском двигателя, мин Время разогрева ЭУД до +40 ° С после запуска, мин Общее время разогрева ЭУД до +40 °С , мин Расход бензина отопительной установкой, л Расход газа (в идком состоянии) двигателем во время разогрева, л
0 1,60 6 7,60 0,038 1,50
-5 2,60 7,30 9,90 0,049 1,80
-8 2,90 8 10,90 0,054 2,00
-15 3,80 10 13,80 0,069 2,50
-18 4,60 11 15,60 0,078 2,75
-20 5,10 12 17,10 0,085 3,00
Указанные затраты времени включают в себя разогрев редуктора (1,60 - 5,10 мин) и прогрев двигателя в подкапотном пространстве до плюс 40°С после запуска (6 - 12 мин). Общее время разогрева редуктора и двигателя после запуска составляет от 7,60 до 17,10 минут в зависимости от температуры окружающего воздуха. Расход бензина отопителем составляет от 0,038 до 0,085 л, расход СНГ для двигателя составляет от 1,5 до 3 л.
Анализируя данные таблиц 2 и 4, делаем вывод о том, что время разогрева двигателя до 40°С, когда водитель автомобиля может начать полноценную работу, при использовании предварительного подогрева топлива сокращается в 2,6 - 2,9 раза. Расход бензина при разогреве двигателя превышает расход бензина отопителем в 65-69 раз.
Таким образом, с использованием тепловой подготовки топлива перед запуском положительные результаты при запуске ЭУД на газе получены при всех температурных режимах. Показатели времени запуска ЭУД на газе после подогрева топлива горячим воздухом в зависимости от температуры окружающего воздуха отражены на графике (рисунок 1).
t, сек
(Sei подогрева) i
(с подогревом) ♦
Линия _
тренда
(полиноминальная)
-25 -20 -15 . -10 -5 О 1,°С
Рисунок 1 - Зависимости времени запуска на газе с подогревом топлива и без него от
температуры окружающего воздуха
Анализ зависимостей позволяет сделать вывод о том, что возможность запуска двигателя на сжиженном нефтяном газе значительно ограничена температурными условиями. Время запуска ДВС на газе без подготовки топлива при температуре от нуля до минус 8 °С значительно превышает время запуска ДВС, работающих на СНГ, с использованием разогрева горячим воздухом.
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
По результатам экспериментальных исследований можно сделать вывод, что предпусковой подогрев топлива при низких температурах позволяет значительно расширить температурный диапазон запуска двигателя, работающего на газе, и подтверждает гипотезу.
Значительное уменьшение затрат времени и топлива при запуске двигателя, работающего на СНГ, при низких температурах окружающего воздуха, позволяет утверждать, что разработанная схема подготовки топлива доказала свою эффективность.
Преимуществами данного способа являются безопасность за счет низкой вероятности детонации, отсутствия вредных примесей, ведущих к коррозии деталей, экологической безвредности продуктов сгорания; возможность использования для получения горячего воздуха видов энергии, распространенных и доступных в конкретных условиях эксплуатации; экономичность и высокая эффективность.
Библиографический список
1. Афонин, С. Газовое оборудование автомобиля. Легковые, грузовые. Устройство, установка, обслуживание. Практическое руководство. «ПОНЧиК», 2001. - 53 с.
2. Газобаллонное оборудование (ГБО): виды, поколения, принцип работы, надежность, плюсы и минусы: сайт. - Москва.- https://zen.yandex.ru/media/autoblogcar/ (дата обращения 20.10.2020).
3. Техника безопасности при эксплуатации газобаллонных автомобилей: Методические указания / Л.Н. Бухаров, А.В. Трофимов.— Омск: Изд-во СибАДИ, 2000.—35 с.
4. Бухаров, Л.Н. Зимняя эксплуатация автомобилей на сжиженном нефтяном газе.— Омск: Изд-во СибАДИ, 1999.—224 с.
5. Производство автокомпонентов: отопительные установки: сайт. - Москва. -http://shaaz.biz/catalog/ (дата обращения 25.03.2020)
6. Линниченко, П. С. Оценка экономического эффекта от перевода автомобильного транспорта предприятия на компримированный природный газ // Вестник Самарского государственного экономического университета. Экономика. - 2014. - № 11 (121). - С. 72-76.
7. Золотницкий, В.А. Новые газотопливные системы автомобилей / В.А. Золотницкий; под редакцией С.Н. Подгребного. - Москва: Издательский Дом Третий Рим. - 2005. - 64 с.
8. Лиханов, В.А. Применение и эксплуатация газобаллонного оборудования: Учебное пособие / В.А. Лиханов, Р.Р. Деветьяров - Киров: Вятская ГСХА, 2006. - 183 с.
9. Золотницкий, В.А. Автомобильные газовые топливные системы / В.А. Золотницкий.
- Москва: АСТ, 2007.- 128 с.
References
1. Afonin, S. Gas vehicle equipment. Cars, trucks. Device, installation, service. A practical guide. "PONCHIK", 2001. - 53 p.
2. Gas equipment (LPG): types, generations, principle of operation, reliability, pros and cons: website. - Moscow. - https://zen.yandex.ru/media/autoblogcar/ (date of treatment 10/20/2020).
3. Safety precautions during the operation of gas-cylinder vehicles: Methodical instructions / L.N. Bukharov, A.V. Trofimov.— Omsk: Publishing house SibADI, 2000. — 35 p.
4. Bukharov, L.N. Winter operation of cars on liquefied petroleum gas. - Omsk: Publishing house SibADI, 1999. - 224 p.
5. Manufacture of automotive components: heating installations: website. - Moscow. -http: //shaaz.biz/catalog/ (date of treatment 03/25/2020)
6. Linnichenko, PS Evaluation of the economic effect of transferring the enterprise's motor transport to compressed natural gas // Bulletin of the Samara State University of Economics. Economy. -2014. - No. 11 (121). - S. 72-76.
7. Zolotnitsky, V.A. New gas-fuel systems of automobiles / V.A. Zolotnitsky; edited by S.N. Hypochondriac. - Moscow: Publishing House Third Rome. - 2005 .-- 64 p.
8. Likhanov, V.A. Application and operation of gas equipment: Textbook / V.A. Likhanov, R.R. Devetyarov - Kirov: Vyatskaya State Agricultural Academy, 2006 .-- 183 p.
9. Zolotnitsky, V.A. Automobile gas fuel systems / V.A. Zolotnitsky. - Moscow: AST, 2007.
- 128 p.
