CC BY
22Исследование влияния степени сжатия при конвертации двигателя автомобиля ГАЗ-31105 «Волга» на газовое топливо
А.С. Клементьев,
магистр техники и технологии, магистрант кафедры
«Автомобильный транспорт» Чайковского технологического института,
филиала Ижевского государственного технического университета (ЧТИ ИжГТУ),
М.Н. Бибиков,
доцент ЧТИ, к.т.н.,
Н.М. Филькин,
профессор ИжГТУ, д.т.н.,
А.В. Меркушев,
начальник АГНКС УАВР № 1 ООО «Газпром трансгаз Чайковский»
В данной статье рассматриваются вопросы возможности конвертации существующих автомобилей на природный газ и оценка влияния степени сжатия двигателя на экологическую безопасность.
Ключевые слова: конвертация, компримированный природный газ (КПГ), степень сжатия, экология.
Influences degree compressions at conversion of the cars for usage on gas fuel
A.S. Klementyev, M.N. Bibikov, N.M. Filikin, A.V. Merkushev
In given article are considered questions of the possibility conversion existing cars on compressed natural gas and estimation of the influence degree compressions of the engine on ecological safety.
Keywords: conversion, compressed natural gas (CNG), degree of the compression, ecology.
Автотранспорт является одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды и создает угрозу экологической безопасности. Особенно это касается загрязнения воздуха в крупных городах, так как доля автотранспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу достигает 70-80%. Проблема загрязнения городов выбросами автомобильного транспорта является одной из самых актуальных и серьезнейших для всех городов мира [1].
Важным направлением обеспечения экологической безопасности является перевод части автотранспортных средств на использование альтернативных видов моторного топлива, прежде всего природного газа [2]. На сегодняшний день природный газ является наиболее приемлемой альтернативой нефтяным моторным топливам по экономическим, ресурсным и экологическим характеристикам. Использование компримированного и сжиженного
природного газа (СПГ) в качестве моторного топлива позволяет существенно повысить экономическую эффективность эксплуатации автомобильного транспорта и снизить его воздействие на природную среду [2, 3].
Однако в настоящее время заменить одновременно весь автомобильный парк невозможно. При любом волевом решении даже на государственном и мировом уровне требуется время, чтобы изготовить автомобили, работающие на газовом топливе, утилизировать все автомобили, находящиеся в эксплуатации, и создать развитую сеть газозаправочных станций.
Поэтому при переводе всего автотранспорта на альтернативные виды моторного топлива неизбежен переходный период для производства новых газобаллонных моделей автомобилей. В течение этого периода важным этапом является конвертация существующих автомобилей с возможностью параллельной работы на двух видах моторного топлива, а именно на традиционном или альтернативном.
Для более эффективной конвертации автомобилей, находящихся в эксплуатации, необходимо исследовать различные варианты возможных регулировок и настроек топливных систем двигателя при переводе с одного вида топлива на другой. Физико-химические свойства газового топлива подробно описаны в работе [2], в частности, октановое число метана равно 130. Повышение октанового числа допускает увеличение степени сжатия двигателя, которое в свою очередь предполагает улучшение мощност-ных параметров.
Объектом исследования был выбран автомобиль ГАЗ-31105 «Волга».
Целью исследования являлась оценка влияния степени сжатия двигателя на выбросы загрязняющих веществ с отработавшими
Научные разработки и исследования
^^СоцйК***
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 1. Принципиальная схема системы питания конвертированного двигателя автомобиля ГАЗ-31105 «Волга»: 1 - баллон БА-67; 2 - баллон БА-34; 3 - баллонные вентили; 4 -двухступенчатый редуктор с фильтром грубой очистки и электромагнитным клапаном; 5 - фильтр газовой (паровой) фазы; 6 - подогрев редукторов; 7 - рампа форсунок; 8 - газопровод с соплом; 9 - впускной коллектор; 10 - газовый смеситель; 11 - воздушный фильтр; 12 - винтовой дозатор газа;
13 - трехступенчатый редуктор с фильтром грубой очистки и электромагнитным клапаном;
14 - выносное заправочное устройство; 15 - заправочный вентиль; 16 - манометр; 17 -топливозаборная трубка
газами, виброакустические параметры (шум и вибрация), а также динамические показатели автомобиля.
Для реализации поставленной цели на автомобиль ГАЗ-31105 параллельно штатной системе питания жидким топливом было дополнительно установлено два вида газобаллонного оборудования (ГБО): одно - обеспечивающее работу на сжиженном углеводородном газе (СУГ), второе 1У-го поколения на КПГ, обеспечивающее распределенный впрыск.
Принципиальная схема системы питания конвертированного двигателя автомобиля ГАЗ-31105 «Волга» представлена на рис. 1.
Общий вид автомобиля ГАЗ-31105 «Волга» показан на рис. 2.
Экспериментальные исследования с автомобилем ГАЗ-31105 «Волга»
проводились в два этапа (при этом регулировки не проводились).
1. На первом этапе были проведены сравнительные испытания работы двигателя на бензине, СУГ и КПГ (трех систем питания) по содержанию вредных выбросов в отработавших газах, а также по уровню шумности, вибрации и динамике движения (разгон до 100 км/ч) на базовом автомобиле, имеющем степень сжатия 9,5 ед.
2. На втором этапе головку блока цилиндров двигателя подвергли фрезерованию на 1,5 мм, тем самым увеличив степень сжатия е с 9,5 до 11 ед. и провели те же испытания, что на первом этапе.
Измерения выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами производились в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52033-2003
и ГОСТ Р 17.2.02.06-99, внешнего шума на рабочем месте - ГОСТ 12.1.050-86 и СН 2.2.4/2.1.8.562-96, вибрации - ГОСТ 12.1.012-90 и СН 2.2.4/2.18.566-96.
Экспериментальные замеры выбросов загрязняющих веществ проводились с помощью микропроцессорного газоанализатора «Инф-ракар» (рис. 3) в диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя от 800 мин-1 (обороты холостого хода) до 4000 мин-1, результаты измерений представлены на рис. 4.
Из графиков рис. 4 видно, что при повышении степени сжатия выбросы СО при работе двигателя на КПГ практически одинаковы (кроме
Рис. 3. Четырехкомпонентный газоанализатор «Инфракар»
режима 2000 мин-1), но меньше чем на бензине в среднем в два раза. В то же время содержание углеводородов СН в отработавших газах при работе на КПГ в 2-3 раза больше, чем на бензине. Данный факт можно объяснить неполным сгоранием топлива, в связи с чем при работе на КПГ требуется регулирование системы зажигания и топливной системы.
Содержание СО2 при увеличении степени сжатия с 9,5 до 11 ед. в выбросах при работе на КПГ примерно в два раза меньше, чем при работе на бензине.
Виброакустические параметры снимались во время движения автомобиля при скорости 70 км/ч с помощью анализатора звука и вибрации SVAN 912 АЕ, капсюля предусилителя SV-01А, микрофона
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (16) июль 2010 г.
ЯВД^ИШ» .....тлтпД^к, ^■дт-жДЬИШт
-Метан 11 -Метан 9,5 Бензин 11 • Бсшии 9.5
800
1000
2000
3000
4000
п, мин 1
■ Метая 11
■ Метая 9,5 бенгин 11
■ Бензин I 9.5
800
1000
2000
3000
4000
п, мин
14 12 10
3
о
4 2 О
-Метан 11 -Меин$,5
Бензин 11 •Бензин
300
1000
2000
3000
4000
Н
п, мин
в
Рис. 4. Показатели состава отработавших газов автомобиля ГАЗ-31105: а - СО; б - СН; в - СО2
ВМК-205, виброметра SVAN 946 и вибропреобразователя АР-98-100-01 (рис. 5), имеющих государственную поверку. Результаты измерений виброакустических параметров представлены в табл. 1.
Исследования автомобиля при работе в транспортном режиме на
разных видах моторного топлива показали, что на рабочем месте (сиденье) водителя уровень вибрации при увеличении степени сжатия е с 9,5 до 11 ед. уменьшился на 6 дБА, а локальная (на руле) вибрация практически не изменилась. Аналогичное снижение вибрации произошло
при работе на СУГ и бензине, но при этом уровень шума увеличился на 1,2 дБА на КПГ и до 3,1 дБА на бензине.
Динамика движения оценивалась по времени разгона автомобиля с прогретым двигателем по
асфальту на прямом участке горизонтальной дороги до скорости 100 км/ч при трехкратном движении в прямом и обратном направлении. Результаты замеров представлены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, повышение степени сжатия приводит к повышению динамики движения автомобиля на КПГ, которая остается практически одинаковой при работе на СУГ и бензине.
При повышении степени сжатия с е = 9,5 до е = 11 ед. можно отметить следующее:
1. Выбросы СО при работе двигателя на КПГ практически не
а
Научные разработки и исследования
ГШ
Таблица 1
Результаты измерения виброакустических параметров
Результаты измерений
Степень Топливо шума, дБА вибрации, дБА
сжатия, s максимальный уровень шума допустимое значение по норме эквивалентный допустимый
КПГ 76,6 60,0 92 101
102 112
9,5 СУГ 72,2 60,0 91 101
106 112
Бензин 70,1 60,0 92 101
102 112
КПГ 77,8 60,0 86 101
101 112
11 СУГ 74,1 60,0 86 101
102 112
Бензин 73,2 60,0 86 101
102 112
Таблица 2
Динамика движения автомобиля на разных видах топлива (для систем четвертого поколения)
Степень сжатия, s Топливо Среднее время разгона автомобиля до 100 км/ч, с
9,5 КПГ 24,1
СУГ 20,9
Бензин 21,8
11 КПГ 19,1
СУГ 20,6
Бензин 22,0
изменились; содержание углеводородов СН в отработавших газах при работе на КПГ в 2-3 раза больше чем на бензине; содержание СО2 при работе на газе примерно в 2 раза меньше, чем при работе на бензине.
2. Шум при работе на КПГ вырос на 1,2 дБА, на бензине - на 3,1 дБА.
3. Транспортная вибрация уменьшилась на 5 дБА, а локальная осталась на том же уровне.
4. Время разгона на КПГ уменьшилось на 5 с, что составляет более 20% и говорит об увеличении мощ-ностных и динамических показате-
лей автомобиля. При этом потеря мощности при переходе на КПГ минимальна.
5. Проведение испытаний на одном и том же автомобиле повысило достоверность результатов испытаний.
Литература
1. Зиновьев В.В., Завгороднев А.В., Ишков А.Г. и др. Охрана окружающей среды на предприятиях газовой отрасли: Учебной пособие. - Под редакцией В.В. Зиновьева, А.Д. Хованского. - Ростов н/Д: ИИЦ ООО «Наш регион», 2008. - 84 с.
2. Кавтарадзе З.Р., Кавтарадзе Р.З. Перспективы применения поршневых двигателей на альтернативных моторных топливах. - Транспорт на альтернативном топливе, 2010, № 1 (13). - С. 74-80.
3. Клементьев А.С. Перспективные топлива для двигателей внутреннего сгорания автотранспортных средств. - Транспорт на альтернативном топливе, 2008, № 6 (6). - С. 76-79.
