CC BY
57
УДК 551.42.35
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ДВС, РАБОТАЮЩЕГО НА БИНАРНОМ ТОПЛИВЕ
Л. А. Жолобов, канд. техн. наук., профессор; С. А. Фролов, аспирант
ФГБОУ ВПО «Нижегородская ГСХА», Россия, е-таП: ]о1оЬоу1еу@уа^ех. ги; frolsa2007@mail.ru.
Рассматривается применение бинарного топлива, состоящего из смеси пропан-бутана и бензина, для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Рассчитаны цикловые подачи по каждому виду топлива, а также построена теоретическая скоростная характеристика двигателя при работе на бензине, газе и бензо-газовой смеси. Определена зона эффективной работы ДВС на газе и бинарном топливе. Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить испытания двигателя на бензине, пропан-бутане и на бинарном топливе. Предложен программно-вычислительный комплекс обработки результатов испытаний.
Ключевые слова: двигатель, система питания, бинарное топливо, токсичность, экспериментальная установка, цикловая подача, скоростная характеристика.
Введение. Использование сжиженного нефтяного газа в качестве моторного топлива позволяет повысить топливную экономичность автотракторных двигателей, так как цена на данный вид топлива сейчас вдвое меньше, чем на бензин. Газ является более экологичным видом топлива вследствие меньшей токсичности отработавших газов.
Согласно данным [1, 2] на режиме малых нагрузок двигатель работает на пропан-бутане (газе) и бензине аналогично, т. е. разница по мощности и крутящему моменту минимальна. В режиме высоких нагрузок при работе на газе, вследствие его более низкой теплотворной способности по сравнению с бензином, мощность и крутящий момент двигателя снижаются.
Цель исследований - определение количества бензина, которое необходимо добавить в газовоздушную смесь, чтобы компенсировать потерю мощности и крутящего момента.
В ходе выполнения работы были решены следующие задачи:
- определены алгоритмы цикловых подач;
- создана экспериментальная установка, позволяющая проводить испытания двигателя на бензине, пропан-бутане и бинарном топливе;
- разработан программно-вычислительный комплекс, позволяющий в автоматическом режиме обрабатывать экспериментальные данные.
Методика исследований. Для сравнительного анализа были рассчитаны теоретические цикловые подачи топлива при ра-
боте двигателя на пропан-бутане, бензине и бинарном топливе. По результатам расчета цикловых подач построена внешняя скоростная характеристика.
Расчет цикловых расходов топлива производился по следующим формулам [3]:
8цб =| (Мех ,Рех ,С„ ,Рт„ А ^ех, Пу Л, Пм Пе Яе ,0Т ) ,(1)
где gцб - цикловой расход бензина, г/цикл.
ёцг ^б , (2)
где gцг - цикловой расход газа, г/цикл.
N. = N.
1+
/ О2
IПМ )
(3)
где Nех - текущая средняя эффективная мощность, кВт; - номинальная средняя мощность, кВт; пх - текущая частота вращения коленчатого вала, мин-1; пМ -номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1; пх - текущая частота вращения коленчатого вала, мин-1.
Рех =Мех 30Т/(ГЛПХ ) , (4)
где рех - среднее эффективное давление, МПа; т - тактность двигателя, (т=4); УЛ -рабочий объём двигателя, л.
Сп =0,092пх/30 , (5)
где Сп - скорость поршня, м/с.
Рмп =0,049+0,015Си, (6)
где Рмп - давление механических потерь, МПа.
Нива Поволжья № 3 (32) 2014 49
80
70
60
50
40
ЗО
20
10
в, к г/цикл
Е--1 ---
4
»- 4 ►---4 п, гли
ЭОО
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Рис. 1. Цикловые подачи газа (1), бензина бензина при работе
Р = Р + Р ,, (7)
г ех мп? ' V /
где р - среднее индикаторное давление, МПа.
(2), газа при работе на бинарном топливе (3), на бинарном топливе (4)
1,2-1,2 +(^'
1 пм )
(8)
где gex - текущий удельный эффективный расход топлива, г/кВт*ч.
Ъх=РеА^ех /(3600Рк), (9)
где ц¥х - коэффициент наполнения; 10 - количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг; ах - коэффициент избытка воздуха; рК - плотность воздуха, кг/м3.
П = Р 14,452^/444,18^, (10)
где п - индикаторный коэффициент полезного действия.
Пм =Рех /Р , (11)
где пм - коэффициент полезного действия механических потерь.
Пе = ППм , (11)
gе =3600/(44 Пе), (12)
= N exg е-0,001, (13)
где ОТ - часовой расход топлива, кг/ч.
=ОТ /601000000/пх /2, (14)
gчг =gчб 43,5/35. (15)
Цикловые подачи топлива (г/цикл) аппроксимированы следующими зависимостями (Я2 = 0,9939...0,9975) (рис. 1):
- цикловая подача газа
gц=10-12xn4-2x 10"8хи3+8х 10-5хп2--0,1447п+161,53; (16)
- цикловая подача газа при работе на бинарном топливе
gц= 10-12хп4 - 2х 10-8хп3+ 7х 10-5хп2-- 0,1352п + 156,68;
цикловая подача бензина
gц= 10-12хп4 - 10-8хп3+ 6х10-5хп2-
(17)
(18)
gц= 10-6хп2- 0,0042п + 3,359.
- 0,1164п + 129,97;
- цикловая подача бензина при работе на бинарном топливе
(19)
На скоростной характеристике двигателя с искровым зажиганием, работающего на разных видах топлива, можно выделить две зоны (рис. 2): первая, в которой п =
1000.2000 мин-1 и вторая, где п = 2000. 4500 мин-1.
В первой зоне необходимо применять газ, во второй - бинарное топливо [4, 5].
Рис. 2. Теоретическая внешняя скоростная характеристика двигателя: ОТ бен, От газ - часовой расход бензина и газа, кг/ч; № бен, № газ - эффективная мощность двигателя при работе на бензине и газе, кВт; Мк бен, Мк газ - крутящий момент двигателя при работе на бензине и газе, Н*м; де бен, де газ - эффективный удельный расход топлива при работе на бензине и газе, г/кВт*ч
Изменение показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала (п) были аппроксимированы уравнениями (Я2 =
0,9916____0,9999):
Мк. бен = - 8х 10-6хп2+ 0,0307хп +122,96, (20) Мк. газ = 2х 10-9хп3-2х 10-5хп2+0,0662хп +101,69, (21) №. бен = -3х10-6хп2+ 0,0287хп -11,048, (22) №. газ = -4х 10-6хп2+ 0,0292хп -10,507, (23) §г бен.=10-11хп-10-7хп3+0,0006хп-1,2441п+1341,9, (24) Яе газ = 5 х 10-9х п3-3х 10-5 х п3+0,054п-30,967. (25)
Для подтверждения теоретических исследований была разработана экспериментальная комбинированная система питания, обеспечивающая работу двигателя на бинарном топливе (патент № 73935). Система обеспечивает подачу бензина лишь в режиме пуска и прогрева двигателя. В режиме средних и максимальных нагрузок к газу добавляется бензин в количестве не более 20 %. Полнота сгорания бинарного топлива при этом возрастает, уменьшая количество токсичных веществ в отработавших газах. В режимах холостого хода и частичных нагрузок можно использовать газ, так как он обеспечивает необходимую мощность и оптимальные экологические показатели [6,7].
Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 3.
Исследовательская установка представляет собой бензиновый двигатель (литраж 2,4 л), установленный на тормозном стенде с двумя системами питания - бензиновой и газовой. В штатной топливной системе была оставлена главная дозирующая система. Диффузор и главный топливный жиклёр с переменным сечением обеспечивают точное дозирование бензина во время проведения стендовых испытаний. Бензин из топливного бака поступает на электронные весы, с помощью которых измеряется расход бензина, далее бензин проходит через фильтр очистки и поступает к топливному жиклеру [8,9].
Система питания газа состоит из газового баллона 9, через вентиль мультикла-пана баллона газ поступает к газовому клапану 8, который управляется с помощью электрической схемы. Далее газ в жидкой фазе поступает в испаритель редуктора 7, подбираемый с учётом рабочего объёма двигателя. При испарении газа резко снижается его температура, поэтому редуктор включен в систему охлаждения, откуда подаётся охлаждающая жидкость температурой 85... 95 С°. В редукторе давление газа
Нива Поволжья № 3 (32) 2014 51
Рис. 3. Схема экспериментальной установки: 1 - двигатель; 2 - датчик давления; 3 - газовая рампа; 4 - газовый счётчик; 5 - дозатор;
6 - фильтр отстойник газовый; 7 - редуктор газовый; 8 - газовый клапан; 9 - баллон газовый; 10 - газоанализатор Инфракар; 11 - бак топливный; 12 - фильтр бензиновый;
13 - весовое устройство; 14 - тормозной стенд;15 - спецдиск; 16 - датчик положения коленчатого вала; 17 - блок управления; 18 - кк1-адаптер; 19 - персональный компьютер; 20 - термопара; 21 - газоанализатор ДАГ-16; 22 - датчик детонации; 23 - датчик абсолютного давления; 24 - датчик температуры отработавших газов; 25 - датчик массового расхода воздуха; 26 - датчик положения дроссельной заслонки
снижается с 1,6 МПа до рабочего, равного 0,1 МПа. Из редуктора испаренный газ поступает в фильтр-отстойник 6, где очищается от примесей. Очищенный газ поступает в дозатор 5, после чего проходит через газовый счетчик 4 и попадает в специально изготовленную топливную рампу 3, где, распределяясь на потоки, поступает на впускные клапаны цилиндров. Рабочая смесь из штатной топливной системы через карбюратор попадает во впускную систему. В результате перемешивания воздуха, низкомолекулярных газовых углеводородов и высокомолекулярных бензиновых углеводородов создаётся бинарное топливо [10, 11].
На электротормозном стенде снимались характеристики по углу опережения зажигания рабочей смеси, по составу смеси, скоростные характеристики и нагрузочные характеристики согласно ГОСТ 14846-81.
Во время снятия характеристик на тормозном стенде определяются основные показатели двигателя: эффективная мощ-
ность, крутящий момент, часовой и удельный расходы топлива. Для оценки концентрации (СО, СО2, СН, О2) в отработавших газах используются газоанализаторы «Инфракар М» и «ДАГ-16». Газоанализатор «Инфракар М» используется при работе двигателя на бензине, а газоанализатор ДАГ-16 - при работе двигателя на газообразном топливе [12].
На установке с помощью специальных приборов и термопар замеряется температура испаряемого газа до и после редуктора. Измеряется температура бен-зо-воздушной смеси во впускном коллекторе. На экспериментальной установке были установлены дополнительные датчики и электронный блок управления 17 для снятия необходимой информации. Для определения коэффициента избытка воздуха необходимо знать действительный расход воздуха, для этого используется датчик массового расхода воздуха (ДМРВ) 25. Для определения абсолютно-
го давления во впускном коллекторе используется датчик абсолютного давления. При открытии дроссельной заслонки и изменении давления датчик абсолютного давления передает сигнал в блок управления 17, угол открытия дроссельной заслонки при этом оценивает датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) 26. На стенде дополнительно были установлены датчики температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) 22 и датчик температуры отработавших газов (ДТОГ) 24. Информация со всех датчиков поступает в электронный блок управления (ЭБУ). Программа управления хранится в специальной памяти и реализуется в микропроцессоре. В качестве периферийных компонентов исполнительные устройства и датчики представляют интерфейс между автомобилем и ЭБУ.
На персональном компьютере с помощью специального программно-вычислительного комплекса отображаются ци-
фровые значения необходимых данных [13-15].
Результаты исследований. В ходе исследований определены теоретические алгоритмы цикловых подач и построена теоретическая скоростная характеристика, позволяющая определить зоны эффективной работы ДВС на пропан-бутане (газе) и бинарном топливе. Создана экспериментальная установка для оценки технико-экономических и экологических показателей двигателя при работе на бензине, пропан-бутане и бинарном топливе. Разработан программно-вычислительный комплекс, позволяющий в автоматическом режиме обрабатывать данные.
Выводы. Анализ скоростной характеристики и графиков цикловых подач топлива показывает, что при использовании бинарного топлива мощность и крутящий момент изменяются незначительно, при этом снижается расход топлива и улучшается экологичность двигателя.
Литература
1. Гольдблат, И. И. Газобаллонные автомобили / И. И. Гольдблат, Г. И. Самоль. - М.: Маш-гиз, 1963. - 388 с.
2. Жегалин, О. И. Снижение токсичности автомобильных двигателей / О. И. Жегалин, П. Д. Лупачев. - М.: Транспорт, 1985. - 120 с.
3. Генкин, К. И. Газовые двигатели / К. И. Генкин. - М.: Машиностроение, 1977. - 196 с.
4. Васильев, Ю. Н. Транспорт на газе / Ю. Н. Васильев, А. И. Гриценко, Л. С. Золотаревский. -М.: Недра, 1992. - 342 с.
5. Жолобов, Л. А. Двухтопливная система питания ДВС / Л. А. Жолобов, С. А. Фролов // XVII Нижегородская сессия молодых учёных, технические науки: материалы XVI 1-й Региональной науч.-практич. конф. - Н. Новгород: РАНХиГС, 2012. - С. 113-116.
6. Бретшнайдер, Б. Охрана воздушного бассейна от загрязнений / Б. Бретшнайдер, И. Курфюрст. - Л.: Химия, 1989. - 288 с.
7. Кириллов, Н. Проблемы экологии автомобильного транспорта России / Н. Кириллов // Ав-тоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2004. - № 2(14). - С. 68-70.
8. Жолобов, Л. А. Применение бинарного топлива в системе питания ДВС с искровым зажиганием / Л. А. Жолобов, С. А. Фролов // Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях: Сб. докл. III Междунар. науч.-практич. конф. - М., 2011. -С. 70-72.
9. Лисин, В. А. Повышение эффективности эксплуатации газобаллонных автомобилей путем обоснования периодичности обслуживания двухтопливной системы питания: дис. ... канд. техн. наук / В. А. Лисин. - Оренбург, 2005. - 120 с.
10. Бондаренко, Е. В. Социально-экономическая и экологическая эффективность применения газового топлива на автомобильном транспорте / Е. В. Бондаренко // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2004. - № 2 (14). - С. 40-41.
11. Газобаллонные автомобили / Е. Г. Григорьев, В. И. Ерохов, А. А. Зубарев, Е. Д. Колуба-ев. - М.: Машиностроение, 1989. - 216 с.
12. Малов, Р. В. Рабочие процессы и экологические качества ДВС / Р. В Малов // Автомобильная промышленность. - 1992. - № 9. - С. 10-15.
13. Гаврилов, А. К. Газобаллонное оборудование автомобилей / А. К. Гаврилов, Л. Н. Буха-ров, Н. Г. Певнев. - М.: Недра, 1991. - 141 с.
14. Гирявец А. К. Теория управления автомобильным бензиновым двигателем/ А. К. Гиря-вец. - М.: Стройиздат, 1997. - 161 с.
15. Донченко, В. В. Пути снижения отрицательного влияния автомобильного транспорта на состояние атмосферного воздуха / В. В. Донченко, Ж. Г. Манусаджянц // Организация природоохранной деятельности на автомобильном транспорте: сборник научных трудов НИИАТ. - М., 1990. - С. 3-17.
Нива Поволжья № 3 (32) 2014 53
UDK 551.42.35
CALCULATION-EXPERIMENTAL EVALUATION OF PARAMETERS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES, RUNNING ON BINARY FUEL
L.A. Zolobov, candidate of technical sciences, professor; S.A. Frolov, post graduate
FSBEE HPT «Nizny Novgorod SAA», Russia, e-mail: jolobovlev@yandex. ru; frolsa2007@mail.ru.
The article deals with using binary fuel containing of propane-butane mixture and petrol for internal combustion engines with sparkling ignition. The cycle feed for each type of fuel have been calculated and a theoretical speed characteristic of the motor has been developed under running on petrol, gas and petroleum-gas mixture. The period of efficient running of the internal combustion engines has been identified both on gas and binary fuel. An experimental unit that enables to conduct tests of motor gasoline, propane-butane and binary fuel has been developed. A software-computer system of processing the test results has been offered.
Key words: engine, feeding system, binary fuel, toxicity, experimental plant for injection quantity, cycle feeding, velocity characteristics.
References:
1. Goldblatt, I. I. Gas powered cars / I. I. Goldblatt, G. I. Samol. - M: Mashgiz, 1963. - 388 p.
2. Zhegalin, O. I. Reduction of toxicity of automobile engines / O. I. Zhegalin, P. D. Lupachev. - M: Transport, 1985. - 120 p.
3. Genkin, K. I. Gas engines / K. I. Genkin. - M: Mashinostroyeniye, 1977. - 196 p.
4. Vasiliev, Yu. N. Transport running on gas / Yu. N. Vasiliev, A. I. Gritsenko, L.S. Zolotarevsky. -M: Nedra, 1992. - 342 p.
5. Zholobov, L. A. Dual-fuel system power engine / L. A. Zholobov, S. A. Frolov // XVII Nizhny Novgorod session of young scientists, technical sciences: materials of the XVII-th Regional scientific-practical conference. - Nizny Novgorod: the Russian public service academy, 2012. - P. 113-116.
6. Bretschneider, B. Protection of air from pollution / N. Bretschneider, I. Kurfurst. - Leningrad: Khimiya, 1989. - 288 p.
7. Kirillov, N. Environmental problems of road transport of Russia / N. Kirillov // Gas-filling complex + Alternative fuel. - 2004. - № 2(14). - P. 68-70.
8. Zholobov, L. A. Application of binary fuel in the power supply system of internal combustion engine with sparkling ignition / L. A. Zholobov, S. A. Frolov // Scientific-technical creativity of youth is the way to the society based on knowledge: Collection of reports of the III International scientific-practical conference. - M., 2011. - P. 70-72.
9. Lisin, V. A. Raising the efficiency of exploitation of gas automobiles by the substantiation of the periodicity of maintenance of dual-fuel feed system: dis. ... cand. of the techn. sciences / V. A. Lisin. -Orenburg, 2005. - 120 p.
10. Bondarenko, E. V. Socio-economic and ecological efficiency of using gas fuel in road transport / E. V. Bondarenko // Gas-filling complex + alternative fuel. - 2004. - № 2 (14). - P. 40-41.
11. Gas powered cars / E. G. Grigor'ev, V. I. Yerokhov, A. A. Zubarev, E. D. Kolubayev. - M: Mashinostroenie, 1989. - 216 p.
12. Malov, R. V. Working processes and environmental quality of ICE / R.V. Malov // Automotive industry. - 1992. - № 9. - P. 10-15.
13. Gavrilov, A. K. Gas-cylinder equipment of automobiles / A. K. Gavrilov, L. N. Bukharov, N.G., Pevnev. - M: Nedra, 1991. - 141 p.
14. Giryavets A. K. Theory of control of automobile petrol engine / A. K. Giryavets. - M: Stroiizdat, 1997. - 161 p.
15. Donchenko, V.V. Ways of reducing the negative impact of road transport on the state of atmospheric air / V.V. Donchenko, J. G. Manusadjants // Organization of environmental-protecting activities in road transport: collection of scientific papers of SRIAT. 1990. - P. 3-17.
