CC BY
14
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ВЫБОР ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ
АВТОМОБИЛЯ С БИТОПЛИВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
1 2 Голдобин А.А. , Филиппов А.А.
Email: [email protected]
1Голдобин Антон Алексеевич - магистрант, направление подготовки: 23.04.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов; 2Филиппов Андрей Александрович - кандидат технических наук, доцент, кафедра технической эксплуатации и ремонта автомобилей, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет, г. Оренбург
Аннотация: приведена актуальность использования природного газа как вида моторного топлива. Были собраны данные об эксплуатации автомобиля с битопливным двигателем. Изучена принципиальная схема установки оборудования для метана, на примере автомобиля LADA Vesta CNG. Собраны данные о технических рекомендациях завода - изготовителя. Проведен анализ параметров, которые не устраивают автовладельцев. Указаны особенности работы системы зажигания при работе на природном газе. Были приведены результаты исследования изменения тягово-динамических свойств автомобиля при изменении характеристик системы зажигания, проведен анализ полученных данных и сделаны выводы. Ключевые слова: природный газ, система зажигания автомобиля с битопливным двигателем, свечи зажигания, угол опережения зажигания.
SELECTION OF CHARACTERISTICS OF THE IGNITION SYSTEM OF A CAR WITH A BI-FUEL ENGINE Goldobin AA.1, Filippov AA.2
1Goldobin Anton Alexeyevich - Master Student, TRAINING DIRECTION: 23.04.03 OPERATION OF TRANSPORT-TECHNOLOGICAL MACHINES AND COMPLEXES; 2Filippov Andrey Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, TECHNICAL MAINTENANCE AND REPAIR OF AUTOMOBILES, FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER PROFESSIONAL EDUCATION ORENBURG STATE UNIVERSITY, ORENBURG
Abstract: the relevance of using natural gas as a type of motor fuel is given. Data was collected on the operation of a car with a dual-fuel engine. Studied is a schematic diagram of the installation of equipment for methane, using the example of a LADA Vesta CNG car. The data on the technical recommendations of the manufacturer are collected. The analysis ofparameters that do not suit car owners. The features of the ignition system when working on natural gas are indicated. The results of a study of changes in the traction and dynamic properties of a car with a change in the characteristics of the ignition system were presented, an analysis of the data was made, and conclusions were drawn. Keywords: natural gas, car ignition system with a bi-fuel engine, spark plugs, ignition timing.
Газ является самой ближайшей альтернативой бензиновому и дизельному топливу в России. Это вид топлива, для которого решены в России технические и экологические проблемы использования.
Главной проблемой перевода автомобильного транспорта на газовый вид топлива является необходимость обеспечения соответствующей инфраструктуры: хранилищ, АГЗС и АГНКС, заводов. Нужно также учитывать и психологию потребителя, с предубеждением относящегося к непривычному газообразному топливу.
Количество автомобилей, использующих в качестве топлива компримированный природный газ (КПГ), непрерывно растет: с 2012 по 2019 годы средний темп роста составил 26%, это гораздо выше темпа роста автомобилей, использующих в качестве топлива сжиженный углеводородный газ (СУГ).
Уже сейчас можно дать положительный прогноз развития природного газа как автомобильного топлива. Переоборудование транспортных средств преимущественно получило распространение в развивающихся странах. Однако в развитых странах рост автомобильного парка на КПГ происходит по пути заводского производства. Серийные автомобили, работающие на КПГ, уже выпускают компании: БМВ, Вольво, Даймлер, Лада, Крайслер, ГАЗ, Ивеко, МАН, Опель, Пежо, Рено, Скания, Тойота, ФИАТ, Форд, КАМАЗ и др.
В июле 2003 года Рабочая группа по газу и Комитет по внутреннему транспорту ЕЭК ООН опубликовали доклад «Голубой коридор» - использование природного газа в качестве моторного топлива в международном автомобильном пассажирском и грузовом сообщении».
Специальная международная рабочая группа, подготовившая доклад, пришла к следующим выводам:
- КПГ в отличие от других видов моторного топлива, которые присутствуют на рынке, является более дешевым и безопасным по экономическим и физико-химическим свойствам;
- снижается зависимость транспортной отрасли от нефтяных продуктов и повышается топливная устойчивость;
- технологии использования КПГ приближают нас к применению водорода в гибридных системах на основе топливных элементов;
- для масштабной работы КПГ в автомобильной отрасли сложились все научно-технические, а также экономические предпосылки;
- сроки окупаемости установки на автотранспорт и строительства АГНКС составляют не более 5 лет.
Исходя из условий токсичности и электромагнитной совместимости для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) происходит выбор свечей зажигания. Однако существуют и другие параметры, такие как крутящий момент двигателя, мощность и др., но они не являются первоочередными, а определяют потребительские качества транспортного средства. Улучшение этих качеств происходит путем оптимизации угла опережения зажигания на каждом режиме работы двигателя внутреннего сгорания. Для ДВС с электронной системой управления это можно сделать только в условиях завода изготовителя.
Для правильного сравнения характеристик ДВС, при переходе на КПГ, необходимо обеспечить одинаковую воздушнотопливную смесь, например для норм Евро-4, состав должен быть равным 1 с отклонениями ±1% почти на каждом режиме его работы. Поэтому для правильной работы ДВС на КПГ нужно отредактировать определенные таблицы топливоподачи. Для старых ДВС, чтобы исключить прогар клапанов, калильное зажигание и повышение температуры догорания, настройку производили на обедненной воздушногазовой смеси, где = 1,05.. .1,2.
Для определенного ДВС и вида топлива можно определить угол опережения зажигания (УОЗ) следующими способами:
1. При определённых условиях на всех режимах работы ДВС длительными испытаниями на стенде по определению УОЗ. Такими условиями могут быть максимальные параметры крутящего момента и мощности двигателя или наименьший расход топлива, при отсутствии детонации. Как правило, определяются оба условия и используются в зависимости от динамики разгона, манеры вождения водителя, а также нагрузки автомобиля.
2. Для первоначальной настройки углы могут быть определены с аналогичного ДВС, но затем откорректированы в процессе доводки.
3. Расчетным путем определяют УОЗ в том случае, если известна скорость горения топливовоздушной смеси при разных режимах работы ДВС. Это достаточно сложный способ потому, что нет достаточных данных по скорости горения в разных условиях.
4. С помощью перерасчета УОЗ, который получили при испытаниях, с разных видов топлива в зависимости от скорости их горения при разных составах смеси, температуре и давлении. Дальнейшая корректировка происходит при доводке и с помощью электропроводности пламени.
Специальные дополнительные испытания проводятся для каждого из этих вариантов. Доводочные работы для одного из видов топлива позволяет сократить использование первого пункта для одного вида топлива, что позволяет перейти сразу к четвертому.
Также на процесс горения топливной смеси влияет время накопления энергии в катушке зажигания, которая может отличаться в зависимости от типа топлива. Если на газовом виде топлива увеличить УОЗ, но момент начала накопления энергии неизменен по углу положения коленчатого вала двигателя, то уменьшается время накопления энергии в катушке зажигания. При работе на газовом топливе момент начала зажигания наступает раньше, чем при работе на бензине. Для сохранения или увеличения времени накопления энергии для повышения энергии разряда при работе на газовом топливе необходимо раньше начинать накопление энергии в катушке зажигания.
Как увеличивается время накопления энергии определяют так же, как и в первом приближении для УОЗ. Для воспламенения газовых видов топлива нужно накопить большую энергию разряда на свечах зажигания, чем для смеси воздуха с парами бензина.
От химического состава топлива и от содержания молекул водорода, который в свою очередь увеличивает количество активных центров при старте процесса окисления, напрямую зависит скорость горения воздушно-топливной смеси. Если химический состав топлива одинаков, то на скорость горения будет влиять размер молекул. При меньшем размере молекул требуется меньше энергии для ее разложения с последующим окислением, а также становится проще доступ молекул кислорода и радикалов.
Скорость горения зависит еще и от качества приготовленной смеси - степени турбулизации потока в камере сгорания, однородности смеси и других параметров.
Давление в конце процесса сжатия можно принимать одинаковым для бензино-воздушной смеси и для газовоздушной смеси, если у двигателей одинаковая степень сжатия и степень наполнения цилиндров, так как объем смеси, поступившей в цилиндр, является примерно одинаковым. Но присутствуют отличия по объему топлива и воздуха.
Калильное число свечей зажигания подбирается исходя из температуры воспламенения. Для КПГ температура воспламенения гораздо выше и калильное число должно быть выше, а значит свечи будут более горячими. Такие свечи подойдут для двухтопливных ДВС без изменения степени сжатия при переключении с бензина на газ, однако они должны позволять работать ДВС на каждом из видов используемого топлива.
У КПГ детонационное число выше, чем у бензина. Для КПГ примерно 120. Соответственно нужно меньшее количество энергии для окисления топлива при большей степени сжатия КПГ, так как получится более высокая температура перед воспламенением. Суммарное количество теплоты от высокой степени сжатия и выделившейся теплоты при сгорании метана будет выше, чем для паров бензина, и
соответственно необходимо будет выбрать более холодные свечи, для исключения вероятности калильного зажигания.
Свеча зажигания предназначена для подвода энергии к воздушно-топливной смеси для ее воспламенения. На воспламенение смеси расходуется в среднем от 3 до 10% энергии, накопленной в обмотке катушки зажигания. Однако остатки энергии расходуются на рассеивание в коротком замыкании на массу автомобиля через искровой разряд.
Разница в свечах зажигания и заключается в том, чтобы как можно эффективней использовать энергию искры на ионизацию молекул и её преобразование в тепловую энергию в максимальном объёме смеси около электродов. Это влияет на начальную температуру воздушно-топливной смеси, соответственно изменяется и скорость горения. Кроме этого, чем больше ионизация молекул топлива и окислителя около электродов свечи зажигания, тем выше уровень давления в ударной волне, создаваемой искрой, и тем выше скорость её передвижения от электродов свечи к стенкам камеры сгорания. Это приводит к большей температуре смеси во фронте пламени. Так как бензин состоит из более тяжёлых фракций углеводородов, то при его ионизации в искровом промежутке образуется большее количество молей ионизированных атомов углерода, водорода и радикалов (СО, СН, ОН и т.д.). Большее количество молей увеличивает суммарное давление в ударной волне, т.к. оно складывается из парциальных давлений составляющих молей атомов и радикалов. А при разложении метана на ионизированные атомы и радикалы получаем меньшее количество молей С,
H, СН. В таком случае значение давления в ударной волне меньше, чем для бензина. Это означает, что увеличение температуры будет не большим.
Большее расстояние искрового промежутка и большее число искровых дуг, дает большее число ионов при разложении молекул большее количество теплоты воздушно-топливной смеси для преодоления энергии активации и старта процесса окисления в объёме искрового промежутка. На суммарную эффективность свечей зажигания оказывают влияние именно эти факторы, которые также влияют на различия свечей даже для одного вида топлива.
Для духтопливных и однотопливных ДВС, работающих на КПГ, необходимо выбирать свечи зажигания исходя из законодательных норм по токсичности.
Более горячие свечи нужно выбирать для работы ДВС на стехиометрическом составе смеси. Более горячие свечи используются для КПГ.
Для прогретого до рабочей температуры ДВС разница в калильном числе свечей зажигания для бензина и газовых углеводородных видов топлив снижается по сравнению с холодным двигателем.
При увеличении степени сжатия при переходе с бензина на газ разница в калильном числе свечей зажигания для этих топлив снижается.
Список литературы /References
I. Бондаренко Е. Оценка использования некоторых видов моторного топлива по критериям экологической безопасности / Е. Бондаренко, А. Филиппов // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. Международный научно-технический журнал, 2004. № 3 (15).
2. Гирявец А.К. Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей путём научного обоснования и создания систем управления рабочими процессами двигателей с искровым зажиганием: автореф. дис. в форме научного доклада д-ра. техн. наук: 05.04.02, 05.20.03 / Гирявец Александр Константинович. СПб., Пушкин, 1999.
3. Ерохов В.И. Математическая модель и алгоритм управления газовых ДВС / В.И. Ерохов, Е.Г. Мурачёв, А.М. Ревонченков // Материалы Международного научного симпозиума «Автотракторостроение-2009» 25-26 марта 2009. -М.: МГТУ «МАМИ», 2009. Книга 2.
4. Ерохов В.И. Физико-химические и моторные свойства газового топлива / В.И. Ерохов // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. Международный научно-технический журнал, 2003. № 5 (11).
5. Автогазовая система KOLTEC-NECAM / Пер. с англ. М.: ООО «Метринч», 2002.
6. ГОСТ 27577 Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск, 2000. 7 с. 6. Аринин, И.Н. Техническая эксплуатация автомобилей / И.Н. Аринин, С.И. Коновалов, Ю.В. Баженов. Изд. 2-е. Ростов н/Д: Феникс, 2007.
