Улучшение топливных и экологических показателей двигателя с искровым зажиганием путем перевода на альтернативное топливо тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Шолин, Евгений Олегович

• Шолин, Евгений Олегович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шолин, Евгений Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.?

1.1. Улучшения топливных и экологических показателей двигателя.

1.2. Газ как альтернативное топливо.

1.3. Особенности работы двигателя с предкамерой.

1.4. Анализ газовых систем питания.

1.5. Особенности рабочих процессов при использовании сжиженного нефтяного газа.

1.6. Анализ экологических и экономических параметров.

Задачи исследований.

2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ ПРОПАН-БУТАНОВЫХ СМЕСЕЙ В АВТОМОБИЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДКАМЕРЫ.

2.1. Математическая модель оптимизации конструктивных параметров предкамеры автомобильного двигателя с искровым зажиганием.

2.2. Тепловой расчет автомобильного двигателя с модернизированной системой питания при работе на пропан-бутановых смесях.

2.3. Расчетно-теоретическое обоснование конструктивных параметров модернизированной системой питания автомобильного двигателя с искровым зажиганием.

2.4 Метод интенсификации процесса сгорания пропан-бутановых смесей в автомобильном двигателе с искровым зажиганием за счет применения предкамеры.

Выводы.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЯЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.

3.1 Общая методика исследований.

3.2 Методика модернизации системы питания автомобильного двигателя с искровым зажиганием.

3.3 Методика определения индикаторных показателей модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием.

3.4 Методика экспериментальных исследований топливных и экологических показателей модернизированного автомобильного т двигателя с искровым зажиганием при работе на пропан-бутановых смесях.

3.5 Экспериментальная установка и применяемое оборудование.

3.6 Обработка результатов испытаний. Погрешность измерений.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО-УЛУЧШЕНИЮ ТОПЛИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ ПУТЕМ ПЕРЕВОДА НА АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО.

4.1 Модернизация системы питания автомобильного двигателя с искровым зажиганинем.

4.2 Результаты экспериментальных исследований оптимизированных конструктивных параметров предкамеры.

4.2.1 Результаты экспериментальных исследований индикаторных показателей модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием.

4.2.2 Результаты экспериментальных исследований топливноэкономических показателей модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием при работе на пропан-бутановых а смесях.

4.2.3 Результаты экспериментальных исследований по улучшению экологических показателей модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием при работе на пропан-бутановых смесях.

Выводы.

5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ТЕХНИКО

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение топливных и экологических показателей двигателя с искровым зажиганием путем перевода на альтернативное топливо»

Современное двигателестроение является основной энергетической базой транспортных установок и сталкивается с двумя взаимосвязанными проблемами - истощением нефтяных запасов и, загрязнением воздушного бассейна планеты из-за токсичных выбросов с отработавшими газами (ОГ). Использование альтернативных топлив в той или иной мере позволяет решить эти проблемы.

Применение газового топлива позволяет не только сократить расход нефти на производство моторных топлив, но и существенно снизить содержание токсичных веществ в отработавших газах автомобилей. Сравнение традиционного топлива (бензина) с природным газом (пропан-бутановая смесь) по содержанию токсичных веществ в ОГ показывает, что интегральная экологическая опасность (ИЭО) для бензина почти в 100 раз выше, чем для газового топлива. При этом основной вклад в ИЭО вносит содержание бенз-а-пирена, но даже без этого фактора ИЭО для бензина в 2 . 3 раза выше ИЭО газовых топлив [3].

Перевод любого двигателя на газовое топливо обеспечит выполнение требований ЕВРО - 2 по содержанию токсичных веществ в ОГ. Доказана принципиальная возможность создания автомобильного транспорта, работающего на газовом топливе с низкой, ультранизкой и нулевой эмиссией токсичных веществ с ОГ [3].

По мнению Мирового совета по энергии до 2020 г. природный газ представляется как самое технологически подготовленное альтернативное топливо для ДВС, требующее минимальных затрат на его переоборудование с жидкого топлива на газообразное. При этом мощность двигателей может быть сохранена, экономичность увеличена, а содержание токсичных составляющих в ОГ - уменьшено до норм Евро-3 [3].

Улучшение экологических показателей (решения задачи по выполнению норм ЕЭК ООН по токсичности Euro 3 и Euro 4) при сгорании бензина в ДВС с искровым зажиганием в настоящее время не возможно без применения нейтрализаторов ОГ [26, 35]. Как показывают исследования[14, 54] снижение токсичности возможно применением альтернативного вида топлива [2], что требует дальнейшего исследования.

Одним из направлений снижения содержания вредных веществ в отработавших газах и улучшения топливно-экономических показателей автомобильных двигателей является дальнейшее совершенствование рабочего процесса путем применения альтернативного топлива и модернизации системы питания двигателя. Цель работы

Целью данной работы является улучшение топливных и экологических показателей работы автомобильного двигателя с искровым зажиганием путем интенсификации процесса сгорания альтернативного топлива. Научная новизна работы

1. Метод интенсификации процесса сгорания ПБС в автомобильном двигателе с искровым зажиганием за счет применения предкамеры.

2. Комплекс математических моделей, позволяющих оценить влияние конструктивных параметров предкамеры автомобильного двигателя на его топливные и экологические показатели при работе на ПБС.

Практическая ценность работы:

1. Система питания модернизированного автомобильного двигателя, обеспечивающая снижение энергии воспламенения ПБС в предкамере от искрового зажигания. ч

2. Комплекс конструктивных решений, позволяющих оценить влияние параметров предкамеры на топливные и экологические показатели работы автомобильного двигателя на ПБС.

3. Сравнительные индикаторные показатели автомобильного двигателя с искровым зажиганием при работе на ПБС.

4. Рекомендации по улучшению основных показателей работы автомобильного двигателя с использованием ПБС.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Шолин, Евгений Олегович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Выполненный анализ состояния вопроса по теме диссертации показывает, что нефтяной газ, как самое технологически подготовленное альтернативное, позволяет экономить нефтяное топливо и улучшать экологические показатели при использовании в двигателях с минимальными затратами на его переоборудование с жидкого топлива на газообразное.

2. Разработан метод интенсификации процесса сгорания ИБС в автомобильном двигателе с искровым зажиганием за счет применения предкамеры.

3. Разработан комплекс математических моделей, позволивший определить конструктивные параметры предкамеры автомобильного двигателя (с!к= 4 мм и Ук=2000 мм3); минимальную скорость (Скх =30-36 м/с) газового потока при наполнении предкамеры из цилиндра двигателя; оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в предкамере (а0 = 0,59 - 0,85) и температуру газов в предкамере Тк = 600 - 605 К.

4. Разработана модернизированная система питания автомобильного двигателя, обеспечивающая минимальную энергию воспламенения ПБС в предкамере от искрового зажигания. Экспериментально установлено, что критерий оптимизации по энергии воспламенения составил 40 - 45 мДж.

5. Разработана экспериментальная установка с модернизированной системой питания. В модернизированный двигатель установлена предкамера с запальной свечей и системой индивидуального питания ПБС с обратным клапаном.

6. Реализован комплекс конструктивных решений, позволяющих определить, что увеличение мощности модернизированного двигателя достигается при оптимальных параметрах предкамеры (с!к = 4 мм и Ук =2000 мм3). При этом модернизированный двигатель обеспечивал надёжный пуск, воспламенение и сгорание рабочей смеси в цилиндре, и устойчивую работу на обедненных смесях при а = 1,7 - 1,8, в то время как базовый двигатель - при а ~ 1,35.

7. Анализ индикаторных диаграмм модернизированного автомобильного двигателя с искровым зажиганием при работе на ПБС свидетельствуют об интенсификации процесса сгорания, что подтверждается увеличением максимального давления цикла на 0,2 МПа и смещением Рг в сторону ВМТ. Максимальная температура цикла составила 2900 К. При этом топливная экономичность работы модернизированного двигателя увеличивается на 4%.

8. Произведенные экспериментальные исследования подтвердили адекватность математических моделей по определению конструктивных параметров предкамеры.

9. Разработанные технические рекомендации по улучшению основных показателей работы автомобильного двигателя с использованием ПБС позволили обеспечить надёжный пуск, устойчивую и экономичную работу двигателя на обедненных смесях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шолин, Евгений Олегович, 2006 год

1. Автомобильные двигатели с турбонаддувом/ Н.С. Ханин, Э.В. Аболтин, Б.Ф. Ляшцев и др. -М.: Машиностроение, 1991. - 336 с.

2. Автомобильные топлива: Химмотология. Эксплуатационные свойства. Ассортимент/А.С. Сафонов, А.И. Ушаков, И.В. Чечкенев. СПб.: НПИКЦ, 2002. - 264 с.

3. Альтернативные и моторные топлива. Производство, применение, перспективы газового топлива. / Мир нефтепродуктов, №4, 2006. 42-46 с.

4. Ахметов Л.А., Ерохов В.И., Багдасаров A.M. Экологические аспекты автотранспорта. -Ташкент: Мехнат, 1988. -176 с.

5. Боксерман Ю.И., Мкртычан Я.С., Чириков К.Ю. Перевод транспорта на газовое топливо. -М.: Недра, 1988. 220 с.

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

7. Валлер Н.П. Исследование влияния работы системы топливоподачи на переходные процессы быстроходного ДВС. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук:05.04.02. -М., 1980. -20 с

8. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение , 1977. - 392 с.

9. Вахошин Л.И., Маркова И.В., Тарнопольская Э.Б. Бензиновые автомобильные ДВС с послойным распределением топлива в заряде. -М.: ВИНИТИ. 1977.-161 с.

10. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки экспериментальных данных. М.: Колос, 1973.- 199 с.

11. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. Скорость сгорания и рабочий цикл двигателя. Москва Свердловск: Машгиз , 1962. - 272 с.

12. Вишняков С.И. Теория карбюрации и расчет карбюраторов. М., 1974. -227 с.

13. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение , - 1974. - 277 с.

14. Гайнуллин Ф. Г., Гриценко А. И., и др. Природный газ как моторное топливо на транспорте. М.: Недра, 1986. - 255 с.

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

16. Генкин К.И., Анализ и расчет влияния сгорания на рабочий процесс в двигателе с искровым зажиганием. Поршневые ДВС. М.: АН СССР, 1956.

17. Гитлин H.H., Николаенко A.B. О возможности форсирования и повышения экономичности двигателя ГАЗ 21 при впрыске топлива и факельном зажигании.// Записки Ленинградского сельскохозяйственного института. -1962.-№89-С. 191-197

18. Горшков С.А. Исследование и оптимизация смесителя для двигателя газобаллонного автомобиля. Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. на-ук:05.04.02. Горький, 1980. - 226 с.

19. ГОСТ 17.0.0.01-76. Система стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов. Основные положения.

20. ГОСТ 17.2.1.02-76. Охрана природы. Атмосфера. Выбросы двигателей автомобилей, тракторов, самоходных сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин. Термины и определения.

21. ГОСТ 17.2.2.03-87. Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Требования безопасности.

22. ГОСТ 17.2.6.02-85. Охрана природы. Атмосфера. Газоанализаторы для контроля загрязнения атмосферы. Общие технические требования.

23. Григорьев М.А., Колубаев Б.Д., Ерохов В.И., Зубарев A.A. Газобаллонные автомобили.-М.: Машиностроение.- 1989.216 с.

24. Гуреев A.A. Камфер Г.М. Испаряемость топлив для поршневых двигателей. М.: Химия, 1982. - 264 с.

25. Двигатели внутреннего сгорания. Система поршневых и комбенирован-ных двигателей. 2-е изд. A.C. Орлин, В.П. Алексеев, Д.Н. Вырубов и др. М.: Машиностроение, 1973.-480 с.

26. Денисов В.Н., Рогалев В.А. Проблемы экологизации автомобильного транспорта. 2-ое. изд. - СПб.: МАНЭБ, 2004. - 312 с.

27. Дьяченко Н.Х. Теория двигателей внутреннего сгорания. M.-JL: Машиностроение, 1954,460 с.

28. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеродным топливам и их продуктам сгорания, M.-JL, Госэнергоиздат, 1962, 288 с.

29. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний: ГОСТ 1484681. Введен 01.01.82.-М., 1984-55 с.

30. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Д.Н. Вырубов, H.A. Иващенко, В.И. Ивин и др.; под ред. A.C. Орлина, М.Г. Круглова. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983.-372 с.

31. Зельднер Г.A. Microsoft BASIC Professional Development System 7.1 M., ABF, 1996, 432 c.

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

33. Ерохов В.И., Лобанов В.А. Газовая аппаратура нового поколения двигателей автомобилей. М.: ВНИПИ, 1996. - 150 с.

34. Жегалин О.И., Китросский В.И., Панчишный В.И. и др. Каталитические нейтрализаторы транспортных двигателей. М.: Машиностроение , 1979. -80 с.

35. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей/ М.: Транспорт, 1985. 120 с.

36. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.

37. Зельдович Я.Б., Садовников П.Н., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. -М Л.: АН СССР, 1947. - 147 с.

38. Золотницкий В.А. Новые газотопливные системы автомобилей/ Под науч. ред. С.Н. Погребного. М.: Издательский Дом «Третий Рим», 2003. - 64 с.

39. Иванов A.M. Транспортные средства и проблемы экологии (аналитический обзор)// Приводная техника. СПб. 2000. № 2, с.22-25.

40. Иссерлин A.C. Основы сжигания газового топлива. Справочное руководство. Л.: Недра, (Ленингр. отд-ние), 1980.

41. Картошкин А.П., Сапожников C.B., Шолин Е.О. Комплекс для испытания альтернативных топлив. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей / Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. СПб.: СПбГАУ, 2006. - С.354-357.

42. Китанин В.Ф. Износ и его влияние на эффективные и экономические показатели автотракторных двигателей в условиях эксплуатации. Пенза: ГП Полиграфист, 1994. - 60 с.

43. Коллеров Л.К. Газовые двигатели поршневого типа. // 2-е изд. перераб. Л.: Машиностроение, 1968-248 с.

44. Ливенцев Ф.Л. Высокотемпературное охлаждение поршневых двигателей внутреннего сгорания. М.-Л.: Машиностроение, 1964. 204 с.

45. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. М.: Агропромиздат, 1994. - 224с.

46. Маркович Э.С. Курс высшей математики с элементами теории вероятностей и математической статистики. Учеб. пособие для вузов. М., "Высшая школа", 1972,480 с.

47. Махалдиани В.В., Эджибия И.Ф., A.M. Леонидзе. Двигатели внутреннего сгорания с автоматическим регулированием степени сжатия. Тбилиси: «Мецниереба», 1973. 270 с.

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

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

50. Морозов К.А., Черняк Б.Я., Синельников Н.И. Особенности рабочих процессов высокооборотных карбюраторных двигателей. М.: Машиностроение, 1971. - 100 с.

51. Мужиливский П.М., Гриценко А.И., Васильев Ю.Н., Золотаревский JI.C. Природный газ в качестве моторного топлива // Газовая промышленность. 1981. № 12. С.47-49

52. Николаенко A.B. Исследование рабочего процесса автомобильного двигателя с факельным зажиганием при карбюраторном смесеобразовании и впрыске легкого топлива: Дис. канд. техн. наук. JI., 1961, 156 с.

53. Николаенко A.B. Улучшение топливно-энергетических и экологических показателей автотракторных двигателей. JI.: ЛСХИ, 1990. - 46 с.

54. Николаенко A.B., Шкрабак B.C. Энергетические установки и машины. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. пособие. СПб.: СПбГАУ, 2004. -438 с.

55. 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.

56. Николаенко A.B., Шолин Е.О. Разработка модели расчета оптимальных параметров форкамеры газового двигателя. // Двигателестроение. СПб. -2006.-№3.-С. 10-11.

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

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

59. 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.

60. Петриченко P.M. Физические основы внутри цилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания. Учеб. пособие. Л.: Ленингр. ун-тет,1983. - 244 с.

61. Покровский Г.П. Электроника в системах подачи топлива автомобильных двигателей.-М.: Машиностроение, 1990. 176 с.

62. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия. 1978. 704 с.

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

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

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

66. Селиванов Н.И., Кирин B.C. Испытание и регулирование автотракторных двигателей: Учеб. пособ. Красноярск: Изд. Красноярского гос. аграр. унта, 1997. 150 с.

67. Соколик A.C., 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.

68. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды: Пер. с пол. -М.: Транспорт, 1979. 198 с.

69. Gorbunov V.V., Patrachaltsev N.N. Toxicidad de los Motores de Combustion Interna. Arequipa - Peru: UNSA, 1994. - 202 c.

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

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

72. Liss W.E., Thrasher W. H., "Natural Gas as a Stationary and Vehicular Fuel," SAE Paper 912364.

73. Gebert К., 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.

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

75. Miyoshi N., Matsumoto S., Katoh K., Tanaka T., Harada J., Takahashi N., Yokota

76. K., Sugiura M., Kasahara K., "Development of a new Concept Three-Way Catalystfor Automotive Lean-Burn Engines," SAE Paper 950809.

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

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

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

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