Улучшение основных показателей газовой модификации дизеля путем совершенствования рабочего процесса

Одной из основных задач проектирования современного автомобиля является достижение экологической чистоты двигателя. Предельно допустимые выбросы вредных веществ для европейских стран ужесточаются каждые пять лет.

В нашей стране эксплуатируется огромный парк автомобилей, не удовлетворяющих требуемым нормам токсичности. Данное положение заставляет искать новые технические решения, позволяющие снизить выбросы вредных веществ без существенного изменения конструкции двигателя. Применение газовых топлив является одним из путей решения данной проблемы.

В настоящее время все большее распространение получают в качестве моторных топлив сжиженные углеводородные (нефтяные) газы (СУГ) и природный газ. Контроль выбросов вредных веществ для автомобилей, оснащенных двигателями с принудительным зажиганием, выполняется в соответствие с ГОСТ Р 41.8399, ГОСТ Р 52 033;2003 и ГОСТ 17.2.02.06−99.

Наиболее перспективным альтернативным топливом для ДВС, как с экономической, так и с экологической точек зрения является природный газ. При этом одним из важнейших направлений является использование газа в качестве моторного топлива для ДВС в целях замены жидких топлив (дизельных и бензиновых), т. е. для расширения ресурсов топлив в стране и для снижения токсичных выбросов автомобильным транспортом и другими установками с ДВС.

Проведя сравнительную оценку влияния различных топлив на экологические показатели двигателей с принудительным воспламенением относительно традиционного топлива — бензина по методикам правил 83.01 ЕЭК ООН и 83.03 ЕЭК ООН можно сделать следующие выводы:

1. Применение КПГ имеет большие резервы по снижению токсичности, чем стандартные виды топлив.

2. Применение КПГ и СУГ в качестве моторного топлива для автотранспорта обеспечивает снижение токсичности, однако не позволяет отказаться от дорогостоящих систем впрыска топлива и удовлетворять действующим нормам ГОСТ Р 41.83−99 (правила 83.03, ЕЭК ООН).

3. Использование антитоксичных систем является обязательным для достижения перспективных норм токсичности.

На природном газе могут работать как бензиновый и дизель, так и другие виды двигателей. Но накопленный опыт в соответствии с политикой отечественного рынка двигателестроения распространяется только на двигатели, конвертируемые для работы на природном газе. Разработанные газовые модификации на базе стандартных двигателей, обуславливают простату перевода двигателя с одного топлива на другое при минимальных изменениях конструкции.

Для получения адекватного экономического эффекта от конвертации дизеля на газовый рабочий процесс при этом необходимо поддерживать эффективный КПД на заданном уровне. Реализация такой задачи возможна в процессе исследовательской работы по оптимизации рабочего процесса газовой модификации дизеля (ГМД). Несомненно, что такая оптимизация нуждается в теоретическом обосновании с использованием методов математического моделирования и должна базироваться на понимании процессов происходящих в камере сгорания ГМД, с прогнозированием технических мероприятий с экспериментальной оценкой их эффективности. Так, необходимо представлять суть физических и химических процессов, инициирующих и сопровождающих сгорание топлива при газовом рабочем процессе.

Цель исследования заключается в создании физически обоснованной математической модели рабочего процесса и разработке на ее основе направлений совершенствования рабочего процесса ГМД. Реализация поставленных целей, в результате анализа состояния теории газовой модификации дизеля на данном этапе, потребовала решения следующих задач:

1. Проведения углубленных экспериментальных исследований с целью выявления влияния различных факторов на параметры рабочего процесса ГМД.

2. Проведения теоретических исследований для установления рода зависимостей от основных параметров, определяющих скорость распространения фронта пламени в газовоздушных смесях.

3. Усовершенствования системы регулирования подачи газа и воздуха для ГМД.

4. Получения зависимостей, позволяющих адекватно описывать характеристику тепловыделения.

5. Создания комплекса модернизированных математических моделей и алгоритма расчета рабочего процесса ГМД, и апробирования программы расчета на ПЭВМ.

В диссертационной работе проведен анализ особенностей рабочего процесса ГМД, вариантов его практической реализации, а также модернизированных моделей и методик расчета динамики тепловыделения двигателя. В результате анализа определены основные направления их развития. Газовый двигатель обладает рядом преимуществ по сравнению с дизелем, в том числе меньшим уровнем шума, большим моторесурсом, отсутствие нагара на поршнях и свечах, а также в отработавших газах, отсутствие детонации (октановое число газа 105−115), более длительный срок моторного масла (в 1,5,-2 раза), лучшими экологическими показателями, и наконец, топливной экономичностью.

Многообразие схем и конструкций электронного управления подачей топлива в ГМД свидетельствуют о сложной взаимосвязи между факторами, определяющими эффективность процесса, и отсутствии единого подхода к решению проблемы. Противоречивость данных, приводимых различными авторами о рабочем процессе и протекании сгорания в газовом двигателе, во многом определяется тем, что в рассмотренных случаях, скорее всего использовались различные виды газовых топлив, а также способы регулирования и виды газовой аппаратуры. Это не позволяет выработать конкретные рекомендации по оптимизации рабочего процесса с применением электронной системы управления при конвертации дизельных двигателей для работы на природном газе. Обзор математических моделей газового рабочего процесса показал, что работы в этом направлении ведутся с недостаточной интенсивностью, что связано со сложностью описания процесса. Сформулированы задачи исследования (гл. 1).

Во второй главе предложен комплекс модернизированных моделей и методик расчета рабочего процесса газовой модификации дизеля. Представлена модель физического состояния рабочего тела, а также модернизированная модель процесса газообмена при регулируемом теплообмене на впуске газовой модификации дизеля. Рассмотрено влияние различных физических факторов, определяющих сгорание в цилиндре двигателя. Выбрана формула для описания динамики тепловыделения ГМД. Получены зависимости параметров характеристик тепловыделения при использовании природного газа и режима работы двигателя. Исследованы пути решения по определению рационального способа регулирования ГМД.

Экспериментальному исследованию рабочего процесса ГМД посвящена третья глава. Сформулированы цели экспериментальных исследований и методика их проведения. Для реализации экспериментов разработана экспериментальная установка, позволяющая установить зависимость основных показателей работы двигателя от режимных и регулировочных параметров, а также оценить влияние различных факторов на индикаторный КПД, угол опережения зажигания, максимальное давление сгорания и скорость повышения давления. Для исследования параметров рабочего процесса газового двигателя разработан и реализован информационно-измерительный комплекс на базе ПЭВМ. Произведена оценка погрешности измерений.

В заключительной четвертой главе определено адекватность результатов расчетных и экспериментальных данных, в ходе проведенных исследований. Приведены количественные оценки влияния отдельных величин и факторов на параметры рабочего процесса. Получены зависимости характеристик тепловыделения от долей теплоты газа и режимов работы ГМД. Выполнена сравнительная оценка эффективности работы ГМД в зависимости от сочетания различных входных параметров.

Научную новизну работы представляет:

1. комплекс моделей и методику расчета для обоснования и разработки модернизированной системы управления рабочим процессом ГМД.

2. Сформулированная физически обоснованная модель сгорания и тепловыделения в ГМДпредложенные зависимости для определения ее параметров.

Практическая значимость:

1. Рекомендации по реализации результатов расчетных теоретических и экспериментальных исследований.

2. Рекомендации по улучшению показателей газовой модификации при работе по нагрузочной и внешней скоростной характеристик.

3. Модернизированная система электронного управления рабочим процессом ГМД.

4. Зависимости, полученные путем экспериментально-теоретического исследования, могут быть использованы для расчетного прогнозирования параметров газового двигателя и выбора рациональных регулировочных решений.

5. Усовершенствованная технологическая схема и параметры ее элементной базы, а также модернизированная структура системы электронного управления составом газовоздушной смеси использованы при разработке предложений в эскизный проект газопоршневого двигателя 12ГЧН18/20 в ОАО «Звезда» г. Санкт-Петербург.

На защиту выносятся:

1. Комплекс модернизированных математических моделей протекания рабочего процесса ГМД.

2. Модернизированная система электронного управления ГМД.

3. Результаты экспериментального исследования специфики рабочих процессов в газовом двигателе.

4. Физически обоснованные и экспериментально подтвержденные зависимости параметров тепловыделения в газовом двигателе от исходных условий в цилиндре.

5. Полученные зависимости регулирования состава газовоздушной смеси и угла опережения зажигания топлива ГМД.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

4.7. Выводы.

1. Перевод дизеля на газовый рабочий процесс обеспечивает возможность сохранения мощности базового двигателя без ухудшения показателей экономичности и существенного повышения нагрузок на детали КШМ.

2. Основными факторами, влияющими на протекание рабочего процесса, мощ-ностные, экономические и экологические показатели газового двигателя являются, применения смешанного регулирования газовоздушной дополнительный информационно измерительный канал системы электронного управления ГМД, угол опережения зажигания, а также коэффициент избытка воздуха. Последний фактор играет решающую роль в изменении параметров двигателя при работе по нагрузочной характеристике.

3. Данные, полученные при исследовании влияния дросселирования газовоздушной смеси на эффективный КПД позволяют делать выводы о предпочтительности смешанного регулирования.

4. При работе по газовому рабочему процессу концентрация СО в ОГ при 0=18° ниже на 1,62 г/кВт-ч, при 0=12° на 1,0 г/кВт-ч. Концентрация СН при 0=18° повышается на 0,07 г/кВт-ч и при 0=12° понижается на 7,83 г/кВт-ч. Выбросы NOx при 0=18° выше на 1,67 г/кВт-ч и при 0=12° ниже на 0,77 г/кВт-ч.

5. При рассмотрении нагрузочных характеристик представленных на рис. 4.20.4.23 видно, что с уменьшением надпоршневого зазора, концентрация СО в ОГ снижается на всех режимах работы двигателя. Концентрация NOx снижается при 0=12° и повышается при 0=18° снижается температура ОГ в среднем на 30° и улучшается топливная экономичность двигателя в среднем на 10 г/лсч. При 0=15° концентрации СН уменьшаются незначительно по NOx и СО результаты ухудшаются нежели при 0=12° это заметно по рис. 4.23. Выбросы углеводородов могут быть уменьшены при использовании каталитического нейтрализатора отработавших газов.

Заключение

.

Научная новизна работы представляет:

1. комплекс модернизированных моделей и методику расчета для обоснования модернизированного управления рабочим процессом газового двигателя.

2. Сформулированная физически обоснованная модель сгорания и тепловыделения в газовом двигателе и предложены зависимости для определения ее исходных параметров.

Практическая значимость:

1. Рекомендации по реализации результатов расчетных теоретических и экспериментальных исследований.

2. Рекомендации по улучшению показателей газовой модификации при работе по винтовой и внешней скоростной характеристик.

3. Модернизированная система электронного управления рабочим процессом газового двигателя.

4. Зависимости, полученные путем экспериментально-теоретического исследования, могут быть использованы для расчетного прогнозирования параметров газового двигателя и выбора рациональных регулировочных решений.

5. Усовершенствованная технологическая схема и параметры ее элементной базы, а также модернизированная структура системы электронного управления составом газовоздушной смеси использованы при разработке предложений в эскизный проект газопоршневого двигателя 12ГЧН18/20 в ОАО «Звезда».

В результате исследований, которое включали: анализ схем, конструкций и управления газовыми двигателями 8ГЧ12/12 и 12ГЧН18/20, методов их исследования, существующих данных по рабочим процессам, разработку и создание t экспериментальной установки, можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что длительность движения фронта пламени достаточно полно описывается совокупностью параметров, которые, согласно теории горения, определяют скорость его распространения.

2. На основе теоретических положений и результатов эксперимента получено математическое описание процессов воспламенения и сгорания в газовом двигателе, учитывающее турбулентную скорость распространения фронта пламени по углу поворота коленчатого вала, при этом предложены методы определения основных его параметров.

3. Комплекс показателей — коэффициент избытка воздуха (а), средняя температура за время распространения сгорания в газовоздушной смеси (7), частота вращения KB («), объем поступающей в цилиндр газовоздушной смеси (V), а также зависимости, полученные в ходе исследований, описывают характер протекания рабочего процессапри этом изменение скорости распространения фронта пламени внутри цилиндра, определяется информационно-измерительным комплексом, выражая полученные значения в единицах угла ПКВ.

4. Предложенная модернизированная схема системы электронного управления с применением дополнительного информационно-измерительного канала, обеспечивает возможность оценки основных параметров и характеристики показателей рабочего процесса газового двигателя на основании комплексных показателей (а, Т, п, V).

5. В результате расчетно-теоретических исследований установлено, что сгорание в газовом двигателе может быть представлено как совокупность развивающихся процессов — воспламенения, быстрого сгорания части газового топли ва в воздушной среде и распространения фронта турбулентного пламени от очага воспламенения до стенки камеры сгорания. Определяющим параметром для описания фазы сгорания является — длительность движения фронта пламени, выраженная в углах поворота коленчатого вала. Установлено, что с увеличением, а от 1 до 1,35, определяемый угол ПКВ характеризует увеличение скорости распространения фронта пламени внутри цилиндра на 25.30%.

6. Результаты экспериментальных исследований экологических и топливно-экономических показателей характеризуют преимущество работы исследуемого двигателя 8ГЧ12/12, при этом выбросы NOx снижаются на 3%, СО — 7,5%, уро вень СН~уменьшается при использовании сравнительно простого окислительного нейтрализатора на 10 — 15%, в сравнении с требованиями правил № 49−02 (Ев-ро-2). Удельный расход топлива (ge) исследуемого двигателя 8ГЧ12/12 уменыиается на 7,2. 15% по сравнению с двигателем 12ГЧН18/20 и на 1.1,5% с прототипом 8ГЧ12/12.

7. При использовании полученной математической модели рабочего процесса, с учетом результатов экспериментов по оценке факторов, определяющих токсичность отработавших газов двигателя, определен рациональный способ регулирования газовых двигателей, обеспечивающий обоснованный компромисс между требованиями максимального КПД двигателя и ограничениями, накладываемыми необходимостью минимизации токсичности отработавших газов исследуемого двигателя.

8. Усовершенствованная технологическая схема и параметры ее элементной базы, а также модернизированная структура системы электронного управления составом газовоздушной смеси использованы при разработке предложений в эскизный проект газопоршневого двигателя 12ГЧН18/20 в ОАО «Звезда» г. Санкт-Петербург.

9. Полученные результаты подтверждают достижение цели диссертационной работы: улучшение основных показателей газовой модификации дизеля путем совершенствования рабочего процесса.