Разработка системы питания дизеля, работающего на диметилэфире

n_н - номинальная частота вращения вала двигателя;

n_N - частота вращения вала двигателя, которой соответствует максимальное значение мощности Ne max ;

n_M - частота вращения вала двигателя при максимальном значении крутящего момента Mк max ;

n_{х max} - максимальная частота вращения при работе двигателя на холостом ходу;

n_разн - максимально возможная частота вращения вала двигателя, которая может быть достигнута на холостом ходу при положении органа управления режимом работы, соответствующем максимальному (полное открытие дроссельной заслонки бензинового ДВС или постоянное положение рейки топливного насоса высокого давления дизеля), так называемый «разносный» режим работы.

Порядок построения характеристик

Внешняя скоростная или регуляторная характеристики двигателя строятся на миллиметровой бумаге или на чистом листе формата А-4 при использовании компьютерной графики с соблюдением следующей последовательности.

1) В соответствующем масштабе по оси абсцисс, строят шкалу частот вращения вала двигателя n, в рабочем диапазоне частот.

2) На этой шкале фиксируют точки, соответствующие характерным значениям частоты вращения вала двигателя: при максимальной (номинальной) мощности n_N (n_н) и максимальном крутящем моменте n_м, для режима минимальной устойчивой частоты вращения n_min, а также для режима максимальной частоты вращения холостого хода n_{х max}.

3) Строят теоретическую (расчетную) внешнюю скоростную характеристику двигателя, используя приведенные выше уравнения или данные таблиц. Максимальную (номинальную) мощность берут из данных теплового расчета двигателя или по данным тягового расчета трактора или автомобиля. При различных частотах вращения вала двигателя подсчитывают и откладывают на графике не менее пяти точек значений мощности. Соединяют точки плавной огибающей линией, получая кривую, отображающую зависимость Ne = f(n). Корректурную и регуляторную ветви регуляторной характеристики дизеля, строят по приведенной выше методике. Для бензинового двигателя с ограничителем предельной частоты вращения вала режим работы на ограничителе показан штриховыми линиями.

4) Крутящий момент двигателя подсчитывается по формуле:

Мк= Ne/щ, (2.1.1)

Где: щ - угловая скорость вала двигателя; щ = р . n / 30, рад/с или с -¹.

5)Кривую удельного эффективного расхода топливаge = f(n) строят, используя внешнюю скоростную характеристику (для бензинового двигателя) или регуляторную характеристику (для дизеля) согласно приведенной выше методики . Значение удельного эффективного расхода топлива для номинального режима работы двигателя берется из данных теплового расчета, а в случае отсутствия такового - по паспортным данным прототипа или статистической информации для данного типа ДВС. По полученным данным строят соответствующий график.

Расчет внешней скоростной характеристики двигателя.

Для построения внешней скоростной характеристики, зная значения максимальной и минимальной частот вращения коленчатого вала, разделим всю область значений щ на 9 примерно равных промежутков.

С помощью формулы Лейдермана определяем значения мощности двигателя соответственно для каждого значения частоты вращения n коленчатого вала

(2.1.2)

Где: - текущее значение мощности, кВт

- номинальная мощность двигателя, кВт

- текущее значение частоты вращения коленчатого вала, (рад/с)

- номинальная частота вращения коленчатого вала, (рад/с)

A, B, C - коэффициенты зависящие от типа двигателя (A, B, C=1)

Определим значение соответствующее значению щдв=100 (рад/с)

(2.1.3)

Определение крутящего момента двигателя.

(2.1.4)

Аналогично определяем остальные значения мощности , М_е для каждого значения частоты вращения коленчатого вала щ_дв

Рассчитанные значения , , сводим в таблицу, по полученным данным строим внешнюю скоростную характеристику двигателя.

2.2 Тепловой расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя с различными системами питания

Для оценки динамических и экономических показателей тракторных и автомобильных двигателей, а также транспортных средств в целом, на которые они устанавливаются, необходимо знать характер изменения их основных показателей в функции частоты вращения коленчатого вала или нагрузки: Ne ,Gт , ge и Mк = f(n) или Gт , ge , Mк и n = f(Ne).

При отсутствии реальных, полученных экспериментальным путем, характеристик прибегают к их отысканию расчетным путем.

Тепловой расчет дизеля автобуса ISUZU 4HF1, с различными системами питания произведен согласно известной методики. Ниже в виде таблице приводится произведенный тепловой расчет.

Основная цель расчетного исследования - получение качественных и количественных данных о влиянии различных факторов на показатели цикла, с тем, чтобы использовать их при составлении программы экспериментов и анализе их результатов.

В результате проведенного теплового расчета, теоретического исследования способов улучшения эксплуатационных показателей дизеля, работающего на ДМЭ, были получены расчетные значения показателей (Ne, Gт, ge и Mк). На основании этих значений произведен расчет и построены ВСХ, дизелея с штатной и модернизированной (спроектированной) системами питания, была построена ВСХ дизеля при работе на ДМЭ.

В таблицах 2.2.1 и 2.2.2 приведены расчетные показатели ВСХ:



Таблица 2.2.1 Показатели внешней скоростной характеристики базового дизеля.

n, c-1	800	1200	1600	2000	2400	2800	3200
Ne, кВт	21,0	33,28	45,5	56,8	66,3	73,02	78,08
Me, кН*м	250,9	264,9	271,8	271,5	263,9	249,1	227,15
GT, кг/ч	5,9	8,5	10,8	12,8	14,6	16,25	17,65
Ge, мДж/кВт*ч	284,2	257,3	237,8	225,4	220,4	222,5	232,3

Таблица 2.2.2 Показатели внешней скоростной характеристики дизеля, при работе на ДМЭ

n, c-1	800	1200	1600	2000	2400	2800	3200
Ne, кВт	20,2	30,0	43,3	54,8	64,7	71,2	74,5
Me, кН*м	247,5	258,8	266,3	265,1	257,7	244,3	226,8
GT, кг/ч	8,7	9,9	12	14,8	17,1	18,15	23,3
Ge, мДж/кВт*ч	300	277,4	250	230,2	226,3	237,8	377,9

На рисунке 2.2.1 и 2.2.2 представлена расчетная внешняя скоростная характеристика дизеля ISUZU 4HF1 и сравнительная внешняя скоростная характеристика дизеля, работающего на ДМЭ.

Рис. 2.2.1 Внешняя скоростная характеристика дизеля 4HF1 со штатной системой питания.

Рис. 2.2.2. Расчетная сравнительная внешняя скоростная характеристика дизеля 4HF1, с штатной системой питания и при работе на ДТ+ДМЭ.(25+75%)

Выводы по главе

В результате проведенного теоретического исследования способов улучшения эксплуатационных показателей дизеля, работающего на ДМЭ, были получены расчетные значения показателей (Ne, Gт, ge и Mк). На основании этих значений произведен расчет и построены ВСХ, дизелея со штатной и модернизированной (спроектированной) системами питания.

Анализ полученных ВСХ показал - что при работе дизеля на смеси ДТ+ДМЭ примерно (25+75), происходит незначительное снижение мощности и незначительно увеличивается удельный расход топлива, в сравнении с базовым двигателем.

3. Экспериментальное исследование дизеля, работающего на диметилэфире

3.1 Объект испытаний

Все теоретические методы исследования базируются на тех или иных гипотезах, и следовательно, является приближенными и требуют проверки. Поэтому наряду с расчетно - теоретическими методами определения параметров топливной аппаратуры двигателей, в исследовательской практике широко используется и экспериментальные методы. Это объясняется тем, что значения некоторых величин можно получить лишь опытным путем. Таким образом, экспериментальное исследование является неотъемлемой необходимостью процесса создания и совершенствования топливной системой двигателей.

В данной исследовательской работе, объектом испытаний является двигатель автобуса ISUZU -- 4HF1 .

Для работы дизельного двигателя на ДМЭ, была проведена доработка системы питания. Произведен монтаж ГБО для работы под сжиженный ДМЭ.

Система питания двигателя дорабатывалась с целью обеспечения качественной и надежной подачи ДМЭ во впускной коллектор двигателя.

На рис. 3.1.1. показано схема система питания газовым топливом (ДМЭ).

Система питания имеет газавоздушный блок, включающий в себя газавоздушный смеситель 1, экономайзер 9 и расходомер воздуха 3.

После впрыска ДМЭ во впускной коллектор двигателя, он почти сразу же испаряется и смешивается с воздухом, в результате чего получается газовоздушная смесь, поступающая затем непосредственно в цилиндр двигателя. При этом количество впрыскиваемого ДМЭ, регулируется при помощи ЭБУ, что обеспечивает качественную газавоздушную смесь.

Рис. 3.1.1. Принципиальная схема оборудования системы питания сжиженным газом: 1 - электронный блок управления; 2 - расходомер воздуха; 3 - датчик частоты вращения коленчатого вала; 4 - лямбда-зонд; 5 - аккумуляторная батарея; 6 - штуцера во впускной трубопровод; 7 - рампа с форсунками; 8 - датчик разряжения во впускном трубопроводе; 9 - редуктор.

В ходе проведения испытании была разработана микропроцессорная система управления двигателем, включающая в себя функции управления газовыми форсунками и регулирующую количество и продолжительность впрыска ДМЭ во впускной коллектор.

В таблице 3.1.1. указаны все основные характеристики базового двигателя, необходимые для расчета и проведения стендовых испытаний

Таблица 3.1.1. Техническая характеристика дизеля «ISUZU-4HF1»

Наименование показателя (характеристики)
Двигатель:	Дизельный двигатель четырехтактный, четырехцилиндровый, однорядный индукторный, с верхним распределительным валом
Количество и расположение цилиндров	4 в ряд
Степень сжатия	19:1
Рабочий объём, см3	4334
Максимальная мощность - кВт/л. с. (об / мин -1)	78/104(3200)
Максимальный крутящий момент, Нм (мин *)	268(1800)
Частота вращения на холостом ходу, об/мин.	550 - 600
Порядок работы цилиндров	1 - 3 - 4 -2
Топливный насос высокого давления	ZEXEL, рядный
Диаметр цилиндра, мм	112
Ход поршня, мм	110
Уровень токсичности двигателя	Евро-2
Расположение двигателя	Переднее, продольное

3.2 Методика проведения испытаний

Экспериментальное исследование проводится в условиях стендовых испытаний и состоит из нескольких этапов, которые соответствуют определенным частным задачам, вытекаюшим из основных.

На первом этапе исследуется влияние ряда параметров на основные показатели двигателя. При этом используется известный метод снятия различных характеристик двигателя на установившихся режимах в соответствии с требованиями ГОСТ.

На втором этапе экспериментального исследования - опытная обработка и проверка рекомендаций, связанных с реализацией полученных результатов по совершенствованию систем подачи газа. На рис приведена логическая схема эксперимента, которая может быть использована на всех этапах работы с моделью.

Моделируюшими агентами в физической модели будуть служить полные аналоги газового топлива: СжПГ и воздух. Это позволит работать с моделью в “горячем” режиме, наиболее полно отражаюшем происходяшие при смесеобразовании процессы.

Экспериментальные работы по использованию ДМЭ в качестве топлива для дизельного двигателя, проводились на испытательном стенде, разработанного для исследования ТС, в ТАДИ, Далверзинского ремонтного завода при содействии НАВОИАЗОТ.

По результатам испытаний оцениваются эффективные показатели двигателя (удельный эффективный расход топлива, среднее эффективное давление и эффективный к.п.д.), а также среднее индикаторное давление как сумма среднего эффективного давления и среднего давления внутренних потерь, определяемых прокруткой двигателя' с выключенным зажиганием. Угол опережения впрыска в опытах измерялся по первому' цилиндру с помощью индуктивного датчика и стробоскопа.

Работоспособность системы поддержания постоянной заданной минимальной частоты вращения холостого хода проверялась по следующей методике:

Первый этап (двигатель отсоединен от тормоза):

1. Осуществляется запуск двигателя от стартера;

2. В процессе прогрева двигателя (от tож=20oC до tож=80°C) осуществлялся контроль частоты вращения, двигателя, которая должна автоматически поддерживаться в диапазоне n=750±10мин-1. Частота вращения двигателя непрерывно контролировалась ручным механическим тахометром;

3.После прогрева двигателя устанавливали частоту вращения холостого хода n=750±10мин-1, затем резко открывали дроссельную заслонку на при этом контролировались изменение частоты вращения двигателя и время, за которое она восстанавливалась на уровне n=750±10 мин-1. Затем дроссельную заслонку быстро закрывали, производили контроль изменения частоты вращения двигателя и времени, за которое частота вращения холостого хода восстанавливалась на уровне n=750±10мин-1.

Второй этап (двигатель соединен с тормозом):

1. Выставлялась частота вращения холостого хода n=750±10мин-1, затем двигатель прорвался до 1ОЖ=80°С и по весам фиксировали, что это режим холостого хода (Мкр=0);

2. С помощью тормоза снижали частоту вращения двигателя до n=650±10мин-1 и фиксировали изменение показаний весов тормоза.

Проведение испытаний двигателей по 13-ти ступенчатым циклам выполнялись по методикам изложенным в Правилах ЕЭК ООН N 49 [51].

Эксперименты были проведены на стенде КИ-28263, на базе Дальверзинского ремонтного завода (рис.3.2.1)

Стенд для обкатки и испытаний двигателей автотракторной техники КИ-28263 предназначен для реализации новых и типовых технологий обкатки и испытаний отремонтированных и новых двигателей легковых и грузовых автомобилей, тракторов, комбайнов и другой мобильной техники с испытательной мощностью до 850 л.с. в различных производственных условиях.

Рис.3.2.1. Внешней вид стенда для испытаний двигателей автотракторной техники КИ-28263

Стенд КИ-28263 содержит блок управления, электромашинный исполнительный механизм управления топливоподачей, прибор для контроля динамической нагрузки и испытаний двигателей типа ИМД-ЦМ или МИПД-1 (в составе блока управления или отдельно), датчик частоты вращения коленчатого вала ДВС.

Рис 3.2.2. Пульт управления стенда КИ-28263

При проведении испытаний измерялись: крутящий момент, частота вращения, расходы воздуха и топлива, температуры воздуха, ДМЭ в газовой фазе и отработавших газов, давления в различных точках впускной и выпускной систем двигателя, давление газа в барокамере, в которой помещен счетчик, во второй ступени газового редуктора низкого давления, в диффузоре смесителя.

3.3 Обработка экспериментальных данных

Измерение расхода газа осуществляется при помощи газового счетчика, (газовых часов) дроссельных приборов.

При этом учитываются температура t⁰C и среднее давление Pвлажного газа в счетчике.

Средней часовой расход газа, измеренный при помощи мокрого газового счетчика, подсчитывается на основании показаний, записываемых через одинаковые промежутке времени, по формуле:

,

где: и - конечное и начальное счетчика м³ или ж,

- время, в течении которого произведен замер, в мин;

K - коэффициент, зависящий от того в каких единицах показывает счетчик (если в м³ то К=1, если в л, К=1/1000).

Давление влажного газа в счетчике:

,

Здесь В₀ - показания барометра, в мм рт. ст. приведенных к 0⁰ С;

- показания водного манометра у газового счетчика в мм вод.ст.

Часовой расход газа при температуре t⁰C и давление B₀мм рт. ст.

,

Часовой расход газа приведенный к 0⁰ С и давлении B₀ мм рт. ст.

,

Или

,

Часовой расход сухого газа, приведенный к 0⁰ С и 760 мм рт. ст.

,

Или

,

,

S - давление насыщенного водяного пара при данной температуре в газовым счетчики.

По опытным данным или путем ориентировочных подсчетов устанавливают расход газа на наиболее распространенном режиме работы двигателя. После этого, ориентируясь на расход газа, задаются желательным перепадом давления Дp подсчитывают отношения перепада давления к абсолютному давлению газа p^'из уравнения:

,

Где: - высота столба воды и дифференциальном манометре в мм.

Абсолютное давление газа определиться из уравнения:

,

После этого из графика ориентировочно определяют поправочный коэффициент на расширение газа е и далее вычисляет величину:

,

Где: - расход газа в кг/ч;

- поправка на расширение газа;

D - диаметр впускного трубопровода, в мм;

- перепад давления в мм рт. ст.;

- удельный вес газа при температуре t⁰ и давлении , в кг/м³.

По найденной величине х из графика находят отношение диаметра сопла dк диаметру к впускного трубопровода D.

Из отношения определяют d.

Средний часовой расход газа при замерах с помощью сопла определяется по формуле:

(3.12)

Где: е - поправка на расширение газа;

K_t - поправочный коэффициент на тепловое расширение прибора;

б - коэффициент расхода;

d - диаметр сопла, в мм;

?p - средний перепад давлений сопле, в мм вод.ст.;

г - средний удельный вес газа перед соплом, в кг/м3.

При сухом газе:

,

Где: - давление газа в условиях опыта, в мм рт. ст.;

- молекулярный вес газовой смеси, равный

,

Здесь CO, H₂, …, N₂ - отдельные элементы входящие в состав газовой смеси, в %.

Молекулярный вес газов:

О₂- 32;СН₄ - 16

СО - 28;С₂Н₄ - 28

СО₂ - 44;С₂Н₆ - 30

Н₂ - 2;N₂ - 28

В случае влажного газа:

,

Расход сухого газа на 1 э.л.с.ч. при 0⁰ С и 760 мм .рт. ст.

,

При проверки адекватности моделей важное значение имеет точность экспериментов. Она оценивается погрешностями измерения, которые подразделяются на систематические и случайные.

Систематические погрешности измерений обычно определяются измерительными приборами и часто оцениваются заводами - изготовителями.

1. Среднеарифметическое значение результатов измерения интервала времени в случае определения расхода газа объемным способом определяется по формуле:

,

2. среднее квадратичное отклонение результата измерения можно определить по формуле:

,

Где: - 1-й результат измерения времени;

n- число измерений

3. Выборочная доверительная вероятность P=0.95;

4. доверительная граница случайной погрешности вычисляется так:

,

Где: t- коэффициент.

5. систематическая погрешность выводимая контактными датчиками давления равна:

,

Приборами измерения числа оборотов --

,

И секундомером --

,

6. суммарное квадратичное отклонение составляет:

,

7. суммарная погрешность определяется следующим образом:

,

Где: К- коэффициент, зависящий от доверительной вероятности, для P=0,95 он равен:

,

8. относительная суммарная погрешность определяется следующим образом:

,

Систематическая погрешность определения расхода воздуха складывается из систематических погрешностей отдельных приборов, причем предполагается, что погрешность, вводимая прибором, равна произведению процентной погрешности прибора на среднеарифметическое значение расхода воздуха.

С учетом того, что по используемой методике коэффициент избытка воздуха вычисляется с помощью данных записанных микро-ЭВМ, при однократном обращении ко всем датчикам, рассмотрим случайные оценки погрешности при однократном измерении. Эти измерения оцениваются не среднеквадратичными погрешностями, а допускаемыми погрешностями средств измерения.

Предельная погрешность косвенного измерения складывается из допускаемых погрешностей, зависящих от условий измерения каждого прямого однократного измерения величин.

При оценке погрешности косвенных измерений на основании прямых измерений величин, проводимых однократно, будем исходить из того, что в наименее благоприятном случае максимальная абсолютная погрешность в общем виде равна:

,

Где: - относительная погрешность измерения косвенной величины;

- индивидуальная измеренная величина.

В частном случае измерение коэффициента избытка воздуха максимальной абсолютной погрешности составляет:

,



Общие выводы и рекомендации

1. Проведен всесторонний анализ применения ДМЭ в качестве топлива для дизельного двигателя

2. Применение ДМЭ в качестве дизельного топлива является перспективным, так как позволяет снизить экологическое воздействие дизеля на окружающую среду и расширить сырьевую базу автомобильных топлив.

3. Возможность использования ДМЭ с сохранением основных эффективных показателей без значительной переделки двигателя. Изменение свойств смесевого топлива можно скомпенсировать подбором регулировок топливной аппаратуры.

4. ДМЭ снижает температуру отработавших газов во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов (до 10%), что снижает тепловую напряженность силовой установки.

5. С применением ДМЭ улучшаются экологические показатели дизеля. Снижается дымность отработавших газов во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов, снижается концентрация оксидов азота на 5. 18% .



Список использованной литературы

1. Доклад Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова на заседании Кабинета Министров, посвященном основным итогам 2011 года и приоритетным направлениям социально-экономического развития Узбекистана на 2012 год.

2. Каримов И.А. Наш путь-углубление демократических реформ и последовательное продолжение модернизации страны. 20. Узбекистан, 2012.

3. Постановления Президента Республики Узбекистана от 04.10.2011 год № ПП - 1623 «О программе первоочередных мер по расширению объемов производства и освоению выпуска новых видов конкурентоспособной продукции»

4. Базаров Б.И. Экологическая безопасность автотранспортных средств. - Ташкент: Chinor-ENK, 2012. - 216 с.

5. Гайворонский А.И., Савенков А.И., Марков В.А. Газодизель с воспламенением от диметилового эфира //Автомобильная промышленность, 2005, №12

6. С.М. Кадыров, С.Е. Никитин, «Автомобильные и тракторные двигатели», Т. 2011г.

7. В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, «Автомобильные двигатели», М. 1967г.

8. В.Н. Луканин «Двигатели внутреннего сгорания», 1,2,3 тома, М. 1995г.

9. Ю.И. Быдыко, «Аппаратура впрыска легкого топлива автомобильных двигателей», Ленинград.: 1982г.

10. Н.А. Дикий, Ю.Ф. Бутаревич, «Перспективы улучшения энергетических и экологических характеристик автомобильных двигателей» М.: 1984г.

11. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей - 2004г., 20,0 п.л., издательство ООО "Академический проект" (Москва).

12. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в ДВС. - М.: МАДИ (ТУ), 2000.

13. Техническая энциклопедия. Т.6 / Под. ред. Л.К. Мартенса - М.: ОГИЗ.2007.

14. А.А. Мухитдинов, Ш.П. Алимухаммедов, «методическое указание к выполнению диссертационной работы на соискание ученной степени кандидата технических наук», Т. 2005г.

15. А.М.Гвоздев диссертация на соискание ученой степени к.т.н. «Улучшение экологических характеристик дизеля путем добавки диметилового эфира к топливу» Барнаул-2007г.

16. П.В.Бушуев диссертация на соискание ученой степени к.т.н. «разработка методики нормирования расхода компилированного природного газа городскими автобусами, оснащенными электронной системой управления двигателем» Москва-2007г.

17. С.В.Рыжкин диссертация на соискание ученой степени к.т.н. «анализ и расчет свойств диметилового эфира и улучшение экологических показателей дизеля путем адаптации топливной аппаратуры» Москва-2009г.

18. Балалаева И. Новые дизельные топлива // Автомобильный транспорт. 2004. №8. С 41-42.

19. Шамонина А.В, Макаров В.В. Спирты как добавки к бензинам // Автомобильная промышленность. 2005. №8. С 11-12.в энергетике //. Энергетика. 2002. №6. С 13-19.

20. Анискин В. Н., Голубкович А.В. Перспективы использования растительных отходов в качестве биотоплив // Теплоэнергетика. 2004., №5. С 60-65

21. Гайворонский А.И., Савенков А.И., Марков В.А. Газодизель с воспламенением от диметилового эфира //Автомобильная промышленность, 2005, №12, - с. 9-12.

22. Дикий Н.А.,Бутаревич Ю.Ф. Перспективы улучшения энергетических и экологических характеристик автомобильных двигателей - Пром.теплотехника, 2001, № 2.

23. Кириллов Н.Г. Моторное топливо XXI века // Энергия. 2007. №8. С 2-5

24. Альтернативные виды топлива // URL: http// www.rokf.ru//oddities/3950.html

25. Биодизель- все новости о топливе //URL: http// www.biodiesel.com.ua

26. Биодизель (оборудование для биодизеля) //URL: http// www.neftebaza.info/ forum_ontzy.php?id=4839

27. Биодизель. Биодизельное топливо. Производство. //URL: http// www.biodiesel. dp.ua

28. Напольский Б., Доманов В. Альтернативные виды топлива //URL: http// www.oilworld.ru/news.php?view=3020

29. Энциклопедия «Википедия» // URL: http// ru.wikipedia.org/wiki/топливо

30. http://fuel-laboratory.narod.ru/dimitil_efir/1.html

31. http://www.autotruck-press.ru/archive/number95/article879.

Размещено на Allbest.ru

...