Оптимізація параметрів газового редуктора

Оптимізація параметрів газового редуктора-регулятора

В.Г. Петренко; М.О. Дикий, д-р.техн.наук, проф.; О.О. Коваленко; канд.техн.наук; А.Ф. Сухоносов; О.В. Чкалов, канд.техн.наук

НТУУ «КПІ», г. Киев

Автомобільний транспорт є головним споживачем нафтових моторних палив. Збільшення кількості автомобілів і потужності їх двигунів веде до збільшення споживання нафти. Пропорційно збільшуються і шкідливі викиди в атмосферу відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), що зростають з року в рік і набувають загрозливого характеру. Автомобілі дають до 90% усіх забруднень повітряного басейну великих міст високотоксичними і канцерогенними сполуками. Для України, яка імпортує значну кількість нафти, ці два аспекти незворотного процесу автомобілізації є особливо гострими.

Вирішення зазначених проблем вітчизняна і зарубіжна наука та практика вбачає у використанні альтернативних моторних палив [1]. Найбільш реальною альтернативою бензину в умовах України є компремований (стиснений) природний газ, який за сумарною екологічною безпекою в 100 раз (!) переважає етиловані бензини, має високі моторні властивості, є дешевим і доступним джерелом енергії [2].

Але його використання як моторне паливо, за діючою нині технологією в конвертованих бензинових двигунах з низьким ступенем стиснення значно погіршує експлуатаційні показники автомобілів, відбувається нераціональне використання моторного палива, що призводить до його невиправданої надмірної витрати.

Ця стаття є продовженням ряду публікацій [3,4], що присвячені дослідженню нової інжекторної бензогазової системи живлення (БГСЖ) автомобільного ДВЗ з іскровим запалюванням, яка створена під керівництвом доктора. техн. наук, професора М.О. Дикого в НТУУ “КПІ”. В ній застосовано прогресивний спосіб подачі газу до двигуна - під дією змінного надлишкового тиску. При цьому використовується механічна енергія стисненого газу, що дає можливість здійснити ежектування повітря у впускну систему двигуна і тим самим покращити наповнення циліндрів свіжим зарядом, поліпшити гомогенність газоповітряної суміші, і отже, зменшити зниження потужності двигуна за газового режиму універсальної БГСЖ.

Вивчення робочих процесів системи живлення, визначення оптимальних параметрів її елементів має важливе прикладне значення, спрямоване на вирішення екологічних та економічних проблем автомобільного транспорту нашої країни.

Розглянемо роботу і дослідження основної дозувальної системи (ОДС) газової системи живлення, схему якої наведено на рис.1.

Повітря надходить до двигуна через дифузор 8. Виникаюче у вузькому перетині дифузора розрідження (тиск P_d) передається у міжмембранну (9,10) керівну порожнину ГРР і використовується для регулювання подачі газового палива, яке споживає двигун.

На усталених режимах роботи двигуна кожному розрідженню повітря P_d в дифузорі 8 відповідає певний тиск газу P_p на виході газового редуктора-регулятора 1. Цей тиск визначає витрату газу G_g через жиклер 7 і форсунку 6. В результаті дії ОДС досягається певний зв'язок між витратами повітря та газу.

Однією з важливих характеристик паливодозувальної системи є коефіцієнт надлишку повітря б - відношення діючої кількості повітря до теоретично необхідної для повного згоряння палива. Від величини б залежить якість робочого процесу двигуна та склад відпрацьованих газів [7]. Для отримання бажаного значення коефіцієнта надлишку повітря б кількість газового палива, яка надходить з ГРР, повинна знаходитись в певній залежності від витрати повітря G_v, що споживає двигун. Склад робочої газопаливної суміші при б=1 називають стехіометричним.

Розглянемо залежності, якими описується робота ОДС.

Як відомо, масова витрата повітря G_v через дифузор 8 описується [8]:

. (1)

Аналогічно витрата газового палива G_g через жиклер 7 описується формулою [8]:

. (2)

Абсолютний тиск газу P_p на виході ГРР знайдемо з [3]:

. (3)

Коефіцієнт надлишку повітря визначиться як [7]:

. (4)

В формулах (1)-(4) позначено: - коефіцієнт витрат; F - площа дроселя 7 та дифузору 8; k - показник адіабати; R - газова стала; T - абсолютна температура; індекси v та g - відносяться відповідно до повітряного та газового каналів; L₀ - теоретично необхідна кількість повітря для згоряння одного кілограма палива; P_a, P_c - абсолютні тиски повітря відповідно на вході та виході дифузора 8; l₁, l₂ - плечі важеля 3; S₁, S₂ - ефективні площі мембран 9 і10; S_кл - площа сідла клапана 11.

Значення коефіцієнтів витрати _v та _g, що входять до формул (1) і (2), залежать від перепаду діючих тисків. За даними дослідів їх суттєва зміна відбувається на режимах, близьких до холостого ходу двигуна. В діапазоні режимів роботи ОДС значення _v і _g можуть вважатися практично сталими [9].

Величини F, R, k, L₀ у виразах (1), (2) і (4) також є сталими.

З огляду на це характер зміни коефіцієнта б на робочих режимах двигуна буде визначатися в основному тисками P_a, P_c, P_d, P_p і температурами T_v та T_g.

Аналітичне дослідження даного об'єкту з урахуванням функціональної складності та суттєвої нелінійності робочих процесів системи, а саме:

– витрат повітря та газового палива через постійні та змінні опори (дифузор, жиклери, дозувальні клапани);

– зміну ефективної площі мембран від їх прогину в процесі роботи редуктора (зміщення клапанного важеля та початкової координати мембранного вузла);

– вплив параметрів впускного каналу двигуна на витратну характеристику ГРР;

– змінний температурний режим роботи ГРР та впускного каналу ДВЗ;

виконати неможливо. Експериментальне дослідження потребує значних витрат часу і матеріальних та людських ресурсів.

Раціональним і загальновизнаним вирішенням проблеми може бути чисельне дослідження об'єкта у складі системи автоматизованого проектування, яка дозволяє враховувати названі нелінійності, з подальшою експериментальною перевіркою отриманих кінцевих результатів. Для цього була розроблена математична модель (ММ) бензогазової системи живлення з використанням як основної складової частини, розробленої раніше ММ ГРР [4], показана на рис. 2. Розроблена модель дозволяє досліджувати робочі процеси БГСЖ створених на базі як існуючих газових редукторів, так і експериментальних моделей, а також виконувати параметричну оптимізацію як елементів, так і системи в цілому.

Для математичного моделювання та оптимізації використовувалась САПР, побудована на базі програмного комплексу ALLTED, розробленного в НТУУ «КПІ» на кафедрі ГПАГ [5].

На першому етапі як математичне, так і експериментальне дослідження інжекторної системи газоподачі як складової частини БГСЖ проводились з ГРР, що створений на базі серійного редуктора виробництва АТ «Аскольд» ТУ 37.001.1392-86, з комплекту газобалонного обладнання автомобілів ЗІЛ та ГАЗ 4,6. Тому перелік конструктивних параметрів третього ступеня ГРР (регулятор витрати газу), вплив яких досліджувався, був обмежений і складався з плечей клапанного важеля, діаметра сідла газового клапан, ефективної площі меншої мембрани та початкової координати мембранного вузла.

Аналіз результатів дослідження показує, що найбільш суттєво на вихідний тиск газу редуктора P_p, а отже, і на його витрату в системі паливного живлення та коефіцієнт б впливають абсолютні значення та співвідношення ефективних площ мембран S₁ та S₂ ГРР.

Нижче наведені деякі результати дослідження системи газоподачі БГСЖ автомобіля ГАЗ-53 з двигуном ЗМЗ-513. На рис.3 показані розрахункові залежності коефіцієнта (ALFA), виконані при роботі системи живлення на природному газі.

Діапазон значень параметра D був вибраний, виходячи з таких міркувань:

1 Зменшення діаметра мембрани 10 (рис.1), нижче 40 мм, призводить до погіршення точності і чутливості ГРР і викликає нестабільність його роботи з малими витратами газу в режимі холостого ходу двигуна.

2 Надмірне збільшення діаметра D веде до зниження вихідного тиску редуктора-регулятора і втрати ежекторного ефекту системи живлення.

Рисунок 4 - Навантажувальна характеристика двигуна ЗМЗ-513 при n=2000 хв.-1, при роботі газової ОДС БГСЖ. N-потужність двигуна; Gv, Gg -витрати повітря і газу;

Рd, Рk -вакуум у дифузорі та впускному колекторі; б-коефіцієнт надлишку повітря

Як бачимо з рис.3б, найбільша стабільність характеристики б=f(ДPd) cпостерігається за нульової координати мембранного вузла ГРР в діапазоні значень діаметра D 60-70 мм. При цьому різниця між максимальними і мінімальними значеннями б знаходиться в межах 0,002-0,015 для всього робочого діапазону ОДС.

З огляду на це можна прийти до висновку, що основна дозувальна система практично забезпечує сталість коефіцієнта надлишку повітря незалежно від витрати повітря, яке споживає ДВЗ.

Зміна початкової координати з 0 на -3мм викликає нахил функціональної поверхні б=f(ДPd, D) у бік збагачення паливної суміші при зменшенні витрати повітря. Нерівномірність характеристики коефіцієнта б для цього випадку збільшується до 0,6 одиниць (рис.3а).

На рис.4 подана навантажувальна характеристика двигуна ЗМЗ-513 при частоті обертання колінчастого вала 2000 хв^-1, при роботі основної дозувальної системи (газовий режим) БГСЖ. Газовий редуктор-регулятор містив мембрану 10 (рис.1) діаметром 62 мм з нульовою початковою координатою мембранного вузла. Для порівняння, поряд з експериментальною характеристикою коефіцієнта надлишку повітря _експ, показана і теоретична величина _теор, розрахована для даного режиму роботи двигуна.

Відхилення розрахункової характеристики коефіцієнта надлишку повітря б_теор=f(N) від експериментальної б_експ не перевищує 5-8%, для всього діапазону потужності двигуна, що свідчить про високу адекватність розробленої математичної моделі.

Висновки

1 Розроблена чисельна математична модель ОДС інжекторної системи газоподачі БГСЖ, яка вже на етапі проектування дозволяє визначити оптимальні значення як конструктивних параметрів ГРР, так і параметрів системи в цілому для конкретних випадків її реалізації.

2 Досліджено вплив конструктивних параметрів газового редуктора-регулятора на показники якості роботи газової системи живлення ДВЗ.

3 Шляхом оптимального вибору конструктивних параметрів ГРР можна формувати бажаний склад робочої суміші в залежності від вимог до системи живлення ДВЗ.

4 Дослідження БГСЖ у складі САПР ПК ALLTED скорочує час створення реально працюючих зразків системи шляхом комп'ютерного моделювання замість проведення великого обсягу експериментальних робіт і створення прототипів.

SummAry

The characteristics of the gas main petrol-metering system of the gas-petrol fueling system of ICE have been researched on basis of the mathematical model. The influence of the design factor of the reducer-regulator on the air-fuel mixture produced by this system has been shown. The results obtained have been compared to test data of the given fueling system with ZMZ-513 engine in gas mode operation

Список літератури:

1. Дельгадо Р. Транспорт XXI века: решение и проблемы защиты воздушного бассейна мегаполисов // Приводная техника. - 2000. - №3. - С. 47-51.

2. Пятничко А.И. Природный газ- наиболее эффективное альтернативное моторное топливо в Украине // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1999. - №3. - С. 10-17.

3. Дикий М.О., Петренко В.Г. Інжекторна бензогазова система живлення автомобільного ДВЗ // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів: Зб. наук. пр. - К.: УТУ, ТАУ, 2002. - Вип.13 - С. 175-182.

4. Петренко В.Г., Коваленко А.А., Сухоносов А.Ф., Чкалов А.В. Математическая модель редуктора-регулятора бензогазовой системы питания ДВС // Вестник НТУУ «КПИ» : Машиностроение. - К., 2002. - Вып. 42. - Т.2 - С. 64-68.

5. Оптимальное схемотехническое проектирование в машиностроении: Учеб. Пособие / А.И.Петренко, В.В.Ладогубец, В.В.Чкалов. - К.: УМК ВО, 1989. - 164 с.

6. Григорьев Е.Г., Колубаев Б.Д., Ерохов В.И. и др. Газобаллонные автомобили. - М.: Машиностроение, 1989. - 216 с.

7. Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. - М.: Высшая школа, 1985. - 311 с.

8. Герц Е.В. Динамика пневматических систем машин. - М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.

9. Архангельский В.М. и др. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение, 1967. - 496 с.