Покращання показників техніко-експлуатаційних властивостей транспортних засобів з газогенераторними установками

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.22.02 автомобілі та трактори

ПОКРАЩЕННЯ ПОКАЗНИКІВ ТЕХНІКО-ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ З ГАЗОГЕНЕРАТОРНИМИ УСТАНОВКАМИ

Виконав Ємець Богдан Володимирович

Київ - 2008

АНОТАЦІЯ

тяговий газогенераторний автомобіль трактор

Ємець Б.В. Покращання показників техніко-експлуатаційних властивостей транспортних засобів з газогенераторними установками. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 - „Автомобілі та трактори”. - Національний транспортний університет, Київ, 2008.

Дисертація присвячена розробці способів покращання показників тягово-швидкісних властивостей транспортних засобів з газогенераторними установками (ТЗ з ГУ).

Розроблено та уточнено модель нестаціонарного процесу теплопередачі в систему “ГУ двигун ТЗ”, перевірено її адекватність.

Виконано порівняльний аналіз основних показників тягово-швидкісних властивостей ТЗ з ГУ відносно базового ТЗ.

Розроблено практичні рекомендації щодо поліпшення тягово-швидкісних властивостей ТЗ з ГУ.

Експериментально перевірено тягово-швидкісні властивості автомобіля ГАЗ5312 з ГУ на стенді СТК - 2М та в дорожніх умовах, а також порівняно отримані результати з якостями базового бензинового автомобіля.

Доведено можливість ефективної експлуатації ГУ автомобілів та тракторів.

Результати науково-дослідної роботи впроваджено у навчальний процес та виробництво.

Ключові слова: система “газогенераторна установка - двигун - транспортний засіб”, математична модель, тягово-швидкісні властивості, експеримент, експлуатація.



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні 20 років у світі потреба у первинних енергоносіях зросла в 3,6 рази. Потреба в нафті зросла в 5,9 рази, газу в 7,2 рази, а у вугіллі в 1,8 рази. Запаси вугілля у світі становлять 83%, а нафти - 10% від загального об'єму розвіданих родовищ. Застосування джерел енергії, альтернативних нафті, є актуальною проблемою не тільки для України, а й для всього світу. Один із способів вирішення проблеми альтернативи експлуатації нафтопродуктів - це можливість роботи як бензинових двигунів, так і дизелів на газогенераторному газі, який утворюється в результаті газифікації твердого палива. Історія створення і експлуатації газогенераторних транспортних засобів (ТЗ) заслуговує нового осмислення та відтворення на новому витку технічного розвитку автомобіле-тракторобудування. Генераторний газ може замінити нафтопродукти, хай локально, але повернути до експлуатації деяку кількість одиниць техніки, двигуни якої не економічно експлуатувати. В конструкції газогенераторних установок (ГУ) важливі функції виконує очисноохолоджуюча система (ООС). Газ, який отримується в генераторі, має високу температуру, і, якщо його не охолодити, циліндри двигуна ефективно наповнюватись не будуть, що приведе до погіршення тягово-швидкісних властивостей (ТШВ) ТЗ. Проведені раніше дослідження та досвід експлуатації свідчать, що при переведенні на газогенераторне паливо двигунів серійних ТЗ потенційні енергетичні можливості такого палива використовуються недостатньо. Внаслідок цього також погіршуються ТШВ ТЗ та зростає собівартість транспортних перевезень. Одним із шляхів вирішення проблеми експлуатації ТЗ з ГУ є оптимізація параметрів системи «двигунтрансмісія» та покращення ТШВ ТЗ в результаті цієї оптимізації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності до Державної науковотехнічної програми за номером 5.5 „Ресурсозберігаючі та енергоефективні технології машинобудування” за напрямом - „Розробка технологій конвертації двигунів на альтернативні види палива”, визначених Міністерством освіти і науки України.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення процесу газифікації для зменшення втрат потужності двигуна з газогенераторною установкою та покращання показників тягово-швидкісних властивостей раціональним вибором параметрів системи «двигунтрансмісія».

Для досягнення поставленої мети задачі дослідження сформульовані наступним чином:

· провести аналіз техніко-експлуатаційних показників серійних ТЗ з ГУ;

· розробити основні методологічні положення для дослідження системи “ГУ - двигун ТЗ”;

· розробити та уточнити моделі процесів теплопередачі та фільтрації ООС ГУ та проаналізувати вплив параметрів цих процесів на систему “ГУ двигун ТЗ” та її ТШВ;

· визначити показники роботи двигунів на генераторному газі та параметри ГУ;

· виконати порівняльний аналіз показників тягово-швидкісних властивостей ТЗ з ГУ відносно базового ТЗ;

· розробити практичні рекомендації щодо поліпшення тягово-швидкісних властивостей ТЗ з ГУ;

· провести експериментальні дослідження натурного зразка газогенераторного ТЗ з перевіркою його ТШВ.

Об'єкт дослідження - тягово-швидкісні властивості ТЗ з ГУ.

Предмет дослідження - процеси теплопередачі в системі “ГУ двигун трансмісія” та їх вплив на показники ТШВ ТЗ.

Методи дослідження передбачали моделювання нестаціонарного процесу теплопередачі в системі “ГУ двигун ТЗ”, багатоваріантні розрахунки на персональному комп'ютері показників ТШВ автомобілів зі штатними бензиновими і газовими двигунами, а також двигунами із ГУ зі стандартною трансмісією та пропонованою трансмісією, і експериментальну перевірку цих показників на газогенераторному автомобілі (ГГА).

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше запропоновано модель нестаціонарного процесу теплопередачі для дослідження системи “ГУ двигун ТЗ”. На основі розробленої моделі нестаціонарного процесу теплопередачі визначені основні параметри корисного використання тепла від системи “ГУ двигун транспортний засіб”. Запропоновано модель оцінки ефективності використання ТЗ з ГУ. Виконано порівняльний аналіз ТШВ базового (бензинового) автомобіля та автомобіля з ГУ. Визначені передаточні числа трансмісії для покращення показників ТШВ автомобілів з ГУ.

Експериментально встановлено: величину температури та кількість пилу в системі “ГУ двигун ТЗ”; стендові та дорожні тягово-швидкісні якості вантажного автомобіля з ГУ.

Достовірність результатів підтверджується:

коректним використанням методів загальної теорії систем для моделювання недосліджених параметрів стану системи “ГУ двигун ТЗ”;

адекватністю результатів математичного моделювання і визначенням показників тягово-швидкісних властивостей ТЗ з ГУ.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано конструкцію фільтра грубої очистки та охолоджувача в системі “ГУ двигун ТЗ”. Одержані результати теоретичних та експериментальних досліджень можна використати при проектуванні ГУ. Запропоновані рекомендації щодо поліпшення тягово-швидкісних властивостей ТЗ з ГУ та використання тепла від установки в експлуатації.

Результати науководослідної роботи впроваджено у виробництво та навчальний процес.

Особистий внесок здобувача. Особисто здобувачем отримано результати, які перелічені у науковій новизні роботи. Всі основні результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно та опубліковані у 9 наукових працях та в 3 тезах доповідей, підтверджені патентом України за №79600. Роботи [2, 5, 6, 7, 8, 11, 13] виконані самостійно. В роботах, у співавторстві, здобувачу належать: у роботі [1] -- аналіз серійних пристроїв ООС та визначення перспективи використання газогенераторних установок; у роботі [3] -- запропонована модель нестаціонарного процесу теплопередачі в ООС; у роботі [10] -- виконана оптимізація розмірів грубих очисників-охолоджувачів; у роботі [4] -- розроблений комплекс робіт з встановлення газогенераторної установки на трактор ДТ175С; у роботі [12] -- запропонований спосіб пуску двигуна внутрішнього згоряння трактора чи автомобіля при низькій температурі навколишнього середовища; у роботі [9] -- запропоновані формули для статистичної обробки непрямих системних вимірювань температури.

Апробація роботи. Результати досліджень доповідались на: IVV наукових конференціях аспірантів та співробітників Державного агроекологічного університету в 20022003рр. м. Житомир; на Всеукраїнській науковопрактичній конференції з практичного навчання Житомирського агротехнічного коледжу у 2004р. м. Житомир; на Всеукраїнській науково-практичній інтернетконференції „Простір і час сучасної науки” у 2006р. м. Київ; на V Міжнародній науково-практичній конференції „Досвід подолання наслідків Чорнобильської катастрофи у сільському та лісовому господарстві - 20 років після аварії на ЧАЕС” у 2006р. м. Житомир; на II Міжнародній науково-практичній конференції студентів і молодих вчених „Перспективна техніка і технології - 2006” у 2006р. м. Миколаїв.



2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета, задачі, об'єкт і предмет дослідження, викладені наукова новизна, практичне значення, інформація про апробації та публікацію основних положень дисертації.

У першому розділі розглянуто і проаналізовано процес газифікації та конструкцію пристроїв транспортних ГУ, методи покращання ТШВ ТЗ. Обґрунтовано доцільність застосування газогенераторних автомобілів, а також мету та задачі дослідження.

Транспортний засіб з ГУ - це в багатьох випадках серійний трактор чи автомобіль з установкою, яка генерує горючий газ, що слугує паливом для двигунів. Тому більшість експлуатаційних властивостей газогенераторних ТЗ, в порівнянні з базовими серійними, залишаються незмінними. Це не стосується тягових властивостей, адже при роботі двигуна на газоповітряній суміші його ефективна потужність значно менша в порівнянні з роботою на бензині.

Розглянуто відомі серійні конструкції ГУ та її складову ООС. Загальну конструкцію ГУ крім газогенератора 1 класично складають пристрої для охолодження 3, очищення 2, 4 газу. Крім того в газогенераторну установку входять пристрої для наддуву повітря - вентилятори 5, пристрій для приготування робочої суміші з очищеного та охолодженого газу і повітря - змішувач, інші пристрої при необхідності.

У другому розділі встановлено вплив вхідних параметрів системи «ГУ - двигун» на роботу двигуна газогенераторних ТЗ. Перед проектуванням цієї системи слід визначити параметри газифікації, які мають ґрунтуватися на конкретних умовах протікання цього процесу. В таблиці 1 показана частина розрахованих показників газогенераторів двигунів ЗМЗ53 та ЗиЛ130.



Таблиця 1. Показники роботи двигунів ЗМЗ53 та ЗиЛ130 на генераторному газі

Марка двигуна	Середній індикат. тиск Pi, МПа	Індикаорний ККД зi	Ефект. потужн. Nе, кВт	Витрата палива Gт, кг/год	Ксть повітря 0, м3	Витрата газу, Vг, м3/год.	Витрата суміші Vсм., м3/год.
ЗМЗ53	0,638	0,341	52,71	55,745	1,09	122,64	285,61
ЗиЛ130	0,624	0,335	71,94	79,791	1,09	173,14	403,21

Функції пристроїв ГУ та її складової ООС розглядали раніше, як окремі, мало залежні одне від одного процеси. Щоб з'ясувати можливе функціонування пристроїв ГУ в складі системи “ГУ - двигун”, було сформульоване формальне поняття системи, її конструкції, тощо. Розглянуто раніше не досліджені теоретичні моделі системи “ГУ - двигун”. Визначено, що дану систему не можна відносити до об'єктів - “чорних ящиків”, так, як математичний апарат пропонує методи для опису процесів в цій системі.

З початку процесу газифікації, коли починає утворюватися генераторний газ, до системи підводиться тепло. Процес передачі тепла, до початку роботи двигуна на генераторному газі, носить яскраво виражений нестаціонарний характер, подібні процеси раніше не досліджувались. Було складено модель теплопередачі на основі рівняння теплообміну в диференціальній формі, подібну до моделі В.А. Ніколаєва. Це рівняння, складене на основі теплового балансу у системі, має вигляд:

q d = c dt + б F_о (tt_o) d ( 1 )

В лівій частині рівняння - величина теплового потоку q (кДж/год), що нестаціонарно отримується системою “ГУ - двигун” в результаті процесу газифікації. В правій частині рівняння - добуток c dt - це кількість теплоти, яка йде на нагрів системи “ГУ - двигун” від початкової до заданої температури, де c - теплоємність системи , кДж/град ; dt - зміна середньої температури системи. В правій частині рівняння - нестаціонарні витрати теплоти через стінки пристроїв ГУ та ООС, визначені на основі закону теплопередачі Ньютона: бF_о (tt_o)d , де б - коефіцієнт тепловіддачі від стінок до навколишнього середовища, кДж/м² град; t - середня температура ГУ, ⁰С; t_o - температура навколишнього середовища, ⁰С; - час передачі теплоти, год; F_о - поверхня охолодження пристроїв системи, м². Один із розв'язків рівняння (1) має вигляд:

t - t_o = q ( 1 - exp( б F_о / c)) / б F_о ( 2 )

Різницю t - t_o названо „різниця температур t ”. Залежність цього параметра від часу роботи і від площі охолодження F_о системи.

Як і в будьякій моделі об'єкта, в даній моделі допущено ряд спрощень зв'язків між параметрами. Не враховуються практично незначні втрати енергії на випромінювання тепла та нагрівання сусідніх агрегатів. Приймають однаковими температуру ГУ та стінок її елементів, як середню між температурою найбільш гарячою та холодною точками установки, рахують її теплоємність, як суму теплоємностей її окремих мас - матеріалів стінок, газу, тощо.

Процес фільтрації газу, як один із визначників стану системи “ГУ - двигун”, відрізняється складністю моделювання. Для спрощення цього процесу розглядали його окремі складові ефекти: дотику, гравітаційного осаду, сита, тощо. Для створення моделі вловлювання пилу фільтром із склотканини використано рівняння, яке отримали Денніс Р. і Клемм Х.А. методом послідовного наближення результатів експериментів:

C_o = ( P_ns + ( 0,1 - P_ns ) exp( A W )) C_i + C_R , ( 3 )

P_ns = 1,5 10 ² exp( 12,7 ( 1 - l^{60,18 V})) , ( 4 )

A = 4,66 10 ⁴ V + 0,094 , ( 5 )



де C_o концентрація частинок на виході з фільтру, г/м³; P_ns безрозмірна постійна; V локальна лобова швидкість газу, м/с; W - кількість частинок на фільтрі, г/м³; C_R концентрація винесених з фільтру частинок, приймається постійною (C_R = 0,5мг/м ³ ); C_i концентрація частинок на вході, г/м³.

Розраховано параметри моделі вловлювання пилу фільтром зі склотканини, отримані дані використані для побудови графічних залежностей. Встановлено, що для забезпечення концентрації частинок на виході з фільтру C_o=0,007 г/м³,

, ( 6 )

де k' постійний коефіцієнт; Q_H нижча теплотвірна здатність; б - коефіцієнт надлишку повітря; L₀ кількість повітря, теоретично необхідного для спалювання газу; з_v - коефіцієнт наповнення циліндрів; з_i, з_м - відповідно індикаторний і механічний ККД; R - універсальна газова постійна; p₀ і T₀ тиск і температура газоповітряної суміші при впуску. Було враховано складність параметричних зв'язків у формулі (6), коефіцієнт наповнення циліндрів двигуна визначали:

, ( 7 )

де р_н і Т_н тиск і температура навколишнього середовища (безпосередній зв'язок з параметрами p₀ і T₀ ); р_г і Т_г тиск і температура залишкових газів; р_а і Т_а тиск і температура в кінці такту впуску. Вплив відносного підвищення температури суміші на коефіцієнт наповнення циліндрів та ефективну потужність газогенераторного двигуна представлено в таблиці 2.



Таблиця 2. Вплив відносного підвищення температури суміші на коефіцієнт наповнення циліндрів та ефективну потужність газогенераторного двигуна

Температура газоповітряної суміші T0 , 0С	Відносна зміна, %
	коефіцієнта наповнення циліндрів зv	ефективної потужності Ne
15	100	100
25	93	89
35	80	75

Використавши окремі експериментальні та врахувавши розраховані дані (див. таблицю 1), побудували швидкісні характеристики двигунів ЗМЗ53 та ЗиЛ130 з ГУ.

У третьому розділі виконано порівняльний аналіз показників тягово-швидкісних властивостей ТЗ з ГУ відносно базового ТЗ та розроблено рекомендації щодо поліпшення тягово-швидкісних властивостей ТЗ з ГУ шляхом раціонального вибору параметрів системи «двигунтрансмісія».

Проведений аналіз швидкісних характеристик двигунів ЗМЗ53 та ЗиЛ130 з ГУ свідчить, що при використанні генераторного газу для живлення двигуна, ефективна потужність його зменшується до 39%, тяговодинамічні та швидкісні властивості автомобілів з такими двигунами погіршуються.

У зв'язку з тим, що використання спеціальних газових двигунів у найближчі роки навряд чи можливе, слід шукати шляхи підвищення тягово-швидкісних властивостей газогенераторних автомобілів за рахунок оптимізації параметрів системи “двигун трансмісія”, зменшення вантажопідйомності.

Показники тягово-швидкісних властивостей ГГА визначено шляхом розв'язку диференціального рівняння руху автомобіля, яке відоме у вигляді:

Ч M_aЧd_об=P_кол(V) P_оп(V,V²) ± G_aЧsina ( 8 )



де M_a - повна маса автомобіля, кг; d_об - коефіцієнт, який ураховує обертові маси автомобіля; P_кол(V) - повна колова сила на ведучих колесах автомобіля, Н; P_оп(V,V²) - сума сил опору руху автомобіля, які залежать від швидкості його руху, Н; G_аЧsina - сила опору підйому, Н; G_а - сила тяжіння від повної маси автомобіля, Н; a - кут поздовжнього нахилу полотна дороги; V - швидкість руху автомобіля, м/с; dV/dt - прискорення автомобіля, м/с².

В таблицях 3 і 4 показана частина розрахованих показників ТШВ автомобілів ГАЗ5312, ЗиЛ431410 в базовій комплектації та у випадку встановлення на них ГУ.

Таблиця 3. Параметри розгону автомобілів на бензині та генераторному газі до 16,7 м/с

Автомобіль	Час розгону , с	, %	Шлях розгону S, м	S, %
ГАЗ5312	32,71	100,0	332,1	100,0
ГАЗ5312 ГУ	82,49	252,2	1042,8	314,0
ЗиЛ431410	37,53	100,0	303,7	100,0
ЗиЛ431410 ГУ	88,79	238,5	851,9	280,5

Таблиця 4. Показники ТШВ автомобілів на бензині та генераторному газі

Модель автомобіля	Максимальний підйом	Максимальна сила тяги, Н	Максимальне прискорення, м/с2
ГАЗ5312	0,341	27506	0,798
ГАЗ5312 з ГУ	0,214	19928	0,697
ЗиЛ431410	0,336	37462	0,831
ЗиЛ431410 з ГУ	0,202	28027	0,739

Максимальну швидкість визначили шляхом розв'язку рівняння потужнісного балансу автомобіля, яке записується у вигляді:

, ( 9 )



де k - коефіцієнт опору повітря, Н с²/м⁴; F - площа проекції автомобіля на площину, що перпендикулярна поздовжній осі автомобіля, м²; k_f - коефіцієнт, що враховує приріст сили опору кочення автомобіля від швидкості його руху, k_f = 0,000036V²; f₀ - коефіцієнт опору кочення при швидкості автомобіля 1 м/с.

Швидкість за кінематичними параметрами трансмісії визначено як:

, ( 10 )

де _N - кутова швидкість колінчастого вала двигуна в режимі максимальної потужності.

Встановлено, що є значні розбіжності (до 13%) у величинах максимальної швидкості руху, що визначена за енергетичними можливостями ГГА і за кінематичними параметрами його трансмісії. Тому була потреба раціонально вибрати параметри системи «двигунтрансмісія», які впливають не тільки на ТШВ автомобілів з ГУ, але й на показники паливної економічності ГГА.

Встановлено, що на сьогодні важко порівняти паливну економічність автомобіля з ГУ відносно базового, в першу чергу, через складність у визначенні кількості твердого палива, яке газифікується в газогенераторі. Пояснити це можна тим, що під час процесу газифікації паливо неповністю вигоряє в газогенераторі і різна його кількість може потрапляти до піддону з попелом. Коли, можливо, будуть вирішені ці та подібні технічні проблеми, тоді з'явиться можливість більш точніше визначити паливну економічність автомобілів з ГУ, але й зараз тверде паливо (деревина, вугілля, торф, тощо) з точки зору його вартості (3550 грн./100 км для ГАЗ5312 з ГУ) значно переважає нафтове паливо. Розраховано для автомобілів ГАЗ5312 та ЗиЛ431410 з ГУ передаточні числа трансмісії за відомими законами та методиками. Для визначення ряду передаточних чисел трансмісії цих автомобілів використано математичний апарат чисельних методів оптимізації. За критерії взято наступні показники: G₁ - максимальна швидкість у відповідності до вантажопідйомності, м/с; G₂ 10¹ - час розгону до швидкості 16,67 м/с; G₃ 10¹ - час проходження 400 м, с; G₄ 10¹ - час проходження 1000 м, с; G₅ - максимальна сила тяги, кН; G₆ - максимальний підйом, що долається, град., на першій передачі; G₇ 10¹ -прискорення, на другій передачі, м/с²; Q₁ 10¹ - контрольна витрата палива, кг/год; Q₂ - витрата палива, кг/10 км при швидкості 16,67 м/с; Q₃ - витрата палива, кг/10 км при максимальній швидкості. Значення критеріїв для автомобіля ГАЗ5312 з ГУ наведені у таблиці 5.

Таблиця 5. Значення критеріїв оптимізації силових агрегатів автомобіля ГАЗ5312 з ГУ

Критерії	Варіант трансмісії
	ГАЗ5312 з газогенераторною установкою
	I	II	III
G1	21,26	22,01	21,16
G2 101	8,35	8,29	8,57
G3 101	5,18	4,88	5,53
G4 101	13,71	13,41	13,87
G5	21,15	18,81	20,63
G6	21,46	18,14	21,26
G7 101	7,35	7,31	6,83
Q1 101	8,96	8,85	8,79
Q2	8,86	8,76	8,63
Q3	10,27	10,91	10,09

Обґрунтовано ефективність експлуатації транспортних засобів з ГУ. Для цього запропоновано модель, в якій враховано, через комплексні показники, можливість внесення конструктивних змін в трансмісію, компонування ТЗ з ГУ:



( 11 )

де z - цільова функція, яка визначає основний критерій оптимальності - максимізацію продуктивності ТЗ; р₁, … р_п - продуктивність кожного ТЗ; F - фонд часу експлуатації визначеної множини ТЗ; х₁, … х_п - частина фонду часу F ; с₁, … с_п - граничні обмеження часу експлуатації кожного ТЗ; R_a1, … R_ak - загальний енергетичний ресурс різних видів енергоджерел;

загальна енергоємність різних видів палива, затрат праці і експлуатації. Швидкість руху, при моделюванні ефективності експлуатації транспортних засобів з ГУ, визначалась за формулою:

( 12 )

За допомогою моделі, записаної формулою (11), зроблено оцінку ефективності застосування автомобілів, які обладнані ГУ (див. таблицю 6).

Виконано порівняльний аналіз показників ТШВ газогенераторних ТЗ з модернізованою трансмісією відносно базових ТЗ, за які взято автомобілі ГАЗ5312 та ЗиЛ431410.

У четвертому розділі представлено результати досліджень створеного натурного зразка газогенераторного ТЗ та його тягово-швидкісних властивостей, а також впровадження отриманих результатів у виробництво та навчальний процес.



Таблиця 6. Дані до розрахунку ефективності експлуатації автомобіля ГАЗ5312 з ГУ

Комплектація	Обмеження фонду F, год.	Енергоеквівалент палива, МДж	Енергозатрати експлуатації, МДж	Середня продуктивність, т/год.	Критерій ефективності F/тв
З установкою СПГ	140	1388,4	5,7	4	0,25
З установкою газогене ратораторною	45	693,6	11,8	3	0,33

Для кожного з експериментів була розроблена загальна структура, підібрано методи їх проведення. Створено натурний зразок газогенераторного ТЗ на базі автомобіля ГАЗ5312. Конструктивні розміри газогенератора натурного зразка наступні: діаметр камери газифікації D_k = 281,2 мм; діаметр горловини d_г = 130,1 мм; висота активного шару Н_з = 212,1 мм; періодичність довантаження бункера t_б =1,3 год. Визначено, що теплова енергія, яка вивільнилась в результаті процесу газифікації палива, на чверть втрачається, а саме відводиться у навколишнє середовище через стінки ГУ.

Розроблено спосіб підведення тепла до двигуна для його швидкого пуску в зимових умовах. Газогенератор 1, будьякого типу з відомих, газифікує тверде паливо, при цьому виділяється кількість тепла, яка частково передається через стінку бункера до ємкостей з оливою та водою. Коли ці рідини нагріються, крани 6 та 7 відкриваються і трубопроводами 2 та 3 вони надходять до двигуна, де, змішуючись з його холодними оливою та водою, передають їм тепло. При необхідності надлишок рідин, після запуску, можна видалити через зливні крани (чи пробки) 11 та 12. Для опису процесу передачі тепла можна записати:

, ( 13 )



де dQ - кількість теплоти, що проходить через стінку; л_с - коефіцієнт теплопровідності; S_c - поверхня стінки; l_c - довжина стінки; d - зміна часу, за який проходить теплопередача.

Проінтегрувавши кожну частину рівняння (13) і отримаємо:

( 14 )

Сумарний об'єм V_є ємкостей для підігріву масла та охолоджуючої рідини записано, як:

( 15 )

За допомогою формул (1315) встановлено, що при температурі навколишнього середовища 20єC достатньо 5,6 хвилини для розігріву охолоджуючої рідини та оливи для пуску газогенераторного двигуна ЗМЗ53. Запропоновано нову конструкцію фільтраохолоджувача ГУ. Експериментальне визначення кількості пилу в об'ємі газу виконано за відомими методами, що використовуються в техніці. Отримані результати співвідносяться з даними Токарєва Г. Т. на 715%. Для вимірювання температури на ділянках системи “ГУ двигун ТЗ” було вибрано за основний термоелектричний метод, результати дослідження в таблиці 7.

Для проведення експериментальних досліджень встановлено ГУ на автомобілі ГАЗ52 та ГАЗ53. Виконана лабораторна перевірка ефективної потужності двигуна з ГУ та ТШВ переобладнаного автомобіля ГАЗ53 з ГУ на стенді СТК-2М (табл. 8 та 9). Технологія стендових лабораторних досліджень автомобілів з ГУ дещо відрізняється від базових (бензинових) автомобілів.

При підготовці до випробовувань автомобілів з ГУ слід враховувати час на розпалювання газогенератора, при цьому можна врахувати результати температурних досліджень даної роботи (таблиця 7). Тільки після виходу на режим повного розігріву газогенератора та

Визначено величину зменшення ефективної потужності двигуна при переобладнанні базового ТЗ в газогенераторний, яка склала 41%, відносна похибка моделювання становить 7,3%.

Таблиця 7. Результати вимірювань температури в системі “ГУ двигун ТЗ” і перевірки адекватності моделі нестаціонарного процесу теплопередачі

Модель ГУ	Час роботи системи = 0,5	Час роботи системи = 1
	<teкс>	Дп		м	<teкс>	Дп		м
ЗМЗ53	95,7	1,9	2,0	8,3	109,7	1,7	1,6	8,2
СМД66	180,9	1,5	1,1	27,1	204,9	1,3	0,7	19

Таблиця 8. Дані порівняння стендових тягових якостей

Встановлена швидкість автомобіля, км/год	Базовий автомобіль ГАЗ5312	Автомобіль ГАЗ5312 з ГУ
	Pк.екс., кН	е	Дп	ем	Pк.екс., кН	е	Дп	ем
40	6,25	5,2	0,13	4,9	5,46	7,4	0,11	6,9
60	4,21	7,9	0,07	3,2	3,39	10,7	0,09	5,1

Таблиця 9. Дані порівняння лабораторних якостей розгону

Встановлена швидкість автомобіля, км/год	Базовий автомобіль ГАЗ5312	Автомобіль ГАЗ5312 з ГУ
	Текс., с	е	Дп	ем	Текс., с	е	Дп	ем
40	19,1	6,1	0,78	4,2	53,8	6,7	0,61	7,5
60	36,7	6,8	0,39	9,2	91,3	8,9	0,38	9,0

Виконано порівняльний аналіз показників ТШВ газогенераторних ТЗ з модернізованою трансмісією відносно базових ТЗ, за які взято автомобілі ГАЗ5312 та ЗиЛ431410. Дані аналізу представлено графічно на рисунках 9, 10. Під час дорожніх випробувань визначалися показники тягово-швидкісних властивостей автомобіля ГАЗ5312 з ГУ відповідно до ГОСТ 2257690



Таблиця 10. Дані перевірки адекватності теоретичного розрахунку показників ТШВ автомобіля ГАЗ5312 з ГУ в дорожніх умовах

Показники	<xeкс>	Дп	е	ем
Максимальна швидкість, м/с	19,8	1,4	1,97	7,91
Час розгону до швидкості 16,67 м/с, с	89,7	3,7	3,92	8,41
Час проходження 400 м, с	50,8	2,8	3,28	11,32
Час проходження 1000 м, с	134,8	3,0	2,41	9,55

Як видно із таблиці 10, максимальне відхилення у визначенні часу проходження мірного відрізка дещо більше у порівнянні із визначенням максимальної швидкості.

Пояснено це тим, що водії, як показує обробка результатів експерименту, переключають передачі не за максимальної частоти обертання колінчастого вала, а при дещо нижчій (290...300 рад/с), що призводить до збільшення часу проходження 400 і 1000 м. Адекватність теоретичного дослідження ефективності експлуатації автомобіля ГАЗ5312 з ГУ перевірялось прямими вимірюваннями маси вантажу, що перевозились автомобілями з установками СПГ та газогенераторною.

В таблиці 11 представлено результати отриманих таких даних з вимірювання маси вантажів та визначення випадкової похибки цих вимірювань при ймовірності Р=0,95, яка прийнята для досліджень в галузі техніки.

Таблиця 11. Результати визначення випадкової похибки вимірювання маси вантажу

Комплектація	<текс>, т	у<т>	Дп	е	ем
З установкою СПГ	557,7	0,72	9,1	1,6	0,4
З газогенераторною установкою	120,6	1,27	16,2	13,4	10,7

Розглянуто можливість та перспективи встановлення ГУ на гусеничні та колісні трактори загального призначення. Встановлено, що експериментальні дослідження необхідно продовжувати шляхом дослідження режимів роботи турбокомпресора та регулятора паливного насоса високого тиску двигунів таких тракторів.



ВИСНОВКИ

1. Один із способів вирішення проблеми альтернативи експлуатації нафтопродуктів це можливість роботи як бензинових двигунів, так і дизелів на газогенераторному газі, який утворюється в результаті газифікації твердого палива. При цьому експлуатація ТЗ з ГУ повинна бути економічно доцільною. Продуктивність таких машин повинна бути на рівні з базовими ТЗ. Тому покращання техніко-експлуатаційних властивостей ТЗ з ГУ потребує нових підходів до вирішення проблемних питань.

2. Аналіз літературних джерел, практичний досвід експлуатації серійних ГУ для транспортних засобів вказує на недосконалість систем охолодження та очищення газу при газифікації і використання його у ДВЗ. Встановлено, що генераторний газ має очищатися від смолистих речовин, поряд з належним чином обраними параметрами газогенератора, оберненим способом газифікації.

3. Запропонована модель нестаціонарного процесу теплопередачі в системі «ГУ - ДВЗ - ТЗ», що дозволило визначати середню теоретичну температуру системи, кількість теплоти, що підводиться до системи, встановити залежність середньої температури системи від її поверхні охолодження, визначити вплив вихідної температури генераторного газу на робочий процес ДВЗ та тягово-швидкісні властивості автомобіля з ГУ.

Встановлено, що для ГУ двигуна ЗМЗ53 нестаціонарний процес закінчується після 0,6 год роботи системи. Тепло від ГУ доцільно використовувати для пуску двигуна у холодну пору року, обігріву закритих кузовів взимку, на що отримано патент на корисний винахід України.

Обгрунтована модель оцінки ефективності експлуатації ТЗ з ГУ у порівнянні з базовими, в якій враховано продуктивність ТЗ, час та граничні обмеження часу експлуатації, загальний енергетичний ресурс різних видів енергоджерел, загальну енергоємність різних видів палива, затрати праці, тощо.

6. Ефективність використання автомобіля ГАЗ5312 з ГУ поряд з автомобілем цієї ж марки з установкою, яка працює на скрапленому природному газі (СПГ), у порівнянні з експлуатацією двох таких автомобілів тільки на СПГ підтверджується наступними результатами моделювання:

загальна енергоємність експлуатації автомобіля ГАЗ5312 з ГУ менша на 55%;

собівартість та енергоємність твердого палива удвічі менша за подібні показники для СПГ;

два автомобілі, які працюють на СПГ перевезуть лише на 6% більше вантажу, аніж ці автомобілі у випадку, якщо на один з них встановлена ГУ.

7. Порівняльним аналізом показників ТШВ автомобіля ГАЗ5312 з ГУ, при умові зменшення вантажопідйомності на 25%, відносно базового бензинового ТЗ встановлено зниження максимального динамічного фактору на передачах до 17%, прискорення до 12%, при більш суттєвому зменшенні максимальної швидкості руху до 25%.

8. Встановлено, що покращення показників ТШВ автомобілів з ГУ можливе за рахунок узгодження енергетичних і кінематичних параметрів силових агрегатів і трансмісії автомобіля, а також оптимізації параметрів системи «ГУ ДВЗ ТЗ» при економічно обґрунтованому рівні зниження вантажопідйомності автомобілів. Кращі показники ТШВ і паливної економічності забезпечуються модернізованими трансмісіями автомобілів ГАЗ5312 з ГУ (u_тр1 =44,40; u_тр2 =28,09; u_тр3 =17,80; u_тр4 =11,29; u_тр5=7,15) та ЗиЛ431410 з ГУ (u_тр1 =46,85; u_тр2 =29,79; u_тр3 =18,96; u_тр4 =12,05; u_тр5=7,68) при умові, що такі автомобілі будуть перевозити не більше 75% вантажу у порівнянні з базовими бензиновими.

Порівняно показники ТШВ ГГА з модернізованою трансмісією, при умові зменшення вантажопідйомності на 25% по відношенню до базового автомобіля, з показниками ГГА з стандартною трансмісією, в якого зменшено вантажопідйомність на 25%, та отримано наступні результати: на 4,7% збільшується максимальна швидкість; зменшується на 16,2% час та на 19,1% шлях розганяння автомобілів до швидкості 16,67 м/с.

9. Результати роботи впроваджено у виробництво та навчальний процес.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Створення сучасного газогенераторного двигуна внутрішнього згоряння для північних районів України - важливий фактор підтримки с.г. товаровиробника /М.І. Шмалюк, В.А. Вознюков, Б.В. Ємець, Л.В. Лось // Вісн. Інженерної академії України. - 2001. №2. - С. 75 - 77.

2. Ємець Б.В. Визначення загальної енергоємності використання автомобілів з газогенераторною установкою в екологічних агротехнологіях // Вісн. ДАУ. - 2005. №1. - С. 208 - 214.

3. Лось Л.В., Ємець Б.В. Ідентифікація як основа макропроектування очисноохолоджувальної системи газогенераторної установки автотракторних двигунів в екологічному аспекті // Вісн. ДАУ. - 2005. №2.- С. 228 238.

4. Лось Л.В., Ємець Б.В., Шмалюк М.І. Перспективи створення, визначення показників роботи та основних розмірів газогенераторних установок для тракторних двигунів // Вісн. ДАУ. - 2006. №1. - С. 109 - 121.

5. Ємець Б.В. Вирішення проблеми використання радіоактивно забрудненої біомаси в якості пального для ДВЗ. П'ята Міжнародна науковопрактична конференція „Досвід подолання наслідків Чорнобильської катаст

рофи в сільському та лісовому господарстві - 20 років після аварії на ЧАЕС”. Тези доповідей. - Житомир: Видав. „ДАУ”, 2006. - С. 192 - 194.

6. Ємець Б.В. Нове осмислення історичного розвитку газогенераторів та систем охолодження і очищення газу автотракторних двигунів з метою відтворення їх виробництва. Друга Всеукраїнська науковопрактична інтернетконференція „Простір і час сучасної науки”. Тези доповідей. - К.: Видав. ТОВ „МЕГАНОМ”, 2006. - С. 48 - 50.

7. Ємець Б.В. Корисне використання теплової енергії газогенераторних установок - шлях до зниження негативної дії на навколишнє середовище // Вісн. ДАУ. - 2006. №1. - С. 200 - 209.

8. Ємець Б.В. Поновлення експлуатації газогенераторних установок тракторів та автомобілів з метою зниження енергозатрат в агротехнологія. Друга Міжнародна науковопрактична конференція студентів та молодих учених МДАУ „Перспективна техніка і технології 2006”. Тези доповідей. - Миколаїв: Видав. „Вісн. аграр. науки Причорномор'я”. Спецвипуск, 2006. - С. 73 - 77.

9. Рудзінський В.В., Ємець Б.В. Особливості метрологічної обробки експериментальних даних при непрямих вимірюваннях температури очисноохолоджуючої системи газогенерераторної установки автотракторних двигунів // Автошляховик України. - 2006. № 4. - С. 12-14.

10. Оптимізація технікоекономічних показників автотракторних газогенераторів - основа відтворення їх виробництва / Л.В. Лось, О.В. Ніколенко, Б.В. Ємець, М.І. Шмалюк // Вісн. ДАУ. - 2006. № 2. - С. 113 - 121.

11. Ємець Б.В. Дослідження процесів фільтрації генераторного газу - як фактор подальшої екологобезпечної та економічної експлуатації газогенераторних установок автотракторних двигунів // Автошляховик України. - 2007. № 2. - С. 8-12.

12. Пат. 79600 Україна, МПК F01M5/00 F02N17/00. Спосіб пуску двигуна внутрішнього згоряння трактора чи автомобіля при низькій температурі навколишнього середовища і газогенератор для його пуску: Пат. 79600 Україна, МПК F01M5/00 F02N17/00 / Л.В. Лось, Б.В. Ємець, М.І. Шмалюк, М.Я. Артемчук (Україна); ДАУ. - 2004042414; Заявл. 01.04.2004; Опубл. 10.07.2007, Бюл. №10. - 4с.

13. Ємець Б.В. Модель ефективності використання транспортних засобів з покращеними техніко-експлуатаційними показниками, які обладнані газогенераторними установками // Автошляховик України. - 2007. № 4. - С. 14 - 17.

Размещено на Allbest.ru