Покращення екологічних показників КТЗ переобладнанням дизелів в газодизелі в умовах експлуатації

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

удк 621.436

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Покращення екологічних показників КТЗ переобладнанням дизелів в газодизелі в умовах експлуатації

спеціальність: 05.22.20 -- «Експлуатація та ремонт засобів транспорту»

Назаренко Микола Борисович

КИЇВ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті (НТУ) Міністерства освіти і науки України та ДП „ДержавтотрансНДІпроект” Міністерства транспорту та зв'язку України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Гутаревич Юрій Феодосійович,

Національний транспортний університет,

завідуючий кафедрою „Двигуни і теплотехніка”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Дикий Микола Олександрович,

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”,

професор кафедри „Теоретична та промислова теплотехніка”

кандидат технічних наук, доцент

Грицук Ігор Валерійович,

Донбаська національна академія будівництва і архітектури,

доцент кафедри „Автомобілі і автомобільне господарство”

Захист відбудеться „ 30 ” жовтня 2009 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий „___” вересня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.В.Ковбасенко

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

АНОТАЦІЯ

Назаренко М.Б. Покращення екологічних показників ктз переобладнанням дизелів в газодизелі в умовах експлуатації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту. -Національний транспортний університет. - Київ, 2009.

Дисертація присвячена дослідженню впливу переобладнання дизеля для роботи за газодизельним циклом на паливну економічність і екологічні показники вантажних автомобілів з дизелями.

Розроблено методику визначення доцільності переобладнання двигуна вантажного автомобіля для роботи за газодизельним циклом в умовах експлуатації з врахуванням зміни екологічних показників, витрат на дизельне паливо та СПГ і соціально-економічного збитку.

Уточнена математична модель руху автомобіля за режимами міського їздового циклу для вантажних автомобілів повною масою більше 3,5 т, за допомогою якої можливо дослідити екологічні та паливно-економічні показники вантажного автомобіля з дизелем, переобладнаним для роботи за дизельним і газодизельним циклами.

Проведено стендові експериментальні дослідження автомобіля ГАЗ-3309 з дизелем Д-245.7 з заміром показників паливної економічності і екологічних показників при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами для отримання необхідних даних до математичної моделі. За результатами випробувань встановлено, що при роботі за газодизельним циклом зменшується димність - на 16%, концентрація оксидів азоту NO_x - на 26-49%. Разом з тим має місце зростання концентрацій вуглеводнів C_mH_n і оксиду вуглецю СО. Величина CO незначна, а вуглеводні, в основному являють собою метан, тому приведена до оксиду вуглецю токсичність ВГ, при переході на газодизельний цикл, зменшується.

В результаті проведених розрахунків на математичній моделі показано, що в експлуатації можна зменшити витрату дизельного палива до 73%, сумарні питомі викиди ШР перераховані до оксиду вуглецю при роботі за газодизельним циклом зменшаться, у порівнянні з роботою за дизельним циклом, на 12-21%, термін окупності складає 15-20 місяців.

Ключові слова: переобладнання, дизель, газодизель, природний газ, їздовий цикл, математична модель, паливна економічність, ШВ, екологічні показники.

АННОТАЦИЯ

Назаренко Н.Б. Улучшение топливной экономичности и экологических показателей КТС переоборудованием дизелей в газодизели в условиях эксплуатации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - «Эксплуатация и ремонт средств транспорта». -Национальный транспортный университет. - Киев, 2009.

Диссертация посвящена исследованию влияния переоборудования дизеля для работы за дизельным и газодизельным циклами на топливную экономичность и экологические показатели грузовых автомобилей.

Разработана методика определения целесообразности переоборудования дизеля грузового автомобиля для работы за газодизельным циклом в условиях эксплуатации, которая за энергетическими, экологическими показателями автомобиля и его топливной экономичностью в режимах, близких к эксплуатационным, позволяет определить целесообразность переоборудования дизеля грузового автомобиля в газодизель.

Уточнена математическая модель движения автомобиля в режимах городского ездового цикла для грузовых автомобилей полной массой больше 3,5 т. Модель позволяет определять энергетические, экологические показатели и топливную экономичность грузового автомобиля с дизельным двигателем Д-245.7, переоборудованным для работы за газодизельным циклом в условиях эксплуатации. Адекватность математической модели проверена по расхождению результатов расчетов показателей автомобиля на математической модели и дорожных испытаний.

Проведенные экспериментальные стендовые испытания автомобиля Газ-3309 с дизельным двигателем Д-245.7 с замером показателей топливной экономичности и экологических показателей при работе дизеля за дизельным и газодизельным циклами для получения необходимых данных к математической модели.

За результатами испытаний установлено, что при работе за газодизельним циклом уменьшается дымность - на 16%, концентрации оксидов азота NO_x - 26-49%. Вместе с тем имеет место увеличение концентраций углеводородов C_mH_n и оксида углерода СО. Величина CO незначительная, а углеводороды, в основном, представляют метан.

В результате проведенных расчетов на математической модели показано, что в зависимости от эксплуатационных условий, можно сократить потребление дизельного топлива, за счет замещения его СПГ, от 62% до 73% в зависимости от загрузки автомобиля.

Суммарные удельные выбросы вредных веществ, приведенные к оксиду углерода, при переходе на работу за газодизельным циклом, уменьшаются в сравнении с работой двигателя за дизельным циклом. При максимальной загрузке разница составляет 16%, при работе без загрузки - 12% (учитывались углеводороды С_mH_n замеренные методом пламенно-ионизационного дожигания) и 21-18% (учитывая углеводороды С_mH_n замеренные за методом инфракрасной спектроскопии).

В результате расчетов экономической целесообразности переоборудования грузового автомобиля ГАЗ-3309 для работы за газодизельным циклом было установлено, что при неполной загрузке автомобиля (2000 - 3000 кг) и среднесуточном пробеге 225-250 км, срок окупаемости составит 15-20 месяцев.

Затраты на топливо, при работе двигателя за газодизельным циклом при полной загрузке автомобиля, меньше чем при работе незагруженного автомобиля при работе двигателя за дизельным циклом.

Социально-экономический убыток от автомобиля, при переоборудования дизеля для работы за газодизельным циклом, уменьшится на 18,6-21% в зависимости от загрузки.

Ключевые слова: переоборудование, дизель, газодизель, природный газ, ездовой цикл, математическая модель, топливная экономичность, вредные выбросы, экологические показатели.

ANNOTATION

Nazarenko N.B. Improvement of fuel efficiency and ecological indicators of wheeled vehicle conversion of diesel engines in gazdiesel in operation. - Manuscript.

The dissertation for reception of scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a specialty 05.22.20 - Operation and repair of automobiles. -National Transport University. - Kiev, 2009.

The dissertation is devoted to the research of influence of diesel conversion for work gazdiesel cycle on fuel efficiency and ecological indicators of trucks with tractor diesel engines.

The method of determination of expedience of re-equipment of engine of truck is developed for work after a gazdiesel cycle in the conditions of exploitation. A model allows after the indexes of car and his fuel economy hauling-operating, ecological in the modes near to operating, to define expedience of converting of diesel in a gazdiesel.

The mathematical model of movement of the car is specified at modes of an urban driving cycle for lorries by a fully loaded mass more than 3,5 tons with which help it is possible to investigate ecological and fuel-economic indicators of the trucks with diesel engine converted to operate on diesel and gazdiesel cycles

Adequacy of mathematical model is tested by the road tests of truck ГАЗ-3309.

Experimental researches of car ГАЗ-3309 a road and stand are conducted with a diesel engine D-245.7 with intention of indexes of fuel economy and ecological indexes at the work of engine after a diesel and gazdiesel cycles by cycles for the receipt of necessary data to the mathematical model.

Calculation researches are conducted on a mathematical model with determination of fuel economy and ecological indexes at the work of engine after a diesel one gazdiesel cycles after the modes of city driver cycle for the choice and expedience recommendations in relation to expedience of converting of diesel in a gazdiesel in the conditions of exploitation.

Keywords: convertation, a diesel engine, gazdiesel engine, natural gas, a drive cycle, mathematical model, the fuel efficiency, harmful exhausts, ecological indicators.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з актуальних питань на транспорті є економія палива та зменшення забруднення навколишнього середовища. Зважаючи на те, що дизель є більш економічним у порівнянні з бензиновим двигуном, тенденції світового автомобілебудування зводяться до переважного використання дизелів на сучасних вантажних автомобілях малої та середньої вантажопідйомності.

Одним з шляхів зменшення споживання дизельного палива і вмісту шкідливих речовин (ШР) у відпрацьованих газах (ВГ) автомобільних дизелів є переобладнання останніх в умовах експлуатації для роботи за газодизельним циклом.

Таке переобладнання повинно бути обґрунтоване з врахуванням зміни показників двигуна та умов експлуатації автомобіля, що підтверджує актуальність проведених досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно плану наукових робіт Державного підприємства „ДержавтотрансНДІпроект” та Галузевої програми енергозбереження та впровадження альтернативних видів палива на транспорті на 2006-2010 роки, зокрема пункту 4.3 „Проведення досліджень ефективності впливу на енергетичні, економічні та екологічні показники КТЗ і двигунів дослідних зразків систем двигунів та пристроїв, призначених для зменшення забруднення довкілля і економії енергоресурсів”.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є економія дизельного палива та зменшення шкідливих викидів (ШВ) автомобілів з дизелями шляхом переобладнання дизелів в газодизелі в умовах експлуатації.

Для досягнення вказаної мети в роботі вирішуються такі задачі:

Аналіз результатів виконаних робіт з можливих переобладнань дизелів в умовах експлуатації.

Розробка методики визначення доцільності переобладнання дизеля для роботи за газодизельним циклом з врахуванням зміни показників двигуна та умов експлуатації.

Уточнення математичної моделі руху автомобіля за їздовим циклом при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами.

Проведення експериментальних досліджень автомобіля з заміром показників паливної економічності і екологічних показників при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами для отримання необхідних даних до математичної моделі

Перевірка адекватності математичної моделі проведенням експериментальних досліджень.

Проведення розрахунків на математичній моделі з визначенням паливної економічності та екологічних показників при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами.

Вибір і обґрунтування рекомендацій стосовно доцільності конвертації дизеля в газодизель.

Об'єкт дослідження - вплив переобладнання дизеля для роботи за дизельним і газодизельним циклами на показники вантажного автомобіля в умовах експлуатації.

Предмет дослідження - паливна економічність та екологічні показники автомобіля при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами.

Методи дослідження. Експериментальним методом досліджувались екологічні, енергетичні показники та паливна економічність автомобіля з дизелем при роботі за дизельним і газодизельним циклами. В стендових випробуваннях отримані дані для математичної моделі, яка складається з поліноміальних залежностей, алгебраїчних та диференціальних рівнянь, а також для перевірки адекватності математичної моделі.

Розрахунковим методом на математичній моделі визначались: паливна економічність, екологічні показники автомобіля в експлуатаційних умовах за роботи двигуна за дизельним і газодизельним циклами, залежності витрат на паливо автомобіля за добу від добового пробігу при різних завантаженнях.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблена методика, яка дозволяє обґрунтувати доцільність переобладнання дизеля вантажного автомобіля для роботи за газодизельним циклом в умовах експлуатації з урахуванням викидів ШР, витрат на паливо та соціально-економічного збитку.

Уточнено математичну модель, яка дозволяє імітувати рух вантажного автомобіля з двигуном, переобладнаним для роботи за дизельним і газодизельним циклами, за режимами їздового циклу.

Обґрунтована доцільність переобладнання дизеля вантажного автомобіля для роботи за газодизельним циклом в умовах експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані числові значення: витрат дизельного палива і стисненого природного газу (СПГ), викиду ШР з ВГ автомобіля ГАЗ-3309 з дизелем Д-245.7 при роботі за дизельним і газодизельним циклами під час руху за їздовим циклом.

Отримані поліноміальні залежності, які описують енергетичні і екологічні показники двигуна при роботі за дизельним і газодизельним циклами.

Розраховано соціально-економічні збитки, що завдає автомобіль довкіллю забрудненням повітря шкідливими викидами під час руху за їздовим циклом при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами.

Отримані числові значення, які дають змогу оцінити доцільність конвертації двигуна для роботи за дизельним і газодизельним циклами в умовах експлуатації.

Основні результати роботи прийнято для впровадження ТОВ „Газавто" (Довідка № 02 від 27.05.2009 р.) та ТОВ „Газодизель” (Довідка № 05 від 20.05.2009 р.) з метою визначення економії палива та зменшення шкідливих викидів в умовах експлуатації для обґрунтування доцільності переобладнання колісних транспортних засобів.

Особистий внесок здобувача. Розроблено методику визначення доцільності конвертації дизеля для роботи за газодизельним циклом. Уточнено математичну модель руху вантажного автомобіля з дизелем за їздовим циклом згідно з ГОСТ 20306-90 "Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний". Проведено експериментальні дослідження на автомобілі ГАЗ-3309 з дизелем Д-245.7, конвертованим для роботи за дизельним і газодизельним циклами. Проведено розрахункові дослідження для обґрунтування переобладнання автомобіля в умовах експлуатації.

Апробація результатів дисертації. Виступи на науково-практичній конференції "Управління безпекою на автомобільному транспорті" (Київ, 2004 рік), 50-ій конференції ААИ “Автомобиль и окружающая среда” (Дмитрів, Росія 2005 рік у співавторстві), щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і студентів НТУ (2007 - 2009 роки).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 11 праць, у тому числі: 5 - у спеціалізованих наукових збірниках, включених до переліку ВАК України, 5 - у матеріалах наукових конференцій. Отримано один патент України на корисну модель. Три статті видано одноосібно.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційну роботу складають вступ, п'ять розділів, загальні висновки, список використаних джерел та додатки. Дисертація має загальний обсяг 230 сторінок машинописного тексту, включаючи 186 сторінок основного тексту, 51 таблиця, 86 рисунків, список використаних джерел з 170 найменувань та 6 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

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

У першому розділі розглянуті проблеми і перспективи використання альтернативних видів палива на автомобільному транспорті, окремо розглянуто використання СПГ при роботі дизеля за газодизельним циклом.

Проведено аналіз виконаних досліджень щодо впливу переобладнання дизеля для роботи за газодизельним циклом на паливну економічність та екологічні показники транспортного засобу. Встановлено, що на даний час СПГ є найбільш технологічно підготовленим для використання у дизелі, і як таке паливо, що вимагає мінімальних витрат при переобладнанні дизеля для роботи на ньому.

Аналіз виконаних досліджень щодо способів переведення дизелів для роботи за газодизельним циклом показав, що таке переобладнання призводить до трансформації робочих процесів (сумішоутворення, паливоподачі і процесу згоряння) і, як наслідок, до значних змін основних показників двигуна. Тому потрібно провести дослідження щодо доцільності переобладнання двигуна вантажного автомобіля для роботи за газодизельним циклом.

Другий розділ присвячений розробці методики досліджень визначення доцільності конвертації дизеля в газодизель (рис. 1).



Рис. 1. Загальна схема методики проведення досліджень щодо доцільності конвертації дизеля вантажного автомобіля в газодизель

Розроблена методика дає можливість визначити доцільність конвертації дизеля в газодизель на основі всебічного аналізу паливної економічності, екологічних показників, економічного ефекту та соціально-економічних збитків, що завдаються довкіллю ШВ автомобільного транспорту.

Третій розділ присвячено уточненню математичної моделі для визначення паливно-економічних і екологічних показників вантажного автомобіля ГАЗ-3309 з дизелем Д-245.7 при роботі за дизельним і газодизельним циклами в русі за режимами міського їздового циклу.

Математична модель руху автомобіля за їздовим циклом це система диференціальних і алгебраїчних рівнянь, які описують окремі режими руху автомобіля і відповідні їм режими роботи двигуна.

Вхідними змінними в математичній моделі є цикл, за яким працює двигун (дизельний або газодизельний), споряджена маса автомобіля, величина та швидкість переміщення керуючого органу, обрана передача, час переключення передач, швидкість руху, яка визначається графіком руху за їздовим циклом, втрати в трансмісії, дорожні умови (величина коефіцієнта опору коченню дороги та кут підйому дороги), завантаження автомобіля.

Вихідними параметрами є витрата палива (дизельного та СПГ), витрата повітря, концентрації шкідливих речовин у ВГ двигуна.

Програма розрахунку екологічних показників і витрат дизельного палива та СПГ автомобіля створена у середовищі МАТНСАD 13 для іntel (РС) - сумісних комп'ютерів.

Основною величиною для розрахунку усіх перехідних та сталих режимів було прийнято значення крутного моменту двигуна в Нм, який описується поліноміальною залежністю другого степеня від частоти обертання колінчастого вала n_д і положення важеля керування паливоподачею ц_в, яка має вигляд:

М_к(n_д, ц_в) = A_o + A₁• n_д + A₂• ц_в + A₁₁• n_д ² + A_22• ц_в ² + A₁₂• n_д • ц_в. (1)

Для прикладу розглянуто процес розгону автомобіля із зблокованим зчепленням. Прискорення автомобіля (м/с²) визначалось з рівняння:

, (2)

де - m_о - власна маса автомобіля, кг;

m_в - маса вантажу, кг;

r_к - динамічний радіус кочення колеса, м;

- коефіцієнт врахування мас автомобіля, що обертаються;

U_i - передаточне число коробки передач;

U₀ - передаточне число головної передачі;

_т - к.к.д. трансмісії;

Р_f - сила опору дороги, Н;

Р_i - сила опору підйому, Н;

Р - сила опору повітря, Н.

З використанням отриманих величин прискорення визначалась швидкість автомобіля в процесі розгону. В процесі уточнення математичної моделі, для імітації руху автомобіля в різних дорожніх умовах, було передбачено розрахунки перехідних процесів при використанні крутного моменту різної величини, що дало можливість оцінити вплив умов експлуатації на співвідношення витрат дизельного палива і СПГ.

Використовуючи визначений або прийнятий крутний момент М_к і частоту обертання двигуна n_д були розраховані наступні показники роботи двигуна: витрата повітря G_пов (кг/год); показники паливної економічності: витрата дизельного палива G_дп (кг/год) при роботи за дизельним і газодизельним циклами; витрата СПГ G_газ (кг/год) при роботі за газодизельним циклом; екологічні показники - концентрації у відпрацьованих газах: оксиду вуглецю СО (%), вуглеводневих сполук С_mН_n (млн^-1), які вимірювались за методом інфрачервоної спектроскопії та УС_mН_n (млн^-1), які вимірювались за методом полум'яно-іонізаційного допалювання; оксидів азоту NO_х (млн^-1); димності N (%). Ці показники в подальшому описані поліноміальними залежностями другого степеня, які мають наступний вигляд:

y (n_д, М_к) = A_o + A₁• n_д + A₂• М_к + A₁₁• n_д ² + A_22• М_к ² + A₁₂• n_д • М_к. (3)

По отриманим за виразами в характерних точках значенням димності (непрозорості відпрацьованих газів) N було розраховано концентрації твердих частинок при роботі за дизельним та газодизельним циклами:

С = 0,00478 + 0,00136•N + 0,000047619•N ². (4)

В четвертому розділі описано мету, програму, об'єкт, методику та результати експериментальних досліджень.

Метою експериментальних досліджень є отримання даних для перевірки адекватності математичної моделі та розрахунків основних показників автомобіля при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами.

Програма експериментальних досліджень включала:

- визначення витрат палива і повітря, концентрацій ШР у відпрацьованих газах, димності відпрацьованих газів вантажного автомобіля ГАЗ-3309, обладнаного дизелем Д-245.7, в п'яти швидкісних режимах роботи двигуна по навантажувальних характеристиках за роботи двигуна за дизельним і газодизельним циклами.

- визначення витрати палива і повітря, концентрацій ШР у відпра-цьованих газах, димності відпрацьованих газів вантажного автомобіля в режимі роботи двигуна по швидкісній характеристиці холостого ходу за роботи двигуна за дизельним і газодизельним циклами.

- визначення витрати палива при різних режимах роботи двигуна вантажного автомобіля при імітації його руху за їздовим циклом на стенді тягових властивостей згідно з ГОСТ 20306-90.

Оскільки дорожні дослідження пов'язані з певними складностями (велика похибка при вимірюванні швидкості та пройденого шляху КТЗ, витрати дизельного палива та СПГ і інших основних показників, від яких залежить результат дослідження) було вирішено проводити дослідження на стенді тягових властивостей автомобілів мод. 4819 ВМ. Для виявлення та усунення невідповідності між стендовими та дорожніми дослідженнями було проведено такі заходи:

- на відрізку шляху, що пройшов державну метрологічну атестацію, були проведені заміри витрати палива при русі автомобіля з усталеною швидкістю 50 км/год на 4 передачі. Автомобіль пройшов шлях у 1000 м. Цей шлях автомобіль подолав за 72 с, витрата дизельного палива становила 112 мл.

- у лабораторії автомобіль було встановлено на стенд тягових властивостей автомобілів мод. 4819 ВМ і розігнано до швидкості у 50 км/год. Потім стендом почали поступово підвищувати навантаження на колеса одночасно збільшуючи паливоподачу для підтримання сталої швидкості. Навантаження збільшували до тих пір поки витрата дизельного палива автомобіля на стенді не порівнялись з витратою дизельного палива при дослідженнях в дорожніх умовах при одній і тій ж сталій швидкості.

Об'єктом експериментальних досліджень був вантажний автомобіль ГАЗ-3309, рік випуску 2008, номер кузова 33070080146179, з серійним рядним, чотирициліндровим дизелем Д-245.7 та газодизельна система живлення з мікропроцесорним керуванням.

Результати експериментальних досліджень:

Для оцінки енергетичних, екологічних показників та паливної економічності автомобіля ГАЗ-3309 при використанні в якості силової установки двигуна Д-245.7, що працював за дизельним і газодизельним циклом, під час стендових досліджень, було визначено серію навантажувальних характеристик та швидкісні характеристики холостого ходу. Навантажувальні характеристики визначались для таких частот обертання: n_д=1000 хв^-1, n_д=1300 хв^-1, n_д=1600 хв^-1, n_д=1900 хв^-1, n_д=2200 хв^-1.

Для прикладу на рис. 2 показані навантажувальні характеристики при частоті обертання n_д =1600 хв^-1.

Як видно з рис. 2, годинна витрата повітря при роботі за газодизельним циклом практично співпадає з витратою повітря при роботі за дизельним циклом. Годинна витрата дизельного палива, при максимальному завантаженні, при роботі за газодизельним циклом менша за витрату палива при роботі двигуна за дизельним циклом на 80%. На інших режимах ця різниця становить: n_д=1000 хв^-1 - 87%; n_д=1300 хв^-1 - 84%; n_д=1900 хв^-1 - 76%; n_д=2200 хв^-1 - 73%.

Димність відпрацьованих газів N при роботі за дизельним і газодизельним циклом в межах від 0 до 50 % від максимального навантаження майже не відрізняється, а при подальшому зростанні навантаження при роботі за дизельним циклом значення димності ВГ починає стрімко зростати. При повному навантаженні при роботі за дизельним циклом, максимальне значення димності становить 23% у порівнянні з 6,3% при роботі за газодизельним циклом. Близьке до цього співвідношення спостерігається на всіх швидкісних режимах.



Рис. 2. Порівняльні навантажувальні характеристики автомобіля при n_д=1600 хв^-1

Оксиди азоту, за роботи за газодизельним циклом при n_д=1600 хв^-1 зменшуються у порівнянні з дизельним циклом на 26%, в інших режимах це зменшення складає : n_д=1000 хв^-1 - 49%; n_д=1300 хв^-1 - 37%; n_д=1900 хв^-1 - 26%; n_д=2200 хв^-1 - 32%. Разом з тим має місце зростання концентрацій вуглеводнів і оксиду вуглецю, при переході на газодизельний цикл, але величина СО незначна, а вуглеводні, в основному, являють собою метан.

При роботі двигуна в режимі холостого ходу витрати палива при роботі за газодизельним циклом зменшились на 35%. Димність ВГ майже однакова для обох циклів, різниця спостерігається при n_д = 2200 хв^-1 і становить 1%. Вміст вуглеводнів у ВГ стабільний і майже не змінюються при зростанні частоти обертання колінчастого вала двигуна, як при роботі за дизельним так і за газодизельним циклами. Майже така ж тенденція спостерігається і з концентраціями оксидів вуглецю.

Перехід на роботу за газодизельним циклом дозволяє зменшити концентрації NO_x у ВГ в режимі холостого ходу майже в 2 рази, що важливо, оскільки двигун працює в цьому режимі значний період часу в рухаючись по місту.

В результаті експериментальних досліджень за їздовим циклом отримані числові значення витрати дизельного палива та СПГ. При роботі за дизельним циклом витрата дизельного палива становить G_дп = 0,219 л за цикл, при роботі за газодизельним циклом витрата дизельного палива G_дп = 0,12 л/цикл, СПГ G_газ = 0,10 кг/цикл.

П'ятий розділ присвячений перевірці адекватності математичних моделей двигуна при роботі за дизельним і газодизельним циклами, математичної моделі руху вантажного автомобіля за їздовим циклом та розрахунку паливної економічності, екологічних показників, економічного ефекту, який досягається за рахунок заміни дизельного палива на більш дешеве паливо - СПГ, та соціально-економічних збитків, що завдаються довкіллю забрудненням повітря ВГ.

За результатами експериментальних досліджень визначено коефіцієнти поліноміальних залежностей, що описують двигун Д-245.7, як споживач палива і повітря, джерело викидів ШР, які дають можливість визначити витрату палива та викиди ШР двигуна при роботі за дизельним і газодизельним циклами у широких межах швидкісних і навантажувальних режимів, характерних для умов експлуатації.

Перевірка адекватності отриманих математичних залежностей, які описують паливну економічність та екологічні показники двигуна Д-245.7, проводилась з використанням F - критерія Фішера.

Результати порівняльних досліджень, отримані при розрахунку на математичній моделі та при стендових випробуваннях автомобіля ГАЗ-3309 в умовному русі за міським їздовим циклом наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Порівняльні результати експериментальних та розрахованих даних автомобіля ГАЗ-3309 при русі за їздовим циклом

Результат	S, м	Gдп, л	Gгаз, кг	t, с
Експериментальний
дизельний цикл	996	0,219	-	139
газодизельний цикл	1001	0,12	0,10	142
Розрахунковий
дизельний цикл	994,7	0,2194	-	136,6
газодизельний цикл	994,7	0,1129	0,095	136,6

З табл. 1 видно, що різниця між експериментальними та розрахунковими величинами складає: по шляху - менше 0,7%, по витраті дизельного палива і СПГ в межах 5%, що свідчить про можливість використання моделі для подальших розрахунків.

В результаті проведення розрахунків за розробленою програмою, були отримані графіки зміни швидкості V (км/год) в процесі руху автомобіля за їздовим циклом при роботі двигуна автомобіля за дизельним і газодизельним циклами (рис. 3) при завантаженні М_b від 0 до 4000 кг.

Як видно з показаних графіків, характер руху автомобіля при збільшенні завантаження при роботі за дизельним циклом майже не відрізняється від руху при роботі за газодизельним циклом, оскільки залежність значення крутного моменту від частоти обертання колінчастого вала двигуна і положення важеля керування паливоподачею майже однакова для обох циклів. Різниця спостерігається при розгоні автомобіля на четвертій передачі від 30 до 50 км/год. Це пояснюється різницею у масі спорядженого автомобіля до і після переобладнання, яка становить 500 кг.



Рис. 3. Графік зміни швидкості руху автомобіля ГАЗ 3309 в їздовому циклі при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами при різних завантаженнях

дизель автомобіль вантажний

На математичній моделі при імітації руху вантажного автомобіля ГАЗ-3309 за їздовим циклом отримані дані, що характеризують автомобіль як споживача дизельного палива та СПГ при значеннях завантаження М_b від 0 до 4000 кг (табл. 2).

Таблиця 2

Порівняльні результати витрати дизельного палива та СПГ автомобіля за 1000 м їздового циклу при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами при різних завантаженнях

Параметр	Мb, кг
	0	1000	2000	3000	4000
Дизельний цикл
Gдп, кг	0,1783	0,1938	0,2087	0,2232	0,2370
Газодизельний цикл
Gгаз, кг	0,0680	0,0670	0,0658	0,0644	0,0630
Gдп, кг	0,1055	0,1160	0,1290	0,1415	0,1532
Зменшення витрати дизельного палива
%	62	65	68	71	73

На основі отриманих результатів та використовуючи нижчі теплоти згоряння дизельного палива та СПГ була розрахована залежність теплоти згоряння паливоповітряної суміші при роботі за дизельним і газодизельним циклами від завантаження (рис. 4).

Як видно з рис. 4, сумарна теплота згоряння паливоповітряної суміші за газодизельним циклом більша ніж при роботі за дизельним циклом. При зростанні завантаження різниця зменшується. При завантаженні М_b = 0 кг різниця становить 6%, а при максимальному завантаженні, М_b = 4000 кг, різниця становить лише 0,6%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Це пояснюється тим, що регулювальні параметри, зокрема встановлений для дизеля кут випередження впорскування, для газодизеля не є оптимальними.

З використанням результатів розрахунку на математичній моделі, було визначено масові викиди оксиду вуглецю СО, вуглеводнів C_mH_n, оксидів азоту NO_x, твердих частинок С при русі автомобіля за міським їздовим циклом.

За масовими викидами ШР з урахуванням коефіцієнта відносної агресивності, розраховано сумарні масові викиди, зведені до СО в умовних грамах за цикл. Величини окремих ШВ та сумарні питомі викиди, приведені до оксиду вуглецю УСО при різних завантаженнях наведені в табл. 3.

Таблиця 3

Величини викидів окремих ШР та сумарних питомих викидів, приведених до оксиду вуглецю УСО за їздовий цикл

Параметр	Мb, кг
	0	1000	2000	3000	4000
1	2	3	4	5	6
Дизельний цикл
СО, г/цикл	4,9522	5,0482	5,16	5,2881	5,43
CmHn, г/цикл	0,0734	0,0747	0,0759	0,0771	0,0783
УCmHn, г/цикл	0,0259	0,0245	0,0234	0,0225	0,0219
NOx, г/цикл	4,8996	5,3791	5,8763	6,3943	6,94
С, г/цикл	0,00012	0,00015	0,0002	0,0002	0,00023
УСО, у.г/цикл (CmHn)	206,563	226,37	246,92	268,34	290,78
УСО, у.г/цикл (УCmHn)	206,413	226,21	246,75	268,17	290,6
Газодизельний цикл
СО, г/цикл	18,99	19,17	19,18	19,2	19,3
1	2	3	4	5	6
CmHn, г/цикл	1,9	1,9786	2,02	2,03	2,07
УCmHn, г/цикл	6,005	6,2366	6,29	6,33	6,38
NOx, г/цикл	3,48	3,9	4,3	4,7	4,96
С, г/цикл	0,00007	0,00008	0,00008	0,00009	0,00009
УСО, у.г/цикл (CmHn)	168,39	185,75	202,69	219,17	229,61
УСО, у.г/цикл (УCmHn)	181,34	199,2	216,32	232,64	243,25

Для прикладу, за даними табл. 3 побудовані залежності викидів окремих ШР та сумарних викидів ШР від завантаження (рис.5-8).

Аналізуючи табл. 3 та рис. 9-10 видно, що сумарні питомі викиди ШР, приведені до оксиду вуглецю УСО при роботі за газодизельним циклом менші у порівнянні з роботою за дизельним циклом.

Рис.5. Залежність масових викидів СО за цикл від завантаження при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами	Рис.6. Залежність масових викидів УСmHn (які вимірювались за методом полум'яно-іонізаційного допалювання) за цикл від завантаження при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами

Рис.6. Залежність масових викидів NOx за цикл від завантаження при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами	Рис.8. Залежність сумарних викидів, приведених до СО за їздовий цикл від завантаження при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами

Різниця становить при максимальному завантаженні 16%, при роботі без завантаження 12% (враховувались вуглеводні УС_mH_n, виміряні за методом полум'яно-іонізаційного допалювання) та 21% при максимальному завантаженні і 18% при роботі без завантаження (враховувались вуглеводні С_mH_n, виміряні за методом інфрачервоної спектроскопії).

Крім екологічних показників чинником, який спонукає до конвертації дизеля в газодизель, є очікування економічного ефекту. Він досягається за рахунок заміни дизельного палива на більш дешеве паливо - СПГ.

На рис. 9-10 показані результати розрахунків, які дають можливість оцінити економічну доцільність переобладнання, враховуючи ціну на дизельне паливо та СПГ.

Рис. 9. Витрати грн/добу в залежності від пробігу та завантаження автомобіля	Рис.10. Термін окупності в місяцях в залежності від добового пробігу та завантаження

Як видно з рис. 9, навіть при повному завантаженні витрати при роботі двигуна за газодизельним циклом менші ніж при роботі за дизельним циклом без завантаження.

На рис. 10 показані результати розрахунків терміну окупності в місяцях в залежності від добового пробігу та завантаження із розрахунку 23 робочих дні на місяць з врахуванням вартості переобладнання.

Як видно з рисунку, навіть при неповному завантаженні автомобіля (2000 - 3000 кг) і добовому пробігу 225-250 км період окупності переобладнання складає 15 - 20 місяців.

В процесі визначення доцільності конвертації дизеля в газодизель до уваги необхідно прийняти постійну зміну вартості дизельного палива і СПГ. Для того, щоб мати уяву про співвідношення цін на дизельне паливо і СПГ, при якому доцільно переобладнання, було розраховано максимально допустиму вартість на СПГ, при якій доцільне переобладнання в залежності від вартості дизельного палива за залежністю:

Ц_СПГ = , грн/м³ (5)

де В _{ДП_д} - добові витрати на дизельне паливо, при роботі двигуна за дизельним циклом, грн/добу;

В _{ДП_гд} - добові витрати на дизельне паливо, при роботі двигуна за газодизельним циклом, грн/добу;

В _{переобл} - вартість переобладнання;

n_міс - термін окупності, міс;

n_днів - кількість робочих днів в місяці;

с _СПГ - густина СПГ, кг/м³;

- витрата СПГ, при роботі двигуна за газодизельним циклом, кг/км;

S - добовий пробіг, км/добу.

За формулою 5 побудовано залежність (рис. 11) значення максимально допустимої вартості СПГ, при якій доцільне переобладнання в залежності від вартості дизельного палива.

Рис. 11. Значення максимально допустимої вартості СПГ, при якій доцільне переобладнання в залежності від вартості дизельного палива	Рис. 12. Соціально-економічний збиток при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами при русі містом на 100 км пробігу

При розрахунку завантаженість автомобіля прийнята 2000 кг при середньодобовому пробігу 250 км. Залежність розраховано з урахуванням терміну окупності 2 роки.

Окрім економічного ефекту, яку отримує власник КТЗ необхідно враховувати соціально-економічні збитки, що завдаються довкіллю забрудненням повітря ВГ автомобіля.

Розрахунки збитку проводились згідно з типовою методикою. Результати розрахунку показані на рис. 12.

Соціально-економічний збиток від переобладнання дизеля в газодизель зменшиться на 18,6 - 21% в залежності від завантаження автомобіля.

ВИСНОВКИ

1. На сьогодні у світі природний газ завдяки своїм високим фізико-хімічним властивостям, знайшов широке використання як у житловій сфері, промисловості, сільському господарстві, так і на автомобільному транспорті у якості моторного палива.

З початком застосування природного газу в якості моторного палива на автомобільному транспорті розроблялися і відповідні системи живлення, які б дозволили використовувати позитивні якості газового палива з найбільшою ефективністю як в бензинових двигунах так і в дизелях. Конвертація двигунів колісних транспортних засобів широко використовується в умовах експлуатації.

Повномасштабні дослідження по оцінці екологічних показників автомобіля та витрат на паливо в експлуатації при конвертації дизеля для роботи за дизельним і газодизельним циклами, які складають суть даної роботи, будуть сприяти розширенню використання природного газу та зменшенню частки рідких моторних палив нафтового походження в структурі споживання палив автотранспортом.

2. Розроблено методику визначення доцільності переобладнання двигуна вантажного автомобіля для роботи за газодизельним циклом в умовах експлуатації, яка дозволяє за енергетичними, екологічними показниками автомобіля та його паливною економічністю в режимах, близьких до експлуатаційних, визначити доцільність конвертації дизеля в газодизель.

3. Проведені на автомобілі ГАЗ-3309 з дизелем Д-245.7, конвертованим для роботи за дизельним і газодизельним циклами, експериментальні дослідження показали, що при роботі двигуна за газодизельним циклом покращуються екологічні показники двигуна у порівнянні з показниками роботи за дизельним циклом.

Зменшилась величина димності ВГ при роботі двигуна за газодизельним циклом, що особливо чітко спостерігається при збільшенні навантаження. При повному навантаженні при роботі за газодизельним циклом, максимальне значення димності становить 6,3% у порівнянні з 23% при роботі за дизельним циклом

Оксиди азоту, за роботи за газодизельним циклом зменшуються у порівнянні з дизельним циклом від 26% до 49% в залежності від навантажувального і швидкісного режимів. При роботі двигуна в режимі холостого ходу, концентрації NOx зменшуються в два рази.

4. Уточнено математичну модель та розроблено необхідні зміни в програму розрахунку на ПК витрати палива і викидів ШР вантажного автомобіля ГАЗ-3309 з дизелем Д-245.7 під час руху автомобіля міським їздовим циклом за ГОСТ 20306-90 при роботі двигуна за дизельним і газодизельним циклами. З використанням результатів проведених експериментальних досліджень підтверджено можливість використання уточненої математичної моделі для розрахункових досліджень.

5. При роботі двигуна за газодизельним циклом теплота згоряння використаного палива більша ніж при роботі за дизельним циклом. При завантаженні Мb = 0 кг різниця становить 6%, при максимальному навантаженні, Мb = 4000 кг, різниця становить 0,6%, що можна пояснити неоптимальністю регулювальних параметрів при переході на газодизельний цикл.

6. Сумарні питомі викиди ШР, приведені до оксиду вуглецю при роботі за газодизельним циклом менші у порівнянні з роботою за дизельним циклом. Різниця становить при максимальному завантаженні близько 16% , при роботі без завантаження близько 12% (враховувались вуглеводні УС_mH_n, виміряні за методом полум'яно-іонізаційного допалювання) та 21% при максимальному завантаженні і 18% при роботі без завантаження (враховувались вуглеводні С_mH_n, виміряні за методом інфрачервоної спектроскопії).

7. Розрахунки економічної доцільності переобладнання вантажного автомобіля ГАЗ-3309 для роботи за газодизельним циклом показали, що навіть при неповному завантаженні автомобіля (2000 - 3000 кг) і добовому пробігу 225-250 км окупність переобладнання відбудеться протягом 15-20 місяців.

Розрахована залежність значення максимально допустимої ціни СПГ, при якій доцільне переобладнання в залежності від ціни дизельного палива. При зростанні ціни на дизельне паливо від 6 до 10 грн/л, ціна СПГ, при якій доцільне переобладнання становить від 3,62 до 6,80 грн/м³.

8. Соціально-економічний збиток від переобладнання дизеля в газодизель зменшиться на 18,6 - 21% в залежності від завантаження автомобіля.

9. Результати досліджень прийняті для використання ТОВ “Газодизель” та ТОВ „Газавто”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Назаренко М.Б. Створення експериментальної установки для проведення досліджень з визначення ефективності впливу газових, нових товарних та альтернативних моторних палив на показники ДВЗ / Микола Борисович Назаренко, Сергій Олександрович Ковальов, Олексій Андрійович Клименко, Анатолій Миколайович Сафронов // Автошляховик України, Київ - 2004. - окремий випуск - С.116 - 119.

2. Пат. 26005 МПК (2006) F02D 1/04. Система регулювання частоти обертання транспортного дизеля / Ковальов С.О., Редзюк А.М., Гузичко Ю.Ф., Червоний В.А., Ковальов Д.С., Назаренко М.Б.; власник: Ковальов С.О., Редзюк А.М., Гузичко Ю.Ф., Червоний В.А., Ковальов Д.С., Назаренко М.Б. - заявл. 15.05.2007; опубл. 27.08.2007, Бюл. № 13.

3. Назаренко М.Б. До питання переобладнання дизеля в газодизель / М.Б. Назаренко // Автошляховик України, Київ - 2008. - №6. - С.12 - 15.

4. Назаренко М.Б. Математична модель руху автомобіля ГАЗ-3309 з дизелем та газодизелем за їздовим циклом / М.Б. Назаренко // Збірник наукових праць НТУ „Вісник” - 2008. -№17. - С.36 - 40.

5. Назаренко М.Б. Математичне описання двигуна, як споживача палива та джерела шкідливих викидів на автомобілі при роботі за дизельним і газодизельним циклами / Микола Борисович Назаренко, Юрій Феодосійович Гутаревич // Автошляховик України: Окремий випуск. 2009., № 12, С. 129-132.

6. Назаренко М.Б. Обґрунтування доцільності переобладнання дизеля вантажного автомобіля для роботи за газодизельним циклом / М.Б. Назаренко // Автошляховик України. - 2009. - №3, - С.6 - 9.

7. Створення експериментальної установки для проведення досліджень та визначення ефективності впливу на показники ДВЗ газових, нових товарних і альтернативних моторних палив та дослідних зразків пристроїв : тези доповідей науково-практичної конференції "Управління безпекою на автомобільному транспорті". - Київ, 2004 р.

8. Расширение использования газовых моторных топлив для автотранспорта Украины. Особенности переоборудования АТС разных типов для работы на газовых допливах : материали 50-й конференции ААИ “Автомобиль и окружающая среда” (Дмитров, Россия, 15 - 16 июня 2005 г).

9. Актуальність переведення міських автобусів з дизелями для роботи за газодизельним циклом : тези доповідей 63 наук.-практ. конф. професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. - К.: НТУ, 2007, с. 27.

10. Математичне моделювання руху автомобілів, обладнаних газодизелями : тези доповідей 64 наук.-практ. конф. професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. - К.: НТУ, 2008, с. 30.

11. Експериментальні випробування вантажного автомобіля з дизелем при роботі за дизельним та газодизельним циклами : тези доповідей 65 наук.-практ. конф. професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. - К.: НТУ, 2009, с. 21.

Размещено на Allbest.ru