Испытание и расчёт показателей двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с использованием газового топлива в горных условиях жаркого климата

АННОТАЦИЯ

В данной статье критически анализированы существующие методы расчета показателей двигателей на газообразных видах топлива в горных условиях. Предложены эмпирические зависимости приведения мощностных и экономических показателей газовых двигателей к стандартным атмосферным условиям.

ABSTRACT

This article critically analyzes the existing methods for calculating engine performance on gaseous fuels in mountain conditions. Empirical dependences of bringing the power and economic indicators of gas engines to standard atmospheric conditions are proposed.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, частота вращения коленчатого вала, эффективные показатели работы, скоростной режим, показатели работы двигателя, атмосферное давление, гидравлическое сопротивление, температура отработавщих газов.

Keywords: internal combustion engine, crankshaft speed, effective performance indicators, speed mode, engine performance indicators, atmospheric pressure, hydraulic resistance, exhaust gas temperature.

Двигатели внутреннего сгорания автомобилей работают в различных эксплуатационных условиях в широком диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, определяемом потребностями выполняемой работы и внешним сопротивлением. Чтобы подобрать двигатель, для автомобиля, работающего в горных условиях учитывая эти условиия или сравнить его с другими, приспособить двигатель к различным условиям работы и для других целей используют эти характеристики. В зависимости от назначения двигателя внутреннего сгорания, его характеристики могут содержать, кроме основных эффективных показателей работы, также индикаторные и оценочные величины.

Испытательное оборудование, приборы, аппаратура и датчики, использованные при исследовании приведены в таб. 1.

Таблица 1.

Испытательное оборудование, приборы, аппаратура и датчики, использованные при исследовании

Скоростные характеристики строятся по последовательным точкам замеров, соответствующим условиям работы ДВС при разных частотах вращения коленчатотго вала в пределах рабочего диапазона от минимального устойчивого режима до номинального, при постоянстве органов регулирования подачи топлива.

Из исследований авторов [2,3], закономерность изменения М_е(р_е) по частоте вращения может определятся выражением, которое для газового ДВС и условий испытаний может быть представлены как

  , МПа                               (1)

или

                                                             (2) 

У газовых ДВС величина α по внешней скоростной характеристике соответствует мощностному составу смеси и изменяется незначительно, несколько возрастая с повышением скоростного режима благодаря улучшению смесеобразования и сгорания.

Кривая N_e=f(n)  определяется произведением  p_en со специфическими особенностями изменения р_е по частоте вращения, присущими ДВС разных типов:

, кВт                                                                (3) 

Характер графиков g_e=f(n)  предопределяется выражением

  ,  г/кВт час                                           (4) 

При использовании газовых топлив их удельный объёмный расход определяется:

, м³/кВт час                                                          (5) 

При низких частотах вращения η_м имеет высокие значения, и наблюдающееся по скоростной характеристике ухудшение V_е  объясняется, прежде всего, следствием несовершенства индикаторного использования теплоты. По мере возрастания скоростного режима увеличивается η_i и снижается   η_м, в результате чего V_е уменьшается, и проходит через минимум при определенной частоте вращения.

Закономерность изменения часового расхода топлива по скоростному режиму для ДВС с искровым зажиганием имеет вид:

                                                           (6) 

Для конкретных условий выражение имеет вид:

                                                                        (7) 

Для двигателей внутреннего сгорания графики G_Т=f(n) представляют выпуклую восходящую линию.

Для двигателей с искровым зажиганием снижение нагрузки осуществляется закрытием дроссельной заслонки, сопровождающим ростом гидравлического сопротивления на впуске и все более быстрым снижением η_ν по частоте вращения.

Рисунок 1. Изменения коэффициента наполнения ДВС по частоте вращения  при разных нагрузках

По мере закрытия дроссельной заслонки значения V_е (g_e) всё быстрее нарастают с частотой вращения, что объясняется более интенсивным снижением механического коэффициента полезного действия (КПД).

В рассматриваемом направлении работали многие учёные [1,2].

При расчёте и моделирование внешней скоростной характеристики (ВСХ) [2,3], исследователи учитывали характерные стороны современных ДВС следующими основными показателями: минимальные выбросы вредных веществ, тепловых и отрицательных воздействий на окружающую среду; степень совершенства преобразования тепловой энергии в механическую работу; многотопливность и перспективность конструкции; приспособляемость к изменяющимся режимам работы; удельная мощность и масса.

 При расчёте и моделировании внешней скоростной характеристики двигателей работающих на газообразном  топливе автором проведён анализ множества скоростных характеристик. При анализе использовались следующие параметры, определяющие форму характеристик ДВС: коэффициент приспособляемости (k_n), скоростной коэффициент (k_c), коэффициент номинального запаса крутящего момента (k₃). Чем больше  k_n или чем круче характер изменения М_е, тем двигатель больше приспособлен для работы на неустановившихся режимах, или он легче преодолевает временно возрастающие сопротивления. Однако при высоком значении k_n выигрыш мощности и удельном расходе топлива становиться менее ощутимым и это все не всегда считается технически оправданным мероприятием.  Поэтому для каждого ДВС существует определённые величина допустимого значения снижения частоты вращения коленчатого вала, связанные с изменением нагрузки, при котором достигаются наиболее удовлетворительные выходные показатели. Как известно, режим автомобильных двигателей в условиях эксплуатации в основном происходит в интервале между n_ном (номинальная частота вращения) и  n_Mimax (частота вращения, соответствующая максимальному крутящему моменту). Именно в этом интервале управляется скорость движения автомобиля и достигается при этом минимальный расход топлива.  

Исследования характеристик двигателей, работающих на газовых топливах исходить из того, что их отличительные особенности, прежде всего, связаны с природой используемого газового топлива. Они должны быть направлены на выявление тех режимов двигателей, где будут достигнуты наиболее эффективные показатели, и по этим полученным данным производить управление режимами работы двигателя, его систем и механизмов.

Для проведения расчётов и моделирования внешней скоростной характеристики (ВСХ) ДВС на газовых моторных топливах исследователь использовал исходные данные базового двигателя на номинальном режиме, полученные в результате теплового расчёта или из характеристик завода изготовителя. Последующие расчёты выполнялись стандартными вычислениями различных показателей (N_e, M_e, G_t, v_e). Сравнения показателей двигателя, переведённого на газовые моторные топлива (ГМТ) производились на номинальном режиме и сравнивались соответствующими показателями двигателя, работающего на базовом стандартном топливе. Построение внешней скоростной характеристики (ВСХ) двигателя, переведённого на газомоторного топлива производиться по полученным расчётным значениям, начиная с  n_ном  до n_мин с шагом (0,05…0,1) × n_ном.

Сравнение проведённых исследователем [1,4] расчётных скоростных характеристик двигателей, работающих на различных газомоторных топливах, приводится ниже. По результатам модельных исследований получены математические модели, по расчёту мощности, здесь автор использовал вместо N_e (Р_е):

бензиновых двигателей:

(-1,0396`n<sup>3</sup> + 1,1677`n² + 0,8924`n – 0,0183), кВт                                   (8)

двигателей с искровым зажиганием на СПГ:  

     (-0,7576`n<sup>3</sup>+ 0,8571`n² + 0,829`n + 0,0714), кВт                            (9)   

по расчету удельного расхода тепла для:

бензиновых двигателей:

            (11,865² – 12,439 + 14,596), МДж / кВт×ч                             (10)  

двигателей с искровым зажиганием на СПГ:

            (9,9542² – 8,5592 + 14,405), МДж / кВт×ч                              (11)

Таким образом сравнение разности результатов расчётных и экспериментальных данных по расчёту мощности составляет 9,5%, по удельному расходу топлива 8,7%. Однако эти модели отвечают только для двигателей внутреннего сгорания работающих в нормальных атмосферных условиях.

В табл. 2 приведен расчёт основных показателей газовых двигателей, работающих на СПГ при работе в горных условиях.

Таблица 2.

Расчёт основных показателей газовых двигателей, работающих на СПГ при работе в горных условиях

Список литературы:

1. Базаров Б.И. Научные основы энерго-экологической эффективности использования альтернативных моторных топлив. Автореф. дис. …док.тех.наук.- Т.: ТАДИ, 2006. -40 с.
2. Кадыров С.М., Никитин Е.С. Автотракторные двигатели.- Т.: Ўқитувчи, 1991.-224 с
3. Кадышев В.Г., Тиунов С. В. Расчет рабочего процесса поршневых  и  комбинированных автотракторных  двигателей. - Набережные Челны: КамГПИ, 2002. -  62 с.
4. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: МАДИ (ТУ), 2000.-248 с.