Альтернатив мотор ёнилциларидан фойдаланиш энерго-экологик самарадорлигининг илмий асослари

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

УДК 621.436:629.113.01

Базаров Бахтиѐр Имамович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ

МОТОРНЫХ ТОПЛИВ

Специальность: 05.04.02 – Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Ташкент – 2006

2

Работа выполнена в Ташкентском автомобильно-дорожном институте

Научный консультант: Доктор технический наук, профессор
Муталибов Абдусалом Абдуганиевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Саидов Шавкат Васидович

Доктор технических наук, профессор

Худойбердиев

Толибжон Солиевич

Доктор технических наук, профессор

Ерохов Виктор Иванович

Ведущая организация: Узбекский научно-исследовательский и проектный
институт нефти и газа.


Защита состоится «____» __

_______

__ 2006 г. в «_______» часов в зале

заседаний ректората Ташкентского автомобильно-дорожного института на
заседании разового Специализированного совета, созданного приказом ВАКа
РУз от 2 мая 2006 года № 147-и по специальности 05.04.02 – «Тепловые
двигатели» на базе Объединенного специализированного совета К067.33.01 при
ТАДИ по адресу: 100060, Ташкент, ул. Мовароуннахр, 20. Тел.: (10-998-71)
133-08-27, Факс: (10-99871) 132-14-39, 132-14-80. е-mail: tayi_admin@mail.ru,
baxtbb@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТАДИ.

Просим Вас принять участие в защите, Ваши отзывы на автореферат в двух
экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направить в
Специализированный совет института.


Автореферат разослан «____» ___

_____

______ 2006 г.

Ученый секретарь Специализированного
совета, кандидат технических наук, доцент Э.З.Файзуллаев

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

В современных условиях и в перспективе основным содержанием программных

действий многих стран становится решение проблем рационального использования
топливных ресурсов и охраны окружающей среды (ООС) в сфере эксплуатации
автотранспортных средств и стационарных установок (АТС и СУ) становится.

Общепризнанным и наиболее значимым решением указанных проблем является

использование экологического альтернативного моторного топлива (АМТ) в качестве
моторного.

Актуальность работы.

Современное динамичное развитие производства и

эксплуатации АТС и СУ с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) делает весьма
актуальными проблемы рационального использования углеводородных топлив
нефтяного происхождения и ООС. В связи с этим научно-техническая, экономическая
и социальная стратегия и тактика развитых государств характеризуются
выдвижением на первый план проблемы рационального использования топлив
нефтяного происхождения и ООС, что нашла во многих директивных документах
этих стран. Успешное решение указанных проблем во многом связано с реализацией
комплекса

организационных,

правовых,

технических,

технологических,

экономических и научно-исследовательских мероприятий.

До недавнего времени топливная обеспеченность потребителей базировалась на

горючих нефтяного происхождения, применение которых для ДВС из-за
относительно высокой концентрации энергии в единице объема, простоты
транспортировки, хранения и эксплуатации, доступности и дешевизны производства
было наиболее целесообразным. Однако динамика роста потребителей топлив
требует расширения ресурсов моторных топлив и их реструктуризации, что
обусловлено, с одной стороны ограниченностью топливных природных запасов, а с
другой - постоянным увеличением затрат на добычу и переработку нефти.

В современных условиях расширение ресурсов моторных топлив достигается за

счет применения газообразных топлив и других АМТ с достаточными ресурсами.
Известно, что среди альтернативных моторных топлив особое место занимают
газообразные – сжиженный нефтяной газ (СНГ) и сжатый природный газ (СПГ), а
также в перспективе сжиженный природный газ (СжПГ). Перспективность их
применения в качестве моторных топлив определяется прежде всего их
экологичностью, достаточностью сырьевых ресурсов, меньшими затратами на
производство, транспортировку и хранение, а также их уникальными моторными
свойствами.

Не менее важными АМТ являются топливные смеси на основе метанола,

этанола, водорода, а также биогаза и других источников ненефтяного происхождения.

Наряду с этим для достижения показателей базовых ДВС и улучшения их

энергоэкологических показателей (ЭЭП) на АМТ требуется комплекс мероприятий с
разработкой способов оценки выбранных сравниваемых показателей и их улучшения.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР.

Проведенная работа является составной частью и следующих НТП и тем:



Техническая диагностика. Методика диагностирования автомобильных
двигателей, работающих на газообразном топливе. Программа комплексной
стандартизации на 1986-1990 гг (Постановление Госстандарта № 804 от
19.03.87г.);



ГНТП

«Автомобильный

транспорт»

на

1986-1990гг.

Разработать

технологический процесс диагностирования дизелей КамАЗ и РАБА-МАН по

4

газодизельному процессу и газовых двигателей моделей ГАЗ и ЗИЛ (тема Н1д.
2.3). Разработать рекомендации по газоснабжению и эксплуатации
газобаллонных автомобилей с учетом региональных факторов (тема Н1д.5);



ГНТП «Высокоскоростной экологически чистый транспорт на 1991-1995 гг.».
Разработка экологического законодательства в автотранспортном комплексе с
пакетом Государственных стандартов на эксплуатационные свойства и
нормативно-технические показатели экологически чистых автотранспортных
средств применительно к районам с жарким климатом и высокогорья (тема
01.02). Экологически чистые энергоустановки с искровым зажиганием.
Изыскание и разработка систем для снижения расхода топлива и токсичности
отработавших газов (ОГ) ДВС с искровым зажиганием (тема 02.07);



НТП РУз «Новые технологии и оборудование энерго-ресурсосбережения и
экология на 1994 г.».Создание нейтрализаторов и сажеуловителей ОГ для
автомобилей с карбюраторными двигателями и дизелями, простых, не
требующих дефицитных материалов (тема 002.08. Пост. ГКНТ РУз №19 от
20.08.93 г.);



Комплексная программа мероприятий по охране окружающей среды на
автомобильном транспорте Узбекистана на 1990-1995 гг. Использование
нейтрализаторов ОГ, комплексное исследование работы двигателей
газобаллонных автомобилей (Пост. Госкомприроды РУз №6/8 от 30.10.89 г.);



НТП РУз «Разработка инфраструктуры ресурсосбережения, обеспечение
энергопарка РУз собственными сырьевыми ресурсами на 1994-1996 гг.» (тема
2.1. Пост. ГКНТ РУз №3 от 15.02.95 г.);



НТП РУз «Разработать и создать ресурсосберегающие технологические
процессы и конкурентоспособные технические средства комплексной
механизации сельскохозяйственного производства на 1997-1999 гг. Обосновать
перевод автомобильного и тракторного парка АПК Узбекистана с нефтяного на
газомоторное топливо. Разработка методов и средств перевода стационарных
установок на газодизельный способ питания и улучшение динамических и
пусковых показателей газовых двигателей» (тема 4.1.30);



Грант ГКНТ РУз № К9-10 от 12.02.99 г. «Создание контрольно-
диагностической системы технического состояния и оптимальной регулировки
ДВС автомобилей»;



ГНТП РУз «Разработка актуальных проблем техники и технологии создания
конкурентоспособной продукции транспортного и общего машиностроения на
2000-2002 гг.». «Разработка способа интенсификации рабочих процессов
газовых и бензиновых ДВС» (тема 5.25б);



Проект №11 МАП ЮНЕСКО. «Экологические аспекты городских систем с
особым упором на использование энергии (экологические аспекты расселения)
на 2000-2004 гг.».



ГНТП-18. РУз «Разработка высокоэффективных технологий и технических
средств энерго и ресурсосбережения, рационального использования и
восполнения топливно-энергетических ресурсов на 2003-2005 гг.». «Разработка
способа интенсификации рабочих процессов газовых и бензиновых двигателей
внутреннего сгорания» (тема 18.8).

Целью исследования является

разработка научных основ повышения энерго-

экологической эффективности использования альтернативных моторных топлив для
двигателей автотранспортных средств и стационарных установок, получение решения

5

на уровне научного обобщения проблемы повышения эффективности их
использования для ДВС с учетом особенностей изменения характеристик и
требований эксплуатации.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели определены

следующие задачи:

–

разработать метод комплексной оценки энерго-экологических показателей
ДВС на альтернативных моторных топливах;

–

определить оценочные показатели энерго-экологической эффективности
использования альтернативных моторных топлив;

–

усовершенствовать классификацию альтернативных моторных топлив;

–

разработать метод оценки энерго-экологических показателей ДВС,
работающих на альтернативных моторных топливах, по внешней скоростной
характеристике;

–

оценить основные показатели рабочего цикла ДВС на альтернативных
моторных топливах;

–

провести аналитические и экспериментальные исследования энерго-
экологической эффективности использования альтернативных моторных
топлив;

–

разработать мероприятия по улучшению энерго-экологических показателей
ДВС при их работе на современных и перспективных видах альтернативных
моторных топлив, а также с использованием нового способа организации их
рабочего цикла.

Методы исследования.

Поставленная цель достигалась глубоким анализом и

обобщением ранее выполненных теоретических и экспериментальных работ и
современных тенденций мирового двигателестроения, проведением теоретических
исследований с использованием математического аппарата регрессионного анализа,
реализованного на ЭВМ, включающей системный анализ, выполнением комплекса
лабораторно-дорожных и эксплуатационных испытаний на базе современной
отечественной и зарубежной измерительной аппаратуры.

Научная новизна исследования.

Научную новизну работы представляют

разработанные диссертантом:



метод анализа энерго-экологических показателей ДВС, работающих на
альтернативных моторных топливах, который заключается в учете влияющих
факторов (расход тепла и вредные выбросы на выполненную работу,
ресурсы, безопасность эксплуатации, затраты производства и эксплуатации и
др.), и позволяет провести комплексную оценку энерго-экологической
эффективности их использования в системе с иерархической структурой;



метод

формирования

оценочных

показателей

энерго-экологической

эффективности

использования

альтернативных

моторных

топлив,

базирующийся на учете свойств, характеристик, условий применения и
перспективности, ожидаемых результатов от применения объектов
исследований;



метод совершенствования классификации альтернативных моторных топлив,
основанный на учете основных признаков;



метод оценки и прогнозирования энерго-экологической эффективности
использования альтернативных моторных топлив по внешней скоростной
характеристике ДВС;

6



коэффициенты

энергетической

и

экологической

эффективности

использования альтернативных моторных топлив, позволяющие производить
оценку по интегральным показателям;



метод оценки основных показателей рабочего цикла ДВС, работающих на
альтернативных топливах, который базируется на учете их физико-
химических и теплофизических свойств;



методы экспериментальных исследований, позволяющие:



разработать новые способы нейтрализации вредных веществ в составе
отработавших газов и улавливания меркаптана;



управлять режимами испытаний и эксплуатации ДВС;



организовать рабочие процессы ДВС, работающих на топливных смесях
(управление степенью сжатия и рециркуляцией отработавших газов
газодизеля);



использовать обогащение различными жидкими топливами газовоздушной
смеси.



прогноз эффективности работы ДВС на перспективных альтернативных
моторных топливах и новых способах организации их рабочего цикла.

Достоверность полученных результатов

базируется на фундаментальных

положениях

термодинамики,

расчетно-экспериментальных

закономерностях,

полученных с использованием современных методов и средств измерений на базе
испытательных средств фирм Schenck (Германия), Beckman (США), Чехии и России.
Достоверность установленных закономерностей и сформулированных выводов
подтверждается

результатами

лабораторно-дорожных

и

эксплуатационных

испытаний ДВС АТС и СУ, работающих на АМТ, а также положительными
результатами их последующей эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту:

-

использование метода анализа иерархии (МАИ) для комплексного анализа энерго-
экологической эффективности использования альтернативных моторных топлив;

-

модель парного сравнения объектов исследований для каждого уровня системы с
иерархической структурой;

-

метод

формирования

оценочных

показателей

энерго-экологической

эффективности использования альтернативных моторных топлив;

-

совершенствование классификации альтернативных моторных топлив;

-

метод аналитического определения, моделирования и прогнозирования внешней
скоростной характеристики ДВС, работающих на альтернативных моторных
топливах;

-

метод расчета основных показателей рабочего цикла ДВС на альтернативных
моторных топливах;

-

результаты

экспериментальных

исследований

по

улучшению

энерго-

экологической эффективности использования альтернативных моторных топлив;

-

метод прогнозирования по перспективным альтернативным моторным топливам и
способам работы ДВС.

Научная

и

практическая

значимость

результатов

исследования.

Разработанные научно-технические положения функционировании ДВС АТС и СУ
на АМТ открывают возможность кардинального решения вопросов рационального
использования топлив нефтяного происхождения и сокращения вредных выбросов в
окружающую среду. Важность предложенных решений для экономики страны

7

подтверждена различными государственными и отраслевыми НТП по применению
газообразных энергоносителей в качестве моторного топлива.

Предложенные принципиальные схемы и разработанные на их основе

конструкции систем топливоподачи и воспламенения горючей смеси являются
первыми

практическими

решениями,

прошедшими

экспериментальные

и

эксплуатационные проверки и показавшими функциональную работоспособность.

Предложенные решения по способам и системам организации рабочих

процессов, системам топливоподачи и смесеобразованию при применении АМТ
защищены авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая реализация результатов исследований обеспечивается включением

их в нормативные документации: ТУ Уз 40.5-03-99 «Дизель А01М насосных станций
СНП-500/10. Переоборудование для работы по газодизельной системе питания», ТУ
Уз 20-395-99 «Микроавтобус ДАМАС. Переоборудование в газобаллонные для
работы на сжиженном нефтяном газе (СНГ)».

Материалы исследований включены в книгу «Работа поршневых двигателей

внутреннего сгорания на альтернативных видах топлива» и два учебных пособия:
«Газобаллонные автотранспортные средства и стационарные установки» и
«Экологическая безопасность автотранспортных средств». Кроме того, полученные
материалы включены в лекционные курсы, читаемые для бакалавров и магистрантов
по направлениям «Эксплуатация и ремонт транспортных средств», «Наземные
транспортные средства», «Защита окружающей среды», а также на факультете
повышения квалификации для работников автомобильного транспорта при ТАДИ.

Реализация результатов.

Основные результаты проведенных работ по

улучшению ЭЭП ДВС АТС и СУ, работающих на АМТ, реализованы на ряде
экспериментальных,

опытно-промышленных

и

серийных

образцов

ДВС

автомобильной и сельскохозяйственной техники на автотранспортных и научных
конструкторских предприятиях Узбекистана и Российской Федерации.

Разработанные рекомендации по совершенствованию показателей газобаллонной

аппаратуры автомобилей приняты и используются в Узбекском агентстве
автомобильного и речного транспорта, Навоийском горно-металлургическом
комбинате, НПФ «САГА» и др.

Предложенные рекомендации по конструктивному совершенствованию

газобаллонного оборудования автомобилей ЗИЛ и ГАЗ приняты НПФ «САГА», АО
«Аскольд», для производства и эксплуатации автомобилей с новой конструкцией
системы питания СПГ.

Разработки и рекомендации по способам организации топливоподачи и рабочих

процессов газодизеля стационарной насосной станции СНП-500/10 использованы АО
«Ургенчавтогаз» и рекомендованы для предприятий Минсельводхоза РУз.

Полученные результаты и рекомендации одобрены решениями Международной

научно-технической конференции «Проблемы развития автотранспорта и транзитных
коммуникаций

в

Центрально-азиатском

регионе»

(Ташкент,

1996г.),

Республиканского семинара «Проблемы перевода транспорта Республики Узбекистан
на питание природным газом» (Ташкент,1997 г.).

Разработанные программы подготовки кадров по эксплуатации газобаллонных

автомобилей используются ОАО «Автокадр» и Навоийским горно-металлургическим
комбинатом.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы доложены

на ежегодных республиканских научно-технических конференциях ТАДИ (в период

8

1985-2005

гг.); научно-практических и научно-технических конференциях

«Системотехника на автомобильном транспорте» (Харьков, 1998 г.); «Экология и
топливная экономичность автотранспортных средств» (НИЦИАМТ, Дмитров, 1999г.);
международных конференциях «Альтернативные топлива в двигателях внутреннего
сгорания» (Киров, 1988 г.); «Теория и практика рационального использования
горючих и смазочных материалов» (Челябинск, 1989 г.); «Экологическое образование
и проблемы охраны окружающей среды» (Ташкент, 1991,1997 гг.); «Экономика,
экология и жизнь» (Ташкент, 1996 г.); «Проблемы развития автотранспорта и
транзитных коммуникаций в Центрально-азиатском регионе» (Ташкент, 1996 г.);
«Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, 2000 г.);
«Развитие и эффективность автомобильно-дорожного комплекса в Центрально-
Азиатском регионе» (Ташкент, 2000, 2001, 2002, 2005гг.); «Ресурсосберегающие
технологии на железнодорожном транспорте» (Ташкент, 2005г.), Международном
экологическом конгрессе «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности»
(Санкт-Петербург, 2000 г.); международных научно-технических и практических
конференциях «Проблемы энерго- и ресурсосбережения» (Ташкент, 2003г.);
«Улучшение эксплуатационных показателей двигателей тракторов и автомобилей»
(Санкт-Петербург, 2003 г.); «Повышение эффективности транспортных, дорожно-
строительных машин и коммуникаций в горных условиях» (Бишкек, 2004г.).

Результаты диссертационного исследования демонстрировались на выставке

Экспоцентр-Узбекистан (1998, 2003гг.), а также выставках Центра «Науки и
технологии» при Кабинете Министров Узбекистана. По результатам внедренческих
работ соискатель награжден званием «Почетный автомобилист Узбекистана» (1997г.).

Опубликованность

результатов.

Основное

содержание

диссертации

опубликовано в книге автора, состоящей из 7 разделов, в 62 публикациях, в том числе
14 журнальных статьях, 10 статьях - в сборниках трудов, 10 научных докладах, 2
нормативных документациях 11 авторских свидетельствах, патентах, 13 технических
отчетах и 2 учебных пособиях

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав,

заключения, списка использованной литературой, содержащего 216 источников, в том
числе 179- на русском языке и 37- на иностранных языках и приложений 302
страницах машинописного текста, 70 рисунков и 47 таблиц.

Основное содержание диссертации

Во введении

обосновывается актуальность темы исследования, раскрываются

цели и задачи, рассматривается основные предпосылки, определяющие оценку и
улучшение ЭЭП ДВС АТС и СУ с точки зрения современного состояния проблем
рационального использования энергоисточников нефтяного происхождения и ООС,
формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе –

«Анализ энерго-экологической эффективности

использования альтернативных моторных топлив, определение цели и постановка
задач исследования» анализируются энерго-экологической эффективности (ЭЭЭ)
использования АМТ, предпосылки дальнейшего их эффективного использования, в
частности газообразных, в качестве моторного топлива для ДВС АТС и СУ. Это
позволит замещать часть нефтяных моторных топлив и снижать количество вредных
выбросов с ОГ ДВС. В этой связи обосновывается необходимость исследования
возможности оценки и улучшения ЭЭП ДВС на АМТ, что в свою очередь приведет к
их широкомасштабному внедрению в эксплуатацию.

9

АМТ по ряду свойств значительно отличаются от стандартных жидких топлив

нефтяного происхождения, что позволит принципиально по-новому подойти к
вопросам использования их в качестве моторного топлива, оценить и улучшить ЭЭП.

Многочисленными исследованиями, проведенными в разные годы,

Е.А.Чудаковым, И.И.Гольдблатом, К.И.Генкиным, Л.К.Коллеровым, В.П.Карповым,
А.А.Муталибовым, В.И.Ероховым, Ю.Н.Васильевым, Н.И.Диким, М.Д.Мамедовой,
G.A.Karim, A.Veart, M.K.Singh, L.E.William, выявлены также особенности работы
газовых двигателей, газодизелей и автотранспортных систем, как, снижение
мощности

базового

двигателя

с

искровым

зажиганием,

уменьшение

грузоподъемности и запаса хода базового транспортного средства и др.

Указанные исследования были проведены на ДВС и АТС более раннего

производства. Исследования же, произведенные диссертантом современных
двигателях и АТС на базе современных средств испытаний, выявили качественные и
количественные особенности их работы на АМТ с помощью принципиально новых
способов подачи топлива, смесеобразования и зажигания(воспламенения). Наряду с
этим установлены обусловливающие факторы ранее известных и новых вскрытых
особенностей работы ДВС на АМТ, в частности на СНГ и СПГ. Например,
уменьшение мощности базового двигателя с искровым зажиганием на 7…8 и
18…20

%

при работе на СНГ и СПГ соответственно - обусловлено не только низкой

степенью сжатия двигателя, меньшей теплотворной способностью газовоздушной
смеси, малой скоростью сгорания газовоздушных смесей, уменьшением
коэффициента наполнения, но и особенностью образования газовоздушных смесей,
их межцикловой нестабильностью (особенно на режиме х.х. и после 55…60

%

нагрузки от полной). Ухудшение пусковых качеств газового двигателя также
объясняется указанными особенностями, высокой температурой воспламенения и
физической природой газообразных топлив. Ухудшение же динамических качеств
газового двигателя вызвано не только вышеуказанными особенностями, но и
способом организации подачи топлива, моторными качествами газового топлива,
конструкцией газобаллонного оборудования (ГБО). Увеличение частоты вращения
коленчатого вала двигателя на режиме х.х. на 120…150

мин

-1

по сравнению с базовым

двигателем объясняется особенностями образования газовоздушной смеси,
значениями входного давления газа в двигатель, энергетическими качествами
газовоздушной смеси. наличие специфического запаха и образование сернистого
ангидрида в составе ОГ обусловлено одоризацией газов, а некоторый относительно
повышенный износ седел клапанов и верхней части гильзы цилиндра газового
двигателя - особенностями процесса сгорания, условиями смазки и составом горючей
смеси.

Реализация мероприятий по улучшению ЭЭП ДВС на СНГ и СПГ

производилась с учетом таких свойств, как сгорание в двигателе со значительно
меньшим образованием вредных веществ (ВВ) в ОГ, увеличение срока службы
межремонтного пробега двигателя и смены смазочного масла, а также их более
высокое октановое число.

Вместе с тем следует подчеркнуть, что в настоящее время работы по

применению АМТ (СНГ, СПГ, СжПГ, метанол, этанол, водород, биогаз, спиртовые
топливные смеси) в качестве моторных топлив широко ведутся во многих странах
мира (США, Россия, Япония, Италия, Голландия, Австралия и др.). Причем эти
исследования всегда сопровождаются поиском эффективных способов улучшения
ЭЭП ДВС, работающих на них. В связи с этим комплексное и системное решение

10

вопросов, связанных с улучшением ЭЭП, позволит выявить рациональные пути
расширения применения АМТ в качестве моторного топлива.

Во второй главе –

«

Теоретические основы комплексной оценки энерго-

экологических показателей ДВС на альтернативных топливах» изложены
теоретические основы комплексной оценки ЭЭП ДВС на альтернативных топливах. В
проблеме оценки и улучшения ЭЭП ДВС на АМТ теория систем представляет
методологическую основу, позволяющую описывать систему и ее проблемы в
структуре взаимосвязанной иерархии.

Диссертантом использован метод анализа иерархий (МАИ), как метод

системного анализа, позволяющий осуществить иерархическое представление
составляющих элементов (рис.1).

Каждый уровень (этап) или подуровень (подэтап) иерархической структуры

имеет свои оценочные показатели (ОП) с энергетическими, экологическими,
функциональными, экономическими и другими критериями, которые являются
составляющими элементами одной системы «Топливо – Двигатель внутреннего
сгорания – Автотранспортное средство и стационарная установка – Предприятие –
Экономический регион – Государство – Межгосударства (Т – ДВС – АТС и СУ – П –
ЭР – Г – МГ).

Рис. 1. Множество с иерархической структурой.

Для изучаемой проблемы в соответствии с принципом идентичности и

декомпозиции иерархическое представление задачи можно иллюстрировать поэтапно
(рис.2).

Объекты исследований оцениваются (попарно сравнением) с помощью

разработанной математической матричной модели с применением множества критериев
(факторов, признаков, характеристик, параметров, переменных и др.), выбираемых в
зависимости от решаемых задач и области проблем, и имеющих различные уровни
детализации. С одной стороны уровень детализации оценочных критериев (ОК) объекта
исследования повышает достоверность результатов оценки, а с другой - обеспечивает
идентичность данных, получаемых разными исследователями.

Рис. 2. Структура иерархии уровня (этапа) «Топливо».

Топливо

(ОП1)

ДВС

(ОП2)

АТС и СУ

(ОП3)

П

(ОП4)

ЭР

(ОП5)

Г

(ОП6)

МГ

(ОП7)

Уровень 1

(цель, назначение)

Уровень 2

(критерии, факторы)

Уровень 3

(альтернативы, объекты

исследований)

Топливо

Теплотворность горючей смеси при



emax

Энергозатраты использования

……………………….…………

Бензин

Дизельное топливо

СНГ

СПГ

11

Согласно данным диссертанта главными отличительными особенностями

разработки ОК являются:
-

наличие связи между критериями и целью (назначением) уровня;

-

характеристика качественных и количественных сравниваемых вариантов решений;

-

наличие обобщающих форм, удобных для косвенной оценки объектов исследований;

-

информация о критериях, представляемая в формализованном виде (функциональные
зависимости, коэффициенты, графики, таблицы и др.) с конкретными числовыми
параметрами.

Применяя МАИ, мы сравниваем относительную важность (вес, интенсивность)

каждого критерия (элемента) с относительной важностью любого другого критерия
(элемента), который реализуется математической матричной моделью (рис.3). Сравнение
производится вычислением собственного вектора по строкам, вычислением и
нормализацией вектора приоритета.

Реализация МАИ начинается со второго уровня вниз. Последующие приоритеты

(числовые

значения

относительной

важности)

умножаются

на

приоритет

соответствующего критерия на вышестоящем уровне и суммируются по каждому
элементу (альтернативы решений) в соответствии с критериями, на которые воздействует
этот элемент. По данному порядку каждый элемент второго уровня умножается на
единицу, т.е. на числовое значение относительной важности (вес) цели первого уровня
иерархии. Указанная процедура продолжается до самого последнего уровня
разработанной системы иерархии.

А

1

, А

2

, А

3

, …,А

n

– множество из

n

элементов (критериев) и



1

,



2

,



3

, …,



n

–

соответственно их относительные важности (вес, интенсивность).

Вычисление собственного вектора по

строкам

Вычисление и

нормализация вектора

приоритета

А

1

А

2

А

3

А

4

А

1

1

1





2

1





3

1





4

1





а



4

4

1

3

1

2

1

1

1

















1

х

а

в





А

2

1

2





2

2





3

2





4

2





б



4

4

2

3

2

2

2

1

2

















2

х

б

в





А

3

1

3





2

3





3

3





4

3





в



4

4

3

3

3

2

3

1

3

















3

х

в

в





А

4

1

4





2

4





3

4





4

4





г



4

4

4

3

4

2

4

1

4

















4

х

г

в







1



2



3



4



в

0

.

1





n

Рис. 3. Расчет собственных векторов, вычисление и нормализация вектора
приоритета.

Матрицы попарных сравнений для второго уровня иерархии с ОК и значениями

относительной важности составляется, исходя из результатов проведенных
теоретических и экспериментальных исследований сравниваемых объектов(табл.1). Для
третьего уровня иерархии (табл.2), также составляются матрицы попарных сравнений,
показывающие эффективность применения сравниваемых объектов по отношению к
критериям второго уровня.

Следующий этап МАИ - расчет обобщенных (глобальных) приоритетов

сравниваемых объектов:









n

i

1

i

i

i

i

x

n



, (4)

где х

i

– вектор приоритета i – оценочного критерия, полученного при парном

сравнении относительной важности критериев на втором уровне по отношению к общей
цели на первом уровне,



i

– вектор приоритета i – объекта исследований, полученного

при парном сравнении относительной важности объектов исследований на третьем

(1)

(2)

(3)

12

уровне (парное сравнение объектов исследований) по отношению к критериям второго
уровня.
Таблица 1. Парное сравнение оценочных показателей второго уровня

Критерии

оценки

Достаточность

ресурсов и

возможность

массового

производства

Теплотворная

способность

горючей

смеси

Детона-

ционная

стойкость

или

воспламеняе

мость

Пределы

воспла-

меняемос-

ти

Экологические

качества

Соотношение

объемной

теплотворной

способности

топлива к

массовой

Энер-

гоза-

траты на

производс

тво

Безо-

пасность

примене-

ния

Вектор

прио-

ритета

(x

i

)

Достаточность

ресурсов и

возможность

массового

производства

1

1/5

6

4

1/7

1/2

1/6

1/6

0.014

Теплотворная

способность

горючей смеси

5

1

1/3

6

1/2

5

1/4

1/5

0.045

Детонационная

стойкость или

воспламеняе-

мость

1/6

3

1

3

5

4

1/4

1/3

0.054

Пределы

воспламе-

няемости

1/4

1/6

1/3

1

1/6

1/2

1/3

1/4

0.004

Экологические

качества

7

2

5

6

1

4

5

1/2

0.290

Соотношение

объемной

теплотворной

способности

топлива к

массовой

2

1/5

1/4

2

1/4

1

1/4

1/4

0.010

Энергозатраты

на произ-

водство

6

4

4

3

1/5

4

1

1/5

0.112

Безопасность

применения

6

5

3

4

2

4

5

1

0.470



C

i

27.42

15.60

19.92

29.00

9.26

200

12.25

2.90



n



1.0



C

i

x

i

0.356

0.700

1.055

0.116

2.684

0.230

1.371

1.361

Таблица 2. Парное сравнение оценочных показателей третьего уровня

Достаточность ресурсов и возможность

массового производства

Бензин

СНГ

СПГ

Вектор приоритетов

Бензин

1

3

1/2

0.332



max

=3.277

ИС=0.138

ОСO=0.237

СНГ

1/3

1

1/4

0.161

СПГ

2

4

1

0.505

Теплотворная способность горючей смеси

Бензин

СНГ

СПГ

Вектор приоритетов

Бензин

1

2

3

0.488



max

=3.180

ИС=0.090

ОСО=0.155

СНГ

1/2

1

2

0.312

СПГ

1/3

½

1

0.199

Детонационная стойкость или

воспламеняемость

Бензин

СНГ

СПГ

Вектор приоритетов

Бензин

1

1/2

1/3

0199



max

=3.180

ИС=0.090

ОСО=0.155

СНГ

2

1

1/2

0312

СПГ

3

2

1

0488

Предел воспламеняемости

Бензин

СНГ

СПГ

Вектор приоритетов

Бензин

1

1

1/2

0.292



max

=3.164

ИС=0.082

ОСО=0.141

СНГ

1

1

1/2

0.292

СПГ

2

2

1

0.414

Экологические качества

Бензин

СНГ

СПГ

Вектор приоритетов

Бензин

1

1/2

1/6

0.157



max

=3.353

ИС=0.176

ОСО=0.304

СНГ

2

1

1/2

0.294

СПГ

6

2

1

0.547

Соотношение объемной теплотворной

способности топлива к массовой

Бензин

СНГ

СПГ

Вектор приоритетов

Бензин

1

1

3

0.418



max

=3.130

ИС=0.065

ОС=0.112

СНГ

1

1

2

0.378

СПГ

1/3

1/2

1

0.202

Энергозатраты производства

Бензин

СНГ

СПГ

Вектор приоритетов

Бензин

1

1/2

1/3

0.199



max

=3.180

ИС=0.090

ОСО=0.155

СНГ

2

1

1/2

0.312

СПГ

3

2

1

0.488

Безопасность применения

Бензин

СНГ

СПГ

Вектор приоритетов

Бензин

1

1

2

0.385



max

=3.069

ИС=0.0345

ОСО=0.059

СНГ

1

1

2

0.385

СПГ

1/2

1/2

1

0.229

13

Для этого столбец векторов умножается на приоритет соответствующего критерия

и результат складывается по каждой строке. Получается обобщенный приоритет
определенного вида сравниваемого топлива(объекта исследований). Эти данные
доказывают, что характер и количество факторов (признаков) в целом зависят от цели и
задач принимаемого решения, т.е. один и тот же объект (система, явление) может быть
охарактеризован различными факторами либо одинаковые факторы могут иметь
различные значимости при различных ситуациях. Результаты расчетов глобальных
приоритетов приводится в табл. 3.

В табл. 4 приводятся исследуемые факторы (параметры) и параметры

(показатели) оптимизации для каждого уровня иерархической структуры
рассматриваемой системы.
Таблица 3. Расчетные значения глобальных приоритетов объектов исследований

Номера критериев

1

2

3

4

5

6

7

8

Обобщенные

приоритеты

Вектора приоритетов

0.014

0.045

0.054

0.004

0.290

0.010

0.112

0.470

Вектора
приоритетов

Бензин

0.332

0.488

0.199

0.292

0.157

0.418

0.199

0.385

0.2904

СНГ

0.161

0.312

0.312

0.292

0.294

0.378

0.312

0.385

0.3387

СПГ

0.505

0.199

0.488

0.414

0.547

0.202

0.488

0.228

0.3666



=1.0

Таблица 4. Исследуемые факторы для парного сравнения

№

Параметры (показатели) улучшения или выходные параметры или

функция цели

Расчетные формулы

Уровень: топливо

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

Теплотворная способность горючей смеси при



=1,

Отношение теплотворной способности горючей смеси при



=1

и



эк

Детонационная стойкость воспламеняемость
Пределы стабильного горения

Экологические качества
Безопасность эксплуатации
КПД получения и использования
(Энергозатраты производства)
Минимальная энергия зажигания
Стоимость транспортировки
Энергетическая (технологическая) совместимость
Длительность хранения

Нсм

БАЗ

см

см

АТ

см

см

т

ЭК

ЭК

Н

Н

Н

Н

)

(

)

(

1

1





















ОЧМ (ЦЧ)

(



max

-



min

)

БАЗ

u

u

АТ

u

u

э

ЭК

ЭК

)

(

)

(

1

1































max

/



min

;

;

u

e

um

uc

u

nm

H

AP

H

H









um

nm

об





 

Уровень: ДВС

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.

13.
14.
15.
16.
17.

Максимальное давление сгорания
Индикаторное давление
Эффективное давление
Литровая мощность
Предельное объединение горючей смеси,



max

Cоотношение η

i

/α (η

e

/α)

max

Соотношение bp

max

/b

min

Удельный расход топлива (тепла),
Удельные выбросы ВВ, г/кВт·ч
Энергозатраты на выполненную работу
Соотношение (n

xx

/G

CO

)

CH min

Стоимость энергии за период срока службы

Возможность применения нейтрализатора-катализатора

р

z

Р

i

=0.0042

i

k

c

u

H









0



3

10

)

/

(

e

u

т

Р

В

H

b





С

э

=3.6 / Ц

m



b;



э

=С

э

и

т

Н

Ц

М

2

Р

к

С

Д

Д

С

е

р

тс

к

н

сс











Скорость нарастания давления
Коэффициент устойчивости
Коэффициент использования мощности
Стоимостная эффективность

К

м

= Т

iqmin

/Т

iqmaх

АТ

э

е

БАЗ

э

е

С

С

)

(

)

(











По результатам многочисленных исследований установлено, что характер

изменения скоростных и других характеристик ДВС, работающих на различных
АМТ, может быть неоднозначным, что приводит к изменению и характеристик АТС
(рис. 4).

14

n

xx

n n

ном

0 40 60 80 % 100 0 20 40 60 80 % 100

V

a

V

a

Рис. 4. Анализ влияния характера изменения крутящего момента на

характеристики ДВС и АТС.

Анализ скоростной характеристики двигателя (рис.4,а) показывает, что по мере

увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя от минимальной до
номинальной кривые

Р

е

и

Т

iq

могут иметь различные положения. Как правило,

значения

Р

m ax

е

двигателя, работающего на АМТ (особенно на газообразных топливах)

смещаются в сторону меньших значений частоты вращения коленчатого вала по
сравнению с работой двигателя на жидком стандартном топливе. При сравнительной
оценке удельной мощности двигателя это не учитывается, так как при ее определении
используют только

Р

m ax

е

, соответствующую частоте

n

ном

. В этой связи двигатели,

имеющие различные характеристики из-за применения различных топлив, не могут
обеспечить АТС одинаковых показателей скоростных и топливно-экономических
свойств.
Кривые относительного мощностного баланса (рис.4,б) при разгоне
показывают, что кривые изменения мощности в функции скорости двигателя на АМТ
на низших передачах лежат выше, чем те же кривые двигателя на бензине. Между тем
высших передачах происходит обратное.

С одной стороны, это свидетельствует об эффективности работы АТС на АМТ,

в частности на СНГ и СПГ, в городских условиях работы, а с другой - о
необходимости конструктивных изменений в их трансмиссиях. Следует заметить, что
рекомендация работать ГБА с прицепом особенно в городских условиях
эксплуатации связана именно с указанными особенностями. Эти данные
подтверждаются характером протекания топливной характеристики (рис. 4, в) АТС.

Таким образом, выявляются очень важные характеристики ДВС, работающих

на СНГ, СПГ и других видах АМТ. В частности более крутая характеристика
крутящего момента с более широким диапазоном изменений при относительно
пониженных частотах вращения коленчатого вала.

110

%

100

80

60

40

Т

iq

P

e

0.4

0.6

1.0



Р

с



Р

е

Q

s

Р

е

Т

iq

Стандартное топливо
Альтернативное
топливо(СНГ,СПГ)

а)

б)

в)

15

0 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Таблица 5. Энергопотребления различных АТС

Параметр

ГАЗ-33076

РАФ-2203

Нексия

Баз.

СНГ

СПГ

Баз.

СНГ

СПГ

Баз.

СНГ

СПГ

Полная масса, кг

7400

7400

7400

2600

2600

2600

1460

1460

1460

Удельный расход топлива по
городскому циклу движения,
км/л (л/100 км)

9 (25.5)

7

5

(25.5)

6.7 (15)

6.5

6.1

(8.0)

(8)

(9.0)

Емкость топливного бака, л

90

90+172

90+200

55

55+89

55+100

50

50

50+90

Масса заправленного топлива,
кг

65.88

65.88+8

8.5

65.88+3

2

40.26

40.26+5

2

40.26+1

6

36.8

36.8+21

36.8+14.

4

Масса

сухого

топливного

бака(ов), кг

18

18+ 75.5

18+252

12

12+45

12+126

9

9+14.8

9+114

Полная

масса

топливной

системы, кг

888

247.88

367.88

52.26

149.26

194.26

45.8

88.7

123

Мощность двигателя, кВт (л.с.)

84.6

(115)

78

(106)

72

(98)

70

(95)

64.4

(87.4)

59.5

(81)

55

(75)

52

(71)

45

(62)

Рабочий объем двигателя, л

4.25

4.25

4.25

2.5

2.5

2.5

1.5

1.5

1.5

Разгон автомобиля до скорости
80 км/ч, сек

33

37

39

21

24

27

12

14

16

Запас хода, км

375

375+

375

375+

200

460

460+

460

460+

200

625

625+

525

625+

200

Интенсивность

потребления

энергии, ккал/км

1965.5

1592.61

2380

1147

906

1366

1076

860

1240



способу подачи в ДВС (совместно, отдельно, параллельно, непрерывно,
дискретно);

0.3

dp/d



0.05

0.4

0.3

0.2

0.8



i

55

град

65

45



i



i



р

z

0.7

0.5

МПа

p

i

0.6

2.6

2.2

МПа

1.8

0.1

0.4

МПа /
градПКВ



i

p

i



i



i

р

z

dp/d



Бензин ,
СНГ ,
СПГ

Рис. 5. Показатели рабочего процесса
двигателя ЗМЗ-511, работающего
на различных топливах.

Более

крутая

характеристика

крутящего момента и пологая характеристика
мощности позволяют устанавливать коробки
передач с меньшим числом передач, что
положительно влияет на экономичность и
удельные

выбросы

ВВ

автомобиля

(автопоезда).
Приведенные выше данные подтверждаются
экспериментальными

результатами

испытаний ДВС типа ЗМЗ-511 (рис. 5) и АТС
типа ГАЗ- 33076 и РАФ-2203 (табл.5).

В третьей главе

– «Расчет основных

оценочных критериев энерго- эко-логических
показателей ДВС на альтернативных
топливах»

приведен

расчет

основных

критериев ЭЭП ДВС на АМТ. При этом
разработана

классификация

АМТ

по

следующим признакам:



агрегатному

состоянию

(жидкое,

газообразное, газожидкостное);



способу

применения

(основное,

дополнительное);



фазовому

состоянию

(однофазное,

многофазное);



роду

происхождения

(природное,

синтетическое, смешанное);

16



прогнозу применения (в перспективе, будущем, отдаленном будущем);



величине рабочего давления в топливном сосуде (высокое, среднее, низкое);



способу

доставки

к

потребителю

(стационарный,

передвижной,

трубопроводный);



назначению (одно- или многофункциональные);



теплотворной способности (высоко-, средне- или низкокалорийное).

Разработан метод аналитического определения и моделирования внешних

скоростных характеристик двигателей автотранспортных средств, работающих на
АМТ, для расчета мощности и других показателей ДВС, предложены коэффициенты
энергетической и экологической эффективности применения АМТ.

Эффективность использования двигателя, устойчивость его работы,

взаимодействие его показателей с потребителем и окружающей средой (ОС)
определяются скоростными и нагрузочными характеристиками. По данным
учебников по ДВС, для расчета и построения внешней скоростной характеристики
(ВСХ) двигателя применяются эмпирические формулы, определяющие текущие
значения мощности (

Р

ех

) и удельный расход топлива (

в

х

):





































2

3

2

1

ном

x

ном

x

ном

x

еном

e

n

n

С

n

n

С

С

n

n

P

P

x

, (5)



































2

6

5

4

ном

x

ном

x

P

х

n

n

С

n

n

С

С

в

в

еном

. (6)

Значения постоянных коэффициентов

С

1

, С

2

, …С

n

зависят от типа двигателя.

Согласно предварительным данным использование формул (5) и (6) для расчета

показателей ВСХ ДВС дает очень большие погрешности не только для двигателей на
АМТ, но и для современных моделей бензиновых ДВС и дизелей.

В наших исследованиях для расчета мощности двигателя использована связь

между полезной работой(мощностью) двигателя и количеством теплоты, затраченной
на ее получение:

et

см

см

e

e

B

H

P

Q













3

10

6

.

3

кВт, (7)

где

Н

см

,

В

см

– низшая теплотворная способность и часовой расход горючей

смеси;



et

– эффективный КПД.

По расчетным значениям получим величину изменения теплоты

сгорания горючих смесей различных топлив в зависимости от их состава (рис.6).

Характер изменения



et

принимается таким же, как для базовых двигателей,

хотя механические затраты у двигателей на АМТ считаются меньшими из-за
улучшения условий смазки (рис.7).

Расход горючей смеси для ДВС определенной конструкции определяется по

формуле































c

о

a

a

t

см

Ф

р

T

р

T

n

i

V

B

0

60

1000

Нм

3

/ч, (8)

где

V

t

,

i

– объем и количество цилиндров;



– коэффициент тактности; n – частота

вращения, мин

-1

;

Ф

с

– коэффициент наполнения; Т

0

, Т

а

, р

0

, р

а

– соответственно

температура и давление окружающей среды и в конце впуска;



= 1.11…1.14 –

коэффициент полноты заряда, учитывающий запаздывание закрытия впускного
клапана.

)

L

1

(

Н

H

0

t

u

см











17

A

Б

В

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0



Рис. 6. Изменение теплоты сгорания горючих смесей различных
топлив в зависимости от их состава.

0.8 1.0 1.2 1.4

Используя формулы (7 и 8) и расчетные значения

Н

см

, получим формулу для

расчета мощности четырехтактного двигателя



























еt

с

o

a

a

o

tt

АТ

см

АТ

е

Ф

р

T

р

T

n

V

Н

Р

3

10

33

.

8

кВт. (9)

Полученный результат, исходя из требований Правил 83 ЕЭК ООН,

проверяется по соотношению

Р

е

АТ

=(0.7…1.15) Р

е

Баз

.

(10)

Для облегчения проводимых расчетов установлены изменения



,

Ф

с

,



et

, в

относительных изменениях для ДВС с различными системами питания в зависимости
от частоты вращения коленчатого вала (рис.8).

ккал/м

3

(х4.187 10

-3

МДж/м

3

)

1000

600

800

400

Н

см

Рис. 7. Изменение



et

и



et

/



в зависимости от состава горючей смеси для

двигателей с различными системами питания.

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15





et



et

/





et

/





et

1.0 2.0 3.0 4.0



et



et

/



Дизель
Газодизель

Бензин
СНГ
СПГ

А, Б, В – соответственно верхние
пределы воспламенения
бензовоздушной и газовоздушной
(CНГ и СПГ) смесей

Бензин

,

СНГ

,

СПГ

,

Водород

18

Исходя из условий

в

H

u

АТ

et

Баз

et









3

10

6

.

3





, на номинальном режимах определяем

удельный расход топлива

Баз

et

u

АТ

H

в











3

10

3600

ч

кВт

м

3



, (11)

а затем удельный расход тепла

q

АТ

=в

АТ



H

u

МДж

ч

кВт



. (12)

По полученным значениям мощности и удельного расхода топлива (тепла)

далее рассчитываем значения крутящего момента (

Тiq

), часового расхода топлива (

В

).

Затем зная удельный выброс

i

- го вредного вещества (

К

i

) и часовой расход топлива,

рассчитываем массовый (

l

i

) и суммарный (

l



) выбросы вредных веществ:

l

i

= K

i



B,

l



= l

i

+ l

j

+ …+ l

n

(13)

Построение ВСХ двигателя, работающего на различных топливах по

расчетным значениям его показателей произведем, начиная с n

ном

до n

min

с шагом

(0.05…0.1) n

ном

(рис.9).

По результатам модельных исследований выявляем следующие устойчивые

регрессионные зависимости, полученные методом наименьших квадратов, по расчету
мощности для:

Рис.9. Сравнение скоростных харак-

теристик двигателей на различных
системах питания.

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Т

iq

Р

е

в

n

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.9

1.0

1.1

0.9

в

Р

е

Т

iq

1.0

1.10

1.2

Бензин
СНГ
СПГ
Дизель
Газодизель

0.2

0.4

0.6

0.8 1.0

n

Рис.8. Изменение



,

et



,



с

по

скоростной характеристике для
двигателей

с различными системами

питания.

1.1


1.0

0.9

Ф

с



et







et

Ф

с

1.2
0

1.0

0.8
0

1.2

1.1

1.0

0.9

Бензин Дизель
СНГ Газодизель
СПГ

19



бензиновых двигателей:

Б

е

Б

е

ном

Р

Р



(-1.0396



n

3

+ 1.1677



n

2

+ 0.8924



n – 0.0183) кВт

,

(14)

R

2

= 0.9994;



дизелей без наддува:

Д

е

Д

е

ном

Р

Р



(-1.2542



n

3

+ 1.8452



n

2

+ 0.3566



n + 0.0502) кВт

,

(15)

R

2

= 0.9995;



двигателей с искровым зажиганием на СНГ:

СНГ

е

СНГ

e

ном

Р

P



(-0.6869



n

3

+ 0.7581



n

2

+ 0.463



n + 0.0698) кВт

,

(16)

R

2

= 0.9989;



двигателей с искровым зажиганием на СПГ:

СПГ

е

СПГ

e

ном

Р

P



(-0.7576



n

3

+ 0.8571



n

2

+ 0.829



n + 0.0714) кВт

,

(17)

R

2

= 0.9979;



газодизелей на СПГ:

ГД

е

ГД

e

ном

Р

P



(-1.5236



n

3

+ 2.21



n

2

+ 0.2466



n + 0.064) кВт

,

(18)

R

2

= 0.9995;

по расчету удельного расхода тепла для:



бензиновых двигателей:

Б
т

Б
т

ном

b

b



(11.865

n

2

– 12.439

n

+ 14.596)

МДж / кВт



ч,

(19)

R

2

= 0.9998;



двигателей с искровым зажиганием на СПГ:

СПГ
т

СПГ
т

ном

b

b



(9.9542

n

2

– 8.5592

n

+ 14.405)

МДж / кВт



ч,

(20)

R

2

= 0.9993;



дизелей без наддува:

Д
т

Д
т

ном

b

b



( 7.7242

n

2

– 10.08

n

+ 12.496)

МДж / кВт



ч,

(21)

R

2

= 0.9997;



газодизелей на СПГ:

ГД
т

ГД
т

ном

b

b



(4.8795

n

2

– 6.141

n

+ 10.731)

МДж /кВт



ч,

(22)

R

2

= 0.9984;

В целях оценки показателей ДВС на АМТ производим интегрирование

выбранных показателей (P

e

, T

iq

, в, l

CO

и др.) в пределах от

n

min

до

n

ном

в виде





dx

c

вx

ax

x

x







2

1

2

или





n

d

c

n

в

n

a

n

n







max

min

2

и определение соответствующих площадей

Баз

T

iq

S

и

АТ

T

iq

S

,

Баз

Р

е

S

и

АТ

Р

е

S

,

Баз

в

S

и

АТ

в

S

и т.д., заключенных между линиями

Т

iq

Баз

= f(

п

)

и

Т

iq

AT

= f(

п

)

,

Р

е

Баз

=f(

п

)

и

Р

е

АТ

=f(

п

), в

Баз

=f(

п

)

и

в

АТ

=f(

п

),

на отрезке

n

min



n



n

ном

,

которые выводятся в виде

у(S

i

)=К

ном

·Х

.

По этому способу также можно вычислить работу, выполненную двигателем за

этот же промежуток, если условно заменить



n

на



t.

Энерго-экологическая оценка применения АМТ производится определением:



коэффициента энергетической эффективности

Баз

Pe

Баз

в

АТ

Pe

АТ

в

эн

S

S

S

S

К

/

/

2





;

(23)



коэффициента экологической эффективности

20

Баз

Pe

Баз

АТ

Pe

АТ

эк

S

S

S

S

К

/

/

2













.

(24)

Получив

значения

К

эк

(

К

эл

)



1

или

К

эк

(

К

эл

)<1,

производим

оценку

соответствующих свойств двигателя, работающего на АМТ.

Нами также усовершенствован метод расчета показателей рабочего цикла ДВС

на различных АМТ, основанный на методе расчета проф.И.И.Вибе и учитывающий
особенности АМТ. Обобщенные результаты, которые необходимы и при
сравнительных исследованиях, приведены в табл. 6.

Таблица 6. Сравнительные индикаторные показатели рабочего цикла

Система

питания

l

i

,

МДж/кг

P

i

,

МПа



i

b

i

,

г/кВт ч

Бензин

0.769447

0.8575

0.2665

307.03874

СПГ

0.818181

0.7712

0.354

207.53969

Дизель

0.917113

1.0201

0.4841

177.06128

Газодизель

0.900868

0.985

0.4509

169.85777

Четвертая глава

–«Методика экспериментальных исследований» посвящена

определению объектов и методов исследований.

Научно-практические работы по переводу дизелей и бензиновых ДВС АТС и

СУ (моделей ЗМЗ, ГАЗ, РАФ, ЗИЛ, ЛАЗ, КамАЗ, А01М, Икарус, Дамас, Нексия) на
различные виды АМТ показали, что их положительные результаты возможны только
после детального изучения их особенностей рабочих процессов и разработки
эффективных способов их организации, реализующих все потенциальные
преимущества АМТ как моторных топлив.

С учетом сложность и характера проводимых исследований нами был

используется метод комплексной или интегральной оценки на основе оптимизации
параметров. Решение этой задачи осуществляется с помощью многофакторного
анализа, рассматривающего исследуемый объект (топливо, ДВС, АТС и СУ и т.д.) во
взаимодействии с условиями производства и эксплуатации, как сложную
многофакторную систему. В этом случае целесообразно применение модели,
построенной на основе математического планирования экспериментов, дающей
возможность управлять исследуемой системой. Использование статистических
критериев (математическое ожидание, среднее квадратичное отклонение и др.)
позволяет оценить степень адекватности модели применительно к настоящим задачам
(топливная экономичность, выбросы ВВ и др.) локально-интегрального или
полиномиального типов, удобных с точки зрения системного анализа.

Как в этом случае в начале исследований проводится небольшая серия опытов

для получения линейного приближения поверхности отклика, затем проводятся
опыты в области градиента, затем попадания расчетной точки в область большой
кривизны поверхности отклика. Применяются линейные планы второго порядка,
представляющие собой матрицы и обеспечивающие симметричность и
ортогональность. В этом случае коэффициенты регрессии можно оценивать
независимо друг от друга с минимально возможной дисперсией. Тогда достигается
суть сравнения, оценки и оптимизации того или иного параметра (конструктивного,
технологического, эксплуатационного и др.) в решении задачи минимальной
себестоимости и воздействий на ОС при максимальной эффективности работы
исследуемого объекта.

21

С учетом сложности и закономерности взаимодействия исследуемых факторов

системы (например, процесса сгорания ДВС с искровым зажиганием на АМТ)
целесообразно использовать план второго порядка, т.е. ротатабельный с ядром плана
полного факторного эксперимента. Это позволяет оценить влияние линейных и
квадратичных членов уравнения регрессии, результатов взаимодействия факторов и
установить кривизну поверхности отклика.

Математическое выражение модели (уравнение регрессии) имеет вид

y(b,x)=b

0

+b

1

x

1

+b

2

x

2

+b

3

x

3

+b

4

x

4

+b

12

x

1

x

2

+b

13

x

1

x

3

+b

14

x

1

x

4

+b

23

x

2

x

3

+b

24

x

2

x

4

+b

34

x

3

x

4

++b

123

x

1

x

2

x

3

+b

134

x

1

x

3

x

4

+b

124

x

1

x

2

x

4

+b

234

x

2

x

3

x

4

+b

1234

x

1

x

2

x

3

x

4

+

2

4

44

2

3

33

2

2

22

2

1

11

x

b

x

b

x

b

x

b







,

где

y

– искомая функция (параметр оптимизации, выходной параметр);

x (x

1

,…,

x

4

)

– независимые переменные (факторы);

b

0

,b

1

,…,b

4

– коэффициенты регрессии

(независимых переменных).

Для изучения работы ДВС, например ЗМЗ-4027.10, работающего на различных

топливах, в качестве оценочных параметров мы принимаем: общая длительность
сгорания



cг

; удельный расход топлива

в

е

; удельные выбросы ВВ

в

с

(например, по

выбросам СО).

В качестве исследуемых факторов (параметров) принимались только четыре:

частота вращения n; состав горючей смеси



; угол опережения зажигания

Θ

заж

; и

коэффициент наполнения -

Ф

с

.

В результате реализации принятого плана в общем случае без учета тройных и

более высоких эффектов взаимодействия получена зависимость

y(Θ

сг

,b

е

,b

со

)=b

0

+b

1

n+b

2



+b

3

Θ

заж

+b

4

Ф

с

+b

11

n

2

+b

22



2

+b

33

Θ

2

заж

+b

44

Ф

с

2

+b

12

n



+b

13

nΘ

заж

+b

14

nФ

с

+b

23



Θ

заж

+b

24



Θ

заж

+b

34

Θ

заж



Ф

с

Квадратичные члены уравнения принимаются во внимание только для тех

факторов, которые имеют нелинейные зависимости. Предварительные серии
исследований включают интервалы варьирования принятых факторов, а при
необходимости предусмотрено расширение интервалов варьирования отдельных
факторов (табл.7).

Таблица 7 . Значения интервалов варьирования отдельных факторов

Исследуемый (входной)

фактор

Ед.

изм.

Обозначение

Уровень факторов

Интервал

варьирования

-2

-1

0

+1

+2

Частота вращения

мин

-1

x

1

2000

2500

3000

3500

4000

500

Состав горючей смеси

-

x

2

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

0.1

Угол опережения зажигания

град.
ПКВ

x

3

20

25

30

35

40

5

Коэффициент наполнения

–

x

4

0.45

0.55

0.65

0.75

0.85

0.1

Примечание: Для АМТ пределы уровня факторов расширяются

Принятие пределов изменения факторов с учетом их возможности расширения

обусловлено требованиями совместимости, т.е. выполнения всех экспериментов без
нарушения нормального функционирования исследуемого объекта (испытуемого
двигателя). При планировании эксперимента особое внимание уделяется точности
установки факторов (параметров) и измеряемых показателей.

Лабораторно-стендовые испытания проводились с помощью современных

технических средств фирм Шенк (Германия), Бекман (США), Чехия, Россия.
Измерение давления в цилиндрах исследуемого двигателя проводилось с помощью
пьезокварцевого датчика с усилителем «KJAG SWJSS» типа 5001. Регистрация и
фотографирование индикаторных диаграмм производились с помощью двухлучевого
осциллографа С1-74, индикаторные диаграммы обрабатывались по существующим
методикам.

22

Для

определения

коэффициентов

уравнения

регрессии

результаты

экспериментов были обработаны на ПЭВМ IBM-Pentium - IV с помощью стандартных
пакетов прикладных программ. Параметры математической модели получены в виде
уравнения регрессии. При проверке значимости коэффициентов по критерию
Стьюдента при доверительной вероятности 0.95 дисперсия воспроизводимости
оценивалась по результатам независимых экспериментов. Незначимые коэффициенты
были отброшены. Адекватность модели подтверждена как статическим анализом, так
и сравнением однофакторных экспериментальных данных сравниваемых вариантов.
Данная модель позволила путем проведения расчетного исследования показателей
рабочего цикла двигателя, работающего на АМТ, рекомендовать оптимальные
регулировочные значения его параметров.

В итоге получены зависимости



сг

; в

е

; в

СО

= f(n,



заж ,

Ф

с,



).

Полученные данные использовались для расчета комплексных (или

интегральных) показателей, принятых в качестве параметров оптимизации и
коэффициентов регрессии.

Окончательные уравнения для



сг

, b

e

, b

CO

имели вид

:



Б

сг

= 51.23 – 5.13



10

-3

n -

41.23



– 0.07



заж

– 56.93 Ф

с

+ 1.09



10

-6

n

2

+29.2



2

+ 0.72



10

-2



заж

2

+ 29.4Ф

с

2

;

b

Б

е

=1276 – 17.22



10

-3

n – 723



– 0.6



заж

- 176.26Ф

с

+ 2.6



10

-6

n

2

+ +26



2

+ 2.23



10

-2



заж

2

+ 17.6 Ф

с

2

+ 42 10

-3

n Ф

с

;

b

Б

СО

= 42 – 23 10

-3

n– 68.23



– 0.9



заж

– 76.6 Ф

с

+ 9.2 10

-6

n

2

+ 17.2



2

+ 66 10

-2



заж

2

+ 19.3 Ф

с

2

+ 41.2 10

-3

n Ф

с

.



СНГ

сг

= 59.17 – 6.04



10

-3

n

–

432



– 0.06



заж

– 57.8 Ф

с

+ 1.04



10

-6

n

2

+30.2



2

+ 0.81



10

-2



заж

2

+ 30.09Ф

с

2

;

b

СНГ

е

=1203 – 18.32



10

-3

n – 72.3



– 0.5



заж

- 178.51Ф

с

+ 2.7



10

-6

n

2

+

+25.2



2

+ 2.5



10

-2



заж

2

+ 16.7 Фс

2

+ 44.3 10

-3

n Ф

с

;

b

СНГ

СО

= 32.4 – 24 10

-3

n – 69.3



– 0.85



заж

– 77.5 Ф

с

+ 9.9 10

-6

n

2

+ 19. 1



2

+ +4.2 10

-2



заж

2

+ 20.3 Ф

с

2

+ 43 10

-3

n Ф

с

.



СПГ

сг

= 67.23 – 6.01



10

-3

n

–

433



– 0.06



заж

– 55.8 Ф

с

+ 1.49



10

-6

n

2

+ + 28.2



2

+ 0.83



10

-2



заж

2

+ 36.4Ф

с

2

;

b

СПГ

е

=1186 – 18.32



10

-3

n– 75.33



– 0.7



заж

- 186.26Фс + 1



10

-6

n

2

+

+25.9



2

+ 43



10

-2



заж

2

+ 18.6 Ф

с

2

+ 49.2 10

-3

n Ф

с

;

b

СПГ

СО

= 22.4 – 24 10

-3

n – 69.34



– 0.8



заж

– 75.5 Ф

с

+ 8.4 10

-6

n

2

+ 18.21



2

+ +4.3 10

-2



заж

2

+ 21.5 Ф

с

2

+ 42.2 10

-3

n Ф

с

.

По полученным значениям коэффициентов регрессии подсчитывали

доверительные интервалы для параметров (показателей) оптимизации (табл.8).По
результатам анализа этих данных видно, что все зависимости значимы для
коэффициента наполнения, значимы также многие зависимости парных
взаимодействий и квадратичных членов.

Для проведения испытаний на топливную экономичность применялись

Правила ЕЭК ООН R-83 с использованием беговых барабанов, которые имитируют
условия движения на автостраде в течение 55% времени испытаний и по городу -45%.

При оценке результатов использования АМТ в качестве моторного топлива

возникает вопрос определения экономичного состава горючей смеси, т.к. топлива,
составляющие данную смесь, могут иметь совершенно разную удельную стоимость,
и поэтому состав смеси, соответствующий максимальному КПД, может не
соответствовать составу с минимальными затратами на топливо.
Таблица 8. Параметры оптимизации ДВС на различных топливах

№

Наименование

Параметры оптимизации



сг

град.ПКВ

в

е

г/кВт



ч

в

СО,

г/кВт



ч

в

СН,

г/кВт



ч

в

NОx,

г/кВт



ч

Б

СНГ

СПГ

Б

СНГ

СПГ

Б

СНГ

СПГ

Б

СНГ СПГ

Б

СНГ СПГ

1 Максимальное

значение

32

38

44

300

293

285

182

178

163

47

40

34

15

11

6

2 Минимальное

значение

19

25

28

288

280

272

175

160

141

43

34

26

12

7

3

3 Размах

6.5

6.5

8

6

6.5

6.5

5

9

11

2

3

4

1.5

2

1.5

4 Доверительный

интервал

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

0.93

23

В соответствии с результатами ранее проведенных исследований, нами была

выполнена оценка экономичности составов топливовоздушной смеси при работе ДВС
на различных АМТ.

Оценку работы ДВС в этом случае целесообразно производить сравнением

значений



it

/



или



et

/



на различных топливах. Это отношение, оценивающее как

тепловое совершенство рабочего процесса, так и эффективность использования
воздушного заряда, достигается ее максимальным значением. При исследованиях
установления характера протекания



i

/



=f(



n) или



e

/



=f(



n) позволяет оценить

стабильность протекания экономических характеристик сравниваемых двигателей.
При этом также можно оценить стоимость произведенной работы с помощью
безразмерного критерия

и

т

Э

к

Н

Ц

С





(25)

Однако более обоснованно производить оценку при учете показателя,

характеризующего “стоимостную эффективность”, который выражает отношение
вырабатываемой двигателем энергии на единицу денежных затрат

е

т

э

в

Ц

С





/

6

.

3

,

МДж/у.е.,

(26)

где

Ц

т

– удельная массовая стоимость топлива, у.е. / кг;

в

е

- удельный расход

топлива, кг/кВт



ч.

Далее с учетом показателя степени теплоиспользования производится

сравнение АМТ с базовым топливом.

АТ

э

еt

БАЗ

э

еt

С

С

)

(

)

(











(27)

В пятой главе

– «Анализ результатов исследований по энерго-экологической

эффективности использования альтернативных моторных топлив

»

приводятся анализ

результатов исследований ЭЭЭ использования АМТ и способов оценки и улучшения
ЭЭП ДВС на этих топливах.

Но

ввиду

ряда

организационно-технических

причин

(неразвитость

инфраструктуры производства, использования и др.) на транспорте применение СНГ
или СПГ проходит путем переоборудования выпускаемых бензиновых двигателей и
дизелей. В этом процессе выявлены ряд конструктивных и других особенностей ДВС
с целью конвертации их для работы на АМТ.

Приведем основные конструктивные параметры, которые могут влиять на ЭЭП

ДВС с различными системами питания:

-

конструктивные особенности ДВС и его систем – степень сжатия,
скоростной режим, конструкция базовой (жидкостной) системы питания
системы зажигания и газораспределительного механизма;

-

конструктивные, функциональные особенности систем питания, в частности
газовой системы питания, которые классифицируются по различным
признакам.

Анализ результатов полученных данных показывает влияние соотношения

Н/С

топлива, коэффициентов наполнения

Ф

с

, избытка воздуха



, неравномерности

распределения горючей смеси по цилиндрам

D

, теплотворной способности горючей

смеси

Н

см

, нагрузки на процесс сгорания и, следовательно, на ЭЭП ДВС.

Расширение предела обеднения состава горючей смеси на АМТ, в частности на

СНГ и СПГ, выгодно отличается от стандартных жидких топлив, допускающие

24

возрастание



i

. Однако при этом наибольшее его значение достигается при 80…90

%

от полной нагрузки в зависимости от вида используемого АМТ. Причем в этом случае
расширяется предел изменения состава горючей смеси с наибольшим значением



i

,

т.е. изменения кривых



i

, р

i

,



вид

,



заж

(



впр

) носят пологий характер со смещением в

сторону меньших частот вращения коленчатого вала двигателя по сравнению с его
работой на стандартном жидком топливе.

Наблюдаемое снижение объемной энергоемкости горючей смеси с

одновременным снижением коэффициента наполнения при работе ДВС на некоторых
АТ приводит к уменьшению р

z

и



i

.

Снижение

СО

связано не только с переходом на работу двигателя на более

бедные составы горючей смеси, но и с увеличением соотношения

Н/С

, приводящим к

росту активных радикалов в зоне сгорания. Ожидаемое увеличение роста

NO

x

из-за

ожидаемого увеличения

Т

z

, как следствие увеличения соотношения

Н/С

не

подтвердилось из-за затяжного характера протекания процесса сгорания,
приводящего к относительно большим тепловым потерям.

Таким образом, на основе изучения особенностей рабочих процессов ДВС с

искровым зажиганием на АМТ не только выявлена целесообразность работы на более
бедных составах горючей смеси, но и разработаны новые способы организации
подготовки и осуществления процесса сгорания, в результате которых достигается
улучшение ЭЭП ДВС не только на полной нагрузке, но и на режимах пуска, х.х. и
частичных нагрузках.

Изучение рабочих процессов дизелей, переведенных на работу на АМТ по

газодизельному и жидкостно-дизельному (двухфазному) способам выявило ряд их
отличительных особенностей.

На рис.9 представлена диаграмма цикловой подачи топлива при различных

способах ее осуществления без изменения базового угла опережения впрыска
топлива.

Рис.9. Диаграмма (обобщенная) цикловой подачи топлива дизеля при
различных способах ее организации.

100

%

75

50

25

0

ВМТ

НМТ

ВМТ

НМТ

4 7



вп

1



2



1



2



1

2



q

ц

3 6



25

Площадь

S

012340

показывает подачу суммарного количества топлива при

двухфазном смесеобразования, а площади

S

01



2



3



40

и

S

01



2



340

- соответственно подачу

топлива газодизелей транспортного и стационарного типов. Эти площади отличаются
своими размерами от площади

S

5675

, характерной для дизеля. Показано, что

увеличение продолжительности смесеобразования в процессе образования бедной
смеси в цилиндре (когда происходит двухфазное смесеобразование или
осуществляется газодизельный процесс), которая не может преждевременно
воспламениться, топливо успевает пройти предпламенные реакции с образованием
активных центров воспламенения впрыскиваемого топлива через форсунку в конце
такта сжатия.

Проведенные исследования по улучшению характеристики х.х. с целью

достижения стабильного

n

х.х.min

и меньших для двигателя ЗМЗ 511 на СПГ показали,

что ввод автономной системы х.х. позволяет достичь этого.

В

свою

очередь

это

значительно

улучшит

топливно-скоростную

характеристику автомобилей ГАЗ-33076 и ЗИЛ-138А. Улучшения ЭЭП двигателя
ЗМЗ-511, работающего на различных топливах, можно достичь обогащением
газовоздушной смеси низкокачественными жидкими топливами при



=

const

или

повышением степени сжатия с



=7.0 до



=8.5(рис.10,11;табл.9). Однако в первом

случае следует иметь в виду применение конструктивных дополнений в системе
питания, а во втором – более дорогого жидкого топлива.

Рис.10. Внешняя скоростная характеристика
двигателя ЗМЗ- 4027-10.

Рис.11. Внешняя скоростная характеристика
двигателя ЗМЗ-511.

На рис.12 представлены ВСХ дизеля и газодизеля ЯМЗ-236 (6Ч 13/14), а на

рис.13 - показатели дизеля и газодизеля Д 144( 4Ч 10.5/12).

170

Н

Н



м

150

130

65

кВ
т

55

45

35

25

15

T

iq

Р

e

0.8

0.7

0.6

400

340

Ф

с

300

280

г/кВт



ч

в

в

n

Р

e

Ф

с

T

iq

320

360

Бензин Экс.,
АИ-93 Расч.,
СНГ Экс.,
СПГ Экс.,
Расч.

1000 2000 3000 4000 мин

-1

5000

290

в

б

м

3

/кВт



ч

(х8000ккал/кВт



ч)

270

Нм

250

Т

iq

80

кВт

60

40

Р

е

Т

iq

20

Р

е

в

г

в

б

0,50

0.45

1000

2000

3000

3500

2500

1500

в

г

0,55

450

400

300

n

мин

-1

г/кВт



ч

(х10.5 ккал/кВт



ч)

Бензин



= 7.0 Экс.



= 7.0 Расч.

Бензин



= 8.5 Экс.

СПГ



= 7.0 Экс.



=7.0 Расч.

СПГ



= 8.5 Экс.

26

При

работе

дизеля

с газодизельным

питанием

или

с

двухфазным смесеобразованием достигнуто:

-

снижение температуры ОГ на 45...60

0

С, что связано с увеличением

полноты сгорания топлива;

-

снижение жесткости процесса сгорания (скорость нарастания давления) на

25...28 %, что связано с уменьшением периода индукции;

-

снижение удельного расхода топлива на 9.5...15.0 г/кВт



ч;

-

увеличение мощности двигателя до 9 %;

-

уменьшение дымности ОГ.

По результатам проведенных исследований разработан способ организации

рабочего процесса дизеля с газодизельным (двухфазным) питанием и
рециркуляцией отработавших газов в зависимости от нагрузки(рис.14). Известно,
что газодизельный процесс является самым доступным и простым способом
перевода дизелей на питание газообразными топливами. Однако при этом следует
снизить степень сжатия базового дизеля примерно до 11…12 для исключения
детонации или обеспечения мягкой работы двигателя при работе на газодизельном
процессе.

Таблица 9. Технические характеристики АТС с обогащением газовоздушной смеси

№
№

Параметр

ГАЗ-33076

РАФ-2203

базовый

ГБА СПГ

опытный

базовый

опытный

1

2

3

4

5

6

1

Полная масса автомобиля,

кг

7400

7400

7400

2600

2600

2

Грузоподъемность,

кг

4000

3500

3500

11 чел.

8 чел

3

Допустимая масса прицепа,

кг

3500

3500

3500

-

-

4

Максимальная скорость,

км/ч

80

78

79

120

118

5

Мощность двигателя,

кВт(л.с.):

- при работе на бензине

84.6(115)

-

-

70 (95)

- при работе на СПГ

-

72(98.0)

-

-

59.5 (81)

- при работе на низкооктановом топливе с добавкой
ПГ

-

-

82.5(112)

-

67(91)

6

Рабочий объем двигателя,

л

4.25

4.25

4.25

2.445

2.445

7

Степень сжатия

7

7

7

8.2

8.2

8

Объем камеры сгорания,

см

3

75



1.5

75



1.5

9

Минимальный удельный расход топлива по
скоростной характеристике,

г/кВт



ч. (г/л.с



ч)

288(212)

272(200)

294(216)

285(210)

290(213)

10

Количество газовых баллонов высокого давления,

шт.

-

5

5

-

3

11

Емкость топливного бака,

л

90

90

90

55

55

12

Контрольный расход топлива,

л/100 км(м

3

/100км):

- бензина

24

-

-

12

-

- СПГ

-

25.5

-

-

-

- низкооктанового бензина + СПГ

-

-

23+2.24

-

11.2+1.2

13

Запас хода,

км

- на бензине

375

-

-

460

-

- на СПГ

-

200

-

-

-

- на низкооктановом бензине с добавкой ПГ

-

-

380

-

470

Результаты исследований работы газодизелей показали, что создание

управляемого разрежения во впускном трубопроводе (дросселирование на впуске)
является решением, обеспечивающим высокие показатели их рабочего процесса.

На рис.15 приводятся результаты дросселирования впускного тракта дизеля

4Ч 10.5/12. Установлено, что управление разрежением

4…9 кПа

(

30…65 мм

рт.ст.)

во впускном тракте перед газовоздушным смесителем в зависимости от

нагрузочного режима дизеля позволяет увеличить количество подаваемого газа,
оптимизировать состав смеси, снизить расход дизельного топлива до 36….42% и

27

более в зависимости от режима работы, увеличить

среднее

эффективное

давление на 7…8%.

Комплексный характер анализа результатов исследований использования

АМТ в качестве моторного топлива, прежде всего, определяется с точки зрения
использования энергии (использования теплоты или выполнения полезной работы)
и выполнения самых современных экологических требований.

В ходе проведенных исследований установлено, что процесс применения

АМТ в качестве моторного топлива состоит из поэтапного и системного изучения
различных вопросов, которые так или иначе касаются оценки и улучшения ЭЭП
ДВС АТС и СУ.

Каждый этап исследований сопровождается и завершается получением

оценочных признаков, показателей и характеристик, которые выражаются
искомым числовым результатом символического вида (в форме математического
выражения).

Если результаты исследований являются анализом модели конкретно

сформулированной задачи, то в этом случае они должны сравниваться с итоговыми
данными экспериментов.

Рис. 12. Внешняя скоростная характеристи-
ка дизеля (6Ч 13/14)

1000 1200 1400 мин

-1

1600

n

Рис.13. Показатели рабочего
процесса дизеля
4Ч 10.5/12 (Д 144).

2200

1800

1400

1000

1.4

1.6

1.8

0

2000

4000

75

95

115

135

155

кВт

Р

е

750

Нм

700

650

600

Т

iq

Р

е

T

iq



С

CH

NO

x

в

Дизель Экс.

расчет.
Газодизель экспер.
расчет.

Газодизель

Расч.

Расч.

Экс.

50

100

чнм

150

210

220

г/кВт



ч

230



NO

x

С

CH

в

МПа/градПКВ

dp/d



500

0

С

450

400

t

or

t

or

8.0

МПа

7.0

6.0

5.0

р

z

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

dp/d



14

град
ПКВ

12

10

8



зад



зад

65

%

45

К

К

25

р

z

Дизель
Газодизель(Д.Т+СНГ)
Газодизель(Д.Т+СПГ)
Q

в

=24 град.ПКВ, Р

е

=0.62МПа

n

мин

-1

27

Здесь возникает два аспектных момента исследований. Во-первых,

совпадение результатов модельных исследований с фактическими данными,
которых можно достичь с помощью принятых объективных допущений. Во-
вторых, соответствие полученного результата исходной задаче.

Содержание исходной задачи системы с иерархической структурой для

каждого уровня (этапа) претерпевает некоторые изменения, но только в рамках
системы «Т – ДВС – АТС и СУ – П – ЭР – Г –МГ». Решение исходной задачи на
каждом этапе завершается принятием решения, которое предполагает наличие
цели, альтернатив и факторов. (См. главу 3, где подробно описываются
теоретические основы принятия решений по оценке и улучшению ЭЭП при
использовании АМТ в системе «Т – ДВС – АТС и СУ – П – ЭР – Г –МГ»).

Например, для оценки неравномерности распределения горючей смеси по

цилиндрам двигателя, работающего с различными системами питания, диссертант
использовал метод, основанный на определении содержания СО в ОГ на каждом
цилиндре двигателя.

%

100

G

G

G

D

СОср

COcp

i

COц

со





Как свидетельствуют полученные результаты, содержание СО в составе ОГ

газового двигателя в 2.2…5 раз меньше, чем при работе на бензине.

Между тем неравномерность D

СО

распределения измеренного содержания

СО по цилиндрам в составе ОГ газового двигателя в 1.8…6.6 раза больше, чем при
работе на бензине.



g

ГДт



g

РОГ



g

ГДс



g

Дф

0 20 40 60 80 % 100

М

Рис.14. Диаграмма (обобщенная) организации рабочего процесса дизеля с
газодизельным (двухфазным) питанием и рециркуляцией

отработавших газов в зависимости от нагрузки.

Стоимость единицы энергии в период срока службы двигателя АТС и СУ,

определялась по формуле:

М

2

Р

к

С

Д

Д

С

е

р

тс

к

н

сс











, у.е./кВт



ч , (29)

где Д

н

и Д

к

– стоимости соответственно нового и первого капитального

ремонта двигателя,

у.е.

;

С

тс

– стоимость топлива и смазочных материалов,

у.е

.;

0.2

0.4

0.6

0.8

0.2

0.4

0.6

0.8



g

ГДс



g

ГДт



g

Дф



g

РОГ

(28)

28

29

0 40 80

мм рт.ст.

120

Рис.15. Зависимость показателей рабочего процесса дизеля 4Ч 10.5/12 от
дросселирования впускного тракта.

Р

е

– эффективная мощность двигателя, кВт;

к

р

– коэффициент

использования эффективной мощности двигателя;

2М

– удвоенный моторесурс

(моторесурс до и после капитального ремонта), тыс.ч

.

Некоторые расчеты стоимости энергии приведены в табл. 10 без учета

расходов смазочных материалов и экологических эффектов (предотвращенного
экологического ущерба).
Таблица 10. Стоимость расхода энергии различными ДВС

№

Наименование показателей

Ед.

изм.

Двигатели

ЗИЛ-130,

Бензин

ЗИЛ-138,

СНГ

ЗИЛ-138А,

СПГ

КамАЗ740,

ДТ

КамАЗ-

7409.10, ГД

1

2

3

4

5

6

7

1

Стоимость нового двигателя

у.е.

450

600

900

1200

1800

2

Стоимость

капитально

отремонтированного двигателя

у.е.

450

600

900

1200

1800

3

Суммарный пробег (работа) за
период

до

и

после

капитального ремонта (срока
службы)

тыс.км

(тыс. моточ.)

300

(8.0)

360

(10.0)

450

(12.0)

350

(10.0)

420

(12.0)

4

Номинальная

мощность

двигателя

кВт

(л.с.)

110

(150)

104

(141)

98

(133)

154

(210)

168

(229)

5

Стоимость топлива

у.е./т

у.е./тыс. куб м.

250

–

167

–

–

100

250

–

250
100

6

Расход топлива за период до и
после капитального расхода
двигателя (срока службы)

т

тыс. куб м.

88

–