2594

1 – отработавшие газы; 2 – пористый керамический защитный слой; 3 – измерительный слой с микропористым слоем из благородных металлов (ZrO2); 4 – канал контрольного воздуха; 5 - нагреватель

Рис. 3. Измерительный элемент планарного ДКК

3. Планарный широкополосный (широкодиапазонный) ДКК. Преимущество широкополосного ДКК перед другими датчиками

заключается в возможности определения концентрации кислорода в ОГ в широком диапазоне, что соответствует коэффициенту избытка воздуха от 0,7 до бесконечности (рисунок 4).

Рис. 4. Зависимость насосного тока от коэффициента избытка воздуха λ

Широкополосный ДКК представляет собой планарный датчик предельного тока. Его измерительный элемент состоит из керамического тела на основе диоксида циркония (ZrO2) и представляет собой сочетание элемента концентрации Нернста, как у двухступенчатого датчика и насосного элемента, который переносит ионы кислорода (рисунок 5).

Отработавшие газы 1 через канал 10 поступают в диффузионную щель 6 через диффузионный барьер 11. Концентрация кислорода в ОГ в диффузионной щели сравнивается с контрольным воздухом в воздушном канале 5, причем блок управления путем подачи напряжения Up поддерживает в диффузионной щели постоянный состав газа при λ = 1. При высоком содержании кислорода в ОГ (бедная смесь) насосный

200

элемент откачивает кислород наружу (положительный насосный ток), а при уменьшении содержания кислорода в ОГ (богатая смесь) кислород из ОГ откачивается через диффузионную щель в окружающую среду (отрицательный насосный ток). При λ = 1 перекачка кислорода не происходит, насосный ток равен нулю. Насосный ток пропорционален концентрации кислорода в ОГ и является нелинейной мерой коэффициента избытка воздуха λ (рисунок 4) [2,18,19,20].

1 – отработавшие газы; 2 – выпускная труба; 3 – нагреватель; 4 – электронная схема регулирования; 5 – опорный элемент с контрольным воздушным каналом; 6 – диффузионная щель; 7 – элемент концентрации Нернста; 8 – насосный элемент для подкачки кислорода с насосными электродами; 9 – пористый защитный слой; 10 – канал для доступа ОГ; 11 – пористый диффузионный барьер; Ip – ток насоса; Up – напряжение насоса; Uн – напряжение нагревателя; URef – контрольное напряжение (450 мВ, соответствует λ = 1); Us – напряжение зонда.

Рис. 5. Схема строения измерительного элемента планарного широкополосного ДКК

В процессе эксплуатации автомобиля технические характеристики ДКК ухудшаются. Как показала практика и проведенные ранее исследования основные причины, приводящие к неисправности и отказам ДКК, и эксплуатационные факторы, оказывающие влияние на элементы датчика следующие:

1. Повреждение керамического элемента, вследствие изменения физико-химических свойств керамического элемента ДКК:

-под действием продуктов сгорания насыщенных углеводородов моторного масла (при чрезмерном износе ЦПГ и маслосъемных колпачков)[21,25];

-при применении бензина содержащего добавки марганца и железа, повышающие детонационную стойкость бензина[21];

-под действием свинца, который хоть в малых количествах содержится в любом бензине (в этилированных бензинах содержится больше свинца, чем в стандартном бензине)[22];

-при попадание в чувствительный элемент кремнийорганических продуктов, содержащихся в силиконовых герметиках[23,24];

201

-при применение «присадок», «очистителей топливных систем», растворителей, сольвентов и тому подобных добавок к топливу, которые не сертифицированы для систем с датчиками кислорода и каталитическими нейтрализаторами;

-при попадании в систему выпуска составных частей охлаждающей жидкости (антифриза);

2.Отказ подогревателя ДКК (перегорание нагревательного элемента, повреждение цепи питания подогревателя);

3.Нарушение герметичности корпуса;

4.Повреждение электрических соединений (обрыв цепи, короткое

замыкание на корпус или на выход)[3].

Анализ литературы и патентов показал, что основными параметрами, характеризующими исправность ДКК, являются:

-время реакции датчика на изменение состава топливовоздушной смеси (быстродействие);

-диапазон выходного сигнала;

-время нарастания сигнала[3].

В современных блоках управления двигателем алгоритм определения неисправности ДКК основан на определении изменения диапазона выходного сигнала[26,27,28]. Другие признаки ухудшения параметров ДКК не определяются электронным блоком управления двигателем, хотя его эксплуатационные свойства могут значительно ухудшаться.

Выводы:

1.На большинстве современных автомобилей в системе управления двигателем применяются датчики концентрации кислорода, которые отличаются многообразием конструкций и применяемых материалов, но все же наибольшее распространение получили ДКК с измерительным элементом на основе ZrO2.

2.В процессе эксплуатации автомобиля характеристики ДКК ухудшаются, что приводит к увеличению расхода топлива, снижению мощности двигателя, увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу.

3.Блок управления двигателем фиксирует только явные неисправности ДКК и не определяет другие признаки ухудшения параметров датчика, влияющих на эксплуатационные свойства автомобиля. Поэтому актуальным вопросом технической эксплуатации автомобиля является разработка методики поддержания ДКК в работоспособном состоянии, при котором эксплуатационные свойства автомобиля находятся в допустимых пределах.

Библиографический список

1. Соснин, Д.А. Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей: Учебное пособие / Д.А. Соснин. – М.:СОЛОН-Р, 2001. – 272 с.

202

2.Системы управления бензиновыми двигателями. Перевод с немецкого. Первое русское издание. – М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005. – 432 с.: ил.

3.Лещенко В.П. Кислородные датчики. Устройство, принцип действия, диагностика / В.П.Лещенко. – М.: Легион-Автодата, 2003. – 112 с.

4.Тюфяков, А.С., Ибрагимов, Б.Р., Штрайхер, Е.Е. Управление составом смеси в бензиновом ДВС по содержанию кислорода в отработавших газах. // Двигателестроение. – 1990. - № 5. - С. 52-54.

5.«Krafthand»,1973, 46, №23, 1504-1505.

6.Eddy David «IEEE Trans.Veh. Technol.»,1974, 23, №4, 125-128.

7.Пат. США №3844920, 1974.

8.Пат. ФРГ №2502409, 1976.

9.А.с. 193728, ЧССР, 1982.

10.Пат. США №4147513, 1979.

11.Пат. США №4012709, 1977.

12.Пат. США №4004452, 1977.

13.Otten Johan «SAE Techn. Pap. Ser.» - 1990, №900067, pp. 1-28.

14.А.с. 1191817, СССР, 1985.

15.Пат. США №4764343, 1988.

16.Пат. ФРГ №4243733, 1994.

17.Пат. ФРГ №4243732, 1994.

18.Пат. ФРГ №4243734, 1994.

19.Пат. США №4570479, 1983.

20.Ueno Sadayasu «SAE Tech. Pap. Ser.»,1985, №860409, pp. 27, 33, ill.

21.Kawai Mitsuo, SaitoTakaharu «ISATA 81. Proc. 10th Anniv. Int. Symp. Automot. Technol. And Autom., Stockholm, 7-11 Sept., Vol.2», Croydon, s.a., 1-15.

22.Young C.T. «SAE Tech. Pap. Ser.», 1979, №790143, 10pp., ill.

23.Holleboom Bruce W. «SAE Tech. Pap. Ser.», 1986, №860478, pp.117-122, ill.

24.Landis Julie K., Garner Paul J., «SAE Tech. Pap. Ser.». – 1988. - №880024. – с. 1-4.

25.Brett P.S. «SAE Tech. Pap. Ser.», 1989, №890490, pp. 1-12.

26.Пат. США №546765, 1989.

27.Пат. США №4938194,1990.

28.Пат. США №5577382, 1996.

УДК 621.439:629.114.5

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ТРУБЧАТОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ (ТЭН)

Н.Г. Певнев, д-р. техн. наук, проф., зав. кафедрой, М.В. Банкет, аспирант Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

В последнее десятилетие ХХ века в мировой экономике начала набирать силу волна популярности сжиженного нефтяного газа (СУГ) как моторного топлива. Сегодня только в США пропановый бизнес оценивается в 8 миллиардов долларов. По прогнозам специалистов эта волна достигнет своего высшего уровня к концу первой четверти ХХI века. В России также наблюдается повышенный интерес к использованию СУГ в качестве

203

моторного топлива. Так рост объемов газа, реализуемого через автомобильные газовые заправочные станции, за последние три года вырос на 60%[1].

По мнению аналитиков, если стоимость моторного топлива в течении ближайших лет повысится, спрос перераспределится в сторону СУГ. Ежегодный объем потребления СУГ внутренним рынком, составляет 3 млн.т. В настоящее время в России основными альтернативными видами моторного топлива являются компримированный природный газ и СУГ [2].

В регионах, где имеется развитая инфраструктура для использования СУГ на автомобильном транспорте, применение этого вида моторного альтернативного топлива считается перспективным, однако имеется ряд проблем при эксплуатации газобаллонных автомобилей (ГБА) при отрицательных температурах окружающего воздуха [3].

Эффективная работа современного газобаллонного автомобиля зависит от ряда внешних факторов таких как: условия эксплуатации ГБА, свойства СУГ, надежность газобаллонного оборудования (ГБО).

Влияния данных факторов на работу ГБА представлено в виде блок схемы на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема влияния внешних факторов на работу ГБА

Условия эксплуатации ГБА представлены подсистемами: температура окружающего воздуха, скорость ветра. Свойства СУГ представлены подсистемами: температура и давление СУГ в автомобильном газовом баллоне. Надежность ГБО представлена подсистемами: качество ГБО и

204

выбор ГБО для конкретного ГБА. Работа ГБА представлена подсистемами: система питания ДВС ГБА, вид топлива используемого ГБА, экономические показатели работы ГБА.

Условия эксплуатации ГБА воздействует на свойства СУГ, изменяя давление в автомобильном газовом баллоне, если давление снизится до 0,15 МПА (согласно ГОСТ Р 52087-2003) система питания двигателя ГБА не сможет работать на газовом топливе, что повлечет за собой автоматический переход на питание бензином и следовательно произойдет увеличение статьи затрат на топливо (см. рис. 1 блок экономические показатели работы ГБА). На экономические показатели работы ГБА также влияет надежность ГБО, а именно качество ГБО и выбор ГБО для конкретного ГБА. Поскольку неправильный выбор ГБО повлечет дополнительные затраты, в следствии увеличения отказов ГБО.

Для обеспечения круглогодичной эксплуатации автомобильного транспорта на СУГ предложен вариант поддержания заданного давления в автомобильном газовом баллоне при помощи ТЭН /3/.

Предметом исследования представленной работы являются закономерности, устанавливающие связь между параметрами работы ГБА и предложенным методом поддержания давления насыщенный паров СУГ, а также математическая модель расчета параметров ТЭН.

Блок схема влияния внешних факторов на работу ГБА с учетом предложенного метода поддержания давления СУГ изображена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема влияния внешних факторов и метода поддержания давления СУГ на работу ГБА

205

Рис. 3. Принципиальная схема математической модели расчета параметров ТЭН

При установке ТЭН в газовый баллон ГБА нагреватель будет воздействовать на физические свойства СУГ, увеличивая давление насыщенных паров газа, тем самым обеспечивая эксплуатацию ГБА на СУГ и уменьшая статью затрат на топливо. ТЭН будет воздействовать и на надежность ГБО.

Выбор ТЭН для поддержания заданного давления в газовом баллоне необходимо производить исходя из ряда

условий: 1) температура СУГ в газовом баллоне, 2) объем газового баллона установленного на ГБА, 3) место расположения газового баллона на ГБА.

После определения данных граничных условий производится расчет параметров ТЭНа. Исходя из расчетных параметров, осуществляется выбор ТЭНа. Принципиальная схема математической модели представлена на рис.3.

Математическая модель расчета параметров трубчатого электронагревателя (ТЭН) представлена на рис.4.

Пример расчета трубчатого электронагревателя (ТЭН) Определяем граничные условия: 1) температура СУГ в автомобильном

газовом баллоне: -20 0С . 2) объем газового баллона установленного на ГБА: 50 л. 3) место расположения газового баллона на ГБА: на раме ГБА.

Расчет параметров ТЭН

Поскольку газовый баллон установлен на раме автомобиля, необходимо произвести учет поправок на скорость ветра. Учет

производится			согласно			методике			разработанной				Научно-
исследовательским институтом охраны труда РГСУ («НИИОТ РГСУ»).
		Температура с учетом поправок на скорость ветра											Таблица 1
Скорость ветра							Температура, ˚С
м/сек	км/час	0		-5	-10	-15	-20	-25		-30	-35	-40	-45		-50
2	7	-1		-6	-11	-16	-21	-27		-32	-37	-42	-47		-52
3	11	-4		-10	-15	-21	-27	-32		-38	-44	-49	-55		-60
5	18	-9		-15	-21	-28	-34	-40		-47	-53	-59	-66		-72
8	29	-13		-20	-27	-34	-41	-48		-55	-62	-69	-76		-83
11	40	-16		-23	-31	-38	-46	-53		-60	-68	-75	-83		-90
15	54	-18		-26	-34	-42	-49	-57		-65	-73	-80	-88		-96

206

Рис. 4. Математическая модель расчета параметров ТЭН

207

Скорость автомобиля примем 40 км/ч. Температура СУГ в газовом баллоне при данной скорости согласно таблице 1 равна -46 0С .

Количество теплоты, необходимое для повышения температуры СУГ до заданной величины с учетом тепловых потерь нагревательного элемента, Дж:

QПБС СПБС МПБС (tк tн ),

где СПБС - массовая теплоемкость ПБС, Дж ;

кг С

МПБС - масса ПБС, кг;

tк - конечная температура ПБС, 0С ; tн - начальная температура ПБС, 0С .

QПБС 1,854 22 ( 36 ( 46)) 407,88кДж .

Массовая теплоемкость ПБС, Дж :

	кг С
	СПБС СП mП СБ mБ ,
где СП	- массовая теплоемкость пропана,			Дж		;
				кг С
СБ	- массовая теплоемкость бутана,		Дж		;
		кг С
mП - масса пропана, кг;
mБ	- масса бутана, кг.

кДж СПБС 0,5 2,23 0,5 1,478 1,854 кг 0С .

Количество теплоты, необходимое для повышения температуры материала стального бака с учетом потерь, Дж:

Qбака Сбака Мбака (tк tн ),

где Сбака	- массовая теплоемкость материала бака,	Дж	;
		кг С

Мбака - масса бака, кг;

Qбака 0,47 21 ( 36 ( 46)) 98,7кДж .

Полное количество теплоты, Дж:

Q (QПБС Qбака ),

где - КПД нагревательного элемента.

Q (407,88 98,7) 516,9кДж . 0,98

Необходимый тепловой поток нагревательного элемента, Вт

P Q k ,

где k – коэффициент запаса (1,1-1,3), учитывающий уменьшение напряжения сети, старения нагревательного элемента и др;

208

- время нагрева изделия, с.

P 516,9 1,1 0,135кВт. 70 60

Сила тока нагревательного элемента, А:

I P 1000 ,

U

I 0.135 1000 9,67А. 14

Диаметр нагревателя круглого сечения, м:

d 3	4 t	P2
				,
	2 U 2
			эф

где t - удельное электрическое сопротивление нагревательного элемента

при температуре t, Вт .

см2

t 20 k ,

где 20 - удельное сопротивление при 20 0С , Ом м;

k - поправочный коэффициент для жаростойких и жаропрочных сплавов в интервале температуры от 200С до 14000С равен k =1,01-1,1.

t 1,12 1,01 1,13Ом м. U – напряжение на нагревателе, В;

эф - эффективная удельная поверхностная мощность нагревателя в

зависимости от температуры СУГ,

Вт

. эф

6,1 104

Вт

.

см2

см2

d 3

4 1,13 (135)2

0,0009м 0,9мм.

106 (3,14)2 14 6,1 104

Стандартное сечение круглого нагревателя d=0,9мм.

Диаметр спирали нагревателя, мм:

D=(7-10)d,

D 7 0,9 6,3мм.

Длина проволоки нагревателя, м:

l 3

PU2

,

4 t эф2

l 3

135 14

2 106

0,8м.

4 3,14 1,13 36 108

Выбор ТЭНа

Выбор ТЭНа производится согласно требованиям: 1) среда: сжиженный нефтяной газ, 2) напряжение: 14В, 3) мощность (расчетная): 135 Вт 4) размеры ТЭНа (расчетные): диаметр нагревателя круглого

209