Некоторые особенности работы газового двигателя

Анализ конструкций топливоподающей и других систем газовых двигателей производства ЗИЛ и ГАЗ и зарубежного производства (фирм Японии, Италии, Голландии, США) показывает, что они не полностью учитывают ряд факторов, влияющих на их работу.

Работа газовых двигателей, как известно, связана с рядом факторов, во многом ее определяющих, таких как компонентный состав газа; конструкции газодозирующих и газоподающих элементов впускной системы; температура и давление окружающего воздуха; регулировочные параметры угла опережения зажигания; установившиеся и неустановившиеся режимы работы и другие. Эти основные факторы определяет мощностные, динамические, топливно-экономические и токсические показатели газовых двигателей и оптимизация их работы с учетом указанных факторов представляет актуальную проблему в двигателестроении.

В данной работе рассматривается влияние на работу газового двигателя компонентного состава сжиженного пропан-бутанового газа, температуры и давления окружающего воздуха при установившихся и неустановившихся режимах работы двигателя, как наиболее существенные из вышеуказанных факторов.

1. Влияние некоторых параметров воздуха и топлива на эффективные показатели газового двигателя.

2. Оптимизация работы систем питания и зажигания газового двигателя в зависимости от некоторых параметров воздуха и топлива.

3. Коррекция состава горючей смеси газового двигателя в зависимости от некоторых параметров воздуха и топлива и режимов работы двигателей.

4. Исследование работы автомобильного газового двигателя при повышенных температур воздуха и различных компонентных составах газа.

5. Исследование влияние температуры, давления и влажности наружного воздуха на параметры газа на выходе из редуктора (теоретическое и эксплуатационное).

6. Исследование влияние тех же параметров на наполнение двигателя и при неизменной регулировке проходных сечений для газа.

7. Определение факторов, влияющих на коэффициент избытка воздуха (при постоянной нагрузке).

8. Влияние t,p, на величину оптимального угла опережения зажигания.

Очистка загрязнителей

Адсобция – поглощение вещества поверхностью адсорбента – твердого тела с развитой капиллярно-пористой структурой.

Абсорбция – способность жидких реагентов абсорбировать на своей поверхности определенные вещества за счет диффузионного и химического поглощения.

Эффект очистки q=q₁– q₂

Оптимизация задачи очистки:

З=G_вЗ_вG_вP_в(j) min

где G_в – расход воды;З_в – удельные расчетные затраты,коп/м³;

P_в(j) – степень очистки, %;j – число нормируемых видов примесей.

Очистка газообразных веществ

Исходными данными являются:

• расход газообразных выбросов, давление и температура в зоне очистки;

• суммарное содержание частиц, их состав и свойства;

• спектральный состав частиц по размерам и распределение по массе в выбросе;

• цели очистки;

• уровень потребления воды, энергии, реактивов.

В таблице 5.4 приведены характеристики устройств для механической очистки от взвешенных частиц.

Таблица 5.4

Устройство	Размер частиц, мкм	Эффективность очистки, %
Осадительные камеры	100	40-50
Циклон	10	50-60
Мультициклон	10-15	90-95
Тканьевый фильтр	0.5	До 99
Скруббер	 0.5	75-85
Электрофильтр	 0.1	До 99

В таблице 5.5 приведены методы очистки сточных вод от вредных веществ.

Таблица 5.5

№	Вещество	Метод очистки	Концентрация, мг/г
			до очистки	после очистки
1	Соединения железа	Электродиолиз Биологический Отстаивание	3000 2.6 270-400	500 0.36 30-55
2	Соединения кадмия	Биологический	0.023	0.009
3	Соединения свинца	Биологический	0.044	0.007
4	Нефть	Фильтрование (песок) Нефтеловушки Биохимическое окисление	20-200 26000 17.6	10-25 57 8.2
5	Нефтепродукты	Биологический	3-13	0.3-1.7
6	Фтор	Осаждение Са(ОН)2 Адсорбция на Al2О3 Адсорбция на смоле	2000-3000 5 30	20 1.5 1.5
	Соединения хрома	Биологический	0.4	0.11
8	Соединения цинка	Биологический	0.7	0.2
9	Соли марганца	Хлорирование	25	0.1-0.2

Применение экологически чистых альтернативных моторных топлив.

Альтернативные топлива, использующиеся в качестве моторного топлива классифицируется по различным признакам.

Исходя из требований (ресурсы, безопасность использования, технологическая совместимость, доступные затраты), традиционными альтернативными моторными топливами считают сжиженный нефтяной газ (СНГ – LPG), сжатый природный газ (СПГ –CNG), сжиженный природный газ (СжПГ –LNG), метанол, этанол, диметилэфир, кислородосодержащие топливные добавки, аммиак, гидрозин, биогаз, водород, воднотопливные эмульсии и др.

Узбекистан традиционно является государством с большими запасами природного газа, где создана определенная инфраструктура по применению СНГ и СПГ в качестве моторного топлива, которая за последние годы развивается достаточно динамично. С вводом в эксплуатацию Шуртанского газохимического комплекса, где природный газ сжижается с целью получения этилена, созданы благоприятные возможности по использованию СжПГ и, следовательно, для улучшения экологической безопасности АТС в условиях эксплуатации.

В ТАДИ при непосредственном участии автора в период с 1975 г. по настоящее время проведены различные научно-практические работы по внедрению, испытанию, совершенствованию различных видов АТС на альтернативных топливах, в частности на газообразных топливах.

Из альтернативных топлив особое место занимают углеводородокисло-родосодержащие соединения (спирты, эфиры), поскольку они могут быть получены практически из возобновляемых сырьевых ресурсов.

Из них наиболее распространенными являются метанол (CH₃OH) и этанол (C₂H₅OH). Метанол (метиловый спирт), представляет собой прозрачную летучую и легкоподвижную жидкость с характерным алкогольным запахом. Он легко смешивается с водой, коррозионно активен, ядовит. Этанол (этиловый спирт) также прозрачная легкоподвижная жидкость с алкогольным запахом. Он практически не оказывает коррозионного действия, но реагирует со свинцом и цинком. Метанол может быть получен из природного газа, угля. Этанол получают из сельскохозяйственных и других отходов.

Альтернативные топлива (моторные)

по происхождению

по теплотворной способности (энергоемкость или энергоплотность)

Природные (нефтяные)

синтетические (ненефтяные)

высокой >31.4 МДж/м^3

средней 12.6…31.4 МДж/м^3

низкой <12.6 МДж/м^3

по агрегатному состоянию

по фазовому состоянию

Газообразные

жидкие

Газожидкостные

однофазные

многофазные

по способу использования в ДВС

по способу подачи в ДВС

основное топливо

дополнительное топливо

совместно с основным

отдельно от основного

непрерывно

дискретно

по величине рабочего давления в топливном сосуде

по назначению

Высокое

среднее

низкое

однофункциональное

многофункциональное

по способу доставки к потребителю

по прогнозу применения

стационарный

передвижной

трубопроводный

в перспективе

в будущем

в отдаленном будущем

по компонентному составу

однокомпонентное

многокомпонентное

Рис. 5.3. Классификация альтернативных топлив

Следует отметить, что метанол может являться сырьевой базой для производства высокооктановой добавки – метилтретбутилового эфира (МТБЭ), который из-за своей гигроскопичности не нашел применения.

В ТАДИ совместно с учеными Ташкентского химико-технологического института синтезирована углеводородокислородосодержащая топливная добавка спирто-эфирового сложного состава (метанол, этанол, метилацетат, изобутанол, уротропин и др.), которая может смешиваться с базовым бензином в количестве 8…12 %для получения неэтилированного бензина А-76 на базе исходного товарного бензина с октановым числом 70…72.

В Узбекистане имеется три завода (Андижанский, Кокандский, Янгиюльский) для получения этилового спирта, в которых из выжимок винограда, отходов вина и фруктов, опилок, древесных и твердых городских отходов, соломы и других сельскохозяйственных отходов можно получить спирто-эфировые топливные добавки. В целом спирто-эфировые топливные добавки, обладая высокой удельной теплотой испарения (метанол – 1.102 МДж, этанол – 0.905МДж, напротив дизельного топлива – 0.226МДж, бензина – 0.356МДж) снижают температуру воздушного заряда в цилиндре (198 и 110⁰Ссоответственно для метанола и этанола), увеличивается коэффициент наполнения, но увеличивается период задержки воспламенения. В этой связи ограничивается количество подаваемой кислородосодержащей топливной добавки в указанных выше пределах.

Другим наиболее перспективным альтернативным моторным топливом является биогаз.

Биогаз также является продуктом переработки биомасс – твердых городских сельскохозяйственных и домашних отходов.

Твердые городские отходы неуклонно растут в зависимости от уровня развития общества и составляют примерно 2.5…3.0 кгна душу населения в сутки. В состав твердых городских отходов входят бумага (43.2%), металлы (8.0%), стекло (10.8%), пластмассы (4.5%), пищевые и животные отходы (23.5%), прочее (10%). Химический состав состоит из влаги (26.04%), углерода (27.23%), водорода (3.85%), кислорода (21.49%).

Биогаз может быть получен из биомассы путем ее анаэробного перегнивания (ферментацией), гидрогазификации или пиролиза. Полученный таким способом биогаз имеет теплоту сгорания 5340….6230 ккал/м³.

Институт газовой технологии в Чикаго с помощью установки по производству биогаза из 7230 тсухого навоза получил 18125тыс. м³газа.

Для сравнения следует отметить, что если теплосодержание одного кубического метра нефти составляет 38490 МДж, природного газа – 0.027….0.033МДж, низкокалорийного газа (биогаза) – 0.003…0.0032МДж, а одногоквтч электроэнергии – 38.87 …39.00МДж.

Особенно следует отметить диметилэфир (CH₃OCH₃) как заменитель дизельного топлива. Основные преимущества диметилэфира (ДНЭ) как моторное топливо:

• высокое цетановое число (соответственно низкая температура самовоспламенения);

• высокое содержание кислорода (35 %), обеспечивающее благоприятные условия для снижения дымности;

• наравне с СПГ (СжПГ) считается наиболее перспективным моторным топливом;

• диметилэфир очень толерантен к рециркуляции отработавших газов.

Однако из-за низкой температуры кипения, низкой вязкости и высокой сжимаемости ДМЭ образовываются паровые пробки, ухудшаются условия смазывания плунжерных пар, приходится искать различные способы его подачи в двигатель.

3.3. НОРМАТИВНО-ПРАВОВЫЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОТРАНСПОРТА

Технико-правовой основой комплекса мероприятий по снижению ВВ в составе ОГ двигателей автотранспорта стали стандарты, которые определяют показатели токсичности, устанавливают нормы допустимых выбросов, регламентируют применяемую аппаратуру и методы испытаний.

Анализ существующих методов контроля и управления качеством окружающей среды позволяет отметить следующие недостатки, а именно отсутствие:

• единого подхода к анализу показателей, характеризующих состояние окружающей среды, и выявлению источников (причин) изменения этих показателей;

• нормативных оценочных значений (эталона) для сравнения или сопоставления различных величин показателей, характеризующих состояние окружающей среды;

• методики комплексной оценки качества состояния окружающей среды по всем направлениям и видам вредного воздействия автотранспорта;

• методики выбора направлений улучшения качества окружающей среды и планирования уровня изменения показателей, характеризующих состояние окружающей среды;

• механизмов (моделей) управления качеством окружающей среды в зависимости от изменений в развитии отдельных направлений автотранспортной системы и ее инфрастуктуры.

В большой степени состояние ОС определяется законодательством, ограничивающим воздействие транспорта на среду, контролем ее состояния.

Например, «Закон о чистом воздухе» (США) подразумевает введение в действие чрезвычайно жестких федеральных норм на выбросы CHиСО, а также создание комиссии по охране окружающей среды ЕРА (EnvironmentаlProtectionAgency). Все ограничения токсичных выбросов приняты с учетом возможности реализации ряда мероприятий по их осуществлению. Ниже в качестве примера приводятся нормы токсичности ОГ автомобилей в США (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Годы	Испыт. системы.	Федеральные нормы, г/км			Калифорнийские нормы, г/км			Нормы расхода топлива,л/100 км
		CH	CO	NOX	CH	CO	NOX
1975	CVS-75	0.94	9.40	1.90	0.56	5.60	1.25
1980	CVS-75	0.256	4.37	1.85	0.256	4.37	0.63	11.8
1985	CVS-75	0.256	2.12	0.63	0.256	2.12	0.25	8.6
1990	CVS-75	0.16	2.10	0.60	0.16	2.12	0.25	8.0
1995	CVS-75	0.16	2.10	0.24	0.16	2.12	0.20	–
2000	CVS-75	0.16	2.10	0.24	0.16	2.12	0.20	–
2010	CVS-75	0.10	2.00	0.20	0.10	2.00	0.20	–

С момента появления первого стандарта на токсичность автомобиля (1959 г. – США) и до настоящего времени разработаны и действуют во всех странах производящих автомобили, различные стандарты, нормативы, руководящие материалы на токсичность передвижных источников ВВ.

Кроме всего также действуют международные стандарты в области токсичности ДВС, например, Правила 15, Правила 24 ЕЭК ООН, документы стран общего рынка, а также международные стандарты СЭВ и ИСО.

Следует подчеркнуть, что все действующие национальные стандарты в области ограничения токсичности ОГ основываются на «Законе о чистом воздухе», в Узбекистане данный закон принят в 1995 г. Во всех ведущих странах мира указанные стандарты совершенствуются и ожесточаются, и тем самым заставляют автопроизводителей постоянно работать над проблемами снижения токсичности ОГ.

В качестве примера в таблице 6.2 приводится федеральный стандарт США по различным годам, показывающий динамику изменения токсичности ОГ и топливной экономичности легковых автомобилей, а нормы эмиссии штата Калифорнии примерно в 5 раз меньше, чем данные требования.

В соответствии с ОСТ 37.001.054-90 (табл. 6.3) определены предельно допустимые выбросы ВВ ОГ, а ГОСТ 17.2.2.03-87 регламентирует (табл. 6.4а) предельно допустимое содержание вредных веществ ОГ бензиновых двигателей на режиме холостого хода. В таблице 6.4б приводится предельно допустимое содержание вредных веществ ОГ газобаллонных автомобилей в соответствии с ГОСТ Р 17.2.02.06-99.

Таблица 6.2

Год	Содержание вредных веществ, г/милю (х 0,621 г/км)			Топливная экономичность, миль/галлон (0,45 км/л)
	СН	СО	NОХ
1970	4.10	34	–	–
1975	1.50	15	3.1	18.0
1980	1.50	15	2.0	20.0
1985	1.50	15	2.0	27.5
1990	1.28	14	1.9	30.0
1995	1.28	14	1.9	–
2000	1.28	14	1.9	–

Примечание: 1 г/км= 1.6г/миля

Таблица 6.3

Контрольная масса автомобиля, кг	Предельно допустимые нормы выброса вредных веществ, г/иск.(г/цикл)
	Окиси углерода		Углеводороды		Окислы азота
	подгот. автом.	серийный автом.	подгот. автом.	серийный автом.	подгот. автом.	серийный автом.
До 1020	52	62	5.1	6.1	7.0	8.4
Св. 1020 до 1250	60	72	5.4	6.5	7.7	9.2
» 1250 » 470	68	82	5.8	6.9	8.5	10.2
» 1470 » 1700	76	91	6.2	7.4	9.3	11.1
» 1700 »1930	83	100	6.6	7.9	10.1	12.1
» 1930 » 2150	91	109	7.0	8.4	10.8	13.0
» 2150	99	119	7.3	8.8	11.6	13.9

Примечание: 1 цикл (тест) = 4,05км

Таблица 6.4а

Частота вращения	Предельно допустимое содержание окиси углерода, %	Предельно допустимые содержания углеводородов, млн^-1
		Для двигателей с числом цилиндров
		до 4	более 4
nmin	1.5	1200	3000
n пов	2.0	600	1000

Таблица 6.4б

Частота вращения коленчатого вала, мин^-1	Оксид углерода, объемная доля, % по видам моторного топлива		Углеводороды, объемная доля, млн^-1по видам моторного топлива и рабочему объему				Оксид углерода, объемная доля, % по видам моторного топлива		Углеводороды, объемная доля, млн^-1по видам моторного топлива и рабочему объему
			для двигателей с рабочим объемом, дм^3						для двигателей с рабочим объемом, дм^3
	СНГ	СПГ					СНГ	СПГ
			до 3 включ.		свыше 3				до 3 включ.		свыше 3
			СНГ	СПГ	СНГ	СПГ			СНГ	СПГ	СНГ	СПГ
	Для автомобилей выпущенных до 01.07.2000 г.						Для автомобилей выпущенных после 01.07.2000 г.
nmin	3.0	3.0	1000	800	2200	2000	3.0	2.0	1000	700	2200	1800
nпов	2.0	2.0	600	500	900	850	2.0	1.5	600	400	900	750

Примечание: если значения n_minиn_повне установлены по инструкциям, то принимаетсяn_min=80050мин^-1,n_пов=300010мин^-1

В соответствии существующими нормативными документами дымность автомобилей с дизелями на режиме свободного ускорения должна быть не более 40 %, на максимальной частоте – 15%.

При оценке дымности отработавших газов дизелей (рис.6.1), как правило, применяется два способа (две шкалы). Шкала Хартриджа (дымомер Хартриджа) основана на принципе измерения разницы поглощения света потоком отработавших газов и воздуха. Шкала данного прибора разделена на 100 ед. За единицу принята степень ослабления интенсивности светового потока на 1 %. В процессе измерений правильность показаний прибора периодически проверяется посредством эталонного фильтра, соответствующего дымности на 50 ед. Приборы данного типа отличается наиболее высокой стабильностью и объективностью измерений.

Шкала Боша (дымомер Боша) основана на принципе оптического измерения прозрачности или на измерении содержания частиц сажи, осажденной на поверхности фильтровальной бумаги через которую пропускаются отработавшие газы.

В этой связи интересно сравнение рекомендации (табл. 6.5) Европейской экономической комиссии (ЕЭК) на количество вредных составляющих в зависимости от рабочего объема двигателя, тестируемых автомобилей.

Таблица 6.5

Рабочий объем двигателя, л	Количество вредных составляющих по европейскому ездовому циклу, г/цикл
	СО	СН + NOX	СН
2.0 и более	25	6.5	3.5
1.4…2.0	30	8.0	3.8
менее 1.0	45	15.0	6.0

R_х

мг/л

1 1.0 00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
	% 80 60 40 Дх 20 0										мг/л
											0.8
											0.6
											0.4
											RБ
											0.2
		20 40 60 80 %100

Д_Б

Рис. 6.1. Зависимость содержания сажи в отработавших газах от степени их

дымности по шкалам Боша и Хартриджа:

кривая по шкале Хартриджа;

кривая по шкале Боша;

кривая корреляции шкал Боша и Хартриджа.

Опыт ведущих стран в области улучшения экологической безопасности может быть успешно применен и в других странах. Например, в совместных работах автомобилестроителей США с такими правительственными органами, как Национальное управление по безопасности движения автомобильного транспорта (NHTSA) , Агентство по охране окружающей среды (ЕРА), Управление по технике безопасности и охране труда (ОSHA) достигнут прогресс в области снижения токсичности автомобилей. К ним относятся:

• антитоксичные устройства;

• законодательный регламент экономичности и токсичности ОГ;

• внедрение жестких стандартов на шум.

В качестве примера также следует привести Швейцарию, где действует правило, согласно которому водитель каждого пятого автомобиля в колонне, стоящей перед красным сигналом светофора, должен отключить двигатель не позднее, чем через 7 спосле остановки автомобиля. В этой стране практически каждый четвертый из 2,8 млн. легковых автомобилей оборудован нейтрализаторами, снижающими на 90%токсичность ОГ, которые работают только на неэтилированном бензине.

В крупных городах многих стран эксплуатируют двигатели с пониженной степенью сжатия в целях применения неэтилированного бензина, а с другой стороны одновременно производят снижение выбросов соединений Рbв ОГ, что достигается поэтапным ужесточением норм содержанияРb(табл. 6.6) в бензине.

Таблица 6.6

Наименование	Год
	1974	1976	1978	1988	1990	2000	2002
Содержание Рb,г/л	0.57	0.37	0.21	0.17	0.17	0.17	0.17

Известно, что применение этилированных бензинов приводит к мгновенному выходу из строя каталитических нейтрализаторов. Для АТС с нейтрализатор-катализаторами следует исключить использование этилированных бензинов. Для этого на этих АТС применяют топливные баки с «суженной» заливной горловиной (диаметром 23.6 мм) и, следовательно, наконечник шланга для этилированного бензина больше, чем для неэтилированного бензина.

Пути снижения токсичности ОГ автомобильных двигателей разделяются на следующие:

• воздействие на рабочий процесс;

• применение систем нейтрализации токсичных компонентов;

• внедрение малотоксичных двигателей;

• экономичное управление режимами работы.

Прежде всего, следует классифицировать транспортные средства согласно Правил ЕЭК ООН и ЕЭС

Таблица 6.7

Обозначение категории транс. сред.	Характеристика категории транспортного средства
Категория L–транспортные средства, имеющие менее четырех колес
L 1-L 2	Двух–и трехколесные транспортные средства с двигателем, рабочий объем которого не превышает 50 см^3и максимальная конструктивная скорость которых не превышает 40км/ч.
L 3-L 5	Двух–и трехколесные (асимметричные или симметричные по отношению к средней продольной оси) транспортные средства с двигателем, рабочий объем которого превышает 50 см^3, конструктивная скорость превышает 40км/чи максимальный вес не превышает 1000кг.
Категория М – транспортные средства, предназначенные для перевозки пассажиров и имеющие не менее четырех колес (или три колеса и максимальную массу более 1 т.)
М 1	Транспортные средства, имеющие помимо места водителя, не более 8 мест для сидения.
М 2	Транспортные средства, имеющие помимо места водителя, более 8 мест для сидения и максимальную массу менее 5 т.
М 3	Транспортные средства, имеющие помимо места водителя, более 8 мест для сидения и максимальную массу более 5 т.
Категория N-транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов и имеющие не менее четырех колес (или три колеса и максимальную массу более 1т.)
N 1	Транспортные средства, имеющие максимальную массу менее 3.5 т.
N 2	Транспортные средства, имеющие максимальную массу более 3.5 ти менее 12т.
N 3	Транспортные средства, имеющие максимальную массу более 12 т.
Категория О – прицепы (включая полуприцепы).
О 1	Одноосные прицепы иные, чем полуприцепы, имеющие максимальную массу менее 0.75 т.
О 2	Принципы, имеющие максимальную массу не более 3.5 т(за исключением прицепов категории О1).
О 3	Принципы, имеющие максимальную массу более 3.5 ти менее 10т.
О 4	Принципы, имеющие максимальную массу более 10 т.

Определение токсичности выбросов ОГ указанных АТС производится по данным табл. 6.8 и 6.9.

Таблица 6.8

№	Технические требования или регламентации	Категории транспортных средств, на которые распространяются технические требования	Наименование и номер нормативного документа
1	Выделение загрязняющих газообразных веществ с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания	М1, N1 М2, М3, N2,N3 L	Правила № 83 ЕЭК ООН Правила № 15 ЕЭК ООН ГОСТ 17.2.2.03-87 ОСТ 37.001.054-86 Правила № 49 ЕЭК ООН ОСТ 37.001.070-75 ОСТ 37.001.234-81 Правила № 40 ЕЭК ООН ОСТ 37.001.262-83 Правила № 47 ЕЭК ООН ОСТ 37.004.013-83
2	Дымность отработавших газов транспортных средств с дизельными двигателями	М, N	Правила № 24 ЕЭК ООН ГОСТ 21393-75 ГОСТ 17.2.2.01-84
3	Внешний шум	М, N L	Правила № 51 ЕЭК ООН ГОСТ 27436-87 Правила № № 9, 41, 63 ЕЭК ООН ОСТ 37.004.022-85

Таблица 6.9