Построение индикаторных диаграмм

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



ВГСХА.035.00.00.00 ПЗ

Подпись и дата



Инв. № дубл.



Взам. инв. №



Подпись и дата



Инв. № подл.

















Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



ВГСХА.035.00.00.00 ПЗ

Подпись и дата



Инв. № дубл.



Взам. инв. №



Подпись и дата



Инв. № подл.















Содержание

	Аннотация                                                                                                              6

	Введение                                                                                                                 7

		1 Исследование состояния вопроса                                                                     9

		Перспективы применения газообразного топлива на 

		автомобильном транспорте                                                                                           9

		1.2 Особенности применения компримированного природного газа            12

		1.3 Цель и задачи ВКР                                                                                         20        

		2 Расчетно-технологическая часть                                                                     22

		Тепловой расчет дизеля и газодизеля                                                          22

		Построение индикаторных диаграмм                                                          34

		Динамический и кинематический расчет газодизеля                                37

		3 Конструкторская разработка                                                                           45

		3.1 Проектный расчет крепления баллонов                                                      45

		4	Производственная и экологическая безопасность разработки                   48

		4.1 Актуальность вопросов безопасности жизнедеятельности                       48

		4.2 Расчет вентиляции в пункте ТО автомобилей с ГБО                                 49

		4.3 Требования по технике безопасности при монтаже,

		обслуживании и ремонте газобаллонного оборудования автомобилей                 51

		4.5 Расчет выбросов загрязняющих веществ от поста ТО

		автомобиля ГАЗ А21R-32 «Газель Next»                                                                  53

		5 Оценка эффективности решений                                                                    56

	Заключение                                                                                                           59

	Список литературы                                                                                              61

	Приложение А                                                                                                      63      

	Приложение Б                                                                                                      65  

	

	Аннотация

	

	Выпускная квалификационная работа проект содержит 6 листов графической документации формата А1 и 67 листов пояснительной записки машинописного текста формата А4.

	В первом разделе ВКР обоснована возможность применения газа в качестве моторного топлива для автомобильных двигателей, работающих на дизельном топливе. Во втором разделе проведен тепловой расчет двигателя ISF2.8s4129P на дизельном и газодизельном процессе. По результатам расчетов построена индикаторная диаграмма двигателя.

	В третьем разделе проведен конструкторский расчет на разрыв и срез. Графически показан способ размещения газового оборудования на раме автомобиля под кузовом.

	В четвертом разделе рассмотрены вопросы состояния охраны труда и меры по технике безопасности при работе автомобиля с модернизированной системой питания. Также рассмотрены экологические характеристики газодизельного двигателя ISF2.8s4129P, пути снижения загрязнения окружающей среды.

В пятом разделе рассчитаны технико-экономические показатели работы автомобиля ГАЗ А21R-32 «Газель Next» на компримированном природном газе и дизельном топливе.





Введение



На сегодняшний день, вопрос оптимизации затрат и экономии средств в транспортной сфере является одним из наиболее актуальных. Известно много теорий экономии средств на топливе, но широкое распространение получило только газобаллонное оборудование для дизельных и бензиновых двигателей, т.к. гибридные и электродвигатели по разным причинам не получают широкого распространения. При этом, коммерческий автотранспорт в основном составляют автомобили с дизельными двигателями, для которых, вопрос экономии на горюче-смазочных материалах (ГСМ) остается открытым. Для дизельных автомобилей, газобаллонное оборудование (ГБО) не получило распространения в силу того, что газ физически не может преодолеть степень сжатия дизельного двигателя и воспламениться. Но эта проблема оказалась решаемой, и еще во времена СССР было найдено решение: подавать газ т.е. газодизель, которое состояло в подаче запальной дозы дизельного топлива и которая бы поджигала впрыскиваемый газ. Применялось такое решение для КамАЗов, причем даже серийно. Принцип действия состоит в том, чтобы подавать запальную дозу дизельного топлива 20%-30% и остальную дозу 70%-80% замещать подачей природного газа [1].

Камский автозавод первым озаботился вопросом: "как перевести дизельный двигатель на газ" и с 1987 года выпускал газодизельные КамАЗы с атмосферными двигателями, в то время как велись разработки по работе турбированного КамАЗ-7403 на газодизельном топливе. Потом, после развала СССР, разработки направленные на газодизель прекратились, т.к. финансировались они из дотаций государства, и при низкой стоимости дизельного топлива на то время, проект являлся малорентабельным и был закрыт. Кроме КамАЗов, существовали только теории о работе дизельного двигателя на газу.

Сейчас, на рынке Российской Федерации работают несколько предприятий, которые продают газодизельное оборудование, и, примерно, десяток занимаются устанавливают газ на дизельный двигатель.

Из явных экономических преимуществ использования системы «газо-дизель», кроме экономии на стоимости дизельного топлива следует выделить:

- снижение износа цилиндропоршневой группы;

- снижение нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, потому как газ горит плавнее дизельного топлива.

- масло не «смывается» со стенок цилиндров, сгорание происходит более равномерно;

- масло медленнее теряет свои свойства, интервал замены масла можно увеличить в 1,5-2 раза;

- снижение образования нагара в двигателе;

- дымность выхлопа существенно меньше;

- не возникает детонации.

Таким образом, разработка проекта модернизация системы питания автомобиля ГАЗ А21R-32 «Газель Next» для работы на компримированном природном газе на сегодняшний день является актуальным направлением в автомобилестроении.



1 Исследование состояния вопроса

1.1 Перспективы применения газообразного топлива на автомобильном транспорте



Применение газа в качестве моторного топлива имеет такую же продолжительную историю, как и сам двигатель внутреннего сгорания. Изобретенный французским механиком Жаном Ленуром еще в 1860 году двигатель работал на газе и имел систему искрового зажигания. По разным источникам, сегодня во всем мире эксплуатируется более шести миллионов газифицированных автомобилей, а в России их количество составляет примерно 80 тыс.

В газодизельном режиме двигатель потребляет два вида топлива: основное, дизельное (но в меньшем количестве, чем в базовом) и дополнительное, газовое, которое подается во впускной коллектор. При этом основное топливо играет роль запальной дозы для воспламенения газо-воздушной топливной смеси. Степень замещения зависит от нескольких факторов, в том числе от типа газового топлива (метан или пропан), а также совершенства дополнительно устанавливаемой газовой аппаратуры. В наиболее благоприятных условиях процентное соотношение дизельного топлива к газу может достичь 80%.

Следует отметить, что в России серийное производство газодизельной техники началось в середине 80-х годов прошлого столетия. Именно в стране начался серийный выпус двигателей, работающих как в дизельном, так и в газодизельном режимах. Одновременно с выходом в свет камского «двухтопливника» институтом НАМИ были разработаны аналогичные модификации других дизелей, эксплуатируемых в России и странах СНГ: Raba-МАН, ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, ЯМЗ-840. Как показали проведенные в НАМИ испытания, применение газодизельного режима может обеспечить экономию от 10 до 15 т дизельного топлива в год на один грузовик. Сегодня производством газовой аппаратуры для битопливных силовых агрегатов занимается целый ряд российских компаний: НПФ «САГА», АО «Завод им. Фрунзе», ЗАО «Автосистема». Среди зарубежных фирм, работающих в этой области, наиболее известной является компания Heinzmann, которая выпускает соответствующие компоненты не только для транспортных средств, но и для стационарных генераторных установок. Кстати, услуги по монтажу газобаллонного оборудования (ГБО) на грузовые автомобили сегодня являются достаточно востребованным видом сервисного бизнеса [2].

В настоящее время тенденция цен на дизтопливо, метан и пропан-бутан такова, что выгоду установки ГБО сложно отрицать. Конечно, в первую очередь это интересно для владельцев автомобилей с большим суточным пробегом: у них ГБО окупится быстрее. Однако перспектива дальнейшего удорожания дизельного топлива и бензина приводит и владельцев легковых автомобилей к мысли о переходе на газ. Учитывая рост сети АГЗС, аргументов «против» становится все меньше. А наличие опытных специалистов, работающих на установке ГБО не один год, и предоставляющих гарантию на установленное оборудование, дает уверенность в надежности.

Использование газодизельного оборудования все больше и больше набирает популярность. И это вполне оправданно. Переоборудование транспортного средства на газодизельный режим работы дает колоссальную экономию при расходе финансовых средств на топливо.

Среди тенденций мирового автомобилестроения из года в год все активнее проявляется интерес к созданию монотопливных газовых двигателей. Еще на стадии конструирования у этих моторов учитываются все особенности газового цикла, в том числе более высокий тепловой режим в камере сгорания. Данное обстоятельство позволяет избежать некоторых нюансов, сопровождающих эксплуатацию конвертированных силовых агрегатов (например, повышенного внимания к клапанному механизму). Считается, что газовые двигатели наиболее применимы на автобусах, развозных автомобилях и различной муниципальной технике - там, где проблема шума и загазованности наиболее актуальна. Версии грузовиков и автобусов, приспособленные для работы на метане, уже серийно выпускаются группой известных мировых брендов, таких, как Scania, Iveco, Renault. Есть примеры и среди отечественных производителей. Большой опыт перевода дизелей на экологичное топливо накоплен у ОАО «КамАЗ» и ОАО «НефАЗ», которые разработали грузовые автомобили на шасси КамАЗ-53215 с газовым двигателем КамАЗ-820.52-260 и городские автобусы повышенной вместимости НефАЗ-5299-14 с мотором КамАЗ-820.53-260. Выпускает специальные версии автобусов и завод ЛиАЗ (группа ГАЗ), но комплектуются эти машины двигателем Cummins CG 250/280 [3].

Теоретически принцип работы двигателя, использующего в качестве топлива метан или пропан, одинаков (Cummins даже выпускает специальную версию для работы на пропане В LPG Plus). У каждого вида этих газовых топлив есть свои достоинства и недостатки. Использование пропан-бутана, к примеру, позволяет получить два основных преимущества. Во-первых, это большой пробег на одной заправке: топливо хранится на борту автомобиля в сжиженном виде. А во-вторых, распространенность и доступность газовых заправок (в Москве пропановых АГЗС значительно больше, чем метановых АГНКС). Среди недостатков использования сжиженного нефтяного газа следует отметить относительно низкую финансовую эффективность от экономии (по окончании периода окупаемости первоначальных затрат), которая составляет от 11 до 16% в расчете от предыдущих затрат на дизельное топливо.

Сегодня наиболее распространенным для коммерческого транспорта газовым топливом является сжатый метан, или, как теперь принято говорить, компримированный природный газ (КПГ). Это горючее хранится на транспортном средстве в специальных баллонах высокого давления (до 200 кгс/см2). Использование КПГ позволяет получить существенное преимущество, выраженное в высокой финансовой эффективности от экономии: снижение расходов составляет от 35 до 55% в расчете от предыдущих затрат на дизельное топливо. Среди недостатков можно назвать относительно высокие временные затраты при наполнении баллонов КПГ и небольшой пробег на одной заправке. Также определенные трудности связаны с необходимостью регулярного переосвидетельствования газовых баллонов. Согласно соответствующим нормативным документам, металлокомпозитные изделия должны подвергаться этой процедуре раз в три года. Сложность в том, что сегодня сеть предприятий, способных проводить аттестацию автомобильных баллонов большого объема, практически не развита [4].



1.2 Особенности применения компримированного природного газа



Природный газ (метан) как моторное топливо с точки зрения выбросов вредных веществ в атмосферу обладает огромными преимуществом перед традиционными нефтяными топливами. Автотранспорт, работающий на нем, гораздо экологичнее как по нормативным, так и пока не нормируемым (альдегиды, полиароматические и ароматические углеводы – бензол, толуол, ксилол) компонентам. Например, у бензинового двигателя этих вредных веществ почти в 10 раз больше, чем у работающего на метане. Поэтому замещение традиционных нефтяных топлив природным газом становится в мире необратимым процессом. Также это актуально и для России. Во-первых, вследствие относительной простоты способов нейтрализации отработавших газов, поскольку в природном газе содержится до 90% метана, который не токсичен. Во-вторых, в нашей стране огромны разведанные запасы этого газа и ежегодно растет его добыча, в то время как запасы нефти постоянно уменьшается и ее добыча из года в год падает. 

Все эти преимущества выявлены, конечно, не сегодня. В Советском Союзе к природному газу как моторному топливу обращались дважды.

Впервые – сразу в послевоенный период, когда начался такой бурный рост объемов выпуска автомобилей, за которым не успевало производство нефтяных топлив. Этому же способствовали более высокие, чем у газогенераторных, параметры газобаллонных автомобилей. В районах, где имеется газ, замена газогенераторных автомобилей на газобаллонные давала большой экономический эффект и была выгодна в эксплуатации.

Но газобаллонный автотранспорт по грузоподъемности, мощности двигателя, снаряженной массе, а следовательно, по производительности и стоимости транспортной работе уступали транспорту, работающему на жидких нефтяных топливах. Большие хлопоты доставляли эксплуатационникам вызывали увеличение затрат, жесткие нормативу по пожаро- и взрывобезопасности: для выполнение этих нормативов необходимо было серьезно модернизировать все помещения, предназначенные для хранения, технического обслуживания и ремонта этого транспорта. Более того сам въезд в эти помещения разрешался только после выполнения большого объема регламентных работ, включая выпуск из баллонов всего объема газа. Однако пока нефтяных моторных топлив не хватало, автохозяйства вынуждены были мирится с этими сложностями и даже сами занимались переоборудованием АТС на газ.

Иными словами, процесс перевода АТС для работы на сжатом природном газе инициативно поддерживался эксплуатационниками и не требовал директивных указаний. Но после создания мощностей по выпуску нефтяных топлив и ликвидации дефицита в них спрос на газобаллонные АТС резко упал. Поэтому ГАЗ и УралАЗ прекратили их производство.

Во-второй раз к сжатому газу обратились в 1980-е гг. Главными мотивами были необходимость улучшения экологии в городах, а также намечающаяся нехватка жидких нефтяных топлив.

Новый этап внедрения газового топлива на автотранспорт – были приняты соответствующее постановления правительства. Выполняя их, большинство автозаводов страны разработали газовые или газодизельные модификации автомобильной техники и организовали их серийное производство. Кроме того, в отрасли было создано специализированное производство газобаллонной аппаратуры, с таким расчетом, чтобы уже к 1990 году довести парк газобаллонных машин в стране до 1 млн. шт. Для бесперебойной заправки автомобилей газом намечалось построить широкую сеть автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС).

Все это, в общем, и было сделано: на территории СССР появились свыше 300 АГНКС, из них 200 в России, главным образом в крупных городах; вошли в строй новые мощности по выпуску в год 250 тыс. комплектов газобаллонной аппаратуры и 80 тыс. автомобилей, работающих на газе. Началось переоборудование АТС находящихся в эксплуатации.

В итоге к 1991 году парк газобаллонных автомобилей в стране составил свыше 30 тыс. штук и потреблял более 510 млн. м3 газа.

Директивами также предписывалось переоборудовать имеющиеся в автохозяйствах производственные помещения для стоянки, технического обслуживания и ремонта автомобилей, работающих на газе. Однако это задание практически осталось невыполненным, поскольку для реконструкции зданий под жесткие пожаро- и взрывобезопасные нормы требовались огромные средство. В результате большинство автопредприятий работали или с нарушением норм, или под открытым небом, что не только отражалось на качестве обслуживания и ремонта, но и вызывало неудовольствие и отрицательное отношение к газовым машинам обслуживающего персонала.

К сказанному следует добавить что конструкции газобаллонной аппаратуры этого периода отличались от послевоенных в основном лишь большей надежностью, а оборудованные ею газобаллонные автомобили в целом сохранили те же недостатки. Поэтому после распада СССР, когда директивные формы регулирования потребления моторного топлива исчезли, а поставки жидкого нефтяного топлива еще не сократились, применение газобаллонных АТС стало экономически невыгодным, и спрос на них прекратился. Более того такие АТС, находящиеся в эксплуатации, вновь стали переводить на работу на нефтяном топливе. В итоге их парк к настоящему времени в Росси сократился до 30 тыс. шт., а средняя загрузка АГНКС – до 10 % их производительности. И лишь в некоторых районах стран ближнего зарубежья (например, Украины), где имеются трудности с приобретением жидких нефтяных топлив, парк газобаллонных АТС сохраняется, а загрузка газонаполнительных станций держится на уровне 80 %.

Не изменили положение и попытки подключить к решению этой проблемы другие страны СНГ. В частности, подписанное в 1995 году соглашение между правительствами стран содружества о более тесном сотрудничестве в использовании природного газа так и не стало работать, поскольку оно было директивным и не предусматривало стимулирующих мер.

На сегодняшний день есть лишь одно исключение – Москва. Правительство столицы очень серьезно отнеслось к предложениям специалистов, сумело понять, что в создавшейся опасной экологической обстановке сжатый природный газ – самое эффективное, экономичное и оперативное средство решения проблемы.

Развитию работ по применению сжатого газа способствует и то, что по этому пути идут многие страны. Например, в США принята пятилетняя программа использования природного газа на транспорте (ее стоимость 170 млн. долл.), в рамках которой должны изучаться и решаться такие вопросы, как технология хранения газа на борту автомобиля, газовые модификации двигателей, совершенствование газобаллонной аппаратуры и систем заправки газом, и др. Реализация программы позволит уже к 2020 году иметь в парке 1,5 млн. газобаллонных автомобилей (в 1996 году он насчитывал лишь около 50 тыс.). Подобные программы приняты в Японии, Великобритании, Аргентине, Австралии. Они предусматривают к 2020 году создать в каждой стране парк газобаллонных АТС в объеме 250 – 300 тыс. шт.

Правительство Российской Федерации издало распоряжение от 13 мая 2013 г. №767-р «О регулировании отношений в сфере использования газового моторного топлива, в том числе природного газа в качестве моторного топлива. Согласно этому распоряжению к 2020 году 15 городов Российской Федерации с населением каждого около 1 миллиона человек и выше должны перевести на газ половину парка. Для менее населенных городов цифры обозначены немного скромнее. Но в общей сложности на ГМТ должно быть переведено около 46 тысяч единиц техники.

В рамках этого рапоряжения была принята программа субсидирования регионов: в 2014 году на закупку автобусов и коммунальной техники на газе выделено 3,6 миллиарда рублей, в 2015-м – 3 миллиарда. Это позводило профинансировать покупку около 2,2 тысячи единиц техники. В 2016 году программу продлили, выделив еще 3 миллиарда рублей. По мнению экспертов для устойчивого развития рынка необходим ежегодный прирост транспорта работающего на газу не менее 20 тысяч единиц.

Тем не менее, как следует из отчета Минэнерго России на начало 2017 года, всего в федеральной и муниципальной собственности 4876 единиц техники на газу. Еще 8934 единицы принадлежат индивидуальным предпринимателям, физлицам, юрлицам и фермерам. 

Жизнеспособность распряжений и постановлений очевидна: они предусматривают как нормативные и стимулирующие меры, так и решение ряда технических и организационных проблем ( например, проблемы пожаро- и взрывобезопасности помещений), делая газобаллонные автомобили экономически выгодными и конкурентоспособными по отношению к бензиновым и дизельным.

Хорошо известно, что ранее выпускавшиеся автомобили, работающие на метане, имели три серьезных недостатка: на них устанавливались тяжелые (62 – 92 кг) стальные баллоны, что снижало грузоподъемность грузовых автомобилей ГАЗ, ЗИЛ, МАЗ и т.д. в среднем на 500 кг; мощность двигателя при переводе на газ снижалась на 18 – 20 % что ухудшало динамику, среднюю скорость, а следовательно, и производительность, особенно автопоездов; недостаточная надежность запорной арматуры, отсутствие датчиков контроля утечки газа заставляли предъявлять к газобаллонным АТС более жесткие чем, к обычным автомобилям, противопожарные и взрывобезопасные требования и, соответственно, усложняли работу автохозяйств.

Теперь положение меняется. В последние шесть – восемь лет, несмотря на прекращение автозаводами выпуска газобаллонных автомобилей, рядом организаций и предприятий России (и Москвы в том числе) работы по совершенствованию газобаллонной аппаратуры продолжались. За это время найдены достаточно эффективные решение.

Уже начался выпуск пластиковых и металлопластиковых баллонов, масса которых в 2 – 3 раза меньше, чем стальных. Кроме того, емкость таких баллонов может составлять 200 – 500 л, а не 50, как у стальных. Поэтому переоборудованный автомобиль ни чего не теряет, по сравнению с жидкотопливным аналогом, ни в грузоподъемности, ни в пробеге на одной заправке, ни в надежности, ни в безопасности.

Новая "волна" использования природного газа привела к появлению свыше 10 организаций в России, занимающихся газобаллонным оборудованием и установкой его на автомобили, находящиеся в эксплуатации. Созданы и реконструированы мощности на выпуск ~ 300 тыс. комплектов газового оборудования в год.

Для снижения эксплуатационных затрат созданы и выпускаются компактные модульные и небольшие гаражные газонаполнительные станции, передвижные газозаправщики. Ведется строительство новых газозаправочных станций в черте городов, что приближает их к крупным автопаркам, а также совмещенных (газовых и бензодизельных) автозаправок. В этом уже следует видеть проявление определенного прогресса в отношении к сжатому газу как безопасному топливу (ранее, как правило, газозаправки находились вне черты города, а их совмещение с заправками другими видами топлив не допускалось).

Однако большинство изготовителей газобаллонного оборудования в России, стремясь быстрее захватить рынки и экономя деньги на НИОКР, хотя и осваивают ряд прогрессивных агрегатов, но полностью не устранили недостатки, о которых говорилось выше.

Так, по неметаллическим и металлопластиковым баллонам решены все вопросы надежности и безопасности конструкции, организовано их производство. Возможно дальнейшее расширение производства – вплоть до полного удовлетворения потребности в них. Но для этого производителям таких баллонов нужно снизить цены до уровня 3 – 3,5 амер. долл. за 1 л объема. То же самое – в отношении новой надежной запорной арматуры, чувствительных малогабаритных датчиков регистрации метана в воздухе, усовершенствованной газозаправочной аппаратуры.

У нас до сих пор не решен важнейший вопрос – выпуск систем впрыскивания газа в двигатель, регулирования состава воздушной смеси и момента ее воспламенения. А это означает, что из-за сниженной мощности автомобиль, работающий на газе, продолжает уступать в производительности бензиновому. Основная причина – отсутствие координации в действиях исполнителей этой работы, недостаточное внимание и финансирование ее со стороны РАО “Газпром” как организации, наиболее заинтересованной в увеличении потребления природного газа автотранспортом. Нет в стране также унифицированных требований к помещениям для хранения, технического обслуживания и ремонта газобаллонной техники. Даже Москва лишь несколько уточнила старые нормативные требования к этим помещениям, сделав своего рода их “косметический” ремонт. По-прежнему сохранены высокие требования по категорийности этих помещений в отношении пожаро- и взрывобезопасности, а въезд в них разрешен только на жидком нефтяном топливе. Таким образом, автомобили, работающие на сжатом газе, вновь поставлены в неравные условия с автомобилями, работающими на нефтяных топливах. Это не только делает неоправданным их удорожание за счет установки надежной запорной аппаратуры на каждом баллоне, датчиков на метан и др., но будет продолжать вызывать к ним негативное отношение, потребует громадных затрат на реконструкцию существующих автопредприятий и, следовательно, может существенно увеличить сроки выполнения работ по наращиванию парка газобаллонных машин, предусмотренных постановлениями правительства Москвы. Ведь в ряде случаев автохозяйства из-за отсутствия средств на реконструкцию помещений вынуждены будут отказываться от газовых автомобилей. В то время зарубежный и отечественный опыт убедительно доказал: автомобили, использующие газовое топливо, не более пожаро- и взрывобезопасносны, чем бензиновые. Поэтому и требования к помещениями для работы с машинами, работающими на газе, не должны быть более жесткими. Учитывая, что метан легче воздуха, эти помещения необходимо лишь дооборудовать дополнительными датчиками контроля и вентиляторами.

Как бензиновый, так и дизельный двигатель могут быть переоборудованы для работы с ГБО (и метан, и пропан-бутан). Грузовой или легковой автомобиль - разницы нет. Однако при этом серьезным изменениям подвергается штатная система питания дизеля.

Работа двигателя начинается с зажигания. Однако газ не воспламенятся от сжатия, поскольку температура его самовозгорания намного выше (около 700 градусов против 320-380 градусов у дизтоплива). Соответственно, использование только одного типа топлива даже теоретически невозможно, ввиду недостаточной температуры сжатого воздуха в цилиндрах. Есть два выхода, чтобы приспособить дизельный двигатель к работе на газе [5].

Этот способ более прост, но и более радикален. Производятся существенные изменения двигателя: демонтируется топливная аппаратура, вместо которой устанавливается система зажигания. Вместо форсунок устанавливаются свечи зажигания. Производится монтаж ГБО, и при помощи дозатора газ подается во впускной коллектор. Степень сжатия, необходимая для дизтоплива, слишком высока для метана (его октановое число - 120). Если эксплуатировать двигатель только с этими изменениями, то детонация сделает свое дело и гибель мотора будет мучительной, хотя и недолгой. Для нормальной работы двигателя необходимо уменьшить степень сжатия до 12-14. Это достигается выборкой «лишнего» металла в камерах сгорания головки блока или на днищах поршней. Однако этого может оказаться недостаточно, и тогда под ГБЦ устанавливаются прокладки необходимой толщины. Изменения существенны, и на выходе получается не дизель, а так называемый «газовый» двигатель. По характеристикам он будет практически идентичен «поджатому» под газ (до такой же степени сжатия 12-14) бензиновому мотору, и существенным улучшением можно признать повышение ресурса двигателя, экологичность и экономичность. Такое исполнение позволяет использовать только один вид топлива. В Европе этот способ практикуется довольно давно [6].

Более простым вариантом является приспособление обычного дизеля для работы на смеси дизельного топлива и метана. Речь идет о той же проблеме - как поджечь метан. При изменении в сторону газодизельного двигателя это достигается следующим образом: в конце такта сжатия в цилиндры подается некоторое количество дизельного топлива, которая и поджигает газо-воздушную смесь, поступившую на такте впуска. Запальная порция для всех автомобильных двигателей (так называемых, быстроходных дизелей) составит 15-30 процентов, в зависимости от типа двигателя, его состояния, от самого ГБО [7].

Существенный плюс такого двигателя - возможность использовать как газ в качестве основного топлива, так и работать на одном дизельном топливе. Если газ закончился, движение продолжается, переход на дизтопливо можно заметить только по изменившемуся звуку работы двигателя (который начинает работать громче).

К слову об экологическом значении такой модификации: при работе в режиме «80 процентов газа и 20 процентов дизельного топлива» полностью исчезает характерный «дизельный» черный дым. В выхлопе увеличивается содержание углеводородов - СН, но за счет несгоревшего метана. Главный яд, идущий на выхлоп в обычном дизеле, - 3,4-бензпирен (сильнейший канцероген) практически отсутствует. Так же, как и у всех газифицированных двигателей, возрастают ресурс (из-за уменьшения отложений на деталях цилиндропоршневой группы) и срок службы масла [7].

Любой дизельный мотор может быть модифицирован таким образом. Помимо собственно установки ГБО, производится доводка топливной системы - установка насоса высокого давления для подачи небольших (запальных) порций дизтоплива.



1.3 Цель и задачи ВКР



Применение газа в качестве моторного топлива является наиболее простым, дешёвым и доступным видом топлива для автопарка страны.

Указанный способ позволяет в определенной степени экономить энергоносители, не требует значительных затрат на внесение конструктивных изменений и дополнений в двигатель автомобиля и может быть реализован на двигателях, уже находящихся в эксплуатации, что особенно важно в настоящее время, в период кризиса и упадка промышленности и добывающих отраслей народного хозяйства страны. Это позволяет сделать вывод о необходимости проведения опытно - конструкторских разработок и экспериментальных исследований для работы на КПГ, оценки влияния конструктивных изменений на мощность, экономичность двигателей, а также на токсичность отработавших газов [8].

Целью выпускной квалификационной работы является модернизация системы питания двигателя автомобиля ГАЗ А21R-32 «Газель Next» для работы на компримированном природном газе. Для достижения поставленной цели в ВКР необходимо решить следующие задачи:

- исходя из анализа имеющихся литературных источников, обосновать актуальность применения компримированного природного газа, его влияние на показатели процесса сгорания, токсичности и на экономические показатели;

- выполнить тепловой расчет для двигателя ISF2.8s4129P автомобиля ГАЗ А21R-32 «Газель Next»; 

- разработать схему модернизации топливной системы;

- произвести конструкторские расчёты модернизируемых и проектируемых деталей топливной системы (болтовые соединения);

- оценить безопасность жизнедеятельности при использовании КПГ;

- решить вопросы охраны окружающей среды при использовании КПГ;

- рассчитать экономическую эффективность перевода автомобиля ГАЗ А21R-32 «Газель Next» для работы на КПГ.























2 Расчетно-теоретическая часть

2.1 Тепловой расчет дизеля и газодизеля



На автомобиль Газель Next A21R32 устанавливается двигатель модели ISF2.8s4129P. Для теплового расчета двигателя в качестве исходных данных принимаем следующее: номинальная мощность дизеля =88 кВт; номинальная частота вращения  = 2400 мин-1; степень сжатия ?=16,5; коэффициент избытка воздуха ? = 1,5; диаметр цилиндра D = 94 мм, ход поршня S = 100 мм.

Газодизельное топливо состоит из 80 % природного газа и 20 % дизельного топлива «Л» (ГОСТ 305-2013). Низшая удельная теплота сгорания сжатого природного газа  = 49630 кДж/кг, дизельного топлива кДж/кг. Средний элементарный состав С = 76%; Н = 23%; О = 1% [9].

Расчет ведем для условий сгорания 1 кг топлива.

Для определения низшей удельной теплоты сгорания газодизельной смеси исходим из процентного соотношения составляющих компонентов,

+0,2,                                      (2.1)

Подставляя значения в формулу, получим

 кДж

Принимаем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 
1 кг газодизельной смеси [9], =17,4 кг

или                                                                                                      (2.2)

где µв – молекулярная масса воздуха, кг.

По справочным данным принимаем: = 28,96 кг.

Подставляя значение в формулу (2.2.), получим

 = 0,6 кмоль.

Определяем количество свежего заряда, 

=?·,                                                    (2.3)

где ? - коэффициент избытка воздуха, ?=1,5.

Подставляя значение в формулу (2.3), получим

М1 = 15 ? 0,6 = 0,9 кмоль

Определяем общее количество продуктов сгорания, 

 М2=?·++                                                (2.4)

Согласно исходных данных Н=0,23; 0 = 0,01.

Подставляя значения в формулу (2.4), получаем

М2=0,9 +  = 0,956 кмоль

При этом химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси определяем по формуле, 

 ,                                                   (2.5)  

Подставляя значение в формулу (2.5), получаем

 = 1,06.

Атмосферные условия принимаем следующие: Ро=0,1 МПа; То= 293 К. Давление окружающей среды  = 0,1МПа; давления создаваемое турбокомпрессором Рк=0,16 МПа. Температура окружающей среды То = 293 К. Определяем температуру и давление остаточных газов [9].

 = 750 К;  = (0,75…0,95) ·  = 0,8 · 0,16 = 0,128 МПа.

Принимаем температуру подогретого заряда t=20?C.

=,                                                 (2.6)

где Rв - удельная газовая постоянная воздуха; принимаем Rв = 287 Дж/кг?град.

Подставляя значения в формулу (2.6), получим

 кг/м3.

Тогда потери на выпуске в двигатель,

,                                  (2.7)

Принимаем (?2 + ) = 3;  = 80 м/с.

.......................