Moderne Probleme der Wissenschaft und Bildung. Verdichtungsverhältnis des Motors Verdichtungsverhältnis für Verbrennungsmotoren mit Gas
MASCHINENBAU
UDC 62l.43.052
TECHNISCHE UMSETZUNG DER ÄNDERUNG DES VERDICHTUNGSVERHÄLTNISSES EINES KOMPLETTMOTORS, DER MIT ERDGAS BETRIEBEN WIRD
F.I. Abramchuk, Professor, Doktor der technischen Wissenschaften, A.N. Kabanov, außerordentlicher Professor, Kandidat der technischen Wissenschaften,
A.P. Kuzmenko, Doktorand, KhNADU
Anmerkung. Es werden die Ergebnisse der technischen Umsetzung der Änderung des Verdichtungsverhältnisses am auf Erdgasbetrieb umgerüsteten MeMZ-307-Motor vorgestellt.
Schlüsselwörter: Kompressionsverhältnis, Automotor, Erdgas.
Technische Umsetzung des Verdichtungsstufenwechsels eines Kleinwagenmotors,
WAS FUNKTIONIERT MIT ERDGAS?
F.I. Abramchuk, Professor, Doktor der technischen Wissenschaften, O.M. Kabanov, außerordentlicher Professor, Kandidat der technischen Wissenschaften,
A.P. Kuzmenko, Doktorand, KhNADU
Abstrakt. Über die Ergebnisse der technischen Umsetzung der Änderung der Verdichtungsstufe des MeMZ-307-Motors und der Umrüstung für den Betrieb mit Erdgas wurde berichtet.
Schlüsselwörter: Verdichtungsstufe, Automotor, Erdgas.
TECHNISCHE REALISIERUNG DER VARIATION DES VERDICHTUNGSVERHÄLTNISSES EINES KRAFTFAHRZEUGMOTORS MIT KLEINEM HUBRAUM UND ERDGAS
F. Abramchuk, Professor, Doktor der technischen Wissenschaften, A. Kabanov, außerordentlicher Professor, Doktor der technischen Wissenschaften, A. Kuzmenko, Postgraduierter, KhNAHU
Abstrakt. Es werden die Ergebnisse der technischen Umsetzung der Variation des Verdichtungsverhältnisses des auf Erdgasbetrieb umgerüsteten MeMZ-3Q7-Motors angegeben.
Schlüsselwörter: Verdichtungsverhältnis, Automobilmotor, Erdgas.
Einführung
Die Entwicklung und der erfolgreiche Betrieb reiner Gasmotoren, die mit Erdgas betrieben werden, hängen davon ab die richtige Wahl die Hauptparameter des Arbeitsprozesses, die ihre technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Eigenschaften bestimmen. Dies betrifft zunächst die Wahl des Kompressionsverhältnisses.
Erdgas mit einer hohen Oktanzahl (110–130) ermöglicht eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses. Maximaler Gradwert
Die Kompression, die die Detonation verhindert, kann in erster Näherung rechnerisch gewählt werden. Eine Überprüfung und Klärung der berechneten Daten ist jedoch nur experimentell möglich.
Analyse von Publikationen
Bei der Umstellung des Ottomotors (Vh = 1 l) des VW POLO auf Erdgas wurde die Form der Kolbenabfeuerungsfläche vereinfacht. Die Reduzierung des Volumens der Kompressionskammer führte zu einer Erhöhung des Kompressionsverhältnisses von 10,7 auf 13,5.
Beim D21A-Motor wurde der Kolben weiter bearbeitet, um das Verdichtungsverhältnis von 16,5 auf 9,5 zu reduzieren. Die halbkugelförmige Brennkammer eines Dieselmotors wurde an den Arbeitsablauf eines Gasmotors mit Fremdzündung angepasst.
Beim Umbau des Dieselmotors YaMZ-236 in einen Gasmotor wurde durch eine zusätzliche Bearbeitung des Kolbens auch das Verdichtungsverhältnis von 16,2 auf 12 reduziert.
Ziel- und Problemstellung
Der Zweck der Arbeit besteht darin, das Design von Teilen der Brennkammer des MeMZ-307-Motors zu entwickeln, um für experimentelle Studien ein Verdichtungsverhältnis von e = 12 und e = 14 bereitzustellen.
Auswahl eines Ansatzes zur Änderung des Komprimierungsverhältnisses
Für einen auf Gas umgerüsteten Ottomotor mit kleinem Hubraum bedeutet eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses eine Steigerung im Vergleich zum Basis-Verbrennungsmotor. Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese Aufgabe auszuführen.
Idealerweise ist es wünschenswert, am Motor ein System zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses zu installieren, das es ermöglicht, diese Aufgabe in Echtzeit, auch ohne Unterbrechung des Motorbetriebs, durchzuführen. Allerdings sind solche Systeme sehr teuer und komplex in Design und Betrieb, erfordern erhebliche Änderungen am Design und sind auch ein Faktor für die Unzuverlässigkeit des Motors.
Das Verdichtungsverhältnis kann auch durch Erhöhen der Anzahl oder Dicke der Dichtungen zwischen Kopf und Zylinderblock geändert werden. Diese Methode ist kostengünstig, erhöht jedoch die Wahrscheinlichkeit des Durchbrennens von Dichtungen, wenn der normale Kraftstoffverbrennungsprozess gestört wird. Darüber hinaus zeichnet sich diese Methode zur Regulierung des Verdichtungsverhältnisses durch eine geringe Genauigkeit aus, da der Wert von e von der Anzugskraft der Muttern an den Zylinderkopfbolzen und der Qualität der Dichtungen abhängt. Am häufigsten wird diese Methode verwendet, um das Komprimierungsverhältnis zu reduzieren.
Der Einsatz von Kolbenauskleidungen ist technisch schwierig, da das Problem der zuverlässigen Befestigung einer relativ dünnen Auskleidung (ca. 1 mm) am Kolben und der zuverlässigen Funktion dieser Befestigung unter Brennraumbedingungen besteht.
Die beste Option besteht darin, Kolbensätze herzustellen, von denen jeder ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis bietet. Diese Methode erfordert eine teilweise Demontage des Motors, um das Verdichtungsverhältnis zu ändern, bietet jedoch eine ausreichend hohe Genauigkeit des Wertes von e im Experiment und einen zuverlässigen Betrieb des Motors bei geändertem Verdichtungsverhältnis (die Festigkeit und Zuverlässigkeit der Strukturelemente des Motors ist höher). nicht reduziert). Darüber hinaus ist diese Methode relativ kostengünstig.
Forschungsergebnisse
Der Kern der Aufgabe bestand darin, zu verwenden positive Eigenschaften Erdgas (hohe Oktanzahl) und die Besonderheiten der Gemischbildung gleichen den Leistungsverlust aus, wenn der Motor mit diesem Kraftstoff betrieben wird. Um diese Aufgabe zu erfüllen, wurde beschlossen, das Kompressionsverhältnis zu ändern.
Laut Versuchsplan soll das Kompressionsverhältnis von e = 9,8 (Standardausstattung) bis e = 14 variieren. Es empfiehlt sich, einen Zwischenwert des Kompressionsverhältnisses e = 12 (als arithmetisches Mittel der Extremwerte) zu wählen von e). Bei Bedarf ist es möglich, Kolbensätze herzustellen, die andere Zwischenverdichtungsverhältnisse bieten.
Zur technischen Umsetzung der angegebenen Verdichtungsverhältnisse wurden Berechnungen, konstruktive Entwicklungen und experimentell überprüfte Volumina von Verdichtungskammern im Gießverfahren durchgeführt. Die Ergebnisse der Spülung sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.
Tabelle 1 Ergebnisse der Spülung des Brennraums im Zylinderkopf
1 Zyl. 2 Zyl. 3 Zyl. 4 Zyl.
22,78 22,81 22,79 22,79
Tabelle 2 Ergebnisse der Spülung des Brennraums in den Kolben (Kolben im Zylinder eingebaut)
1 Zyl. 2 Zyl. 3 Zyl. 4 Zyl.
9,7 9,68 9,71 9,69
Die komprimierte Dicke der Dichtung beträgt 1 mm. Der Rückstand des Kolbens gegenüber der Ebene des Zylinderblocks beträgt 0,5 mm, was durch Messungen ermittelt wurde.
Dementsprechend besteht das Volumen des Brennraums Vc aus dem Volumen im Zylinderkopf Vg, dem Volumen im Kolben Vp und dem Volumen des Spalts zwischen Kolben und Zylinderkopf (dem Absinken des Kolbens relativ zur Ebene von). (Zylinderblock + Dicke der Dichtung) Vj = 6,6 cm3.
Us = 22,79 + 9,7 + 4,4 = 36,89 (cm3).
Es wurde beschlossen, das Verdichtungsverhältnis durch Änderung des Brennraumvolumens durch Änderung der Geometrie des Kolbenbodens zu ändern, da mit dieser Methode alle Varianten des Verdichtungsverhältnisses realisierbar sind und gleichzeitig möglich sind Rückkehr zur seriellen Konfiguration.
In Abb. 1 zeigt die serielle Konfiguration von Brennkammerteilen mit Kolbenvolumina UP = 7,5 cm3.
Reis. 1. Reihenkonfiguration der Brennkammerteile Ус = 36,9 cm3 (е = 9,8)
Um ein Verdichtungsverhältnis e = 12 zu erhalten, genügt es, die Brennkammer mit einem Kolben mit flachem Boden auszustatten, in den zwei kleine Proben mit Gesamtvolumen eingebracht werden
0,1 cm3, wodurch verhindert wird, dass die Einlass- und Auslassventile währenddessen auf den Kolben treffen
Decken In diesem Fall ist das Volumen der Kompressionskammer gleich
Us = 36,9 - 7,4 = 29,5 (cm3).
In diesem Fall bleibt der Spalt zwischen Kolben und Zylinderkopf 8 = 1,5 mm. Die Gestaltung der Brennkammer mit є = 12 ist in Abb. dargestellt. 2.
Reis. 2. Kompletter Teilesatz für die Brennkammer eines Gasmotors zur Erzielung eines Verdichtungsverhältnisses є = 12 (Uc = 29,5 m3)
Es wird akzeptiert, das Verdichtungsverhältnis є = 14 zu realisieren, indem man die Höhe des Kolbens mit flachem Boden um I = 1 mm erhöht. Auch in diesem Fall verfügt der Kolben über zwei Ventilöffnungen mit einem Gesamtvolumen von 0,2 cm3. Das Volumen der Kompressionskammer verringert sich um
DU = - UND = . 0,1 = 4,42 (cm3).
Diese Konfiguration der Brennkammerteile ergibt das Volumen
Us = 29,4 - 4,22 = 25,18 (cm3).
In Abb. Abbildung 3 zeigt die Konfiguration der Brennkammer, die ein Verdichtungsverhältnis von є = 13,9 ergibt.
Der Spalt zwischen der Zündfläche des Kolbens und dem Zylinderkopf beträgt 0,5 mm, was für den normalen Betrieb der Teile ausreichend ist.
Reis. 3. Kompletter Teilesatz für die Brennkammer eines Gasmotors mit e = 13,9 (Uc = 25,18 cm3)
1. Durch die Vereinfachung der geometrischen Form der Kolbenfeuerfläche (flacher Kopf mit zwei kleinen Aussparungen) konnte das Verdichtungsverhältnis von 9,8 auf 12 erhöht werden.
2. Reduzierung des Spalts zwischen Zylinderkopf und Kolben am oberen Totpunkt auf 5 = 0,5 mm und Vereinfachung der geometrischen Form der Zündfläche
Die Kolbenfläche ermöglichte eine Erhöhung von є auf 13,9 Einheiten.
Literatur
1. Basierend auf Materialien von der Website: www.empa.ch
2. Bgantsev V.N. Auf Basis eines Gasmotors
Viertakt-Allzweckdieselmotor / V.N. Bgantsev, A.M. Levterov,
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weitere Untersuchung eines von einem Dieselmotor umgebauten Gasmotors / V.I. Zakharchuk, O.V. Sitovsky, I.S. Kozachuk // Autotransport: Sammlung. wissenschaftlich tr. -Charkow: KHNADU. - 2005. - Ausgabe. 16. -
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Versuchsanlage zur Erforschung eines Gasmotors 64 13/14 mit Fremdzündung / V.A. Bogomolov, F.I. Abramchuk, V.M. Ma-noilo und andere // Bulletin von KhNADU: Sammlung. wissenschaftlich tr. - Charkow: KHNADU. -2007. - Nr. 37. - S. 43-47.
Rezensent: M. A. Podrigalo, Professor, Doktor der technischen Wissenschaften, KhNADU.
Ein vollständig mit Methan betriebener Dieselmotor spart bis zu 60% von der Höhe der üblichen Kosten und reduzieren natürlich die Umweltverschmutzung deutlich Umfeld.
Wir können fast jeden Dieselmotor auf die Nutzung von Methan umrüsten, genau wie Gas Kraftstoff.
Warten Sie nicht auf morgen, sondern beginnen Sie noch heute mit dem Sparen!
Wie kann ein Dieselmotor mit Methan betrieben werden?
Ein Dieselmotor ist ein Motor, bei dem der Kraftstoff durch Erhitzen durch Kompression gezündet wird. Ein Standard-Dieselmotor kann nicht mit Gaskraftstoff betrieben werden, da Methan eine deutlich höhere Zündtemperatur als Dieselkraftstoff hat (Dieselkraftstoff – 300–330 °C, Methan – 650 °C), was bei den in Dieselmotoren verwendeten Verdichtungsverhältnissen nicht erreicht werden kann.
Der zweite Grund, warum ein Dieselmotor nicht mit Gas betrieben werden kann, ist das Phänomen der Detonation, d.h. anormal (explosive Verbrennung von Kraftstoff, die auftritt, wenn das Verdichtungsverhältnis zu hoch ist. Z Dieselmotoren Es wird ein Verdichtungsverhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches von 14–22 verwendet; ein Methanmotor kann ein Verdichtungsverhältnis von bis zu 12–16 haben.
Um einen Dieselmotor auf einen Benzinmotor umzustellen, müssen Sie daher im Wesentlichen zwei Dinge tun:
- Reduzieren Sie das Verdichtungsverhältnis des Motors
- Installieren Sie ein Funkenzündsystem
Nach diesen Änderungen wird Ihr Motor nur noch mit Methan betrieben. Eine Rückkehr zum Dieselbetrieb ist nur nach Durchführung besonderer Arbeiten möglich.
Weitere Informationen zum Kern der durchgeführten Arbeiten finden Sie im Abschnitt „Wie genau erfolgt die Umwandlung von Diesel in Methan“?
Wie viel Ersparnis kann ich erzielen?
Die Höhe Ihrer Ersparnis errechnet sich aus der Differenz zwischen den Kosten pro 100 km Dieselkraftstoff vor der Motorumrüstung und den Kosten für den Kauf von Gaskraftstoff.
Beim Freigtleiner Cascadia-Lastwagen beispielsweise lag der durchschnittliche Dieselkraftstoffverbrauch bei 35 Litern pro 100 km, und nach der Umstellung auf Methanbetrieb lag der Gaskraftstoffverbrauch bei 42 Nm3. Methan Dann betragen die Kosten für Dieselkraftstoff 31 Rubel, 100 km. Die Kilometerleistung kostete zunächst 1.085 Rubel, und nach der Umstellung betrugen die Kosten für Methan 11 Rubel pro Normalkubikmeter (nm3), 100 km Kilometerleistung begannen 462 Rubel zu kosten.
Die Ersparnis betrug 623 Rubel pro 100 km oder 57 %. Unter Berücksichtigung der jährlichen Laufleistung von 100.000 km betrug die jährliche Ersparnis 623.000 Rubel. Die Kosten für den Einbau von Propan in dieses Auto betrugen 600.000 Rubel. Somit betrug die Amortisationszeit des Systems etwa 11 Monate.
Ein zusätzlicher Vorteil von Methan als Treibstoff für Gasmotoren besteht darin, dass es extrem schwer zu stehlen und nahezu unmöglich zu „entleeren“ ist, da es unter normalen Bedingungen ein Gas ist. Aus den gleichen Gründen kann es nicht verkauft werden.
Der Methanverbrauch nach der Umstellung eines Dieselmotors auf den Gasmotormodus kann zwischen 1,05 und 1,25 nm3 Methan pro Liter Dieselkraftstoffverbrauch variieren (abhängig von der Konstruktion des Dieselmotors, seinem Verschleiß usw.).
Lesen Sie Beispiele aus unseren Erfahrungen zum Methanverbrauch der von uns umgerüsteten Dieselmotoren.
Im Durchschnitt verbraucht ein Dieselmotor, wenn er mit Methan betrieben wird, nach vorläufigen Berechnungen Gasmotorenkraftstoff in Höhe von 1 Liter Dieselkraftstoffverbrauch im Dieselmodus = 1,2 Nm3 Methan im Gasmotorenmodus.Sie können konkrete Sparwerte für Ihr Auto erhalten, indem Sie einen Umtauschantrag ausfüllen, indem Sie auf den roten Button am Ende dieser Seite klicken.
Wo kann man Methan tanken?
In den GUS-Staaten gibt es mehr 500 CNG-Tankstellen, wobei Russland über mehr als 240 CNG-Tankstellen verfügt.
Aktuelle Informationen zu Standort und Öffnungszeiten der CNG-Tankstellen können Sie auf der interaktiven Karte unten einsehen. Karte mit freundlicher Genehmigung von gazmap.ru
Und wenn neben Ihrem Fuhrpark eine Gasleitung verläuft, ist es sinnvoll, über Möglichkeiten zum Bau einer eigenen CNG-Tankstelle nachzudenken.
Rufen Sie uns einfach an und wir beraten Sie gerne zu allen Möglichkeiten.
Wie viel Kilometer reicht eine Methan-Tankstelle?
An Bord des Fahrzeugs wird Methan in gasförmigem Zustand unter hohem Druck von 200 Atmosphären in speziellen Flaschen gespeichert. Das große Gewicht und die Größe dieser Zylinder stellen einen erheblichen negativen Faktor dar, der die Verwendung von Methan als Kraftstoff für Gasmotoren einschränkt.
RAGSK LLC verwendet bei seiner Arbeit hochwertige Metall-Kunststoff-Verbundzylinder (Typ 2), die für den Einsatz in der Russischen Föderation zertifiziert sind.
Die Innenseite dieser Zylinder besteht aus hochfestem Chrom-Molybdän-Stahl, die Außenseite ist mit Glasfaser umwickelt und mit Epoxidharz gefüllt.
Um 1 nm3 Methan zu speichern, werden 5 Liter Hydraulikzylindervolumen benötigt, d.h. Mit einer 100-Liter-Flasche können Sie beispielsweise etwa 20 nm3 Methan speichern (eigentlich etwas mehr, da Methan dies nicht ist). ideales Gas und komprimiert besser). Das Gewicht von 1 Liter Hydraulik beträgt ca. 0,85 kg, d.h. Das Gewicht eines Speichersystems für 20 nm3 Methan beträgt etwa 100 kg (85 kg ist das Gewicht der Flasche und 15 kg ist das Gewicht des Methans selbst).
Typ-2-Zylinder zur Speicherung von Methan sehen folgendermaßen aus:
Das zusammengebaute Methanspeichersystem sieht so aus:
In der Praxis lassen sich in der Regel folgende Laufleistungswerte erreichen:
- 200-250 km - für Kleinbusse. Gewicht des Lagersystems - 250 kg
- 250–300 km – für mittelgroße Stadtbusse. Gewicht des Lagersystems - 450 kg
- 500 km - für LKW-Traktoren. Gewicht des Lagersystems - 900 kg
Sie können spezifische Kilometerwerte für Methan für Ihr Auto erhalten, indem Sie einen Umstellungsantrag ausfüllen, indem Sie auf die rote Schaltfläche am Ende dieser Seite klicken.
Wie genau erfolgt die Umwandlung von Diesel in Methan?
Die Umstellung eines Dieselmotors auf Gasbetrieb erfordert einen gravierenden Eingriff in den Motor selbst.
Zuerst müssen wir das Verdichtungsverhältnis ändern (warum? siehe Abschnitt „Wie kann ein Dieselmotor mit Methan betrieben werden?“). Wir verwenden dazu verschiedene Methoden und wählen die beste für Ihren Motor aus:
- Kolbenfräsen
- Zylinderkopfdichtung
- Neue Kolben einbauen
- Pleuel kürzen
In den meisten Fällen verwenden wir das Fräsen von Kolben (siehe Abbildung oben).
So sehen die Kolben nach dem Fräsen aus:
Darüber hinaus verbauen wir eine Reihe zusätzlicher Sensoren und Geräte (elektronisches Gaspedal, Kurbelwellenpositionssensor, Sauerstoffmengensensor, Klopfsensor usw.).
Alle Systemkomponenten werden von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) gesteuert.
Ein Komponentensatz zum Einbau in den Motor sieht etwa so aus:
Ändert sich die Motorleistung beim Betrieb mit Methan?
Leistung Es wird allgemein angenommen, dass ein Motor bei Verwendung von Methan bis zu 25 % an Leistung verliert. Diese Meinung gilt für Dual-Fuel-Benzin-Gasmotoren und teilweise auch für Dieselmotoren mit Saugmotor.Für moderne Motoren, ausgestattet mit Aufblasen, diese Meinung ist falsch.
Die hohe Lebensdauer des ursprünglichen Dieselmotors, der für den Betrieb mit einem Verdichtungsverhältnis von 16–22 ausgelegt ist, und die hohe Oktanzahl des Gaskraftstoffs ermöglichen uns die Verwendung eines Verdichtungsverhältnisses von 12–14. Dieses hohe Komprimierungsverhältnis ermöglicht es Ihnen, zu bekommen die gleichen (und sogar noch größeren) Leistungsdichten Beim Betrieb mit stöchiometrischen Kraftstoffgemischen ist es jedoch nicht möglich, höhere Toxizitätsnormen als EURO-3 einzuhalten, und auch die thermische Belastung des umgebauten Motors steigt.
Moderne aufblasbare Dieselmotoren (insbesondere mit Zwischenkühlung der aufblasbaren Luft) ermöglichen den Betrieb mit deutlich mageren Gemischen unter Beibehaltung der Leistung des ursprünglichen Dieselmotors, wobei das thermische Regime innerhalb der gleichen Grenzen bleibt und die EURO-4-Toxizitätsnormen eingehalten werden.
Für Dieselmotoren mit Saugmotor bieten wir zwei Alternativen an: entweder eine Reduzierung der Betriebsleistung um 10–15 % oder die Verwendung eines Wassereinspritzsystems im Ansaugkrümmer, um die Leistung auf einem akzeptablen Niveau zu halten Betriebstemperatur und Erreichen der Abgasnorm EURO-4
Art der typischen Abhängigkeit der Leistung von der Motordrehzahl, nach Kraftstofftyp:
Eine radikale Lösung für das Problem der Drehmomentspitzenverschiebung bei einem Gasmotor besteht darin, die Turbine durch eine überdimensionierte Turbine zu ersetzen besonderer Typ mit Hochgeschwindigkeits-Bypass-Magnetventil. Die hohen Kosten einer solchen Lösung geben uns jedoch nicht die Möglichkeit, diese für eine individuelle Umrüstung zu nutzen.
Zuverlässigkeit Die Lebensdauer des Motors wird deutlich erhöht. Da die Gasverbrennung gleichmäßiger erfolgt als bei Dieselkraftstoff, ist das Verdichtungsverhältnis eines Gasmotors geringer als das eines Dieselmotors und das Gas enthält im Gegensatz zu Dieselkraftstoff keine Fremdverunreinigungen. Öl-Gasmotoren stellen höhere Anforderungen an die Ölqualität. Wir empfehlen die Verwendung hochwertiger Ganzjahresöle der Klassen SAE 15W-40, 10W-40 und einen Ölwechsel alle mindestens 10.000 km.Wenn möglich, empfiehlt es sich, spezielle Öle zu verwenden, wie zum Beispiel LUKOIL EFFORSE 4004 oder Shell Mysella LA SAE 40. Dies ist nicht notwendig, aber mit ihnen hält der Motor sehr lange.
Aufgrund des höheren Wassergehalts in den Verbrennungsprodukten von Gas-Luft-Gemischen in Gasmotoren kann es zu Problemen mit der Wasserbeständigkeit von Motorenölen kommen, außerdem reagieren Gasmotoren empfindlicher auf die Bildung von Ascheablagerungen im Brennraum. Daher wird der Sulfataschegehalt von Ölen für Gasmotoren auf niedrigere Werte begrenzt und die Anforderungen an die Hydrophobie des Öls steigen.
Lärm Sie werden sehr überrascht sein! Ein Benzinmotor ist im Vergleich zu einem Dieselmotor ein sehr leises Auto. Der Geräuschpegel wird laut Instrumenten um 10-15 dB sinken, was je nach subjektivem Empfinden einem 2-3-fach leiseren Betrieb entspricht.Natürlich kümmert sich niemand um die Umwelt. Aber trotzdem...?
Ein Methangasmotor ist in allen Umwelteigenschaften einem Dieselmotor ähnlicher Leistung deutlich überlegen und liegt hinsichtlich der Emissionen nur hinter Elektro- und Wasserstoffmotoren.
Dies macht sich insbesondere bei einem für Großstädte so wichtigen Indikator wie dem Rauch bemerkbar. Alle Stadtbewohner sind ziemlich genervt von den rauchigen Schweifen hinter LIAZs. Das wird bei Methan nicht passieren, da es bei der Verbrennung des Gases nicht zu Rußbildung kommt!
In der Regel liegt die Umweltklasse für einen Methanmotor bei Euro 4 (ohne Verwendung von Harnstoff oder Gasrückführungssystem). Durch den Einbau eines zusätzlichen Katalysators kann die Umweltklasse jedoch auf Euro 5-Niveau angehoben werden.
Die Vorteile von Gas für die Verwendung als Kraftstoff für Autos sind folgende Indikatoren:
Kraftstoffverbrauch
Kraftstoffverbrauch Gasmotor- der wichtigste Motorindikator - wird durch die Oktanzahl des Kraftstoffs und die Zündgrenze des Luft-Kraftstoff-Gemisches bestimmt. Die Oktanzahl ist ein Indikator für die Klopffestigkeit des Kraftstoffs, die den Einsatz des Kraftstoffs in leistungsstarken und sparsamen Motoren mit hohem Verdichtungsverhältnis einschränkt. In der modernen Technik ist die Oktanzahl der wichtigste Indikator für die Kraftstoffqualität: Je höher sie ist, desto besser und teurer ist der Kraftstoff. SPBT (technisches Propan-Butan-Gemisch) hat eine Oktanzahl von 100 bis 110 Einheiten, sodass es in keinem Motorbetriebsmodus zu einer Detonation kommt.
Eine Analyse der thermophysikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs und seines brennbaren Gemisches (Verbrennungswärme und Heizwert des brennbaren Gemisches) zeigt, dass alle Gase im Brennwert Benzin überlegen sind, beim Mischen mit Luft jedoch ihre Energieindikatoren abnehmen, was eins ist der Gründe für den Rückgang der Motorleistung. Die Leistungsreduzierung beim Betrieb mit Flüssigbrennstoff beträgt bis zu 7 %. Wenn ein ähnlicher Motor mit komprimiertem Methan betrieben wird, verliert er bis zu 20 % seiner Leistung.
Gleichzeitig ermöglichen hohe Oktanzahlen eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses Gasmotoren und die Nennleistung erhöhen, aber nur Autofabriken können diese Arbeit kostengünstig erledigen. Unter den Bedingungen des Installationsortes ist dieser Umbau zu teuer und oft schlicht unmöglich.
Hohe Oktanzahlen erfordern eine Erhöhung des Zündzeitpunkts um 5°...7°. Allerdings kann eine frühe Zündung zur Überhitzung von Motorteilen führen. In der Praxis des Betriebs von Gasmotoren kam es aufgrund zu früher Zündung und Betrieb mit sehr mageren Gemischen zu Durchbrennen von Kolbenböden und Ventilen.
Der spezifische Kraftstoffverbrauch des Motors ist umso geringer, je schlechter das Kraftstoff-Luft-Gemisch ist, mit dem der Motor betrieben wird, d. h. je weniger Kraftstoff pro 1 kg Luft in den Motor gelangt. Sehr magere Gemische, bei denen zu wenig Kraftstoff vorhanden ist, entzünden sich jedoch einfach nicht durch einen Funken. Dadurch wird die Grenze für die Erhöhung festgelegt Kraftstoffeffizienz. Bei Gemischen aus Benzin und Luft beträgt der maximale Kraftstoffgehalt in 1 kg Luft, bei dem eine Zündung möglich ist, 54 g. In einem extrem mageren Gas-Luft-Gemisch beträgt dieser Gehalt daher nur 40 g Um die maximale Leistung zu erzielen, ist ein mit Erdgas betriebener Motor wesentlich sparsamer als ein Benzinmotor. Experimente haben gezeigt, dass der Kraftstoffverbrauch pro 100 km beim Fahren eines mit Benzin betriebenen Autos bei Geschwindigkeiten zwischen 25 und 50 km/h doppelt so hoch ist wie der des gleichen Autos mit Benzin unter den gleichen Bedingungen. Bei gasförmigen Kraftstoffkomponenten sind die Zündgrenzen deutlich in Richtung magerer Gemische verschoben, was zusätzliche Möglichkeiten zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz bietet.
Umweltsicherheit von Gasmotoren
Gasförmige Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe gehören zu den umweltfreundlichsten Kraftstoffen. Der Ausstoß giftiger Substanzen aus den Abgasen ist im Vergleich zu den Emissionen beim Betrieb mit Benzin drei- bis fünfmal geringer.
Benzinmotoren sind aufgrund des hohen Wertes der Magergrenze (54 g Kraftstoff pro 1 kg Luft) gezwungen, sich auf fette Gemische einzustellen, was zu einem Sauerstoffmangel im Gemisch und einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs führt. Dadurch kann das Abgas eines solchen Motors erhebliche Mengen Kohlenmonoxid (CO) enthalten, das immer dann entsteht, wenn Sauerstoffmangel herrscht. Wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist, entsteht im Motor bei der Verbrennung eine hohe Temperatur (mehr als 1800 Grad), bei der Luftstickstoff durch überschüssigen Sauerstoff zu Stickoxiden oxidiert wird, deren Toxizität 41-mal höher ist als die Toxizität von CO.
Zusätzlich zu diesen Komponenten enthält das Abgas von Benzinmotoren Kohlenwasserstoffe und Produkte ihrer unvollständigen Oxidation, die in der wandnahen Schicht der Brennkammer gebildet werden, wo wassergekühlte Wände verhindern, dass flüssiger Kraftstoff in kurzer Zeit verdampft des Motorbetriebszyklus und begrenzen den Zugang von Sauerstoff zum Kraftstoff. Bei der Verwendung von Gaskraftstoff sind alle diese Faktoren deutlich schwächer, was hauptsächlich auf magerere Gemische zurückzuführen ist. Es entstehen praktisch keine Produkte unvollständiger Verbrennung, da immer ein Sauerstoffüberschuss vorhanden ist. Stickoxide entstehen in geringeren Mengen, da bei mageren Gemischen die Verbrennungstemperatur deutlich niedriger ist. Die Wandschicht des Brennraums enthält bei mageren Gas-Luft-Gemischen weniger Kraftstoff als bei fetteren Benzin-Luft-Gemischen. Also bei richtig eingestelltem Gas Motor Die Kohlenmonoxidemissionen in die Atmosphäre sind 5-10-mal geringer als die Benzinemissionen, die Stickoxidemissionen sind 1,5-2,0-mal geringer und die Kohlenwasserstoffemissionen sind 2-3-mal geringer. Dies ermöglicht die Einhaltung zukünftiger Fahrzeugtoxizitätsnormen („Euro-2“ und möglicherweise „Euro-3“) durch ordnungsgemäße Motorprüfung.
Der Einsatz von Gas als Kraftstoff ist eine der wenigen Umweltmaßnahmen, deren Kosten durch einen direkten wirtschaftlichen Effekt in Form reduzierter Kosten amortisiert werden Kraft- und Schmierstoffe. Die überwiegende Mehrheit der anderen Umweltaktivitäten ist äußerst kostspielig.
In einer Stadt mit einer Million Motoren kann der Einsatz von Gas als Kraftstoff die Umweltbelastung deutlich reduzieren. In vielen Ländern zielen separate Umweltprogramme darauf ab, dieses Problem zu lösen und die Umstellung von Motoren von Benzin auf Gas zu fördern. Moskauer Umweltprogramme verschärfen jedes Jahr die Anforderungen an Fahrzeugbesitzer hinsichtlich der Abgasemissionen. Die Umstellung auf Gas ist die Lösung Umweltproblem verbunden mit wirtschaftlichen Vorteilen.
Verschleißfestigkeit und Sicherheit des Gasmotors
Die Verschleißfestigkeit des Motors hängt eng mit der Wechselwirkung von Kraftstoff und Motoröl zusammen. Eines der unangenehmen Phänomene bei Benzinmotoren besteht darin, dass Benzin beim Kaltstart den Ölfilm von der Innenfläche der Motorzylinder abwäscht, wenn der Kraftstoff in die Zylinder gelangt, ohne zu verdampfen. Als nächstes dringt Benzin in flüssiger Form in das Öl ein, löst sich darin auf und verdünnt es, wodurch sich seine Schmiereigenschaften verschlechtern. Beide Effekte beschleunigen den Motorverschleiß. Das GOS bleibt unabhängig von der Motortemperatur immer in der Gasphase, wodurch die genannten Faktoren vollständig eliminiert werden. LPG (Flüssiggas) kann nicht in den Zylinder eindringen, wie dies bei der Verwendung herkömmlicher Flüssigkraftstoffe der Fall ist, sodass eine Motorspülung nicht erforderlich ist. Zylinderkopf und Zylinderblock verschleißen weniger, was die Lebensdauer des Motors erhöht.
Bei Nichtbeachtung der Betriebs- und Wartungsvorschriften geht von jedem technischen Produkt eine gewisse Gefahr aus. Gasflascheninstallationen sind keine Ausnahme. Gleichzeitig sollten bei der Ermittlung potenzieller Risiken objektive physikalische und chemische Eigenschaften von Gasen wie Temperatur und Konzentrationsgrenzen der Selbstentzündung berücksichtigt werden. Damit es zu einer Explosion oder Entzündung kommt, ist die Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, also eine volumetrische Vermischung von Gas mit Luft, notwendig. Das Vorhandensein von Gas in einer unter Druck stehenden Flasche verhindert das Eindringen von Luft, während in Tanks mit Benzin- oder Dieselkraftstoff immer eine Mischung aus Dämpfen und Luft vorhanden ist.
Sie werden in der Regel an den am wenigsten gefährdeten und statistisch gesehen seltener beschädigten Stellen des Autos eingebaut. Basierend auf tatsächlichen Daten wurde die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung und eines strukturellen Versagens der Fahrzeugkarosserie berechnet. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung der Karosserie im Bereich der Zylinder 1-5 % beträgt.
Erfahrungen mit dem Betrieb von Gasmotoren im In- und Ausland zeigen, dass mit Gas betriebene Motoren in Notsituationen weniger feuer- und explosiv sind.
Wirtschaftliche Machbarkeit der Anwendung
Der Betrieb eines Fahrzeugs mit dem GOS bringt etwa 40 % Einsparungen. Da das Propan-Butan-Gemisch in seinen Eigenschaften dem Benzin am nächsten kommt, erfordert seine Verwendung keine größeren Änderungen in der Motorkonstruktion. Das universelle Motorantriebssystem sorgt für ein vollwertiges Benzin-Kraftstoffsystem und ermöglicht den einfachen Wechsel von Benzin auf Gas und zurück. Ein mit einem Universalsystem ausgestatteter Motor kann entweder mit Benzin oder Gas betrieben werden. Die Kosten für die Umrüstung eines Benzinautos auf ein Propan-Butan-Gemisch liegen je nach gewählter Ausstattung zwischen 4 und 12.000 Rubel.
Bei der Gasproduktion stoppt der Motor nicht sofort, sondern hört nach 2-4 km auf zu arbeiten. Das kombinierte Antriebssystem „Gas plus Benzin“ reicht mit einer Betankung beider Kraftstoffsysteme für 1000 km. Es bestehen jedoch noch gewisse Unterschiede in den Eigenschaften dieser Kraftstoffarten. Daher ist bei der Verwendung von Flüssiggas eine höhere Spannung in der Zündkerze erforderlich, um einen Funken zu erzeugen. Sie kann den Spannungswert bei Benzinbetrieb um 10-15 % überschreiten.
Durch die Umstellung des Motors auf Gaskraftstoff erhöht sich seine Lebensdauer um das 1,5- bis 2-fache. Die Funktion der Zündanlage wird verbessert, die Lebensdauer der Zündkerzen erhöht sich um 40 % und das Gas-Luft-Gemisch verbrennt vollständiger als beim Benzinbetrieb. Kohlenstoffablagerungen im Brennraum, im Zylinderkopf und in den Kolben werden reduziert, da die Menge der Kohlenstoffablagerungen verringert wird.
Ein weiterer Aspekt der wirtschaftlichen Machbarkeit der Verwendung von SPBT als Kraftstoff besteht darin, dass wir durch die Verwendung von Gas die Möglichkeit einer unbefugten Kraftstoffentsorgung minimieren können.
Autos mit einer Kraftstoffeinspritzanlage und Gasausrüstung sind leichter vor Diebstahl zu schützen als Autos mit Benzinmotor: Durch Abklemmen und Mitnehmen eines leicht abnehmbaren Schalters können Sie die Kraftstoffzufuhr zuverlässig blockieren und so Diebstahl verhindern. Ein solcher „Blocker“ ist schwer zu erkennen und dient als ernsthafte Diebstahlsicherung bei unbefugtem Starten des Motors.
Somit ist die Verwendung von Gas als Kraftstoff im Allgemeinen kostengünstig, umweltfreundlich und recht sicher.
11 Staatliches Wissenschaftszentrum der Russischen Föderation - Föderales Staatliches Einheitsunternehmen „Zentraler Orden des Roten Banners der wissenschaftlichen Forschung des Automobil- und Automobilinstituts (NAMI)“
Bei der Umrüstung eines Dieselmotors auf einen Gasmotor wird Boost verwendet, um die Leistungsreduzierung auszugleichen. Um eine Detonation zu verhindern, wird das geometrische Kompressionsverhältnis verringert, was zu einer Verringerung der Indikatoreffizienz führt. Die Unterschiede zwischen geometrischen und tatsächlichen Kompressionsverhältnissen werden analysiert. Das Schließen des Einlassventils um den gleichen Betrag vor oder nach dem BDC bewirkt die gleiche Verringerung des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses im Vergleich zum geometrischen Verdichtungsverhältnis. Es wird ein Vergleich der Abfüllprozessparameter mit Standard- und verkürzten Einlaufphasen gegeben. Es hat sich gezeigt, dass ein frühes Schließen des Einlassventils das tatsächliche Verdichtungsverhältnis verringert und die Detonationsschwelle senkt, während gleichzeitig ein hohes geometrisches Verdichtungsverhältnis und eine hohe Indikatoreffizienz aufrechterhalten werden. Der verkürzte Einlass sorgt für eine Steigerung des mechanischen Wirkungsgrades, indem er den Druck der Pumpverluste reduziert.
Gasmotor
geometrisches Kompressionsverhältnis
tatsächliches Kompressionsverhältnis
Ventilsteuerung
Indikatoreffizienz
mechanischer Wirkungsgrad
Detonation
Pumpverluste
1. Kamenev V.F. Perspektiven zur Verbesserung der toxischen Leistung von Dieselmotoren Fahrzeuge mit einem Gewicht von mehr als 3,5 t / V.F. Kamenev, A.A. Demidov, P.A. Shcheglov // Proceedings of NAMI: Sammlung. wissenschaftlich Kunst. – M., 2014. – Ausgabe. Nr. 256. – S. 5–24.
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IN in letzter Zeit ziemlich weit verbreitete Verwendung in LKWs und Busse werden Gasmotoren gefunden, die von Dieselmotoren umgebaut werden, indem der Zylinderkopf modifiziert wird, indem die Einspritzdüse durch eine Zündkerze ersetzt wird und der Motor mit Geräten zur Gasversorgung des Ansaugkrümmers oder der Ansaugkanäle ausgestattet wird. Um eine Detonation zu verhindern, wird das Verdichtungsverhältnis in der Regel durch eine Modifikation des Kolbens verringert.
Ein Gasmotor hat a priori weniger Leistung und eine schlechtere Kraftstoffeffizienz im Vergleich zum Basis-Dieselmotor. Der Leistungsabfall eines Gasmotors erklärt sich aus einer geringeren Füllung der Zylinder mit dem Luft-Kraftstoff-Gemisch aufgrund des Ersatzes eines Teils der Luft durch Gas, das im Vergleich zu flüssigem Kraftstoff ein größeres Volumen hat. Um die Leistungsreduzierung auszugleichen, wird Boost eingesetzt, was eine zusätzliche Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses erfordert. Gleichzeitig sinkt der Indikator Motoreffizienz, begleitet von einer Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz.
Als Basismotor für die Umrüstung auf Gas wurde ein Dieselmotor der YaMZ-536-Familie (6ChN10,5/12,8) mit geometrischem Verdichtungsverhältnis gewählt ε =17,5 und Nennleistung 180 kW bei Drehzahl Kurbelwelle 2300 min -1.
Abb.1. Sucht maximale Leistung Gasmotor vom Verdichtungsverhältnis (Klopfgrenze) abhängig.
Abbildung 1 zeigt die Abhängigkeit der maximalen Leistung eines Gasmotors vom Verdichtungsverhältnis (Klopfgrenze). Bei einem umgebauten Motor mit Standard-Ventilsteuerung kann eine vorgegebene Nennleistung von 180 kW ohne Detonation nur mit einer deutlichen Reduzierung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses von 17,5 auf 10 erreicht werden, was zu einem spürbaren Rückgang des angegebenen Wirkungsgrades führt.
Um eine Detonation ohne oder mit einer minimalen Reduzierung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses und damit einer minimalen Reduzierung der Indikatoreffizienz zu vermeiden, ist die Implementierung eines Zyklus mit frühem Schließen des Einlassventils möglich. In diesem Zyklus schließt das Einlassventil, bevor der Kolben den UT erreicht. Nachdem das Einlassventil geschlossen ist und sich der Kolben zum oberen Totpunkt bewegt, dehnt sich das Gas-Luft-Gemisch zunächst aus und kühlt ab. Erst nachdem der Kolben den oberen Totpunkt passiert und sich zum oberen Totpunkt bewegt, beginnt es zu komprimieren. Verluste in der Zylinderfüllung werden durch eine Erhöhung des Ladedrucks ausgeglichen.
Die Hauptziele der Forschung bestanden darin, die Möglichkeit zu ermitteln, einen modernen Dieselmotor in einen Gasmotor mit externer Gemischbildung und Mengensteuerung umzuwandeln und gleichzeitig die hohe Leistung und Kraftstoffeffizienz des Basisdieselmotors beizubehalten. Betrachten wir einige Schlüsselpunkte der Ansätze zur Lösung der Probleme.
Geometrisches und tatsächliches Kompressionsverhältnis
Der Beginn des Kompressionsvorgangs fällt mit dem Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils φ zusammen A. Wenn dies am BDC geschieht, beträgt das tatsächliche Kompressionsverhältnis ε F gleich dem geometrischen Kompressionsverhältnis ε. Bei der traditionellen Organisation des Arbeitsprozesses schließt das Einlassventil 20–40° nach dem UT, um die Befüllung durch zusätzliche Aufladung zu verbessern. Bei der Umsetzung eines kurzen Ansaugzyklus schließt das Einlassventil am UT. Deshalb in echte Motoren Das tatsächliche Kompressionsverhältnis ist immer kleiner als das geometrische Kompressionsverhältnis.
Das Schließen des Einlassventils um den gleichen Betrag entweder vor oder nach dem BDC bewirkt die gleiche Verringerung des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses im Vergleich zum geometrischen Verdichtungsverhältnis. So zum Beispiel bei der Änderung von φ A 30° vor oder nach BDC reduziert sich das tatsächliche Kompressionsverhältnis um ca. 5 %.
Ändern der Parameter des Arbeitsmediums während des Füllvorgangs
Während der Forschung wurden die standardmäßigen Auslassphasen beibehalten und die Einlassphasen durch Variation des Schließwinkels des Einlassventils φ geändert A. In diesem Fall schließt das Einlassventil früh (vor dem BDC) und behält die Standardansaugdauer (Δφ) bei Vizepräsident=230°) müsste das Einlassventil weit vor OT geöffnet werden, was aufgrund der großen Ventilüberschneidung unweigerlich zu einem übermäßigen Anstieg des Restgaskoeffizienten und Störungen im Arbeitsprozess führen würde. Daher erforderte das frühe Schließen des Einlassventils eine deutliche Verkürzung der Ansaugdauer auf 180°.
Bild 2 zeigt ein Diagramm des Ladedrucks während des Füllvorgangs in Abhängigkeit vom Schließwinkel des Einlassventils zum UT. Druck am Ende des Füllvorgangs p a niedriger als der Druck im Ansaugkrümmer, und der Druckabfall ist umso größer, je früher das Einlassventil vor dem BDC schließt.
Wenn das Einlassventil am oberen Totpunkt schließt, ist die Ladungstemperatur am Ende des Füllvorgangs erreicht T ein etwas höher als die Temperatur im Ansaugkrümmer Tk. Wenn das Einlassventil früher schließt, nähern sich die Temperaturen an φ A>35...40° PCV-Ladung erwärmt sich beim Befüllen nicht, sondern kühlt ab.
1 - φ A=0°; 2 - φ A=30°; 3 - φ A=60°.
Abb. 2. Der Einfluss des Schließwinkels des Einlassventils auf die Druckänderung während des Füllvorgangs.
Optimierung der Ansaugphase im Nennleistungsmodus
Wenn alle anderen Bedingungen gleich sind, wird die Erhöhung oder Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses bei Motoren mit äußerer Gemischbildung durch dasselbe Phänomen begrenzt – das Auftreten von Detonationen. Es ist offensichtlich, dass bei gleichem Luftüberschusskoeffizienten und gleichen Zündwinkeln die Bedingungen für das Auftreten einer Detonation bestimmten Druckwerten entsprechen p c und Temperatur Tc Ladung am Ende der Komprimierung abhängig vom tatsächlichen Komprimierungsverhältnis.
Bei gleichem geometrischen Verdichtungsverhältnis und damit gleichem Verdichtungsvolumen ist das Verhältnis p c/ Tc bestimmt eindeutig die Menge der Frischladung im Zylinder. Das Verhältnis des Drucks des Arbeitsmediums zu seiner Temperatur ist proportional zur Dichte. Das tatsächliche Verdichtungsverhältnis zeigt also an, wie stark die Dichte des Arbeitsmediums während des Verdichtungsvorgangs zunimmt. Die Parameter des Arbeitsmediums am Ende der Verdichtung werden neben dem eigentlichen Verdichtungsgrad maßgeblich vom Druck und der Temperatur der Ladung am Ende der Befüllung beeinflusst, bestimmt durch das Auftreten von Gasaustauschprozessen, vor allem der Befüllung Verfahren.
Betrachten wir Motoroptionen mit demselben geometrischen Verdichtungsverhältnis und demselben durchschnittlichen Indikatordruck, von denen einer eine Standardansaugdauer hat ( Δφ VP=230°) und im anderen Fall ist der Einlass verkürzt ( Δφ VP=180°), deren Parameter in Tabelle 1 dargestellt sind. Bei der ersten Option schließt das Einlassventil 30° nach OT, bei der zweiten Option schließt das Einlassventil 30° vor OT. Daher das tatsächliche Kompressionsverhältnis ε f Die beiden Varianten mit spätem und frühem Schließen des Einlassventils sind gleich.
Tabelle 1
Parameter des Arbeitsmediums am Ende der Befüllung für Standard- und verkürzten Einlass
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Δφ Vizepräsident, ° |
φ A, ° |
Pk, MPa |
P a, MPa |
ρ A, kg/m3 |
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Der durchschnittliche Indikatordruck bei konstantem Wert des Luftüberschusskoeffizienten ist proportional zum Produkt aus Indikatoreffizienz und Füllmenge am Ende des Füllvorgangs. Die Indikatoreffizienz wird bei sonst gleichen Bedingungen durch das geometrische Kompressionsverhältnis bestimmt, das bei den betrachteten Optionen gleich ist. Daher kann auch von einer gleichbleibenden Indikatoreffizienz ausgegangen werden.
Die Ladungsmenge am Ende der Befüllung wird durch das Produkt aus der Ladungsdichte am Einlass und dem Füllfaktor bestimmt ρ kηv. Durch den Einsatz effizienter Ladeluftkühler kann die Ladetemperatur im Ansaugkrümmer unabhängig vom Grad der Druckerhöhung im Kompressor annähernd konstant gehalten werden. Daher gehen wir in erster Näherung davon aus, dass die Ladungsdichte im Saugrohr direkt proportional zum Ladedruck ist.
Bei der Version mit Standardansaugdauer und Schließen des Einlassventils nach BDC ist der Füllungskoeffizient um 50 % höher als bei der Version mit verkürzter Ansaugdauer und Schließen des Einlassventils vor BDC.
Wenn der Füllkoeffizient abnimmt, ist es proportional erforderlich, um den durchschnittlichen Indikatordruck auf einem bestimmten Niveau zu halten, d.h. um die gleichen 50 %, den Ladedruck erhöhen. Darüber hinaus sind bei der Variante mit frühem Schließen des Einlassventils sowohl der Druck als auch die Temperatur der Ladung am Ende der Befüllung um 12 % niedriger als der entsprechende Druck und die entsprechende Temperatur bei der Variante mit Schließen des Einlassventils nach dem UT. Aufgrund der Tatsache, dass bei den betrachteten Optionen das tatsächliche Verdichtungsverhältnis gleich ist, werden Druck und Temperatur am Ende der Verdichtung bei der Option mit frühem Schließen des Einlassventils ebenfalls um 12 % niedriger sein als beim Schließen des Einlassventils nach BDC .
Somit kann bei einem Motor mit verkürztem Einlass und Schließen des Einlassventils vor BDC bei Beibehaltung des gleichen durchschnittlichen Indikatordrucks die Wahrscheinlichkeit einer Detonation im Vergleich zu einem Motor mit Standardansaugdauer und Schließen des Einlassventils nach BDC erheblich reduziert werden.
Tabelle 2 vergleicht die Parameter der Gasmotoroptionen im Nennbetrieb.
Tabelle 2
Parameter der Optionen für Gasmotoren
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Option Nr. |
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Kompressionsverhältnis ε |
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Einlassventilöffnung φ S, ° PKV |
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Schließen des Einlassventils φ A, ° PKV |
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Kompressordruckverhältnis Pk |
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Druckverlust beim Pumpen Pnp, MPa |
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Mechanischer Druckverlust PM, MPa |
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Füllfaktor η v |
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Indikatoreffizienz η ich |
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Mechanische Effizienz η M |
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Effektive Effizienz η e |
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Kompressionsstartdruck p a, MPa |
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Kompressionsstarttemperatur T ein, K |
Abbildung 3 zeigt Ladungswechseldiagramme bei unterschiedlichen Schließwinkeln des Einlassventils und gleicher Fülldauer, und Abbildung 4 zeigt Ladungswechseldiagramme bei gleichem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis und unterschiedlichen Fülldauern.
Im Nennleistungsmodus beträgt der Schließwinkel des Einlassventils φ A=30° vor BDC tatsächliches Kompressionsverhältnis ε F=14,2 und der Grad der Druckerhöhung im Kompressor π k=2,41. Dies sorgt für minimale Pumpverluste. Wenn das Einlassventil aufgrund einer Verringerung des Füllungsgrads früher schließt, muss der Ladedruck deutlich um 43 % (π) erhöht werden k=3,44), was mit einem deutlichen Anstieg des Pumpverlustdrucks einhergeht.
Bei frühem Schließen des Einlassventils ist die Ladungstemperatur zu Beginn des Verdichtungstakts T a aufgrund der Vorexpansion um 42 K niedriger im Vergleich zu einem Motor mit Standard-Einlassphasen.
Die interne Kühlung des Arbeitsmediums, begleitet von der Abfuhr eines Teils der Wärme von den heißesten Elementen der Brennkammer, verringert das Risiko einer Detonation und Glühzündung. Der Füllfaktor wird um ein Drittel reduziert. Mit einem Verdichtungsverhältnis von 15 wird es möglich, ohne Detonation zu arbeiten, gegenüber 10 bei Standardansaugdauer.
1 - φ A=0°; 2 - φ A=30°; 3 - φ A=60°.
Reis. 3. Diagramme des Gasaustausches bei verschiedenen Schließwinkeln des Einlassventils.
1 -φ A=30° zum oberen Totpunkt; 2 -φ A=30° jenseits des OT.
Abb.4. Ladungswechseldiagramme bei gleichem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis.
Die Steuerzeiten der Motoreinlassventile können durch Anpassen ihrer Hubhöhe geändert werden. Eines der Möglichen technische Lösungen ist ein Mechanismus zur Steuerung der Hubhöhe des Einlassventils, der am SSC NAMI entwickelt wurde. Die Entwicklung hydraulischer Antriebsgeräte ist unabhängig elektronische SteuerungÖffnen und Schließen des Ventils, basierend auf in der Batterie industrialisierten Prinzipien Kraftstoffsysteme Diesel
Trotz der Erhöhung des Ladedrucks und des höheren Verdichtungsverhältnisses bei einem Motor mit kurzem Einlass aufgrund des frühen Schließens des Einlassventils und damit mehr Niederdruck Wenn die Kompression einsetzt, steigt der durchschnittliche Druck im Zylinder nicht an. Daher erhöht sich auch der Reibungsdruck nicht. Andererseits sinkt bei einem verkürzten Einlass der Druck der Pumpverluste deutlich (um 21 %), was zu einer Steigerung des mechanischen Wirkungsgrades führt.
Die Umsetzung eines höheren Verdichtungsverhältnisses bei einem Motor mit kurzem Einlass führt zu einer Steigerung des indizierten Wirkungsgrades und geht in Kombination mit einer leichten Steigerung des mechanischen Wirkungsgrades mit einer Steigerung des effektiven Wirkungsgrades um 8 % einher.
Abschluss
Die Ergebnisse der Studien deuten darauf hin, dass das frühe Schließen des Einlassventils eine weitreichende Manipulation des Füllverhältnisses und des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses ermöglicht und so die Klopfschwelle senkt, ohne die Effizienz des Indikators zu verringern. Der verkürzte Einlass sorgt für eine Steigerung des mechanischen Wirkungsgrades, indem er den Druck der Pumpverluste reduziert.
Rezensenten:
Kamenev V.F., Doktor der technischen Wissenschaften, Professor, führender Experte, Staatliches Wissenschaftszentrum des Föderalen Staatlichen Einheitsunternehmens „NAMI“ der Russischen Föderation, Moskau.
Saikin A.M., Doktor der technischen Wissenschaften, Abteilungsleiter, Staatliches Wissenschaftszentrum des Föderalen Staatlichen Einheitsunternehmens „NAMI“ der Russischen Föderation, Moskau.
Bibliografischer Link
Ter-Mkrtichyan G.G. UMWANDLUNG VON DIESEL IN GASMOTOR MIT REDUZIERUNG DES TATSÄCHLICHEN VERDICHTUNGSVERHÄLTNISSES // Moderne Probleme von Wissenschaft und Bildung. – 2014. – Nr. 5.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=14894 (Zugriffsdatum: 01.02.2020). Wir machen Sie auf Zeitschriften des Verlags „Academy of Natural Sciences“ aufmerksam.
Über die Vorteile des Kraftstoffs für Gasmotoren, insbesondere Methan, wurde schon viel gesagt, aber wir möchten Sie noch einmal daran erinnern.
Dabei handelt es sich um einen umweltfreundlichen Auspuff, der aktuelle und sogar zukünftige gesetzliche Emissionsanforderungen erfüllt. Im Rahmen des Klimakults ist dies ein wichtiger Vorteil, da Euro 5, Euro 6 und alle nachfolgenden Normen zwangsläufig durchgesetzt werden und das Abgasproblem so oder so gelöst werden muss. Bis 2020 dürfen Neufahrzeuge in der Europäischen Union durchschnittlich nicht mehr als 95 g CO2 pro Kilometer ausstoßen. Bis 2025 könnte dieser zulässige Grenzwert noch weiter abgesenkt werden. Methanmotoren sind in der Lage, diese Toxizitätsstandards zu erfüllen, und das nicht nur aufgrund der geringeren CO2-Emissionen. Auch die Partikelemissionen von Gasmotoren sind geringer als bei Benzin- oder Dieselmotoren.
Darüber hinaus wäscht der Kraftstoff von Gasmotoren kein Öl von den Zylinderwänden, was deren Verschleiß verlangsamt. Laut Propagandisten von Benzinmotoren erhöht sich die Lebensdauer des Motors auf magische Weise erheblich. Gleichzeitig verschwiegen sie bescheiden die thermische Belastung eines Gasmotors.
Und der Hauptvorteil von Benzinkraftstoff ist der Preis. Der Preis und nur der Preis deckt alle Nachteile von Gas als Kraftstoff ab. Wenn wir über Methan sprechen, dann handelt es sich um ein unerschlossenes Netzwerk von CNG-Tankstellen, das ein Benzinauto buchstäblich an eine Tankstelle bindet. Die Zahl der Tankstellen mit Flüssigerdgas ist vernachlässigbar; diese Art von Gaskraftstoff ist heute ein hochspezialisiertes Nischenprodukt. Darüber hinaus nehmen Gasgeräte einen Teil der Nutzlastkapazität und des nutzbaren Raums ein; die Wartung von Gasgeräten ist mühsam und teuer.
Der technische Fortschritt hat einen Motortyp wie den Gasdiesel hervorgebracht, der in zwei Welten lebt: Diesel und Gas. Aber als universelles Mittel schöpft Benzindiesel die Möglichkeiten beider Welten nicht voll aus. Es ist nicht möglich, Verbrennung, Effizienz oder Emissionen für zwei Kraftstoffe im selben Motor zu optimieren. Um den Gas-Luft-Kreislauf zu optimieren, benötigen Sie Spezialprodukt– Gasmotor.
Heutzutage nutzen alle Gasmotoren die Bildung eines externen Gas-Luft-Gemisches und die Zündung durch eine Zündkerze, wie bei einem Vergaser. Benzinmotor. Alternative Optionen– in Entwicklung. Das Gas-Luft-Gemisch entsteht im Ansaugrohr durch Gaseindüsung. Je näher am Zylinder dieser Vorgang stattfindet, desto schneller reagiert der Motor. Idealerweise sollte das Gas direkt in die Brennkammer eingespritzt werden, wie weiter unten erläutert. Die Komplexität der Steuerung ist nicht der einzige Nachteil der externen Gemischbildung.
Die Gaseinspritzung wird von einer elektronischen Einheit gesteuert, die auch den Zündzeitpunkt regelt. Methan verbrennt langsamer als Dieselkraftstoff, das heißt, das Gas-Luft-Gemisch soll früher zünden, zudem wird der Vorschubwinkel lastabhängig angepasst. Darüber hinaus erfordert Methan ein geringeres Verdichtungsverhältnis als Dieselkraftstoff. Bei einem Saugmotor wird das Verdichtungsverhältnis auf 12–14 reduziert. Saugmotoren zeichnen sich durch eine stöchiometrische Zusammensetzung des Gas-Luft-Gemisches aus, d. h. der Luftüberschusskoeffizient a ist gleich 1, was den Leistungsverlust durch eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses teilweise ausgleicht. Der Wirkungsgrad eines atmosphärischen Gasmotors liegt bei 35 %, der eines atmosphärischen Dieselmotors bei 40 %.
Automobilhersteller empfehlen die Verwendung spezieller Motorenöle, gekennzeichnet durch Wasserbeständigkeit, niedrigen Sulfataschegehalt und gleichzeitig eine hohe Alkalizahl, jedoch sind Ganzjahresöle für Dieselmotoren der Klassen SAE 15W-40 und 10W-40 nicht verboten, die in der Praxis in neun verwendet werden Fälle von zehn.
Mit einem Turbolader können Sie das Verdichtungsverhältnis je nach Motorgröße und Druck im Ansaugtrakt auf 10–12 reduzieren und das Luftüberschussverhältnis auf 1,4–1,5 erhöhen. In diesem Fall erreicht der Wirkungsgrad 37 %, gleichzeitig steigt jedoch die thermische Belastung des Motors deutlich an. Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad eines Turbodieselmotors erreicht 50 %.
Die erhöhte thermische Belastung eines Gasmotors ist mit der Unmöglichkeit verbunden, den Brennraum bei geschlossenen Ventilen zu spülen, wenn am Ende des Auspuffhubs der Auspuff und Einlassventile. Der Frischluftstrom, insbesondere bei einem aufgeladenen Motor, könnte die Oberflächen des Brennraums kühlen und so die thermische Belastung des Motors verringern, außerdem würde die Erwärmung der Frischladung verringert, dies würde den Füllfaktor erhöhen, aber z Bei einem Gasmotor ist eine Ventilüberschneidung nicht akzeptabel. Aufgrund der äußeren Bildung des Gas-Luft-Gemisches wird dem Zylinder immer zusammen mit Methan auch Luft zugeführt und die Auslassventile müssen zu diesem Zeitpunkt geschlossen sein, um zu verhindern, dass Methan in den Abgastrakt gelangt und eine Explosion verursacht.
Ein reduziertes Verdichtungsverhältnis, erhöhte thermische Belastung und Besonderheiten des Gas-Luft-Kreislaufs erfordern entsprechende Änderungen insbesondere im Kühlsystem, im Design der Nockenwelle und CPG-Teile sowie der dafür verwendeten Materialien zur Aufrechterhaltung der Leistung und Lebensdauer. Somit unterscheiden sich die Kosten eines Gasmotors nicht wesentlich von den Kosten eines Dieseläquivalents, wenn nicht sogar höher. Zuzüglich der Kosten für die Gasausrüstung.
Als Flaggschiff der heimischen Automobilindustrie produziert KAMAZ PJSC serienmäßig 8-Zylinder-V-förmige Benzinmotoren der Serien KamAZ-820.60 und KamAZ-820.70 mit den Abmessungen 120x130 und einem Hubraum von 11.762 Litern. Bei Gasmotoren wird ein CPG verwendet, das ein Verdichtungsverhältnis von 12 bietet (der Diesel KamAZ-740 hat ein Verdichtungsverhältnis von 17). Im Zylinder wird das Gas-Luft-Gemisch durch eine anstelle eines Injektors eingebaute Zündkerze gezündet.
Für schwere Nutzfahrzeuge mit Gasmotoren werden spezielle Zündkerzen verwendet. So beliefert Federal-Mogul den Markt mit Zündkerzen mit einer Iridium-Mittelelektrode und einer Seitenelektrode aus Iridium oder Platin. Design, Materialien und Eigenschaften der Elektroden und der Zündkerzen selbst berücksichtigen die Betriebstemperatur eines Schwerlastfahrzeugs, das durch ein breites Lastspektrum und ein relativ hohes Verdichtungsverhältnis gekennzeichnet ist.
KamAZ-820-Motoren sind mit einem verteilten Methaneinspritzsystem in den Ansaugkrümmer über Düsen mit elektromagnetischer Dosiervorrichtung ausgestattet. Das Gas wird einzeln in den Ansaugtrakt jedes Zylinders eingespritzt, wodurch die Zusammensetzung des Gas-Luft-Gemisches für jeden Zylinder angepasst werden kann, um minimale Emissionen zu erzielen Schadstoffe. Der Gasfluss wird durch ein Mikroprozessorsystem abhängig vom Druck vor dem Injektor reguliert, die Luftzufuhr wird reguliert Drosselklappe angetrieben von elektronisches Pedal Beschleuniger. Das Mikroprozessorsystem steuert den Zündzeitpunkt, schützt vor der Entzündung von Methan im Ansaugkrümmer bei einem Ausfall des Zündsystems oder einer Ventilfehlfunktion und schützt außerdem den Motor vor Notfallmodi, hält eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit aufrecht, sorgt für eine Drehmomentbegrenzung an den Antriebsrädern des Fahrzeugs und eine Selbstdiagnose, wenn das System eingeschaltet ist.
KAMAZ hat die Teile von Benzin- und Dieselmotoren weitgehend vereinheitlicht, aber nicht alle, und viele äußerlich ähnliche Teile für einen Dieselmotor – Kurbelwelle, Nockenwelle, Kolben mit Pleueln und Ringen, Zylinderköpfe, Turbolader, Wasserpumpe, Ölpumpe, Ansaugstutzen, Ölwanne, Schwungradgehäuse – nicht für Gasmotoren geeignet.
Im April 2015 startete KAMAZ ein Korps von Gasfahrzeugen mit einer Kapazität von 8.000 Ausrüstungseinheiten pro Jahr. Die Produktion befindet sich im ehemaligen Gas-Diesel-Gebäude des Automobilwerks. Die Montagetechnik ist wie folgt: Am Hauptmontageband wird das Fahrgestell montiert und darauf ein Gasmotor montiert Automobilwerk. Anschließend wird das Fahrgestell in die Karosserie von Gasfahrzeugen geschleppt, um die Gasausrüstung einzubauen und den gesamten Testzyklus durchzuführen sowie Fahrzeuge und Fahrgestell einzufahren. Gleichzeitig werden auch die im Motorenwerk montierten KAMAZ-Gasmotoren (einschließlich der mit BOSCH-Komponenten modernisierten) vollständig getestet und eingefahren.
Avtodiesel (Yaroslavl Motor Plant) hat in Zusammenarbeit mit Westport eine Reihe von Gasmotoren entwickelt und produziert, die auf der YaMZ-530-Familie von 4- und 6-Zylinder-Reihenmotoren basieren. Die Sechszylinderversion kann in die Ural NEXT-Fahrzeuge der neuen Generation eingebaut werden.
Wie oben erwähnt, ist die ideale Version eines Gasmotors die direkte Gaseinspritzung in die Brennkammer, aber der leistungsstärkste Maschinenbau der Welt hat eine solche Technologie bisher nicht geschaffen. In Deutschland wird die Forschung vom Direct4Gas-Konsortium unter der Leitung der Robert Bosch GmbH in Zusammenarbeit mit der Daimler AG und dem Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Motoren Stuttgart (FKFS) durchgeführt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie hat das Projekt mit 3,8 Millionen Euro gefördert, was eigentlich nicht viel ist. Das Projekt läuft von 2015 bis Januar 2017. Na-Gora muss ein Industriedesign des Systems vorlegen Direkteinspritzung Methan und, nicht weniger wichtig, die Technologie zu seiner Herstellung.
Im Vergleich zu aktuellen Systemen, die eine Mehrpunkt-Gaseinspritzung in den Krümmer nutzen, kann das vielversprechende Direkteinspritzsystem das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen um 60 % erhöhen, also eliminieren Schwachpunkt Gasmotor. Die Direkteinspritzung löst einen ganzen Komplex von „Kinderkrankheiten“ eines Gasmotors, die mit der äußeren Gemischbildung einhergehen.
Das Direct4Gas-Projekt entwickelt ein Direkteinspritzsystem, das zuverlässig und dicht ist und die exakte Menge an einzuspritzendem Gas abgibt. Änderungen am Motor selbst werden auf ein Minimum beschränkt, sodass die Industrie dieselben Komponenten verwenden kann. Das Projektteam rüstet experimentelle Gasmotoren mit einem neu entwickelten Hochdruck-Einspritzventil aus. Das System soll im Labor und direkt am getestet werden Fahrzeuge. Forscher untersuchen auch die Bildung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, den Zündsteuerungsprozess und die Entstehung giftiger Gase. Langfristiges Ziel des Konsortiums ist es, Bedingungen zu schaffen, unter denen die Technologie auf den Markt kommen kann.
Gasmotoren sind also ein junges Gebiet, das noch nicht die technologische Reife erreicht hat. Die Reife wird kommen, wenn Bosch und seine Freunde eine Technologie entwickeln, mit der Methan direkt in die Brennkammer eingespritzt werden kann.
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