Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
3
Національний транспортний університет
Качмар Роман Ярославович
УДК 629.113.004
Оптимізація періодичності контрольно-регулювальних робіт систем живлення і запалювання бензинових автомобільних двигунів за показником токсичності відпрацьованих газів
05.22.20 - експлуатація та ремонт засобів транспорту
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”
Міністерства освіти і науки України
|
Науковий керівник: |
доктор технічних наук, професор Форнальчик Євген Юліанович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки” |
|
Офіційні опоненти: |
Заслужений діяч науки і техніки, доктор технічних наук, професор Головчук Андрій Федорович, Дніпропетровський державний аграрний університет, проректор, завідувач кафедри “Сільськогосподарські машини” |
|
кандидат технічних наук, Корпач Анатолій Олександрович, Національний транспортний університет, доцент кафедри “Двигуни і теплотехніка” |
|
|
Провідна установа: |
Державне підприємство “Державний науково-дослідний і проектний інститут автомобільного транспорту”, м. Київ, лабораторія досліджень використання палив і екології |
Захист відбудеться “” жовтня 2005 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, аудиторія 333.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.
Автореферат розісланий “24” вересня 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.П. Матейчик
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку вітчизняного автомобілебудування, яке характеризується невисоким рівнем дизелізації, продовженням випуску карбюраторних двигунів, використанням вітчизняних та імпортних автомобільних транспортних засобів (АТЗ) з термінами служби, які вийшли за нормативні (більше 10 років), в тому числі гранично зношених, з кожним роком посилюється екологічний тиск на довкілля. Сьогодні учасниками руху є АТЗ надзвичайно широкої номенклатури, різних заводів-виготівників, з різним технічним станом, що призводить до зростання обсягів викидів в атмосферу токсичних компонентів з відпрацьованими газами (ВГ) бензинових ДВЗ. Одночасно відомо, що рівень технічної експлуатації таких автомобілів невисокий в основному через не проведення поглиблених діагностувальних робіт, особливо щодо визначення технічного стану ДВЗ, з причин недостатньої кількості сучасних засобів діагностування (існуючі фізично і морально застарілі), а також через несвоєчасне виконання технічних обслуговувань з проведенням відповідних контрольно-регулювальних робіт (КРР).
При зростанні інтенсивності руху АТЗ в 1,5-1,8 рази, порівняно з даними десятирічної давності, нерегулярні та неякісні виконання періодичних профілактичних технічних обслуговувань і ремонтів АТЗ, які регламентуються “Положенням про технічне обслуговування і ремонт дорожніх транспортних засобів автомобільного транспорту”, призводять не тільки до зниження надійності АТЗ, але й росту екологічної небезпеки автомобілів. Періодичності обслуговування в “Положенні” обґрунтовані, виходячи лише з допустимих параметрів зношування ресурсних спряжень, які не характеризують рівня токсичності ВГ бензинових двигунів, залежно від пробігу АТЗ. Практична відсутність контролю за токсичністю відпрацьованих газів з боку, у першу чергу, технічних служб автотранспортних підприємств (АТП), а також дорожньої служби органів ДАІ, призвело до того, що на сьогодні в Україні більше, ніж 31% із загальних забруднень повітряного басейну припадає на автомобільний транспорт.
Викладене вище і, до цього ж, існуюча тенденція щорічного збільшення в країні гранично зношеного парку АТЗ й лише започаткування вітчизняним двигунобудуванням інжекторного впорскування бензину з нейтралізацією ВГ, а також щорічно зростаючі вимоги ЄЕК ООН стосовно до екологічності автомобілів як на стадії виробництва, так і під час експлуатації їх пояснюють актуальність теми дисертації. Дослідження за темою дисертації входять як складова у науково-дослідні роботи, які виконуються на кафедрі “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки” (ЕРАТ) Інституту інженерної механіки та транспорту НУ “Львівська політехніка”.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень відповідає темі науково-дослідної роботи кафедри ЕРАТ НУ “Львівська політехніка”: “Дослідження та оптимізація експлуатаційних властивостей автотранспортних машин та ефективності транспортних процесів”, яка входить у Державний координаційний план НДР за темою “Методи забезпечення раціональної експлуатації та екологічної безпеки автомобіля”, сформований науково-експертною радою за фаховим напрямом “Автомобільний транспорт і дорожнє будівництво”. У рамках цієї теми у дисертаційній роботі розроблено та досліджено новий підхід у формуванні періодичностей обслуговування бензинових ДВЗ за показниками токсичності відпрацьованих газів.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування періодичності виконання профілактичних КРР щодо систем живлення і запалювання (СЖЗ) автомобільних бензинових ДВЗ, спрямованих на зниження токсичності ВГ та підвищення рівня технічної експлуатації автомобілів.
Для досягнення мети у роботі розв’язувалися такі задачі:
- аналіз зміни токсичності ВГ бензинових ДВЗ залежно від їх технічного стану, пробігів АТЗ та якості бензину;
- розроблення теоретичної моделі визначення періодичності профілактичних обслуговувань бензинових ДВЗ за критерієм мінімуму токсичності ВГ (за вмістом СО);
- проведення дорожніх та лабораторних досліджень показників токсичності ВГ бензинових двигунів;
- розроблення діагностичного засобу для контролю рівня токсичності ВГ та випробування його на лабораторній установці;
- розроблення математичної моделі комп’ютеризованого засобу діагностування технічного стану ДВЗ за параметрами, які визначають рівень токсичності ВГ;
- проведення лабораторних досліджень на експериментальній установці та розроблення на основі отриманих результатів системи періодичного діагностування бензинових ДВЗ.
Об’єкт дослідження –бензинові карбюраторні двигуни внутрішнього згоряння легкових автомобілів.
Предмет дослідження –зміна токсичності ВГ бензинових двигунів від: пробігів АТЗ; періодичності виконання профілактичних обслуговувань СЖЗ; ступеня зношеності деталей циліндро-поршневої групи; змін групового та агрегатного складу бензинів.
Методи дослідження –методи математичної статистики, кореляційного аналізу, математичного програмування та моделювання на ПК фізичних процесів; методи дорожніх та стендових досліджень токсичності ВГ за Європейським їздовим циклом; методи проектування та конструювання електронних засобів вимірювання.
Наукова новизна одержаних результатів. Отримано: аналітичні залежності комплексного впливу визначальних чинників на токсичність ВГ бензинових двигунів (за вмістом СО); на підставі залежностей розроблено методику безперервного контролю токсичності ВГ та математичні моделі періодичностей виконання КРР щодо СЖЗ автомобільних бензинових ДВЗ.
Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано до практичного використання: періодичність виконання профілактичних КРР щодо СЖЗ бензинових ДВЗ за показниками токсичності ВГ; методику та програми моделювання роботи ДВЗ для руху автомобіля за Європейським їздовим циклом; конструкцію (на основі лямбда-давача) системи безперервного контролю токсичності ВГ; програми і алгоритми обґрунтування оптимальної (за вмістом оксиду вуглецю у ВГ) періодичності КРР.
Особистий внесок здобувача. Здобувачу належать: [1] - виконання та опрацювання результатів перевірки токсичності ВГ автомобільних двигунів; [2] - методика визначення річних викидів токсичних речовин за вмістом ВГ на холостому ході; [3] - безпосереднє виконання витратоміра та аналіз роботи його елементів; [4] - виконання та опрацювання результатів перевірки впливу пробігу на токсичність; [5] - проведення дорожніх досліджень, розробка моделі визначення оптимальної періодичності та перевірка її адекватності; [6] - розробка складових елементів, формування та тарування термоанемометричного витратоміра; [7] - розробка структури діагностичного комплексу; [8] - ідея та розроблення приладу на основі лямбда-давача; [9] - аналіз основних методів визначення характеристик бензинів та проведення випробувань; [11] - аналіз методів визначення герметичності камери згоряння та проведення досліджень на підприємстві.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались і були схвалені на: науково-методичних семінарах кафедри ЕРАТ НУ “Львівська політехніка”; 5, 6 та 7-му Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові (2001, 2003 та 2005 рр.); Міжнародних науково-технічних конференціях “Автоматизация: проблемы, идеи, решения” (м. Севастополь, 2002 р.) та “Problemy recyklingu” (м. Рогов, Республіка Польща, 2002 та 2003 рр.); наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету (2004 та 2005 рр.).
Публікації. Основні положення дисертації, методики, результати досліджень, висновки та рекомендації опубліковані у 13 друкованих працях, в т.ч. у 5 фахових виданнях України; отримано Патент України на винахід.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 127 найменувань. Загальний обсяг дисертації –сторінки, з яких 144 сторінки основного тексту; містить 18 додатків на 41 сторінках, 11 таблиць, 33 рисунки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі роботи, викладена методика досліджень, наукова новизна, практична цінність та практичне використання результатів роботи.
У першому розділі виконано огляд літературних джерел за темою роботи, проаналізовано негативний вплив технічних чинників СЖЗ на токсичність ВГ автомобільних ДВЗ, розглянено найвідоміші методи визначення періодичності обслуговування двигунів. Проаналізовано дослідження щодо зменшення токсичності ВГ відомих вчених, таких як Гутаревич Ю.Ф., Говорущенко М.Я., Матейчик В.П., Жегалін О.І., Клімпуш О.Д., Редзюк А.М., Малов Р.В., Філіппов А.З., Денісов В.І., Варшавский І.Л. Звонов В.А. та інші. Встановлено, що до цього часу не досліджувалася можливість контролю та керування рівнем токсичності ВГ не лише змінами у конструкціях двигунів та його електронних систем керування, але й виконанням відповідних контрольно-регулювальних та замінних операцій (карбюратор, електронні блоки, деталі ЦПГ) на основі науково обґрунтованих періодичностей пробігів АТЗ й результатів діагностування ДВЗ та не розглядався вплив нестабільності хімічного та агрегатного складу бензинів, обумовленої тривалим та неякісним зберіганням їх і системою заправляння ними АТЗ, на токсичність ВГ. Було висунено гіпотезу про те, що, оскільки токсичність ВГ бензинових ДВЗ формується за одночасної дії багатьох чинників, то повинна існувати багатофакторна математична модель, якою можна описати процеси зміни концентрації токсичних речовин, зокрема СО, не тільки від регулювальних параметрів систем ДВЗ, а і від пробігу автомобіля.
В другому розділі встановлено функціональні зв’язки між технічним станом двигунів, регулюванням їх систем за токсичністю ВГ, проведено вибір визначальних чинників у дослідженні періодичності КРР. Проаналізовано експрес-методи визначення технічного стану ЦПГ, встановлено, що найбільш придатним (через простоту реалізації) у дослідженні впливу ступеня зносу деталей ЦПГ (пробігу АТЗ) на токсичність ВГ є компресійний. Щодо інформативності його, то необхідно додатково збирати інформацію про збільшення витрати палива та оливи.
Після виконаного аналізу багатофакторних впливів на процеси сумішоутворення та згоряння палива й відтак, на токсичність ВГ двигунів, вибрано за найбільш інформативний компонент ВГ - вміст оксиду вуглецю. Обрано п’ять основних чинників, вплив яких на вміст у ВГ бензинових двигунів СО є найбільшим –кут випередження запалювання (КВЗ), положення гвинта регулювання якості суміші; компресія у циліндрах (знос деталей ЦПГ - пробіг АТЗ); нерівномірність за агрегатним; нерівномірність за фракційним складом бензину.
Розроблено методику визначення оптимальної періодичності діагностування АТЗ за мінімальних сумарних витрат, що дозволяє, зменшити втрати від ушкодження природного довкілля токсинами ВГ через передчасне розрегулювання систем ДВЗ у періоді прогнозування його роботи на пробігу АТЗ до ТО-1 з допустимими показниками токсичності ВГ Rпд (числові значення його відповідають чинним офіційним штрафам за перевищення токсичності ВГ із обов’язковим доведенням її до нормативної) та витрати власника АТЗ через передчасне виконання КРР щодо регулювання токсичності ВГ - Rд (брались нормативні вартості проведення вимірювань і регулювань токсичності). Критерієм оптимальності періодичності КРР щодо СЖЗ двигунів, регулюваннями яких забезпечують допустиму токсичність ВГ, є мінімум функції сумарного ризику:
|
, |
(1) |
З урахуванням підпорядкованості нормальному закону розподілу експериментальних даних токсичності ВГ до регулювань СЖЗ уможливлюється опис ймовірності настання перевищення допустимих значень СО у ВГ з використанням функцій Лапласа:
|
, |
(2) |
де , - витрати, пов’язані відповідно з передчасним КРР СЖЗ одного АТЗ, та із штрафами за перевищення токсичності ВГ з обов’язковим виконанням КРР для доведення її до нормативної, грн.; - кількість КРР щодо СЖЗ, які можна пропустити (не виконувати) на пробігу АТЗ до моменту перевищення гранично допустимої токсичності ВГ; , - аргументи функції Лапласа.
Останні (, ) визначались за формулами:
;
|
. |
(3) |
де - середня кількість КРР на пробігу АТЗ до моменту перевищення допустимих значень токсичності ВГ; - гранично допустиме значення токсичності ВГ за вмістом СО; - значення токсичності ВГ на момент діагностування, об.%; - мінімальне, регламентоване нормативно-технічною документацією, значення токсичності ВГ, об.%, - коефіцієнт варіації нерівномірності розподілу токсичності ВГ.
Гранично допустиме значення параметра визначається з урахуванням оптимальної періодичності виконання КРР. Оптимальну періодичність КРР щодо забезпечення нормативної токсичності ВГ за вмістом СО можна визначити через добуток середнього пробігу АТЗ до моменту перевищення гранично допустимої токсичності та коефіцієнта оптимальності виконання КРР :
|
. |
(4) |
Коефіцієнт оптимальності враховує грошові витрати, пов’язані з КРР і із збитками через забруднення повітряного простору . На зміну його значень матиме вплив коефіцієнт варіації нерівномірності розподілу токсичності ВГ . Чим останній більший, тим для різних співвідношень буде більший коефіцієнт оптимальності t і, отже, матиме значення, близькі до середнього пробігу АТЗ . Відповідними обчисленнями знайдено залежності коефіцієнта t від співвідношень для різних значень коефіцієнта варіації . Визначено кількість пропусків КРР k із періодичністю для різних значень коефіцієнта варіації (рис. 1).
З використанням наведеної методики визначено міжконтрольні пробіги АТЗ у межах їх середнього значення за вмістом СО у ВГ, коли сума втрат від забруднення довкілля і затрат на виконання КРР двигунів АТЗ будуть мінімальними. При цьому встановлені кількість пропусків КРР k з періодичністю на пробігу , коли вміст СО у ВГ лежить у межах , і залишкові пробіги АТЗ до наступних КРР.
У третьому розділі відповідно до сформульованих задач, згідно з етапами виконання досліджень та з метою перевірки прийнятих гіпотез, розроблено програми та методики експериментальних лабораторних та дорожніх досліджень впливу на токсичність ВГ регулювань СЖЗ.
|
Рис. 1. Зміна можливих пропусків виконання КРР з періодичністю залежно від вмісту СО у ВГ двигуна ЗМЗ для різних коефіцієнтів варіації нерівномірності розподілу його |
Описано розроблені мето-дики досліджень, їх елементну та обчислювальну базу. Для безперервного визначення вмісту СО у ВГ використано l-да-вач, наведено опис та тарування його. Розроблено і відтаровано термоанемометричний витрато-міра палива, описано принцип його роботи. Сформовано екс-периментальну установку для визначення впливу регулюваль-них параметрів СЖЗ та пробігу АТЗ на токсичність ВГ бензи-нового ДВЗ при випробуванні автомобіля за міським їздовим циклом Правил № 15 ЄЕК ОН.
У четвертому розділі наве-дено результати експериментальних досліджень. Для визначення групового та фракційного складів бензинів і дослідження впливу їх якості на токсичність ВГ, брались проби бензину (А-76, А-92 та А-95) на різних АЗС м. Львова, що постачалися різними нафтопереробними заводами (НПЗ). Дослідження бензинів проводилося в лабораторії хімії нафти та газу кафедри “Хімічна технологія нафти і газу”, визначався фракційний склад та вміст ароматичних вуглеводнів. Водночас, у лабораторії кафедри ЕРАТ виконувались дослідження токсичності ВГ двигуна при споживанні цих же марок бензинів згідно з ДСТУ 3649-97. Отримані результати токсичності ВГ вказують на вплив октанового числа бензинів на викиди вуглеводнів, тобто на повноту згоряння палива (рис. 2). Помітно, що вміст СО на холостому ході практично для всіх проб бензинів був однаковим. Істотного впливу вмісту ароматичних вуглеводнів у бензинах на токсичність ВГ справного двигуна не спостерігалось.
Перевірки АТЗ з бензиновими двигунами на території міста Львова та області протягом півроку (лютий-липень 2001 р.) показали, що 30 % автомобілів з 4311 перевірених експлуатуються з порушенням норм токсичності ВГ.
Розрахунки викидів токсичних речовин засвідчують, що середньостатистичний автомобіль області, з бензиновим двигуном викидає у повітря щорічно 319 кг СО. Визначення впливу пробігу автомобіля на токсичність ВГ бензинових двигунів проводилось у таксомоторному підприємстві “Авто-Макс”. Обстежувались –автомобілі ГАЗ-3110. Результати залежності токсичності ВГ (на прикладі вмісту СО) та компресії у циліндрах ДВЗ від пробігу автомобілів-таксі, наведені на рис. 3.
|
Рис. 2. Вміст СО та CnHm у ВГ залежно від режимів випробовування двигуна, марок бензинів та НПЗ-постачальників |
|
Рис. 3. Зміна вмісту СО у ВГ та компресії у циліндрах двигунів автомобілів ГАЗ-3110 залежно від їх пробігу: - вміст СО у ВГ після регулювання, - вміст СО у ВГ до регулювання, - допустимий вміст СО у ВГ, - компресія у циліндрах |
Вміст СО у ВГ до регулювання найкраще узгоджувався із нормальним законом, характеризувався значним розкидом і коливався від 1,16 до 6,54 об.%. Такий діапазон пояснюється розрегулюваннями СЖЗ (в т.ч. некваліфікованим втручанням водія), низькою якістю палива. Після регулювання вміст СО коливався в межах 0,68-2,25 об.% і досягав максимальних значень при рості пробігу.
Як і очікувалося, із ростом пробігу АТЗ компресія у циліндрах двигунів зменшується. Слід відмітити, що спостерігається і зменшення компресії через низькі якість матеріалу та технології виготовлення поршневих кілець.
Отримано просторову модель зміни токсичності ВГ (за вмістом СО –Qco) від пробігу АТЗ та компресії у циліндрах (рис. 4), яка описується поліномом 2-го степеня:
|
Qco = 2,8649+0,0537·L-8,5388·р-0,0001·L+0,0056·L·p+5,4873·p. |
(5) |
|
Рис. 4. Зміна токсичності ВГ карбюраторних ДВЗ залежно від пробігів АТЗ та компресії у циліндрах |
Отже, мінімальний вміст СО у ВГ спостерігається до пробігу 20 тис.км та при значеннях компресії 0,75-0,85 МПа. До цього пробігу токсичність ВГ практично не змінюється і лежить у межах 0,7-0,9 об.% СО. Із збільшенням пробігу АТЗ спостерігається зростання токсичності ВГ, яке пояснюється зменшенням максимального тиску наприкінці такту стиску з подальшим порушенням процесу згоряння, а також зменшенням розрідження, що створюється у впускному трубопроводі на такті впуску, за рахунок підсмоктування картерних газів в циліндри.
Для кожного автомобіля знайдено лінійні залежності зміни токсичності ВГ після першого регулювання до наступного вимірювання. Періодичність вимірювань становила від 2 до 13 тис. км. Після цього виконувалося наступне регулювання СЖЗ та усувалися виявлені несправності. Для визначення пробігу АТЗ, на якому токсичність змінюється від номінального значення до обмеженого стандартом, в рівняння зміни вмісту СО у ВГ для кожного автомобіля підставлялося мінімальне значення, яке вказане в інструкції з експлуатації (вміст СО у ВГ не повинен перевищувати 0,5-1,0 об.%). Оскільки значення вмісту СО у ВГ, обмежене ДСТУ 3649-97, –,5 об. %, тому його взято за максимально допустиме. В результаті було отримано значення пробігу для кожного з досліджуваних автомобілів, на якому токсичність відпрацьованих газів змінюється від номінального значення до обмеженого стандартом на холостому ході. Ці пробіги змінюються від максимального 4,43 тис. км до мінімального 0,41 тис. км, що пояснюється різними технічним станом автомобілів, пробігом від початку експлуатації, які вимагають перерегулювань СЖЗ. Більші значення періодичностей характерні для автомобілів з малими пробігами від початку експлуатації, коли вплив систем ДВЗ, які не підлягають регулюванню, на збільшення токсичності ВГ є незначним. Характерним для цих автомобілів є великий діапазон можливих регулювань вмісту токсичності ВГ без втрати потужнісно-економічних характеристик. Середнє значення визначених пробігів АТЗ становило 1,86 тис. км (третя частина від значень пробігів при регламентній перевірці токсичності ВГ під час ТО-1).
Лабораторні дослідження впливу пробігу, змін компресії у циліндрах ДВЗ на токсичність ВГ карбюраторних ДВЗ проводилися в лабораторії кафедри ЕРАТ на стенді для випробування ДВЗ. Для моделювання пробігу автомобіля ГАЗ-3110 проведено заміну компресійних кілець у циліндрах, що дало змогу простим способом змоделювати зношеність деталей ЦПГ. Випробуваний двигун мав сумарне напрацювання без навантаження, яке не перевищувало 300 год., що становило початковий пробіг автомобіля –тис. км. Заміна кілець на зношені виконувалась два рази. Фіксувалося значення компресії та вміст токсичних речовин на холостому ходу (табл. 1).
Таблиця 1
Результати лабораторних досліджень ступеня впливу пробігу АТЗ та змін компресії у циліндрах ДВЗ на токсичність ВГ
|
№ досліду |
Модельований пробіг АТЗ L, тис. км |
Значення компресії у циліндрах, p, МПа |
Вміст СО у ВГ, QCO об. % |
Витрата палива, кг/год |
|||
|
1 |
,0 |
,950 |
,975 |
,950 |
,975 |
,85 |
,191 |
|
2 |
,2 |
,950 |
,950 |
,900 |
,925 |
,02 |
,203 |
|
3 |
,0 |
,875 |
,900 |
,900 |
,875 |
,15 |
,274 |
|
4 |
,5 |
0,775 |
,825 |
,800 |
,800 |
,68 |
,354 |
|
5 |
,0 |
,750 |
,775 |
,800 |
,775 |
2,23 |
,402 |
За отриманими даними знайдено залежність зміни токсичності та компресії від модельованого на лабораторній установці пробігу АТЗ (рис. 5).
|
Рис. 5. Зміна токсичності ВГ за вмістом СО та компресії у циліндрах залежно від пробігу АТЗ (за результатами лабораторних досліджень) |
Результати лабораторних досліджень (з дискретною імітацією пробігу автомобіля) підтвердили вплив пробігу автомобіля на збільшення токсичності ВГ. Вміст СО у відпрацьованих газах збільшився із 0,85 до 2,23 об.% на модельованому пробігу 35 тис. км.
Отримано поліноміальні залежності зміни токсичності ВГ (за вмістом СО) та компресії k у циліндрах двигунів залежно від пробігу автомобіля L (у км):
|
QCO = 0,806+0,0015·L+0,0007·L2; |
(6) |
|
k= 1,0527-0,0094·L+6,9888·10-5·L2. |
(7) |
Дослідження зміни токсичності ДВЗ на стенді здійснювали з урахуванням зміни 2-х чинників: положення гвинта якості суміші nгв та кута випередження запалювання (КВЗ) θ відносно оптимальних значень. Дослідження виконувалися за методикою математичного планування повного факторного експерименту. В результаті аналізу отриманих даних під час випробування ДВЗ за міським їздовим циклом на стенді отримано зміну параметрів, які характеризують роботу двигуна, –масового вмісту СО у ВГ (y –МCO), витрати палива (y –Qпал), залежно від змін положення гвинта якості суміші (nгв) та кута випередження запалювання (Δθ). Додатково встановлено вміст СО на холостому ході (QCO) при кожній перевірці та масову токсичність Мсум, зведену до вмісту СО у ВГ із урахуванням коефіцієнтів агресивності (табл. 2).
Таблиця 2
Результати проведення двофакторного лабораторного експерименту
|
№ досліду |
Дійсні значення |
Основні результати |
Додаткові результати |
|
nгв, град |
Δθ, град |
y(МCO) г/випр. |
y(QПАЛ) г/випр. |
Вміст СО на холостому ходіQCO, об.% |
Масова токсичність Мсум, г/випр |
|
|
1 |
,50 |
352 |
0,5 |
,71 |
||
|
2 |
-8° |
,23 |
385 |
2,32 |
,5 |
|
|
3 |
+8° |
,36 |
409 |
3,37 |
,10 |
|
|
4 |
-90° |
,64 |
473 |
4,42 |
,21 |
|
|
5 |
-90° |
-8° |
,85 |
461 |
6,11 |
,47 |
|
6 |
-90° |
+8° |
,18 |
396 |
4,17 |
,86 |
|
7 |
+90° |
,75 |
411 |
7,57 |
,00 |
|
|
8 |
+90° |
-8° |
,26 |
428 |
5,84 |
,82 |
|
9 |
+90° |
+8° |
,42 |
437 |
5,54 |
,32 |
Отримано закономірності змін параметрів режиму роботи ДВЗ та показників його сумішоутворення і токсичності ВГ при випробуванні АТЗ за міським їздовим циклом для усіх значень положення гвинта якості суміші та КВЗ.
Викиди СО отримані способом вимірювання, а вміст оксидів азоту і вуглеводнів розраховано за відомими формулами згідно з даними зміни складу суміші. Знаючи масові викиди окремих шкідливих речовин та враховуючи коефіцієнт відносної агресивності, можна визначити зведені до СО сумарні масові викиди, тобто сумарну зведену токсичність, наприклад, базового регулювання (оптимальні значення положення гвинта якості суміші та КВЗ). Зміна сумарної токсичності ВГ у часі набуде вигляду (рис. 6). Найбільші масові викиди токсичних речовин спостерігаються при режимах розгону.
За результатами випробувань, отримано поліноміальні рівняння і побудовано поверхні відгуку змін об’ємного вмісту СО, залежно від складу суміші та обертів двигуна для різних регулювань. Також отримано залежність масового викиду СО від положення гвинта якості суміші nгв та зміни кута випередження запалювання q:
|
МCO = 105,3006-0,104·nгв-1,4036·q+0,0027·nгв2+0,0008·q·nгв+0,0148·q2, г/випр. |
(8) |
Залежності масового викиду СО (МСО) і сумарного масового (Мсум), зведеного до вмісту СО, від вмісту останнього на холостому ході (QСО):
|
МСО = 84,2261+13,0597·QСО +0,8773·QСО2-0,2445·QСО3, г/випр.; |
(9) |
|
МСУМ = 301,3812+0,8323·QСО +5,3046·QСО2-0,67·QСО3, г/випр. |
(10) |
|
Рис. 6. Зміна сумарної токсичності ВГ, зведеної до вмісту СО, при випробуванні АТЗ за міським їздовим циклом |
З ростом об’ємного вмісту СО у ВГ на холостому ходу до 5,5 об. % спостерігається плавний ріст як масового викиду СО із ВГ, так і сумарного масового, зведеного до вмісту СО; подальше перевищення токсичності призводить до падіння масових викидів токсичних речовин із одночасним погіршенням паливної економічності. Таке зменшення масового викиду СО за цикл пояснюється появою пропусків запалювання через перезбагачення паливної суміші, а сумарного викиду токсичних речовин, зведених до вмісту СО, за цикл - зменшенням викиду оксидів азоту, коефіцієнт агресивності яких найбільший.
У п’ятому розділі викладено вимоги та способи забезпечення заданої точності та інформативності, засоби і методи виконання КРР СЖЗ на різних пробігах АТЗ. Наведено розроблену структуру системи діагностичного засобу для контролю рівня токсичності ВГ і її склад: оболонка мікропроцесорної експертної системи (інтерфейс користувача); підсистема первинного опрацювання оперативної інформації; підсистема розпізнавання діагностичних ознак; підсистема моделювання процесів розвитку несправностей; підсистема формування матриць та логічних формул, які описують поточний стан приладів СЖЗ; підсистема оперативної візуалізації поточного стану СЖЗ на дисплеї ПК; підсистема навчання користувача.
Для діагностування систем ДВЗ за показником токсичності ВГ на ходу автомобіля розроблено діагностичний засіб з використанням l-давача та ноутбука, загальний вигляд якого наведено на рис. 7.
Лямбда-давач монтується у випускну трубу на віддалі від зрізу її 300 мм, для забезпечення підігріву використовується штатна або резервна АКБ.
|
Рис. 7. Загальний вигляд діагностичного засобу: 1 –ноутбук, 2 - l-давач, 3 - мілівольтметр вимірювання вмісту СО у ВГ, 4 –клеми живлення газоаналізатора від АКБ, 5 –покажчик частоти обертання, 6 –вимірювальний блок тахометра, 7 - сигнальні клеми (до розподільника), 8 –клеми живлення тахометра від АКБ, 9 –з’єднувальний блок, 10 –аудіо-штекер |
|
Рис. 8. Характеристика змін у перебігу процесу згоряння палива у двигунах ЗМЗ-402.10 залежно від частоти обертання колінчастого валу та вплив цих змін на токсичність ВГ за вмістом СО |
Сигнал із виходу l-давача разом із сигналом частоти обертання колінчастого валу ДВЗ подається в ноутбук через аудіо-порт, що дає змогу уник-нути використання АЦП. Роз-роблено алгоритми вимірювань токсичності бензинових карбю-раторних та інжекторних ДВЗ.
За результатами виконаних досліджень та з використанням розробленого діагностичного засобу на основі l-давача, отримано характерні відхилення токсичності ВГ від нормального перебігу процесу за вмістом СО (рис. 8, крива 1) із зміною частоти обертання колінчастого валу на холостому ходу для карбюраторних бензинових ДВЗ. Ці відхилення згруповано: різке зниження вмісту СО у ВГ, при відкритті дросельної заслінки, що спостерігається від мінімальної до підвищеної частот (крива 2); плавне підвищення вмісту СО у ВГ, у міру зростання частоти обертання колінчастого валу (крива 3); підвищений вміст СО у ВГ, при відкритті дросельної заслінки на мінімальній частоті обертання (750 хв-1), який спадає із ростом частоти обертання (крива 4); підвищення вмісту СО у ВГ при відкритті дросельної заслінки, яке спостерігається від мінімальної до підвищеної частот обертання колінчастого вала (крива 5).
З метою забезпечення роботи діагностувальної установкирозроблено програму (у середовищі Mathlab 6.0) для порівняння значень зміни токсичності ВГ двигуна автомобіля із ростом частоти обертання колінчастого валу. Програма дає змогу порівнювати вхідні дані (вводяться із файлу текстового типу) із кривими (рис. 8) методом інтерполяції. При цьому визначається похибка відхилення від кожної із кривих, за значеннями якої робиться висновок про приналежність вхідних даних до певного типу кривої і виводиться на екран.
Розроблений діагностичний засіб було апробовано на автомобілі ВАЗ-21053, із бензиновим карбюраторним двигуном з робочим об’ємом 1500 см.
У шостому розділі вибрано базу та метод порівняльних досліджень періодичності діагностування АТЗ за токсичністю їх ВГ згідно з отриманими результатами, розроблено схему їх виконання. Опрацьовано результати порівняльних досліджень, проведено їх аналіз та оптимізацію періодичності обслуговування ДВЗ. Розроблено практичні рекомендації щодо періодичностей проведення КРР.
Проаналізовано існуючі методики визначення екологічних збитків. Найефективнішою є методика визначення екологічних збитків Е від забруднення довкілля пересувними джерелами, де наведені і нормативні значення коефіцієнтів, які входять в цю залежність:
|
, грн., |
(11) |
де γ - величина, що визначає завдану шкоду однією умовною тонною токсичних речовин ВГ (визначається з урахуванням індексації), грн./умовн.т.; σ –безрозмірний коефіцієнт відносної небезпеки; ƒ - безрозмірний коефіцієнт, що враховує характер розсіювання газоподібних токсичних речовин ВГ та частинок в атмосфері; Gi - маса i-ї токсичної речовини, яка викидається АТЗ за певний період; Ri - коефіцієнт відносної агресивності i-ї токсичної речовини.
Для розрахунку масових викидів токсичних речовин разом із ВГ двигунів у м. Львові, найбільш навантажені транспортними потоками вулиці розділено на ділянки їздових циклів. Тобто припускалось, що рух АТЗ відбувається згідно з їздовим циклом, що підтверджується відповідними дослідженнями. При цьому викиди токсичних речовин на вулицях міста залежать як від типу і кількості АТЗ, об’єму їх ДВЗ, із відповідними регулюваннями СЖЗ та зносом деталей ЦПГ, інтенсивності руху. За базу взято центральну частину міста Львова із його основними автомагістралями. Встановлено, що інтенсивність руху є сталою для декількох основних вулиць міста і центральної частини. Загальна протяжність вулиць центральної частини міста - 10,73 км, а тих, які прилягають до неї –,74 км. Оскільки, їздовий цикл складається із 4052 м умовного шляху, або 780 с руху АТЗ, то розділивши довжини вулиць міста із найінтенсивнішим рухом на довжину пройденого шляху АТЗ при випробуванні за міським їздовим циклом, отримали кількість умовно пройдених їздових циклів для одного АТЗ. Знаючи масові викиди токсичних речовин за цикл, знайдено викиди одним АТЗ на один кілометр пробігу, під час експлуатації їх з різними значеннями регулювань СЖЗ двигунів, пробігів з початку експлуатації. Перемноживши значення викидів ВГ на інтенсивність руху на ділянці вулиці, отримано її екологічну навантаженість (рис. 9).
|
Рис. 9. Екологічні та економічні ефекти від впровадження різних систем проведення додаткових КРР автомобільних двигунів порівняно з існуючою системою ТО-1: 1 - викиди токсичних речовин при чинній системі проведення ТО-1(l=5000 км); 2 - екологічний ефект від впровадження системи КРР при l=2500 км; 3 - екологічний ефект від впровадження системи КРР при l=1250 км; 4 - збитки через наростання токсичності при l=5000 км; 5, 6 - економічні ефекти від впровадження системи КРР при відповідно l=2500 км та l=1250 км |
Пробіг АТЗ після останнього ТО або КРР визначався залежно від системи проведення регулювальних робіт щодо СЖЗ двигуна, тобто методики проведення КРР. Таким чином, пробіги в межах 0-5000 км – це чинна система ТО-1, згідно з Положенням-98 для легкових автомобілів, без урахування коригувальних коефіцієнтів; 0-1250 км –система проведення КРР із застосуванням критерію мінімального ризику; 0-2500 км –система проведення КРР за дорожніми дослідженнями.
У діапазоні інтенсивностей транспортних потоків І=600-700 авт/год, економічні ефекти від впровадження КРР як через 1250, так і 2500 км є майже однаковими. Зрозуміло, що перевагу слід надати пробігу 2500 км, який пов’язаний з меншими незручностями, зокрема, у 2 рази менша кількість проведення регулювань. Для інтенсивностей І>700 авт/год впровадження системи КРР через 1250 км стає більш доцільною, за рахунок зменшення збитків через наростання токсичності ВГ, порівняно із системою кРР через 2500 км, при сталих затратах на впровадження пропонованих системи КРР.
Для центральної частини м. Львова, для якої середня інтенсивність АТЗ протягом світлової пори доби (10 год.) становить І = 600 авт/год із загальною протяжністю головних вулиць Lзаг=22,47 км екологічний ефект від запровадження системи КРР щодо СЖЗ з періодичністю 1250 км становитиме Qм1250= 3761,5 т/рік; з періодичністю 2500 км –Qм2500= 3877,982 т/рік. Ці екологічні ефекти оцінюються відповідними економічними: 54,4 тис. грн.; 57,1 тис. грн.
ВИСНОВКИ
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
АНОТАЦІЇ
Качмар Р.Я. Оптимізація періодичності контрольно-регулювальних робіт систем живлення і запалювання бензинових автомобільних двигунів за показником токсичності відпрацьованих газів. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - експлуатація та ремонт засобів транспорту –Національний транспортний університет, Київ, 2005.
Дисертація присвячена визначенню періодичності додаткових контрольно-регулювальних робіт щодо систем живлення і запалювання бензинових автомобільних двигунів за показником токсичності відпрацьованих газів.
Встановлено вплив нерівномірності фракційного та групового складу палива, регулювань систем живлення і запалювання (СЖЗ) та зношення елементів циліндропоршневої групи на збільшення токсичності відпрацьованих газів. Вибрано нормативну базу та метод визначення впливу цих чинників на токсичність відпрацьованих газів за вмістом оксиду вуглецю. Експлуатаційними випробуваннями карбюраторних двигунів виявлено вплив розрегулювань СЖЗ та зношеності циліндрів на токсичність відпрацьованих газів ДВЗ. За результатами встановлена оптимальна періодичність контрольно-регулювальних робіт щодо СЖЗ за пробігом АТЗ з використанням критерію мінімального ризику - 1,25 тис.км (за дорожніми дослідженнями –,5 тис.км).
Застосування знайдених оптимальних періодичностей виконання робіт щодо систем живлення і запалювання практично уможливлює часткове розв’язання проблеми зниження забруднення повітряного басейну пересувними джерелами і дасть за попередніми розрахунками екологічний та економічний ефекти в межах м. Львова відповідно: скорочення викидів шкідливих речовин, зведених до СО, до 263 тонн, що відповідає економії від запобігання забруднення у розмірі 57,138 тис грн на рік.
Ключові слова: токсичність відпрацьованих газів, системи живлення і запалювання, автомобільні двигуни, контрольно-регулювальні роботи, оптимальна періодичність, екологічна та економічна ефективність.
Качмар Р.Я. Оптимизация периодичности контрольно-регулировочных работ систем питания и зажигания бензиновых автомобильных двигателей за показателем токсичности отработавших газов. - Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.22.20 - эксплуатация и ремонт средств транспорта - Национальный транспортный университет, Киев, 2005.
Диссертация посвящена определению периодичности дополнительных контрольно-регулировочных работ относительно систем питания и зажигания бензиновых автомобильных двигателей за показателем токсичности отработавших газов.
В диссертационной работе исследовано состояние вопроса относительно токсичности отработавших газов бензиновых двигателей в г. Львове и области, доказано, что почти треть из проверенных автомобилей не отвечает требованиям действующего законодательства относительно их токсичности. На 80% из проверенных автомобилей это превышение было вызвано несоответствием регулировочных параметров систем питания и зажигания.
Определено влияние неравномерности фракционного и группового состава топлива, регулировок систем питания и зажигания и износа деталей цилиндропоршневой группы на увеличение токсичности отработавших газов. Выбрано нормативную базу и метод определения влияния этих факторов на токсичность отработавших газов за содержанием оксида углерода. На основании результатов лабораторных и дорожных исследований, разработано математическую модель оптимизации периодичности обслуживания по критерию минимума суммарного риска от повышения токсичности отработавших газов и затрат на выполнение дополнительных контрольно-регулировочных работ в циклах технического обслуживания автомобилей с учётом вероятносного характера потери нормативных регулировочных параметров систем питания и зажигания.
Эксплуатационными испытаниями карбюраторных двигателей установлено влияние регулировок систем питания и зажигания, а также изношенности цилиндров на токсичность отработавших газов ДВС. Их результатами определена оптимальная периодичность контрольно-регулировочных работ относительно систем питания и зажигания в зависимости от пробега АТС с использованием критерия минимального риска - 1,25 тис.км (согласно дорожных исследований - 2,5 тис.км).
Для двигателей ЗМЗ легковых автомобилей найдены зависимости массового МСО и суммарного массового МСУМ выбросов СО с отработавшими газами двигателей при испытаниях их в городском ездовом цикле от объемного содержания QCO на холостом ходу: с увеличением QCO к 5%, МСО и МСУМ растут соответственно от 91,5 до 149,8 г/исп. и от 301,71 до 362,82 г/исп. Найдены полиномы, которыми описываютса изменения токсичности (за содержанием СО) отработавших газов в зависимости от режима роботы ДВС (частоты вращения коленчатого вала).
С использованием диагностического средства на основании лямбда-датчика, разработанного термоанемометрического расходомера топлива и расходомера воздуха, соответствующего аналого-цифрового преобразователя и компьютера Celeron-366, разработана (для лабораторных испытаний) система управления, с текущим контролем соответствующих параметров систем питания и зажигания, которые влияют на токсичность отработавших газов бензиновых двигателей. На термоанемометрический расходомер бензина получен патент Украины на изобретение. Результаты лабораторных испытаний диагностического средства создали возможность изготовления компьютеризованного средства для периодического (текущего) контроля токсичности отработавших газов автомобилей на линии.
Создана методика для расчета массовых выбросов токсичных веществ с отработавшими газами автомобильных ДВЗ при внедрении системы контрольно-регулировочных работ по различным критериям. Применение полученных оптимальных периодичностей выполнения этих работ относительно систем питания и зажигания делает возможным, наряду с другими известными конструкторско-технологическими разработками, решение проблемы снижения загрязнения воздушного бассейна передвижными источниками. Это даст по предварительным расчетам экологический и экономический эффекты в пределах г. Львова соответственно: сокращение выбросов вредных веществ, приведенных к СО, до 263 тонны, что соответствует экономии от предотвращения загрязнения в размере 57,138 тыс. грн в год.
Ключевые слова: токсичность отработавших газов, системы питания и зажигания, автомобильные двигатели, контрольно-регулировочные работы, оптимальная периодичность, экологическая и экономическая эффективность.
Kachmar R.J. Optimization of periodicity of control-regulation works of the feed and cognition systems of petrol engines by the index of gases toxicity. - Manuscript.
Dissertation for scientific degree candidate of technical sciences; specialty 05.22.20 –Maintenance and Repair of Travel Facilities - National Transport University, Kyiv, 2005.
Dissertation is devoted to the determination of periodicity of additional control-regulation works for the fuel and cognition systems (FCS) of petrol engines by index of toxicity of exhaust gases.
Influence of non-uniformity of the fuel composition, alignment of FCS and wear of elements of a cylinder-piston group on the increase of toxicity of exhaust gases has been set. A normative base and method of determination of influence of these factors by content of oxygen of carbon on toxicity of exhaust gases has been chosen. The influence of the misalignment of FCS and wear of cylinders on toxicity of exhaust gases of internal-combustion engines has been revealed by the tests of carburetor engines. By the tests results the optimal periodicity of control-regulation works for FCS by run of travel facility with applying of the risk criteria - 1,25 thousand km (with the road researches - 2,5 thousand km) has been set.
Application of the found optimal periodicity enables to resolve partially the problem of a pollution of air and to give a considerable economic and ecological profit: for the Lviv-City a reduction of toxic-gas outburst reduced to the oxygen of carbon is about 263 tons per year, what corresponds to the profit up to 57,138 thousand hr. per year.
Keywords: toxicity of exhaust gases, fuel and cognition systems, engines, control-regulation works, optimal periodicity, ecological and economic efficiency.