Экспериментальный стенд для исследования двигателя внутреннего сгорания на биогазовом топливе

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.43.052

Н. В. Петров, В. П. Друзьянова, К К Кривошапкин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА БИОГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ

Приведена принципиальная схема экспериментального стенда для исследования автомобильного биогазового двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Экспериментальный стенд оборудован всеми приборами, необходимыми для определения показателей мощности, экономичности и токсичности двигателя внутреннего сгорания, установленного на стенде. Для определения индикаторных показателей двигателя внутреннего сгорания в передней части головки цилиндров выполнен канал в первый цилиндр под установку датчика давления. Для регистрации быстротечных процессов в биогазовом двигателе использовался измерительно-вычислительный комплекс «ИВК ДВС». Для исследования был подобран двигатель МеМЗ-307, который устанавливается на автомобилях Daewo Lanos. На переоборудованном двигателе внутреннего сгорания, работающем на биогазе, установлен электронный блок управления «Микас-10,3», который, кроме основной функции управления, имеет встроенные функции мониторинга и диагностики. Приведена технологическая схема биогазовой автозаправочной станции. Данная схема включает в себя: биогазовый реактор объемом 0,7 м3, барботажную камеру, сепаратор, компрессор низкого давления КПП-230-24, ресивер, компрессор высокого давления МСН-10. Разработана автоматизированная система управления двигателем на стенде, позволяющая по команде с поста управления изменять параметры подачи топлива и угол опережения зажигания (УОЗ).

Ключевые слова: биогаз, экспериментальный стенд, датчик, измерительный прибор, биогазовый двигатель, угол опережения зажигания, газовоздушная смесь, система управления, биогазовая установка, степень сжатия.

N. V Petrov, V. P. Druzyanova, K. K. Krivoshapkin The Test Bench for the Research of Internal Combustion Engine Powered by Biogas

The schematic diagram of the test bench to study an automobile biogas internal combustion engine (ICE) is given in the article. The test bench is equipped with all devices necessary for indicating power, fuel-efficiency, and toxicity of the internal combustion engine installed. To define indicators of an internal combustion engine, a channel into the first cylinder for installation

DRUZYANOVA Varvara Petrovna - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Chairman of the Department of Exploitation of Automobile Transport and Car Service, the Faculty of Road Construction, the North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov.

E-mail: Druzvar@mail.ru

КРИВОШАПКИН Константин Константинович - к. б. н., доцент, начальник Управления научно-исследовательских работ СВФУ им. М.К. Аммосова.

E-mail: kkk1970@rambler.ru

KRIVOSHAPKIN Konstantin Konstantinovich - Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Director of the Office of Research Activities, the North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov.

E-mail: kkk1970@rambler.ru

ПЕТРОВ Николай Вадимович - ассистент кафедры эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса Автодорожного факультета СВФУ им. М.К. Аммосова.

E-mail: Petnikvad1988@mail.ru

PETROV Nikolay Vadimovich - Assistant of the Department of Exploitation of Automobile Transport and Car Service, the Faculty of Road Construction, the North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov.

E-mail: Petnikvad1988@mail.ru

ДРУЗЬЯНОВА Варвара Петровна - к. т. н., доцент, зав. кафедрой эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса СВФУ им. М.К. Аммосова.

E-mail: Druzvar@mail.ru

of the pressure sensor is made in the front of the cylinder head. The measuring and computing complex “MKK ICE” DVS was employed to register rapid processes in the biogas engine. The engine MeMZ-307 installed in Daewoo Lanos was chosen for the research. The electronic control unit “Mikas-10,3”, having built-in functions of monitoring and diagnostics along with the main control function, was mounted in the converted internal combustion engine, powered by biogas. The technological scheme of biogas gas station is provided. It includes the digester of total volume 0.7 m3, a bubbling chamber, a separator, the low-pressure compressor S-LRC-230-24 (straght-line reciprocating compressor), a receiver, high pressure compressor MSN-10. An automated engine control system on the test bench has been developed, with a help of it one can change the parameters of the fuel supply and the timing angle by command from the control station.

Key words: biogas, test bench, sensor, measuring device, biogas engine, timing angle, gas mixture, control system, biogas unit, compression ratio.

Введение

Важным этапом при создании биогазового двигателя является его экспериментальное исследование. На этом этапе проверяется адекватность

математических моделей, применяемых для расчётного исследования различных процессов в двигателе, а также основные расчётные результаты, полученные с их помощью.

Кроме того, с использованием экспериментального стенда выполняется доводка рабочего процесса биогазового ДВС.

Следовательно, создание экспериментального стенда на базе автомобильного биогазового ДВС является наиболее ответственным этапом в его

исследовании, и, соответственно, актуальной задачей.

В настоящее время накоплен значительный

опыт создания специальных стендов для доводки газовых двигателей [1-3]. Такие стенды оборудованы классическими системами топливоподачи и зажигания, которые дают возможность ручного управления параметрами. Микропроцессорные системы управления, которыми оснащены современные двигатели, не позволяют изменять коэффициент избытка воздуха и УОЗ в ручном режиме. Поэтому поставлена задача дополнительно разработать ряд устройств, которые позволят изменять количество топлива и УОЗ в широком диапазоне, не изменяя характеристических карт микропроцессорной системы управления.

В работе поставлена задача создания автоматизированного стенда для исследования рабочего процесса двигателя, который приспособлен для работы на биогазе. Для выбора и обоснования параметров рабочего процесса необходим полный комплекс измерительной аппаратуры, удовлетворяющий следующим требованиям:

- возможности работы на бензине и биогазе;

- возможности управления составом рабочей смеси как при работе на бензине, так и на биогазе;

- возможности принудительного управления величиной угла опережения зажигания;

- измерения момента сопротивления на валу двигателя во всем диапазоне изменения частоты вращения (п = 800.. .5590 мин-1);

- регистрации давления в цилиндре двигателя

(индикаторная диаграмма) с последующим определением индикаторных показателей;

- регистрации расхода воздуха и топлива;

- поддержания стабильного температурного режима двигателя.

Кроме того, автоматизированная система исследования должна обеспечивать сбор экспериментальных данных для оперативной обработки и набора базы данных.

В качестве базы для создания биогазового ДВС был выбран серийно выпускаемый в настоящее время заводом «АвтоЗАЗ-Мотор» ЗАО «ЗАЗ» и устанавливаемый на автомобили «ZAZ Sens» двигатель МеМЗ-307 (основное топливо - бензин АИ-95). В серийном исполнении этот двигатель имеет следующие конструктивные и эксплуатационные характеристики: диаметр цилиндра - 75 мм; ход

поршня - 73,5 мм; степень сжатия - 9,8; эффективная мощность - 51,5 кВт при частоте вращения коленчатого вала n = 5200 мин-1. Микропроцессорная система управления двигателем - «Микас 10.3».

При переводе данного двигателя на биогаз степень сжатия была увеличена до є = 13,5.

Структурная схема стенда

Структурная схема стенда приведена на рис. 1.

Для возможности плавного изменения момента сопротивления на валу двигателя при проведении испытаний стенд оборудован электрическим нагрузочным устройством МПБ-100 1 (рис. 1). Для передачи мощности от двигателя к балансирной машине используется механическая коробка передач ВАЗ-2103, которая позволяет работать в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя, а также карданной передачи. Стенд оборудован дополнительным воздушным вентилятором 15, а также дополнительным теплообменником 7, при помощи которых можно моделировать температурный режим, максимально приближенный к реальным условиям эксплуатации. С той же целью на стенде установлен глушитель шума и резонатор от штатной системы выпуска отработавших газов автомобиля «ZAZ Sens». Для изменения сопротивления выпускной системы предусмотрена заслонка 33.

Для исследования работы двигателя на альтерна-

Рис. 1. Структурная схема экспериментального стенда на базе ДВС: 1 - балансирная машина; 2 -набор сопротивлений; 3 - карданная передача; 4 - коробка передач; 5 - баллоны с биогазом; 6 - двигатель МеМЗ-307; 7 - водяной теплообменник; 8 - манометр; 9 - расходомер газа; 10 - двухступенчатый газовый редуктор; 11 - манометр; 12 - радиатор двигателя; 13 - весы для измерения расхода жидкого топлива; 14 - измерительно-вычислительный комплекс; 15 - вентилятор; 16 - газовая рампа с форсунками; 17 - бензиновая рампа с форсунками; 18 - ЭБУ газовой системы; 19 - впускной коллектор; 20 - выпускной коллектор; 21 - ЭБУ двигателя; 22 - пульт управления; 23 - прибор для измерения температуры охлаждающей жидкости; 24 - прибор для измерения температуры масла; 25 - прибор для измерения температуры ОГ; 26 - прибор для измерения давления масла в системе смазки; 27 - прибор для измерения частоты вращения коленчатого вала; 28 - прибор для измерения частоты вращения ротора балансирной машины; 29 - замок зажигания; 30 -панель приборов автомобиля; 31 - переключатель вида топлива; 32 - рукоятка для управлен-ния дроссельной заслонкой; 33 - устройство для изменения сопротивления впускной системы; 34 - устройство для управления нагрузкой на ДВС; 35 - прибор для измерения сопротивления выпускной системы; 36 - глушитель шума; 37 - резонатор; 38 - расходомер воздуха; 39 - весовое устройство для измерения нагрузки; 40 - газоанализатор

тивных газообразных видах топлива стенд оборудован газовой системой 4-го поколения, которая включает в себя каскад баллонов с запасом газа 5, двухступенчатый газовый редуктор 10, магистраль высокого и низкого давления, газовую рампу с форсунками 16, блок управления газовой системой 18. Для выбора вида топлива на панели пульта управления 22 предусмотрен переключатель 31.

Исследования в области эргономики рабочего места оператора [4] показывают, что наибольшую информативность для человека несет визуальное наблюдение за низкочастотным процессом, поэтому в качестве регистрирующих приборов используются демпфированные стрелочные измерители (8, 11, 13, 30, 39), а также светоизлучающие цифровые индикаторы (23-28).

Система автоматического сбора данных

Основной задачей системы автоматического сбора данных (САСД) является обеспечение исследования

набором данных, характеризующих ход протекания эксперимента. Для экспериментов различного рода необходимо охватить достаточно большое количество параметров. А построение многоканальной измерительной системы для сигналов различного рода является трудоемкой и дорогостоящей работой. Поэтому, используя опыт, полученный при построении автоматизированной системы исследования двигателей [5], для построения САСД было решено использовать альтернативные функции электронного блока управления (ЭБУ).

На двигателе МеМЗ-307 установлен ЭБУ «Микас-10.3», который, кроме основной функции управления, имеет встроенные функции мониторинга и диагностики. После использования ПК со специальным программным обеспечением (ПО) и устройство связи (К-Ипе адаптер) (рис. 2.), проводится опрос ЭБУ, при котором получены текущие значения сигналов датчиков и управляющих воздействий. Кроме того, ПО позволяет

Рис. 2. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса

использовать и функцию диагностики для быстрого поиска и устранения неисправностей [5].

Система управления впрыском газа использует ЭБУ «ОМУЬ», который также имеет функцию мониторинга, и подключается к ПК посредством специального ОМУЬ адаптера.

САСД позволяет получать следующие параметры:

- частоту вращения коленчатого вала двигателя (мин-1);

- положение дроссельной заслонки (%);

- угол опережения зажигания (град. п. к. в.);

- длительность импульса впрыска топлива (мс);

- массовый расход воздуха (кг/ч);

- давление во впускном коллекторе (мм рт. ст.);

- температуру охлаждающей жидкости (°С);

- температуру воздуха (°С);

- расчетный часовой расход топлива (л/ч);

- расчетный путевой расход топлива (л/100 км);

- скорость автомобиля (км/ч);

- напряжение бортовой сети (В);

- фактическое положение шагового мотора РХХ (шаг);

- напряжение на датчике кислорода (В);

- время накопления импульса зажигания (мс);

- температуру газа в редукторе (°С);

- температуру газа в рампе (°С);

- давление газа в рампе (Па);

- время открытия газовой форсунки (мс).

Частота опроса ЭБУ составляет 5 Гц, что в связи с инерционностью двигателя вполне достаточно для записи перечисленных параметров не только для статических, но и для переходных режимов.

Измерительно-вычислительный комплекс

Задачей измерительного комплекса является регистрация быстропротекающих процессов ДВС. В диагностических целях для этого в основном используют осциллограф, но для исследования ДВС, в особенности на переходных режимах, требуются наборы статистических данных подряд записанных

циклов. Кроме того, количество требуемых параметров зачастую превышает количество каналов осциллографов общего применения.

Одним из таких параметров является кривая изменения давления в цилиндре (индикаторная диаграмма), что дает наглядное представление о протекании параметров состояния рабочего тела в течение цикла. Для обработки индикаторная диаграмма должна сопровождаться различными метками синхронизации, такими как верхняя мертвая точка (ВМТ), нижняя мертвая точка (НМТ), момент зажигания (МЗ) и т. п. Поэтому для разработки измерительного комплекса было решено использовать многоканальное устройство ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в персональных компьютерах на базе платы Ь-783 (ЗАО «Л-Кард»).

Технические характеристики платы Ь-783:

- интерфейс связи РС1;

- 16 дифференциальных каналов или 32 канала с общей землей для аналогового ввода;

- максимальная частота работы 12-битного АЦП

- 2857(3300) кГц;

- два входа для внешней синхронизации при вводе сигнала;

- порт цифрового ввода/вывода, имеющий 16 входных и 16 выходных линий;

- диапазоны входного сигнала ±5 В, ±2,5 В, ±1,25 В, ±0,625 В.

Структурная схема измерительного комплекса представлена на рис 2.

Здесь сигналы штатных датчиков ЭСУД и пьезоэлектрического датчика давления (ПДД) через усилитель заряда поступают на блок согласования, в котором происходит преобразование и нормирование сигналов по уровню во избежание превышения предельно-допустимых значений по входу устройства ввода-вывода. Далее посредством АЦП сигналы оцифровываются и поступают в компьютер. В качестве программного обеспечения ПК используется

программа Power Graph, которая имеет расширенные функции предварительной настройки. Это позволяет настроить канал измерения давления на отображения сигнала в МПа для адекватного восприятия получаемых данных во время эксперимента.

Для установки датчика давления в первом цилиндре головки цилиндров был выполнен специальный канал. Обеспечение стабильного температурного режима датчика достигается принудительным водяным охлаждением.

Система управления двигателем

Для работы ДВС на обедненных смесях, а также для доводки параметров рабочего процесса двигателя при работе на газовом топливе необходимо обеспечить возможность принудительного управления количеством топлива в составе топливовоздушной смеси и углом опережения зажигания. Для этого на стенде задействована система управления двигателем, приведенная на рис. 3.

Применение ЭБУ не дает возможности управлять бензовоздушной смесью в ручном режиме, а изменение программы блока, во-первых, приводит к нарушению заводских настроек, во-вторых, не позволяет изменять коэффициент избытка воздуха динамически непосредственно во время эксперимента. Поэтому было разработано устройство, в задачи которого входят измерение текущего времени впрыска, динамическое изменение времени впрыска на заданную величину, отображение информации о текущих параметрах. Устройство включено в разрыв цепи управления клапанами форсунок и обеспечивает дискретное изменение текущего времени впрыска в пределах ±20 %.

Для нормального функционирования устройства

управления топливоподачей необходимо использовать имитатор датчика кислорода, чтобы исключить

коррекцию электронного блока по сигналу обратной связи с датчика кислорода. Имитатор отключает датчик и на вход ЭБУ подает сигнал, что коэффициент избытка воздуха находится в пределах 1.

Контроллер газовой системы ОМУЬ производит коррекцию времени открытия газовых форсунок по сигналу датчика давления в газовой рампе (ДДГ). Принудительное управление газовоздушной смесью обеспечивается на двух уровнях: на первом -

установкой необходимого давления в газовой рампе при помощи редуктора, на втором - отключением штатного ДДГ и подачей сигнала с имитатора датчика давления на вход ЭБУ Такой способ управления охватывает широкий диапазон изменения коэффициента избытка воздуха и позволяет производить оперативные воздействия во время эксперимента.

Синхронизация работы двигателя и ЭСУД

производится по сигналу датчика положения коленчатого вала (ДПКВ). Из всех управляющих воздействий электронного блока только момент зажигания имеет жесткую привязку к положению КВ. С использованием этого фактора разработан вариатор сигнала ДПКВ (ДДПКВ), который включается в разрыв цепи датчика и позволяет смещать сигнал ДПКВ на заданный угол.

Получение биогаза для работы стенда

Для получения топлива для проведения экспериментальных исследований была задействована биогазовая заправка, приведенная на рис. 4.

Биогаз из реактора 1 объемом 0,7 м3 попадает в барботажную камеру 2, в которой очищается от механических примесей, сероводорода и части

Рис. 4. Технологическая схема автобиогазовой заправки: 1) биогазовый реактор; 2) барботажная камера; 3) газгольдер 4) сепаратор; 5) компрессор низкого давления КПП-230-24; 6) ресивер; 7) компрессор высокого давления МСН-10; 8) автомобиль

углекислого газа. Далее топливо попадает в газгольдер, затем сепаратор, состоящий из четырех последовательно расположенных фильтров со следующими наполнителями: древесная стружка, активированный уголь, металлическая стружка, природный цеолит. Данный сепаратор удаляет из биогаза водяные пары, а также большую часть СО2. Меняя толщину фильтрующего слоя в угольном и цеолитовом фильтрах, можно получать биогаз с содержанием СО2 от 7 % до 50 % по объёму. Далее биогаз с помощью заправочной установки МСН-10 закачивается в расходные баллоны под давлением до 20 МПа.

Заключение

Создан исследовательский стенд для автомобильного биогазового ДВС. Стенд оснащен полным комплексом измерительной аппаратуры для определения индикаторных и эффективных показателей двигателя.

Разработана автоматизированная система управления двигателем на стенде, позволяющая по команде с поста управления изменять параметры подачи топлива и угол опережения зажигания.

Л и т е р а т у р а

1. Бганцев В. Н., Левтеров А. М., Мараховский В. П. Газовый двигатель на базе четырехтактного дизеля общего назначения // Техно - plus. - Харьков. - 2003. - № 10. - С. 92.

2. Захарчук В. І., Сгговський О. П., Козачук І. С. Розрахунково-експериментальш дослвдження газового двигуна, переобладнаного з дизеля. // Автомобшьний транспорт. - Харькв: ХНАДУ - 2005. Вип. 16. - С. 276-278.

3. Богомолов В. А., Абрамчук Ф. И., Манойло В. М.,

Кабанов А. Н., Салдаев С. В. Экспериментальная установка для доводки систем зажигания и управления газовым двигателем с искровым зажиганием 6Ч 13/14 //

АвтоГазоЗаправочный комплекс + Альтернативное топливо. -Москва: АГЗК+АТ. - 2005. - № 4 (22). - С. 42-45.

4. Мунипов В. М., Зинченко В. П. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды // Логос. - 2001. - 356 с.

5. Абрамчук Ф. И., Пойда А. Н., Ефремов А. А., Сивых Д. Г., Проскурин А. В. Новая автоматизированная система исследования и диагностирования автотракторных двигателей // Автомобильный транспорт. - Харьков: ХНАДУ. -2005. - Вып. 17. - С. 28-34.

R e f e r e n c e s

1. Bgancev V N., Levterov A. M., Marahovskij V P. Gazovyj dvi-gatel' na baze chetyrehtaktnogo dizelja obshhego naznachenija // Tehno - plus. - Har'kov. - 2003. - № 10. - S. 92.

2. Zaharchuk V. І., Sitovs'kij O. P., Kozachuk І. S. Rozrahunkovo-eksperimental'ni doslidzhennja gazovogo dviguna, pereobladnanogo z dizelja. // Avtomobil'nij transport - Har'kiv: HNADU. - 2005. Vip.. 16. - S. 276-278.

3. Bogomolov V A., Abramchuk F. I., Manojlo V. M., Kabanov A. N., Saldaev S. V Jeksperimental'naja ustanovka dlja dovodki sistem zazhi-ganija i upravlenija gazovym dvigatelem s

iskrovym zazhiganiem 6Ch 13/14 // AvtoGazoZapravochnyj kompleks + Al'ternativnoe toplivo. - Moskva: AGZK+AT. - 2005. -№ 4 (22). - S. 42-45.

4. Abramchuk F. I., Pojda A. N., Efremov A. A., Sivyh D. G., Proskurin A. V Novaja avtomatizirovannaja sistema issledovanija i diag-nostirovannaja avtotraktornyh dvigatelej // Avtomobil'nyj trans-port. Har'kov: HNADU. - 2005. - Vyp. 17. - S. 28-34.

5. Munipov V M., Zinchenko V P. Jergonomika: chelovekoorienti-rovannoe proektirovanie tehniki, programmnyh sredstv i sredy // Logos. - 2001. - 356 s.