Поиск оптимальной мощности двигателя внутреннего сгорания при переходе на биогазовое топливо путем изменения угла опережения зажигания

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.431.73.04 - 623.1

С. С. Адамов, А А Махутов, В. П. Друзьянова, П. Г. Смирнов

ПОИСК ОПТИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПРИ ПЕРЕХОДЕ НА БИОГАЗОВОЕ ТОПЛИВО ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ЗАЖИГАНИЯ

Изложены результаты эксперимента, проведенного на базе автодорожного факультета Северо-Восточного Федерального университета им. М. К. Аммосова. Эксперимент проводился совместно с сотрудниками Иркутской государственной сельскохозяйственной академии. Двигатели внутреннего сгорания изначально были созданы для работы на жидком топливе. Постоянное повышение цены на нефть и ужесточение экологических требований подталкивает многих владельцев транспортных средств переоборудовать двигатели внутреннего сгорания для работы на газовом топливе. Несмотря на широкое использование разных видов альтернативного моторного топлива, в данном случае биогаза, имеется ряд существенных проблем, связанных с его применением. Цель данной работы - поиск возможных решений для достижения оптимальной работы двигателя внутреннего сгорания при переходе с жидкого топлива на газ, путем коррекции угла опережения зажигания (УОЗ). В эксперименте применен бензиновый двигатель с классической системой зажигания. В данном случае двигатель ВАЗ 2106 выбран как один из наиболее подходящих из-за простоты изменения регулировочных параметров. Вышеуказанный двигатель, несмотря на простоту конструкции, доступен для измерения балансовой мощности исходя из имеющегося оборудования. В качестве измерительного оборудования был использован отечественный мотор тестер АМ-1.

Ключевые слова: бензиновый двигатель внутреннего сгорания, эффективная мощность, мотор тестер, корректировка угла опережения, датчик распределитель, датчик Холла, угол опережения зажигания (УОЗ), КПД двигателя, бензин, газовое топливо.

АДАМОВ Семен Степанович - зав. учебно-производственной мастерской диагностика и надежность систем и механизмов автомобиля автодорожного факультета СВФУ им. М. К. Аммосова.

E-mail: upk-semen.67@mail.ru

ADAMOV Semyon Stepanovich - Head of training and production workshop "Diagnosis and reliability systems and vehicle" Automobile and Road Faculty North-Eastern Federal University. M.K Ammosova.

E-mail:upk-semen.67 @ mail.ru

МАХУТОВ Альберт Александрович - к. т. н., доцент кафедры Технический сервис и обшеинженерных дисциплин Иркутской государственной сельскохозяйственной академии.

E-mail: albert.makhutov@mail.ru

MAKHUTOVAlbert Aleksandrovich - Canditate of Technical Sciences, Associate Professor of Departament of technical service and engineering disciplines Irkutsk State Agricultural Academy.

E-mail: albert.makhutov @ mail.ru

ДРУЗЬЯНОВА Варвара Петровна - к. т. н., доцент, зав. кафедрой «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» автодорожного факультета СВФУ им. М. К. Аммосова.

E-mail: druzvar@mail.ru

DRUZYANOVA Varvara Petrovna - Canditate of Technical Sciences, Associate Professor Department "Operation of motor transport and auto repair" Automobile and Road Faculty NorthEastern Federal University. M.K. Ammosova.

E-mail: druzvar @ mail.ru

СМИРНОВ Павел Геннадьевич - учебный мастер кафедры «Техническое обеспечение АПК» Иркутской государственной сельскохозяйственной академии.

SMIRNOV Pavel Gennadevich - the educational master of Technical Providing Agrarian and Industrial Complex Department of Irkutsk state agricultural.

S. S. Adamov, A. A. Makhutov, V. P. Druzyanova, P. G. Smirnov

Search Optimum Engine Performance During the Transition to Biogas FUEL by Adjusting Ignition Timing

The article presents the results of an experiment conducted on the basis of the Automobile and Road Faculty of the M.K. Ammosov North-Eastern Federal University. Internal combustion engines were originally designed for liquid fuel. Continually increasing oil prices and stricter environmental requirements encourages many vehicle owners to convert internal combustion engines to run on a gaseous fuel. Despite the widespread use of various kinds of alternative motor fuels, in this case, the biogas has a number of significant problems associated with its use. The aim of this work is the search for possible solutions to achieve optimal performance of the internal combustion engine during the transition from liquid fuel to gas, by correcting the ignition timing. The experiment used a gasoline engine with a classic ignition system.

Key words: Gasoline internal combustion engine, a Hall sensor, ignition timing, engine performance, gas fuel.

Введение

Большинство автотракторных двигателей работают на жидком топливе, которые являются продуктами перегонки нефти, в частности бензин и дизельное топливо.

Постоянное повышение цены на бензин и дизельное топливо подталкивает владельцев автомобилей на применение более дешевого и экологически чистого топлива, как газ.

Как известно, газ имеет высокую антидетонационную стойкость, чем бензин, в этой связи угол опережения зажигания (УОЗ) газового топлива отличается от бензина [1-2]. При этом оптимальный УОЗ на газовом топливе в среднем должен быть от 12 до 20о больше оптимального УОЗ при работе двигателя на бензине.

Датчик распределитель зажигания

При работе на газообразных видах топлива (природный, сжиженный газы и т. д.) двигатели запускаются на бензине, после прогрева переводятся на газовое топливо, при этом УОЗ остается постоянным.

Газобаллонное оборудование последних поколений, устанавливаемое на двигателях с электронными системами управления, имеет свой электронный блок управления, согласующий корректировку топливо-подачи с основным штатным блоком управления двигателя. На двигателях с электронными системами управления корректировку момента зажигания производят с помощью датчика детонации. Однако владельцы, имеющие автомобиль с классической системой зажигания (датчик-распределитель), лишены возможности корректировки угла опережения зажигания при переходе с бензинового топлива на газовое без механического вмешательства (поворот самого распределителя на необходимый угол). При работе на сжиженном нефтяном топливе без корректировки угла опережения зажигания теряется до 15 % крутящего момента N [3].

Для обеспечения автоматической коррекции оптимального УОЗ при работе двигателя на бензине

и на газообразных видах топлива был разработан датчик-распределитель. На данное техническое решение получен патент РФ № 2413088.

Была проведена экспериментальная проверка работоспособности датчика-распределителя. Экспериментальная установка показана на рисунке 1.

Испытания проводились на обкаточно-тормозном стенде КИ - 1363Б.

В ходе испытания было установлено, что опытный датчик-распределитель обеспечивает автоматическую корректировку УОЗ при переводе двигателя с бензина на сжиженное топливо, причем при изменении УОЗ двигатель работает более устойчиво. При установке момента зажигания на 5о до ВМТ при минимальных частотах бензинового двигателя (750-800 об/мин) и переводе двигателя на газ момент зажигания автоматически переходит на 15о до верхней мертвой точки.

Исследования угла опережения зажигания

Нами проведены исследования эффективности изменения УОЗ при работе бензинового двигателя на биогазе. Исследования проводились на базе автодорожного факультета Северо-Восточного федерального университета с применением отечественного диагностического комплекса «Автомастер» модели АМ 1. Для эксперимента использовался автомобиль ВАЗ 2107 с двигателем ВАЗ 2106. На двигателе был установлен датчик-распределитель зажигания (патентом РФ №2413088).

Мотор-тестер имеет возможность замерять момент зажигания с помощью встроенного стробоскопа с выводом результата на монитор, а так же измерить эффективную мощность двигателя и мощность механических потерь в процентах. В рабочем цикле программа отслеживает разгон-выбег двигателя при полностью нажатой педали акселератора. Разгон двигателя осуществляется до достижения заранее заданной оператором частоты вращения после

чего зажигание блокируется и осуществляется выбег двигателя до частоты г\-Д, после этого блокировка

снимается и вновь повторяется цикл разгона, по соотношению этих циклов производится расчет балансовой мощности.

Исследования проводились путем измерений эффективной мощности двигателя на частотах 1200, 1500, 2000, 2500, 3000 об/мин при работе на бензине, а на биогазе при угле опережения зажигания - 5о, 15о и 20о.

Измерения эффективной мощности проводили на различных оборотах двигателя - 1200, 1500, 2000, 2500, 3000 об/мин в режиме бензинового и газового топлива. При оставлении без изменения угла опережения зажигания на газовом топливе наблюдается значительная потеря мощности двигателя. Наибольшая мощность на газу наблюдалась при оборотах двигателя 1200, 1500 об/мин., когда начальный угол опережения был выставлен до ВМТ. Данный угол выставляется автоматически при

переключении на дополнительно установленный датчик Холла в распределителе зажигания.

Путем поворота распределителя зажигания начальный угол опережения доводится до ВМТ., при этом наименьшая потеря мощности наблюдается уже при средних оборотах коленчатого вала (2000, 2500 об/мин.).

Результаты исследования

Результаты исследования представлены в таблице 1.

Если из полученных диаграмм выбрать наименьшую потерю мощности двигателя, получим следующее значение начального момента зажигания (таблица 2).

Заключение

Зная характеристику центробежного регулятора распределителя зажигания 30.3706 двигателя ВАЗ 2106 (рис. 3), добавляем полученные значения начального угла опережения, при котором

Таблица 1

Результаты измерений эффективной мощности двигателя

Об/мин. Эффективная мощность в зависимости от вида топлива %

Бензин Биогазовое топливо

Без коррекции 20 градусов до ВМТ 15 градусов до ВМТ

1200 75.9 62.5 66.9 73.8

1500 75.9 64.1 74.1 73.4

2000 84.7 66.2 75.6 70.6

2500 77.5 68.1 71.2 66.2

3000 73.4 62.5 55.0 62.5

бензин

84 * 82 Л § 80 1 78 Ц 76 » 74 £ 72 -е- § 70 68

-

66 1200 1500 2000 2500 3000 об мин

Рис. 2. Эффективная мощность двигателя на бензиновом Рис. 3. Эффективная мощность двигателя при работе топливе в % на биогазовом топливе без коррекции угла опережения

зажигания в %

Рис. 4. Эффективная мощность двигателя при работе Рис. 5. Эффективная мощность двигателя при работе на биогазовом топливе при угле опережения зажигания на биогазовом топливе при угле опережения зажигания 15 град. в % 20 град. в %

Таблица 2

Наибольшая эффективная мощность при переходе на биогаз в зависимости от начальной установки угла опережения

зажигания

Обороты 1200 1500 2000 2500 3000

Начальный У.О.З. градусов до В.М.Т. 15 20 20 20 15

Эффективная мощность в процентах 73.8 74.1 75.6 71.2 62.5

наблюдается оптимальная мощность двигателя

После суммирования значений начального угла опережения зажигания с характеристикой центробежного регулятора, получаем диаграмму оптимальной мощности двигателя при работе на метане (рис. 4).

Исходя из результатов измерений можно заключить, что при переходе с бензина на биогаз обязательно требуется корректировка зажигания. Данное устройство корректировки, которое мы применили,

эффективно работает при средних оборотах двигателя (умеренная городская езда), но не в полном объеме решает проблему. Фиксированная установка дополнительного датчика Холла относительно штатного не может варьировать требуемое изменение угла опережения зажигания в зависимости от изменения оборотов коленчатого вала двигателя.

Л и т е р а т у р а

1. Синельников А. Ф. Автомобильные топлива,

16 14 12 10 8 6 4 2 0

характеристика центробежного регулятора распределителя

11, К

' О

-угол опережения зажигания

500 1000 1500 2000 2500 3000

об/мин

Рис. 6. Характеристика центробежного регулятора

40

35

25

20

15

10

-УОЗ град.

Рис. 7. Результат исследования оптимального КПД двигателя при работе на метане в зависимости от угла опережения зажигания

масла и эксплуатационные жидкости. Краткий справочник / Синельников А. Ф., Балабанов В. И. - Москва «За рулем», 2003. - 176 с.

2. Кузнецов А. В. Топливо и смазочные материалы / Кузнецов А. В. - М.: КолосС, 2007. - 200 с.

3. Смирнов Г. П. Влияние установочного угла опережения зажигания на эффективную мощность и токсичность бензинового двигателя при переводе на работу на сжиженном газе / Смирнов Г. П., Найдыш А. Ф. // Вестник Алтайского государственного университета. - 2008, № 10. -С. 58-62.

R е f е г е п с е s

1. Sinel'nikov А. F. Avtomobil'nye Шр1№а, masla i jekspluatacionnye zhidkosti. Кга1к^р1даосЬтк / Sinel'nikov А. F., Balabanov V. I. - Moskva <^аги1ет», 2003. - 176 s.

2. Kuznecov А. V. Тор1^о i smazochnye та1епа1у / Кщпе^ А. V. - М.: KolosS, 2007. - 200 s.

3. Smirnov G. Р. Vlijanie us1anovochnogo ugla operezhenija zazhiganija вд jeffektivnuju moshhnost' itoksichnost' benzinovogo dvigatelja pri perevode na rabotu вд szhizhennom gaze / Smiгnov G. Р., Najdysh А. F. // Ves1nik Altajskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2008, № 10. - S. 58-62.