ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Топливная экономичность и экологическая безопасность двигателей транспортных средств на холостом ходу»

Рекомендуемая область пременения

Двигатели транспортных средств на режиме холостого хода.

Назначение, цели и задачи проекта

Цель проекта является улучшение экономических и экологических показателей двигателей транспортных средств на режиме холостого хода.

Задачи проекта:

1. Разработка способа улучшения экономических и экологических показателей двигателей транспортных средств на режиме холостого хода.

2. Разработка и изготовление малогабаритных систем автоматического управления двигателями различных типов на режиме холостого хода.

3. Проведение сравнительных исследований двигателей различных типов при работе на типовом и экспериментальном режимах холостого хода.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

При остановках и стоянках транспортных средств (автомобилей, тракторов, комбайнов и др.) с невыключенным двигателем последний работает на малых оборотах самостоятельного режима холостого хода (РХХ), который из-за пониженных цикловых подач топлива и некачественного смесеобразования характеризуется ухудшенным протеканием рабочего процесса в цилиндрах. Внешними признаками этого безнагрузочного режима являются непроизводительный расход топлива, повышенное содержание вредных веществ в отработавших газах и интенсивное нагаро- и смолоотложение на деталях двигателя.

Первопричиной такой не эффективной работы поршневого двигателя внутреннего сгорания на РХХ является то, что он представляет собой совокупность разнородных механизмов (кривошипно-шатунный, газораспределительный) и систем (топливо- и воздухоподачи, выпуска и др.), взаимодействующих между собой с целью организации рабочего процесса в его цилиндрах. При создании двигателя индивидуальные характеристики отдельных механизмов и систем удается согласовать лишь на одном – двух нагрузочных режимах, чаще номинальном и режиме средних нагрузок. На других режимах и, в первую очередь на РХХ, эта согласованность зачастую нарушается, что и приводит к ухудшению экономических и экологических двигателей.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

На кафедре «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика» ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» при активном и непосредственном участии автора разработан способ улучшения показателей двигателей на РХХ и устройства для его осуществления (патенты РФ № 2170914 и № 2204730). Способ заключается в автоматическом переводе работы двигателей при остановках и стоянках транспортных средств на экспериментальный режим периодически повторяющихся тактов отключения и включения подачи топлива в цилиндры двигателя на холостом ходу в области пониженных частот вращения коленчатого вала.

К несомненным преимуществам предлагаемого способа относятся его универсальность по отношению к различным типам двигателей (дизельным, карбюраторным, впрысковым) и простота реализации на транспортных средствах различного назначения с помощью компактных, малогабаритных и недорогих устройств – систем автоматического управления (САУ).

Конструктивные варианты таких САУ разработаны и изготовлены автором применительно к различным типам транспортных двигателей (см. рис.1):

тракторным, автомобильным и комбайновым дизелям;

автомобильным карбюраторным и впрысковым двигателям.

У дизелей, в зависимости от командных сигналов, формируемых на выходе блока управления, исполнительный механизм перемещает орган управления топливоподачей в строну отключения и последующего включения подачи топлива, создавая последовательно чередующие такты выбега и разгона коленчатого вала в области пониженных частот вращения от некоторого верхнего предела (например, n_в=800 мин^-1) до нижнего предела (например, n_n=400 мин^-1). При этом средняя частота вращения коленчатого вала за кинематический цикл составит:

. 

Рисунок 1 – Системы автоматического управления транспортными двигателями на режиме холостого хода

У бензиновых карбюраторных двигателей по командным сигналам блока управления периодически повторяющиеся такты отключения и включения подачи топлива осуществляются перекрытием и открытием электромагнитным (или электропневматическим) клапаном выходного канала системы холостого хода карбюратора. При этом подача топлива (или топливоздушной смеси) в цилиндры двигателя осуществляется через кратковременные интервалы дозированными порциями.

У бензиновых впрысковых двигателей с одноточечным или распределенным впрыском топлива за счет обмена информации между блоком управления и штатным контроллером двигателя происходит перенастройка (перепрограммирование) последнего на более обедненный состав топливоздушной смеси, необходимый для режима холостого хода.

Разработанные на уровне изобретений структурные, электрические и кинематические схемы, а также конструктивные варианты исполнения систем автоматического управления прошли апробацию в лаборатории двигателей Пензенской ГСХА и проверены в производственных условиях на транспортных средств в ГУП «Терновкаагросервис», АТП-2, ЗАО «Константиново» Пензенской области и ЗАО «Озерки» Ульяновской области.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что использование на транспортных средствах систем автоматического управления, реализующих предложенный способ работы двигателей в режиме холостого хода, позволяют значительно улучшить экономические и экологические показатели. Так, например, у тракторного дизеля на экспериментальном режиме холостого хода удельный индикаторный расход топлива снижается на 22-52%, часовой расход топлива в 1,2-2,2 раза, содержание в отработавших газах оксидов азота на 40-45%, нагароотложения на днище поршня на 40-50% по сравнению с типовым режимом.

Годовой экономический эффект от использования системы автоматического управления двигателями на режиме холостого хода составляет 4500-9700 рублей на одну транспортную единицу при сроке окупаемости затрат до 1 года.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Экспериментальные исследования проводились на трех типах транспортных двигателях: дизеле трактора МТЗ-80, карбюраторном двигателе автомобиля ГАЗ-452 и ГАЗ-3301 и дизеле комбайна Дон-1500.

а) дизеля Д-240 (4 Ч 11/12,5)

Анализ результатов моторных исследований дизеля Д-240 трактора МТЗ-80 показывает, что при одинаковой средней частоте вращения коленчатого вала мин^-1 часовой расход топлива составил (рис.2): на типовом РХХ - 1,56 кг/ч, экспериментальном РХХ - 1,17 кг/ч.

Периодически повторяющиеся такты отключения и включения подачи топлива на  экспериментальном  РХХ  позволяют  также  уменьшить  среднее

значение минимально-устойчивой частоты вращения коленчатого вала с 800 до 400 мин^-1 (см. рис.2), что приводит к снижению расхода топлива практически вдвое (с 1,56 до 0,71 кг/ч).

Снижение расхода топлива, даже при одинаковой средней частоте вращения коленчатого вала 800 мин^-1,  объясняется тем, что на экспериментальном РХХ в процессе включения подачи топлива (в такте разгона) обеспечивается цикловая подача топлива на уровне 60-70% от номинального значения (в 2,4...3,0 раза больше, чем на типовом РХХ), а на такте выбега подача топлива полностью отключается. Вследствие чего на экспериментальном РХХ давление топлива перед форсунками и угол опережения впрыска топлива составили соответственно Р_ф=22,6МПа и Q=23,5 град., (рис.3), а на типовом РХХ Р_ф=17,5МПа и Q=29,5 град. Поэтому на типовом РХХ наблюдается увеличенная продолжительность впрыска топлива, что приводит к ухудшению процессов смесеобразования и сгорания, снижению эффективности рабочего процесса дизеля в целом и увеличению выбросов продуктов неполного сгорания.

Рис.3. Зависимость давления топлива на выходе из нагнетательного топливопровода от угла поворота коленчатого вала при , -х- экспериментальный РХХ; -о- типовой РХХ

Так как на типовом РХХ цикловая подача топлива небольшая, то это сказывается также на качестве распыливания топлива в камере сгорания дизеля. Поэтому несмотря на большой коэффициент избытка воздуха топливная экономичность на типовом режиме невысока. На экспериментальном режиме цикловая подача топлива практически втрое выше и, хотя коэффициент избытка воздуха снижается до , качество распыливания и смесеобразования улучшается, так как в процессе отключения подачи топлива (в процессе такта выбега) цилиндры дизеля лучше очищаются от продуктов неполного сгорания и первые циклы такта разгона происходят практически при полном отсутствии отработавших газов. Это подтверждают и результаты исследований по выбросам вредных веществ. Так, например, из анализа рис.4 следует, что содержание оксидов азота NO_x в отработавших газах на экспериментальном режиме меньше на 40-45% по сравнению с типовым РХХ во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала дизеля.

Рис.4. Зависимость содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля от частоты вращения коленчатого вала:

  -х- экспериментальный РХХ; -о- типовой РХХ

Результаты микрометража и спектрального анализа моторного масла при работе тракторного дизеля на одинаковой средне частоте вращения коленчатого вала типового и экспериментального режимов холостого хода свидетельствуют об идентичности износа основных деталей (поршней, гильз цилиндров, коленчатого вала, вкладышей, поршневых колец).

б) карбюраторный  двигатель УАЗ-410 (4 Ч 9,2/9,2)

Моторные исследования бензинового двигателя УАЗ-410 (с карбюратором К-151) автомобиля УАЗ-452 показывают, что по сравнению с типовым (эксплуатационным и по ГОСТ 17.2.2.03-87) режимом, экспериментальный РХХ позволяет снизить токсичность отработавших газов по оксиду углерода на 32,5%-82% в зависимости от частоты вращения коленчатого вала (таблица 1). Если двигатель оснащен контактной системой зажигания, то часовой расход топлива при этом снижается на 7,5%-7,8% (рис.5), а если бесконтактной системой зажигания, то расход топлива снижается еще больше: на 24% и 22,4% при температуре охлаждающей жидкости на выходе из двигателя соответственно 70 и 90 °С.

Таблица 1 – Содержание оксидов углерода СО и углеводородов СН в отработавших газах двигателя на режиме холостого хода

Рис. 5.  Топливная характеристика холостого хода двигателя 4Ч 9,2/9,2:

ТРХХ –  типовой РХХ; ЭРХХ – экспериментальный РХХ

Результаты микрометража деталей двигателя после 100-часовой работы на малых оборотах типового (650 мин^-1) и экспериментального (500 мин^-1) режимов холостого хода показывают, что периодически повторяющиеся такты отключения подачи топливовоздушной смеси, путем перекрытия канала системы холостого хода карбюратора штатным электропневматическим клапаном за счет широто-импульсных сигналов САУ и последующего включения подачи смеси при открытии канала, позволяют на экспериментальном РХХ снизить среднесуммарный износ гильз цилиндров на 15%, коренных и шатунных шеек коленчатого вала соответственно на 18% и 10%, поршней на 20%, поршневых колец на 38%, коренных вкладышей на 25%, шатунных вкладышей на 48% (рис.6 – рис.8). Из анализа результатов износных исследований следует, что работа карбюраторного двигателя на экспериментальном РХХ по сравнению с типовым режимом обеспечивает снижение среднесуммарного износа деталей кривошипно-шатунного механизма на 24%.

Рис. 6. Среднесуммарный износ деталей двигателя 4Ч 9,2/9,2 на типовом и экспериментальном режимах холостого хода: а) цилиндры;  б) поршни; в) шатунные шейки; г) коренные шейки

Рис. 7. Среднесуммарный износ компрессионных колец на типовом и экспериментальном режимах холостого хода: а) первое компрессионное кольцо; б) второе компрессионное кольцо

Рис. 8. Среднесуммарный износ подшипников скольжения на типовом и экспериментальном режимах холостого хода

Снижение среднесуммарного износа двигателя на экспериментальном РХХ можно объяснить пониженной частотой вращения коленчатого вала (500 мин^-1) и уменьшением числа ходов поршней по сравнению с типовым режимом при минимальной частоте вращения (650 мин^-1), рекомендуемой заводом-изготовителем. Кроме того, на экспериментальном РХХ, за счёт более точного дозирования топливовоздушной смеси через выходной канал системы холостого хода карбюратора, двигатель работает стабильнее и устойчивее (отклонение по частоте вращения коленчатого вала ± 15 мин^-1), что приводит к уменьшению его виброколебаний.

Исследование также убедительно доказывают преимущества экспериментального РХХ по сравнению с типовым РХХ по нагарным и лаковым отложениям на деталях двигателя. Так после 100-часовой наработки двигателя на экспериментальном РХХ масса нагароотложений на днище поршня и свечах зажигания оказались меньше соответственно на 35% и 31% (рис. 9). Образование лаковых отложений на жиклерах карбюратора (определяли по изменению пропускной способности) также меньше у двигателя, работающего на экспериментальном режиме (рис. 10).

Рис. 9. Масса нагароотложений на деталях двигателя: а) днище поршня; б) электроды свечей зажигания

Рис. 10. Пропускная способность жиклеров (см³/мин):

а) главные топливные жиклёры 1 и 2 камеры;

б) главные воздушные жиклеры 1 и 2 камеры

Таким образом, широто-импульсное управление штатным электро-пневматическим клапаном карбюратора, обеспечивающим дозированную подачу топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя на экспериментальном РХХ с помощью разработанной САУ, по сравнению с типовой подачей на холостом ходу, позволяет существенно улучшить экономические и экологические показатели карбюраторного двигателя за счет более качественного состава смеси и расширения диапазона ее обеднения с a = 0,82-0,96 до a = 0,82-1,1. Это подтверждают и пробные исследования САУ на автомобиле ГАЗ-33021 (двигатель ЗМЗ-4025.10 с карбюратором К-151) в производственных условиях: минимально-устойчивая частота вращения коленчатого вала на экспериментальном РХХ составляет 500±15 мин^-1 (вместо паспортной частоты 650±25 мин^-1), а эксплуатационный расход и содержание оксидов углерода в выхлопных газах уменьшаются соответственно на 18% и 51%.

в) дизель СМД-31А (6 Ч Н 13/14)

Для рассмотрения вопросов, связанных с колебаниями дизеля, вызываемыми тактами отключения (выбега) и включения (разгона) подачи топлива на экспериментальном РХХ были проведены исследования дизеля СМД-31А в составе зерноуборочного комбайна Дон-1500.

Анализ снятых осциллограмм колебаний на экспериментальном РХХ показывает, что для этого дизеля характерны две преобладающие частоты собственных колебаний, которые находятся в пределах f_c1=3,5–4,0 Гц  и f_c2=13,0– 14,5 Гц.

Частота вращения коленчатого вала, при которой наступит резонанс (когда частота собственных колебаний дизеля совпадет с частотой возмущающей силы), составляет n_р=260 – 290 мин^-1. Поэтому для безрезонансной работы дизеля на экспериментальном РХХ допустимый нижний предел частоты вращения коленчатого вала в конце такта выбега (или в начале такта разгона) должен превышать n_р>290 мин^-1.

При одинаковой средней частоте вращения коленчатого вала       мин^-1 показатели колебаний комбайнового дизеля на типовом и экспериментальном РХХ приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Показатели виброколебаний дизеля на типовом и экспериментальном режимах холостого хода ( 800 мин^-1)

Комбайновый дизель относится к четвертому классу машин по чувствительности к колебаниям (предельная скорость колебаний 4 мм/с), а уровень виброскорости по ОСТ 23.1.446-76 не должен превышать 119 дБ.

Предельные значения виброскорости и ускорения рабочего места составили соответственно 0,64 мм/с и 40 мм/с², что характеризует воздействие колебаний дизеля на оператора как слабо ощутимое.

Сравнительную оценку износа деталей дизеля проводили по количественному и качественному содержанию примесей в пробах моторного масла после 50-часовой наработки соответственно на типовом и экспериментальном режимах.

Количественное содержание примесей определялось методом взвешивания после промывки и фильтрации проб масла. Массовая доля примесей составила: на типовом РХХ 0,497%, на экспериментальном РХХ 0,163%  (см. рис.11).

Рис. 11. Массовая доля (%) примесей в пробах моторного масла

Результаты качественного анализа проб моторного масла, проводимого методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии, представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Интенсивность линий продуктов износа в пробах моторного масла

Таким образом, результаты исследований комбайнового дизеля показывают, что на экспериментальном РХХ при уменьшении средней частоты вращения коленчатого вала ниже минимально-устойчивой частоты вращения, задаваемой заводом-изготовителем (ниже 800 мин^-1), наблюдаются резонансные кривые, однако длительность нахождения дизеля в резонансе составляет всего 0,0025-0,0030 с.

Суммарный прирост концентрации продуктов износа в пробах моторного масла составил на типовом РХХ (800 мин^-1) 0,5%, на экспериментальном РХХ 0,15%. Массовая доля примесей в моторном масле при работе дизеля на экспериментальном РХХ в три раза меньше, чем на типовом РХХ. Качественный анализ примесей показал, что интенсивность линий продуктов износа [площадь пика (имп/с)хмА] в пробах масла составила: на типовом режиме – железа (Fe) 1603 имп/с, цинка (Zn) 230122 имп/с, на экспериментальном режиме - железа (Fe) 1122 имп/с, цинка (Zn) 200687 имп/с.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

-

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

-

Новые потребительские свойства продукции

Улучшение экономических, экологических и технико-эксплуатационных показателей бензиновых и дизельных двигателей на холостом ходу путем воспроизведения последовательно чередующихся тактов отключения и включения подачи топлива (или топливовоздушной смеси) в области пониженных частот вращения коленчатого вала с помощью малогабаритной, компактной и недорогой системы автоматического управления (САУ).

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Блок управления САУ имеет функцию микропроцессора с возможностью программирования и выполнен с использованием современных средств цифровой техники.

Стадия и уровень разработки

Изготовлены опытные образцы систем автоматического управления и выполнены научно-исследова-тельские работы на моторных установках и в условиях эксплуатации на тракторе МТЗ-80, автомобилях УАЗ-469, ГАЗ-33021, ВАЗ-2112, зерноуборочном комбайне ДОН-1500.

Предлагаемые инвестиции

Необходимо: создать новую компанию по выпуску систем автоматического управления подачей топлива на режиме холостого хода (в комплект САУ входит электронный блок и исполнительный механизм), исследовать рынок потенциальных потребителей САУ и найти денежные инвестиции в размере 1,6 млн. рублей.

Рынки сбыта

Потребители продукта: отрасли двигателестроения, автомобиле- и тракторостроения, организации, эксплуатирующие автотракторную технику.
Крупные предприятия: АО «КамАЗ», АО«УМЗ» и др.
Потенциальный рынок РФ: планируемый выпуск и фактический парк автотракторной техники в регионе (стране, мире).
Себестоимость / рыночная цена продукта, рублей: 800 / 1500.

Возможность и эффективность импортозамещения

Компактность (САУ), дешевизна, малый срок окупаемости, универсальность по отношению к различным типам двигателей, не требует больших капитальных вложений и высокой квалификации исполнителей, широкая доступность комплектующих изделий, возможность выпуска на малых предприятиях. Аналогов нет.

Возможность выхода на мировой рынок

В виду отсутствия конкурентоспособных изделий на международном рынке.

Срок окупаемости (в месяцах)

12

Дата поступления материала

29.09.2006