Към съдържанието


Снимка
- - - - -

Преустройване на автомобили за работа с алтернативни горива


  • Моля влезте във форума за да отговорите
2 отговора в тази тема

#1 integrale45

integrale45

    Антонио

  • Members
  • 6493 Мнения:
  • Gender:Male
  • Location:Русе кв.Дружба-3
  • Interests:Аudi RS6 sedan
    Lancia Delta HF Integrale
  • Kaра:Аudi 80 quattro 20V

Публикувано 10 май 2012 - 19:26

ПРЕУСТРОЙВАНЕ НА ДВИГАТЕЛИТЕ С ИСКРОВО ВЪЗПЛАМЕНЯВАНЕ ЗА РАБОТА С АЛТЕРНАТИВНИ ГОРИВА



Системи за преустройване на двигателите с искрово възпламеняване за работа с алтернативни горива се използват от преди повече от 70 год. В САЩ още през 20-те год. на миналия век се е използвал въглеводороден газ (предимно пропан) за отопление и готвене предимно в селскостопанските райони, защото там не са имали инфраструктура за природен газ, като в повечето градове. Използвали са се резервоари за втечнен газ, защото енергийната му плътност по обем е много по-голяма от тази на природния газ.
Като пример може да се даде енергийното съдържание на 1l природен газ (метан) при налягане 200 atm и t? = 20?C (1 atm = 101,325 kPa)
От PV = mRT имаме:
?=m/V = P/RCH4T = 101,325*200/[8,314*(273+20)/16] = 133kg/m3
Понеже топлината на изгаряне (калоричността) на метана е 50 MJ/kg, то 1l природен газ при 200 atm ще има енергийно съдържание 0,133*50 = 6,65 MJ/l.
Eнергийното съдържание на втечнения пропан е 23,54 MJ/l. Следователно даже и при налягане 200atm, енергийното съдържание на природния газ е 6,65/23,54 =0,28 от това на втечнения пропан. Много лесно може да се пресметне,че за да има същото енергийно съдържание, природният газ (метан) трябва да е с налягане P = 3200 atm.
След като втечнения пропан се е ползвал от фермерите за отопление и готвене, то очевидно е и предимството му за използване при леките автомобили и трактори при наличие на цистерни с течен пропан и по-ниската му стойност. Също така конвертирането на МПС е започнало широко да се използва в страни, където няма добив на нефт (Италия, Нова Зенландия и др. използват сгъстен природен газ от много години).
В Япония се движат около 2 млн автомобила с втечнен въглеводороден газ (ВВГ). Напоследък в страни, където има строги стандарти по отношение на вредните компоненти в изпусканите газове (САЩ, Канада и др.), цели автопаркове се конвертират за работа със сгъстен природен газ (СПГ) и ВВГ. Всяка страна взема решение сама за себе си кои горива да предпочете в зависимост от цената на алтернативното гориво и неговата наличност.
Например етанола се използва от много години в Южна Америка, защото цената на внасяния нефт е много висока, а в тези страни има условия за производство на голямо количество захарна тръстика. Производството на етанол е икономически по-изгодно от производството на бензин или дизелово гориво. Но трябва да се има в предвид, че оборудването за конвертиране за работа със спиртни горива не е чак толкова просто.
Въпреки това, фирми като ”Ford”, ”General Motors” и „Кreisler” от много години произвеждат автомобили за работа с метанол. По точно трябва да се разбира възможността за работата им със смес от бензин и метанол - от 100 % бензин до 85 % метанол (сместа е позната като М85, т.е 85 % метанол и 15 % бензин).
Тук трябва да се спомене и за тенденцията за преминаване към електроавтомобили. Тези автомобили вече започнаха да навлизат на пазара. Например стандартите на Калифорния относно опазването на околната среда постановяват, че от 2003 г. 10 % от произведените автомобили трябва да са с нулеви емисии (Zero Emission Vehicles - ZEV), т.е. електроавтомобили. Тук трябва да се отбележи, че трябва да измине известно време преди цената и показателите на електромобилите (скорост, пробег и др.) да станат конкурентни с тези на конвенционалните автомобили.
Понеже алтернативните горива са с различни своиства (плътност, агрегатно състояние, калоричност и т.н.), то цената на дадено алтернативно гориво се определя за 1l еквивалентен бензин. Aко цената на пропан-бутана е 0,9 lv/l при калоричност 23,5 MJ/l, а на бензина са съответно 1,60 lv/l и 32,8 MJ/l, то цената на пропан-бутана съответстваща на енергията на 1l бензин е съответно: (32,8/23,5)0,9 = 1,256 lv/l еквивалентен бензин. Цената на пропан-бутана е с 0,344 lv. или с 21,5 % по-ниска от цената на бензина приравнено към неговата енергийна стойност.

Автомобилни системи за природен газ и втечнен въглеводороден газ

Системи за съхранение на газа

Необходимото оборудване за конвертиране на автомобилите за природен газ и ВВГ си приличат, като има няколко значителни разлики. Едната е налягането на съхранявания газ в резервоара.
Природния газ обикновено се използва сгъстен (СПГ) и по-рядко втечнен природен газ (ВПГ). При СПГ налягането на съхранение достига 250 atm, а при някои резервоари и 300 atm. Поради това е необходимо наличието на подгреваем регулатор за намаляване на налягането до 7?15 atm и след това газът да се подаде в редуктор (също подгреваем), различаващ се от тези които се използват при ВВГ (пропан-бутан) основно по по малкия подгреваем обем и увеличени проходните сечения, или пък към дюзата за впръскване на газ (при електронно управление на впръскването). Резервоарът за ВПГ е с двойни стени (дюаров съд), защото трябва да се поддържа много ниска температура в резервоара (-162 0С), съответстваща на температурата на кипене.
При ВВГ температурата на кипене е много по-висока. Тя зависи от налягането в резервоара и колкото налягането е по-голямо, толкова температурата на кипене се уваличава. При налягане в бутилката на пропан, например 13 atm, то той може да е в течно състояние до температура 38 0С. Следователно не е необходим регулатор за високо налягане като при СПГ. При ВВГ е необходимо наличието на подгреваем изпарител, който да превърне течната фаза газ в газообразно състояние. Тъй като резервоара за ВВГ е за ниско налягане, то той ще е по-евтин от този за СПГ, а също така понеже енергийното съдържание на 1l ВВГ е по-голямо от това на 1l природен газ при 200 atm с приблизително 3,5 пъти, то при еднакъв обем на резервоарите, автомобила с ВВГ ще измине 3,5 пъти по-голям пробег.

Безопасност

Има разлика в безопасноста при използване на ВВГ, ВПГ и СПГ. ВВГ (пропан-бутан) е по-тежък от въздуха и ако има изтичане при авария, може да доведе до възпламеняване, тъй като тежките пари ще се намират близо до земята, в обсега на аварията и могат да се възпламеняват от повърхности с висока температура, искра от горене или от късо съединение и т.н. По тази причина не се допуска в гаражите, където се съхраняват автомобили със системи за ВВГ да има обслужващи канали под нивото на помещението. СПГ е по-лек от въздуха и при пробив се издига нагоре, като се отнася далече от мястото на аварията. Като цяло резервоарите за ВВГ, ВПГ и СПГ са по-здрави от тези за бензин и се смята,че са по-безопасни при произшествия на пътя.Резервоарите за ВВГ имат ограничител за напълването с течна фаза до 80% (предотвратяващ разрушаването на бутилката при прегряване) и предпазен клапан, който при прекомерно увеличаване на налягането в резервоара, да пропусне газ в околното пространство. По-голям проблем има с МПС, оборудвани със системи за ВПГ, защото поради топлопредаване към вътрешния съд на резервоара с двойните стени ще се получава изпарение и ще трябва периодично да се вентилира (изпуска) част от газа. Ако има повече МПС, паркирани в гаража, то на тавана трябва да има отвор за вентилация.

Системи за дозиране и смесообразуване

Системите за дозиране и смесообразуване, както при използването на СПГ, така и при ВВГ са основно два типа: пневматични (на принципа на карбурацията) и електронни (впръскване на горивото).
Пневматичните се използват от много години, а и в България те са масово разпространени. Работят на принципа на бензиновия карбуратор, където горивото се смесва с постъпващия въздух в гориво-въздушния смесител (в случая газов смесител). Електронните системи използват впръсквачи (дюзи) или клапани с възможност за контрол на разхода на гориво, смесващо се с въздуха.
Пневматичните системи за конвертиране на двигателя за работа с ВВГ, СПГ и ВПГ са почти идентични с изключение на резервоарите им, изпарителите (за ВВГ и ВПГ ) и допълнителния регулатор за високо налягане при СПГ.
Смесителят (виж Фиг. 2.1) се намира над дроселовата клапа и реагира на налягането във всмукателния колектор. Някои смесители контролират и разхода на въздух. Смесителите трябва да позволяват настройка на състава на горивната смес при работа на празен ход и пълно натоварване. Смесителите се подбират в зависимост от разхода на въздух към дадения двигател при очакваните режими на работа. Ако смесителят е твърде малък (малко напречно сечение в стеснението- „Вентури”), то ще се ограничи максималната мощност, която може да развие двигателя. Ако смесителят е твърде голям, то ще има проблеми с регулирането на празен ход и малките натоварвания на двигателя. Също така пускането ще е затруднено.
Двигателите, които никога не работят с напълно отворена клапа, трябва да бъдат оборудвани с леко занижено сечение на смесителя, тъй като това ще доведе до леко пускане и безпроблемна работа на частични режими (ниски скорости).
Разхода на въздух през смесителя може да се определи от следната зависимост: Публикувано изображение

където: - необходим разход на въздух, m3/min; ?v - коефицент на пълнене;
- работен обем на двигателя, л; n - честота на въртене на двигателя, min-1.
Клапанът за спиране на газообразното гориво се затваря, когато двигателя не работи и тези клапани нормално се управляват от превключвателя за варианта на захранване. Има допълнителна осигуровка против изтичане на газ при неработещ двигател в самият редуктор, като тя може да бъде с пневматично действие (вакуумна камера) или с електронно действие (електромагнитен клапан). Клапанът за спиране на бензина е електромагнитен и се командва от превключвателя за вида на горивото. Когато се работи с алтернативното гориво, този клапан е затворен. Също така при двигатели с впръскване на бензин, при работа на газ трябва да се изключи електрическото захранване към електромагнитните дюзи за да се намали износването им.
От около 10 години се използват електронни системи за конвертитане за работа както с природен газ, така и с ВВГ (виж Фиг. 2.2.). Принципната разлика с пневматичните е, че се използват електромагнитни дюзи (инжектори) за дозиране на необходимото количество газ (изменя се времето на отварянето им). Времето за реагиране на газовия поток при електронните системи е в порядъка на 25 ms, докато при карбураторния тип е към 150 ms.
Публикувано изображение
Предимствата им пред механичните (карбураторните) системи са:
-прецизен контрол на разхода на гориво;
-мигновено реагиране при преместване на дроселовата клапа;
-бързо пускане (особено в студено време);
-намален специфичен разход на гориво(g/kWh);
-контролира се разхода на гориво при забавяне (намаляване) на скоростта (принудителен празен ход);
-не е необходим регулатор за ниско налягане;
-прецизен контрол на вредните емисии.
Публикувано изображение

Оценяване на системите за конвертиране

В Европейския съюз и САЩ има вече и стандарти за МПС, работещи с природен газ и ВВГ. Тези стандарти са основно за вредните емисии, отделяни с изпусканите газове.
Трябва да се отбележи, че пневматичните системи за конвертиране трудно ще удоволетворят все по-стриктните стандарти за вредните емисии от бензиновите двигатели. Затрудненията са първо със забавената реакция при тях и второ с вида на каталитичния неутрализатор, който е оптимизиран за работа на двигателите с бензин. Друг проблем е, че местата, където се извършва конвертирането (сервизи, работилници и др.) не разполагат с измервателна апаратура за оценяване на CO, CH и NOx, а така също нямат възможност да сравнят мощностните показатели на автомобила с двата вида захранване. Необходими са стендове с бегови барабани (мощностни стендове).
Ако се сравнят ефективните мощности и специфичния разход на гориво на двигател с двойно захранване (bi-fuel engine) се установява , че мощността при работа с ВВГ или СПГ ще е по-ниска.
От провежданите експерименти на бегови барабани (имитиране на движение в градска зона) в САЩ е установена ориентировъчно разлика в пробега, който може да се измине с бензин или ВВГ. При работа с бензин той е 8,23 km/l, а при ВВГ е 6,04 km/l. Следователно средно с [(8,32-6,04)/8,32]*100 = 27 % е по-нисък пробегът при използване на ВВГ. Ако искаме да направим сравнение с разхода l/100 km на бeнзин и ВВГ, то се процедира така:
8,32 km/l са 100*1/8,32 = 12,02 l/100 km при работа с бензин
6,04 km/l са 100*1/6,04 = 16,56 l/100 km при работа с ВВГ

Или с [(16,56 - 12,02)/12,02]*100 ? 38 % е увеличен разхода на ВВГ в литри за 100 km пробег. Следователно ако на един автомобил средния разход на бензин е 8 l/100 km, то може да се очаква, че работата с ВВГ ще изразходва (x-8)/8=0,38 пъти по-вече. Или x = 8+0,38*8=11 l/100 km. На практика разликата може да бъде по-малка ако се възползваме от възможноста за работа с по-бедни горивовъздушни смеси при газовото захранване.
Що се отнася до вредните емисии, които се отделят при работа с ВВГ или природен газ, то те зависят много от регулировката на дозиращата система. Като резултат от многото изследвания на конвертирани двигатели е установено значително намаляване на CO и CH, но по отношение на NOx в повечето случаи има завишение при използване на ВВГ или природен газ. Тези резултати са типични за работа на двигателя с леко обеднена горивна смес, а преминаването на работа с газово гориво създава предпоставки за това.

Автомобилни системи за използване на алкохоли

На пазара няма оборудване за конвертиране на автомобилни двигатели за работа с метанол или етанол. Обаче производителите, и то предимно в САЩ, пускат на пазара автомобили с така нареченото сдвоено захранване c гориво (dual fuel engine). Тези автомобили спадат към т. нар. flex-fuel (промяна в горивото) тип и обикновено могат да работят със смес от бензин и метанол от 100 % бензин до 85 % метанол. Тук може да се отбележи, че състезателните автомобили от много години използват спиртни горива. Също така и етанолът се използва от много години за производството на газохол, което е смес от бензин и до 10% етанол. Но газохолът не се смята като алтернативно гориво. Спирт и деривати на спирта се използват също за добавки към бензина за подобряване на антидетонационните му характеристики и за получаване на т. нар. кислородосъдържащи горива, които се прилагат за подобряване на екологическата обстановка.
Още в края на 80-те години на миналия век в САЩ са започнали работа по демонстрационни проекти с цел намаляване на замърсяването от транспорта. Наблюдавало се е въздействието на метанола при продължителното му използване върху двигателя и системите за намаляване на емисиите. Наблюдавано е поведението на двигателя (износването), състоянието на гарнитурите, горивната икономичност, нивото на емисиите, разхода на масло и т.н. в продължение на 40000 ? 50000 km пробег. Променена е била горивната система, т. е. да е съвместима с метанола (карбуратор, резервоар, горивна помпа, тръбопроводи и т.н.). Поради по-ниската скорост на изгаряне на метанола, двигателят е бил модифициран, като е увеличен хода на буталото и степента на сгъстяване. Модифицирана е била и пета предавка, като е било понижено предавателното число от 0,72 : 1 на 0,60 : 1. В резултат се е понижила честотата на въртене на двигателя при 90 km/h от 2200 min-1 на 1875 min-1, което е довело до повишаване на въртящия момент. Като цяло максималната мощност се е увеличила с 28 %, а максималния въртящ момент с около 25 %.
Пускането на двигателя при температура на околната среда над 20 0C е било задоволително. При температура по-ниска от горепосочената е необходим подгревател на постъпващия в двигателя метанол. Основните вредни компоненти са много ниски с изключение на въглеводородите. Що се отнася до горивната икономичност, то при използването на 100 % метанол в лек автомобил „Дженеръл Мотърс” с ходов обем 2,8 l. и номинална честота на въртене на коляновия вал 5000 min-1, разхода на метанол отнесен към еквивалентен бензин е бил около 14 km/l, а при стандартния двигател, работещ с бензин-12,3 km/l, т.е. с около 14% е по-голям пробега при приведено еднакво енергийно съдържание на двата вида горива. Разхода на смазващо масло при работа с метанол се е оказал по-голям.

ПРЕУСТРОЙВАНЕ НА ДВИГАТЕЛИ СЪС САМОВЪЗПЛАМЕНЯВАНЕ

От механизма на възникване на горенето при дизеловите двигатели е известно, че се сгъстява въздух в цилиндъра и след това се впръсква гориво в нагорещения въздух. В зоната на разпадащата се горивна струя има зони с въздушно отношение, близки до стехиометричното (? = 1) и там възникват огнищата на самовъзпламеняването. Като цяло въздушното отношение е по-голямо от 1, т.е. имаме бедна смес с излишък на кислород. Тази особеност дава възможност за по-пълно изгаряне на горивото в сравнение с бензиновите двигатели, а и същевременно за по-ниски максимални температури в цилиндъра и оттам по-ниски стойности на азотните окиси. Поради горните особености следва, че двигателите със самовъзпламеняване изискват гориво с добри самовъзпламеняващи качества или казано по-точно с високо цетаново число. Както бе разгледано при алтернативните горива, техните свойства са доста различни от тези на дизеловото гориво и не са подходящи за ползване в двигатели със самовъзпламеняване. ВВГ, природния газ и алкохолите имат много високо октаново число, но много ниско цетаново число. Следователно са необходими значителни промени в конструкцията на тези двигатели с цел да се изгарят повечето алтернативни горива.

Използване на газообразните горива

Съхраняването на газообразните горива при тези превозни средства е същото, както при автомобилите с възпламеняване чрез електрическа искра. Различават се дозирането и подаването на горивата към двигателя. Природния газ и ВВГ не могат да се използват директно в двигателите със самовъзпламеняване. Тези горива са с лоши характеристики относно самовъзпламеняване и е необходим външен източник за възпламеняване. Има два основни метода за изгаряне на газообразните горива в разглеждания тип двигатели:
- преустройване на двигателя за работа с газообразно гориво и възпламеняване от електрическа искра (газов двигател);
- преустройване за едновременна работа с два вида горива (dual-fuel), като алтернативното гориво се подава във всмукателния колектор, а другото (дизеловото гориво) се впръсква от стандартната горивна апаратура (газодизел).

Преустройване на двигателя за работа с възпламеняване от електрическа искра

Необходими са следните промени:
-монтиране на система за дозиране на газообразно гориво;
-премахване на горивната апаратура за впръскване на дизелово гориво;
-поставяне на дроселова клапа във всмукателния тръбопровод;
-намаляване степента на сгъстяване на двигателя според ОЧ на използваното газово гориво;
-модифициране на цилиндровата глава – премахване на дюзите и поставяне на ел. cвещи;
-модифициране на припокриването на всмукателни и изпускателните клапани;
-замяна на буталните пръстени и уплътненията на изпускателните клапани.

Работа с две горива едновременно (фумигация)

За съществуващите дизелови двигатели (тези които са в експлоатация) се смята, че едно от решенията за работа с газообразни горива е варианта с използването на запална порция дизелово гориво (газодизел), която да възпламени образуваната при пълнене на цилиндрите хомогенна смес от въздух и газообразно гориво (т.н. dual-fuel engine). Важно за такова конвертиране е оптимизирането на мощностните и екологичните параметри на двигателя при различни режими на работа. Множеството разработки показват КПД като този на дизеловия двигател при високите натоварвания на двигателя и съответно намалени емисии на сажди. Проблем все още са режимите с малки натоварвания, когато въздушното отношение е високо и процесът на изгаряне на горивото е несъвършен (горенето протича не пълно с високи стойности на не изгорелите въглеводороди).
Препоръчва се при малки натоварвания да се работи само с дизелово гориво, а при средни натоварвания да се намали въздушното отношение с притваряне на дроселовата клапа до към 70% и вариране между количеството на газообразното гориво и запалната порция гориво, че да се получи състав на горивната смес в границите на 1,4 (за избягване на детонационното горене и намаляване на NOx). При високите натоварвания на двигателя дроселовата клапа се отваря напълно и се намалява количеството на запалната порция гориво до толкова, че да се избегне детонационното горене. При тези режими е желателно да се намали ъгъла на изпреварване на впръскване на запалната порция гориво с цел да се намали тенденцията за детонационно горене и да се понижат емисиите на NOx (понижава се максималната температура на горене). При използване на горната стратегия, е постигната почти бездимна работа на двигателя в широк обхват от натоварвания.

#2 Ivo_Dinkov

Ivo_Dinkov

    Реставратор

  • Global moderators
  • 11216 Мнения:
  • Gender:Male
  • Location:София/Плевен
  • Kaра:A8 & Fabia

Публикувано 10 май 2012 - 22:59

Въпреки, че е супер полезна темата, ще те помоля да не именуваш повече теми само с главни букви.
Благодаря :bia:

#3 integrale45

integrale45

    Антонио

  • Members
  • 6493 Мнения:
  • Gender:Male
  • Location:Русе кв.Дружба-3
  • Interests:Аudi RS6 sedan
    Lancia Delta HF Integrale
  • Kaра:Аudi 80 quattro 20V

Публикувано 11 май 2012 - 06:41

Да,извинявам се, просто вчера сканирах текста то един учебник по траснпортна екология и после copy,paste,но няма да се повтори :rolleyes:




0 Потребител(и) четат тази тема

0 потребители, 0 гости, 0 анонимни

mobile.bg