Материал: 1766

Певнев Н.Г., Колубаев Б.Д. и другие. Основоположниками научных принципов эксплуатации автомобилей в условиях отрицательных температур окружающего воздуха являются такие ученые, как Крамаренко Г.В., Резник Л.Г., Кузнецов Е.С., Захаров Н.С., Лосавио Г.С. и другие. Проблемами обеспечения работоспособности ГБА занимались такие ученые, как Гнатюк Е.В., Певнев Н.Г., Хабеишвили Д.А., Трофимов А.В., Морозов В.А. и другие.

Научные работы этих ученых в настоящем исследовании составили базу предлагаемых технических решений по обеспечению работоспособности ГБА при отрицательных температурах окружающего воздуха.

На сегодняшний день имеющиеся научные исследования не позволяют оценить работоспособность впрысковых систем питания ДВС ГБА, так как в этих исследованиях рассматриваются узлы, определяющие работоспособность эжекционных систем питания. Следовательно, необходимо оценить работоспособность впрысковых систем питания ДВС ГБА в заданных условиях.

Сравнивая опыт ФГБОУ ВПО «СибАДИ» и МГТУ «МАМИ», которые в разное время предлагали устройства для поддержания давления СУГ в автомобильном газовом баллоне, такие как: утилизационный контур отработавших газов ДВС на автомобильном газовом баллоне; электронагревательный контур на автомобильном газовом баллоне; вариант испарения СУГ в автомобильном газовом баллоне при помощи охлаждающей жидкости, а также опыт подогрева газа в подземных резервуарах в системе жилищно-коммунального хозяйства и эксплуатацию ГБА на СУГ в странах Европы, Америки, Японии, Кореи и др., сделан вывод, что наиболее подходящим для поддержания давления СУГ в газовом баллоне в условиях отрицательных температур окружающего воздуха является электронагреватель с автоматическим поддержанием заданного давления СУГ. Проведя анализ электронагревателей, установлено, что наиболее рациональным для испарения СУГ в автомобильном газовом баллоне является трубчатый электронагреватель (ТЭН).

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям поддержания давления насыщенных паров СУГ в газовом баллоне.

Вданной работе и работах предшественников принята аксиома, что в автомобильном газовом баллоне не происходят химические превращения, а изменяются лишь параметры жидкой и паровой фаз СУГ.

Вавтомобильном газовом баллоне СУГ находится в двух агрегатных состояниях: жидком, парообразном. Под влиянием температуры окружающего воздуха в газовом баллоне происходит изменение агрегатного состояния СУГ и теплосодержания системы (рис. 1) (стационарные условия).

Температура окружающего воздуха воздействует на газовый баллон, изменяя температуру стенок баллона, что в свою очередь приводит к изменению температуры паровой и жидкой фазы СУГ. Жидкая фаза СУГ состоит в основном из пропана

ибутана. При повышении температуры окружающего воздуха происходит испарение более легких фракций СУГ, преимущественно пропана, тем самым изменяется давление паровой фазы в баллоне. При температуре окружающего воздуха выше температуры кипения жидкой фазы входящих компонентов не происходит омывание жидкой фазой СУГ внутренней стенки баллона (рис. 1, а). При этих условиях всегда между жидкой фазой СУГ и внутренней стенкой баллона по всей его поверхности будет паровая фаза. Чем больше в компонентном составе СУГ легких

6

фракций, тем больше толщина паровой фазы и выше давление насыщенных паров СУГ.

Рис. 1. Формирование агрегатного состояния СУГ в газовом баллоне:

а- температура окружающего воздуха больше температуры кипения жидкой фазы СУГ;

б- температура окружающего воздуха меньше или равна температуре кипения жидкой фазы СУГ;

tж.ф - температура кипения жидкой фазы СУГ; tвоз - температура окружающего воздуха; Рп.ф. - давление паровой фазы СУГ; q - удельный тепловой поток; Sб - толщина стенки газового баллона; λб - коэффициент теплопроводности стенки баллона; α1 - коэффициент теплопередачи от наружной поверхности газового баллона к окружающему воздуху; Sп.ф - толщина паровой фазы СУГ; λп.ф - коэффициент теплопроводности паровой фазы

При температуре окружающего воздуха, ниже или равной температуре кипения жидкой фазы входящих компонентов, давление насыщенных паров СУГ в газовом баллоне минимально и происходит омывание внутренней стенки баллона жидкой фазой СУГ (рис. 1, б).

Отсюда следует, что компонентный состав СУГ и температура окружающего воздуха формируют агрегатное состояние СУГ в газовом баллоне.

Данные утверждения раскрывают условия испарения жидкой фазы внутри баллона, так как теплопроводность жидкой фазы намного больше паровой.

В научных работах предшественников, таких как: Самоль Г.И., Гольдблат И.И., Ерохов В.И. и др., считалось, что, при температуре окружающего воздуха выше температуры кипения жидкой фазы входящих компонентов, паровая фаза формируется только сверху жидкой фазы СУГ.

Выявленная закономерность формирования агрегатного состояния СУГ в газовом баллоне позволила определить математические модели количества тепла для поддержания заданного давления СУГ в газовом баллоне.

Количество тепла, необходимое для повышения температуры СУГ до заданной величины, кДж:

где ССУГ - массовая теплоемкость жидкой фазы СУГ, кДж/(кг∙ ºС); МСУГ - масса СУГ, кг; ∆tСУГ - разница между начальной и конечной температурами СУГ, ºС.

7

Количество тепла, необходимое для повышения температуры корпуса баллона, кДж:

где Сбал - массовая теплоемкость материала баллона, кДж/(кг∙ ºС); Mбал - масса баллона, кг; ∆tб - разница между начальной и конечной температурами баллона,ºС.

Количество тепла, поглощенного корпусом автомобильного газового баллона извне (из окружающей среды), Вт:

где tп.ф. - температура паровой фазы СУГ, ºС; tв - температура окружающего воздуха, ºС; Sп.ф. - толщина паровой фазы СУГ, м; Sб - толщина стенки газового баллона, м; λп.ф. - коэффициент теплопроводности паровой фазы, Вт/(м∙ ºС); λб - коэффициент теплопроводности стенки баллона, Вт/(м∙ ºС); α2- коэффициент теплопередачи от наружной поверхности газового баллона к окружающему воздуху, Вт/(м2∙ºС);

Fб - площадь поверхность газового баллона, м2.

Количество тепла, необходимое для поддержания заданного давления, кДж:

где - КПД нагревательного элемента.

На основе расчетов выявлена закономерность, представленная на рис. 2.

Рис. 2. Закономерность изменения количества тепла для поддержания заданного давления в газовом баллоне при изменении температуры окружающего воздуха и различных объемах жидкой фазы СУГ в баллоне

8

Выявленные закономерности позволили разработать методику определения параметров комплекса технических решений по поддержанию заданного давления СУГ в газовом баллоне. Методика включает в себя многофакторные математические модели исследуемых процессов передачи тепла (рис. 3).

Рис. 3. Методика определения параметров комплекса технических решений по поддержанию заданного давления СУГ в газовом баллоне:

γ – место расположения газового баллона; VСУГ – объем СУГ в баллоне, Vбал – объем газового баллона; tокр.воз.- температура окружающего воздуха; υв – скорость ветра; рСУГ - давление насыщенных паров СУГ в газовом баллоне; Qп - полное количество тепла, необходимое для поддержания заданного давления СУГ; mСУГ – масса СУГ в баллоне; mбал – масса баллона; ССУГ - массовая теплоемкость жидкой фазы СУГ; Сбал - массовая теплоемкость материала баллона; Nг - мощность, необходимая для поддержания заданного давления СУГ; τ – время, необходимое для поддержания заданного давления СУГ в баллоне; NТЭН – потребляемая мощность ТЭН; Nост – остаточная мощность; Nген – мощность генераторной установки; Nпотр – мощность потребителей электроэнергии на ГБА; l - длина проволоки нагревателя; d - диаметр нагревателя круглого сечения; ΣQ - тепловой поток, проходящий от ТЭН через газовый баллон с СУГ к окружающему воздуху;

tСУГж.ф..- температура жидкой фазы СУГ; tСУГп.ф..- температура паровой фазы СУГ; tТЭН - температура ТЭН; λтепл - коэффициент теплопроводности теплоизоляции; Sтепл - толщина теплоизоляции;

η – коэффициент полезного действия; ΣQт - тепловой поток, проходящий от ТЭН через газовый баллон с СУГ и теплоизоляцию к окружающему воздуху

9

Разработанная методика позволяет произвести выбор параметров, входящих в комплекс технических решений по поддержанию заданного давления СУГ в газовом баллоне, для конкретного ГБА с учетом влияния на него температуры окружающего воздуха.

Для сохранения тепла, подводимого к СУГ, находящегося в газовом баллоне, предложено ограничить выход теплового потока от ТЭН к окружающему воздуху за счет теплоизоляции автомобильного газового баллона.

В настоящей диссертационной работе установлено, что при применении теплоизоляции тепловой поток, проходящий от ТЭН через газовый баллон с СУГ к окружающему воздуху, снизился на 44,5 Вт (29,0%). Предложенные технические решения позволяют сохранить тепло, подводимое к СУГ в газовом баллоне.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям поддержания давления насыщенных паров СУГ в газовом баллоне.

Для проверки результатов теоретических исследований поддержания заданного давления СУГ в газовом баллоне были проведены эксперименты. Для проведения испытаний подготовлена экспериментальная установка, ее принципиальная схема и общий вид представлены на рис. 4 и 5.

Объектом экспериментальных исследований является комплекс технических решений по поддержанию заданного давления СУГ в газовом баллоне для системы питания ДВС. Фрагмент этой системы, а именно газовый баллон с устройством для поддержания заданного давления СУГ, является предметом детального исследования.

Задачами экспериментов являются:

-оценка работоспособности предложенного комплекса технических решений по поддержанию заданного давления СУГ в газовом баллоне;

-проверка адекватности многофакторных моделей по результатам эксперимен-

та.

Рис. 4. Принципиальная схема экспериментальной установки:

1 - газовый баллон; 2 - входной газовый фильтр; 3 - блок арматуры; 4 - заправочная магистраль; 5 - выносное заправочное устройство; 6 - расходная магистраль; 7 – образцовый манометр; 8 - термопара паровой фазы; 9 - измеритель температуры; 10 - клеммы ТЭН; 11 - датчик для контроля давления СУГ; 12 - лабораторный термометр; 13 - схема отключения устройства для поддержания заданного давления СУГ при увеличении давления выше заданного и выработке газа из баллона; 14 – источник питания (АКБ и генераторная установка); 15 – датчик уровня газа; 16 - трубчатый электронагреватель; 17 - термопара жидкой фазы

10