Модернизация двигателей ВАЗ для работы на сжиженном газе. Работа №51076

Модернизация двигателей ВАЗ для работы на сжиженном газе

Енина Н.А.

Автомобильный транспорт является основным потребителем жидких топлив – бензина и дизельного топлива, при сгорании которых выделяются вредные для человека и окружающей среды вещества – отработавшие газы. Постоянный рост числа автомобилей приводит как к неуклонному сокращению запасов сырья для производства топлив – нефти, так и к накоплению в окружающей среде вредных веществ, поступающих с отработавшими газами.

Расширить сырьевую базу автомобильных топлив и одновременно уменьшить вредное воздействие на экологию можно за счет использования так называемых нетрадиционных, или альтернативных топлив. Наибольшее распространение на автомобильном транспорте получили газообразные углеводородные топлива, которые относятся к чистым в экологическом отношении моторным топливам. Стоимость газообразного топлива в 2-3 раза ниже стоимости бензина и дизельного топлива, а запасы его сырья превосходят нефтяные. Эти факторы обусловили применение газа на автотранспорте.

Для работы на газообразных топливах транспортные средства переоборудуются в газобаллонные автомобили (ГБА). На базе серийных бензиновых и дизельных автомобилей выпускают ГБА и комплекты газового оборудования для установки на них. Но перевод автомобилей на газообразные топлива требует выполнения дополнительных работ по установке газовой системы питания, включая газовые баллоны, ее техническому обслуживанию и ремонту. Применение газа на автомобиле повышает требования пожарной безопасности при его эксплуатации. В данной работе будут рассмотрены некоторые технологии, направленные на снижение выбросов токсичных веществ в процессе эксплуатации автомобилей, в частности, технология использования природного газа в качестве моторного топлива.

В последнее время сжиженный газ все чаще упоминается, как наиболее перспективное, альтернативное бензину и дизельному моторное топливо не только для городских автобусов, но и для пассажирских и коммерческих автомобилей.

Объект исследования – двигатель ВАЗ 2107.

Цель работы – модернизация двигателей ВАЗ, для работы на сжиженном газе.

Методика работы – анализ литературы по устройству и проектированию двигателя внутреннего сгорания, исследование на математических моделях внутренних процессов в ДВС, расчет нагрузок и геометрических размеров газового баллона.

Практическая ценность проекта состоит в конструкторской проработке деталей двигателя внутреннего сгорания работающего на сжиженном газе.

Основными компонентами сжатого и сжиженного газа являются газы, которые обладают взрыво- и пожароопасными свойствами и могут оказывать негативное воздействие на водителя, пассажиров, ремонтных рабочих. Газ в отличие от других видов моторного топлива (бензина и дизельного топлива) находится в баллоне под давлением, и в случае негерметичности любого элемента ГБО происходит его утечка. Газообразные топлива легко могут образовать пожаро-взрывоопасную смесь с воздухом в подкапотном пространстве, салоне, кузове, в помещении, где хранится и обслуживается ГБА, и на заправке.

Природный газ, плотность которого примерно в два раза меньше плотности воздуха, при утечке поднимается вверх, а пропан-бутан, плотность которого больше плотности воздуха, оседает. Газ сжиженный нефтяной, попадая на кожу и испаряясь, может вызвать серьезные обморожения - ожог кожного покрова, поэтому надо быть особенно внимательным при заправке, а также во время ТО и ремонта баллона и газовой арматуры.

Струя компримированного природного газа в случае внезапной разгерметизации или открытия вентилей оказывает механическое травмирующее воздействие на человека. Поэтому конструкция ГБА и вся инфраструктура, связанная с их заправкой, эксплуатацией, техническим обслуживанием, ремонтом и их хранением, должны отвечать повышенным требованиям техники безопасности.

Для безопасной работы газобаллонного оборудования необходимо регулярно проводить работы по его техническому обслуживанию, строго соблюдать технологии ТО и ремонта.

Сварочные, окрасочные работы (включая горячую сушку), а также работы с электродрелью, а также с другими инструментами и абразивными материалами, дающими искрение, производятся на ГБА с дегазированными баллонами.

При проектировании нового изделия необходима первоначальная оценка его востребованности на рынке продаж. При этом, одним из главных факторов, отвечающих за спрос потребителя на эту продукцию, является его цена. Поэтому, на начальной стадии проектирования, следует определить лимитную (максимальную) цену нового изделия, с целью проведения дальнейших маркетинговых исследований.

В представляемой работе проектируется силовая установка для автомобиля с двух топливной системой питания т.е. бензин + сжиженный природный газ. Проектируемая силовая установка отличается от базовой наличием следующего дополнительного оборудования: установкой газового баллона, дополнительных газопроводов, газового редуктора, клапанов, позволяющего существенно улучшить ее экологические характеристики при значительном снижении расхода. Расчет экономического эффекта от внедрения новой силовой установки выполнен в соответствии с «Отраслевой инструкцией по определению экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений», действующей на заводах изготовителях (ЗИ).

Расчет газового баллона

Расчет параметров куполов баллона с толщиной цилиндрической части hц =7,0+0,5 мм, R0= 125,0 мм, R1 = 162 мм, R2 = 200 мм, а = 55,7, rr = 20,5 мм, Rr = 10,0 мм,

 

 

Рисунок 1 – Чертеж баллона

 

Таблица 1 – Координаты внешнего контура, согласно чертежу

№

X

Y

0

125,0

0,0

1

54,2

0,0

2

0,0

79,47

3

94,1

-58,49

4

28,77

-85,03

5

…

…

6

30,5

-94.88

 

Внутренние объемы (вместимость) куполов - 2,35 / 2,28 л
Объем металла куполов - 0,576 / 0,665 л

Исходя из геометрии наружной поверхности купола без горловины,
можно рассчитать геометрию оправки (пуансона).

Расчет напряжений напряжений продольных <Object: word/embeddings/oleObject1.bin> и окружных <Object: word/embeddings/oleObject2.bin> на наружной поверхности сплошного купола для Рг = 3,0 • Рраб= 60,0 МПа (611,9 кг/см2 )Расчет указанных напряжений проводим по формулам для без моментного состояния:

<Object: word/embeddings/oleObject3.bin> (5.1)

<Object: word/embeddings/oleObject4.bin> (5.2)

<Object: word/embeddings/oleObject5.bin> (5.3)

Таблица 2 – Результаты расчета

№

R2i, мм

R1, мм

hл, мм

<Object: word/embeddings/oleObject6.bin><Object: word/embeddings/oleObject7.bin>,

МПа

<Object: word/embeddings/oleObject8.bin>

<Object: word/embeddings/oleObject9.bin>,

МПа

<Object: word/embeddings/oleObject10.bin>,

МПа

Примечание

I

124,5

70,8

7,0

533,6

0,2415

128,9

482,8

 

2

126,5

 

 

540,0

0,2200

119,0

491,5

 

3

131,5

 

 

563,6

0,1426

80,4

528,0

 

4

143,0

 

 

612,8

-0,0200

-12,1

619,0

 

5

167,0

 

 

715,7

-0,3590

-256,8

873,0

 

6

167,0

 

 

715,7

1,0

715,7

715,0

 

7

167,0

167,0

7,0

715,7

1,0

715,7

715,0

 

8

167,0

 

 

 

 

715,7

1,0

715,7

715,0

 

 

Расчет напряжений <Object: word/embeddings/oleObject11.bin> на внутренней поверхности купола для Pp = 3,0·Pраб = 60,0 МПа (611,9 кг/см2)

Расчет напряжений <Object: word/embeddings/oleObject12.bin> проводим по тем же уравнениям, а интенсивность напряжений <Object: word/embeddings/oleObject13.bin> с учетом радиального напряжения на поверхности <Object: word/embeddings/oleObject14.bin> = - Рр = 60,0 МПа по формуле:

 

<Object: word/embeddings/oleObject15.bin> (5.4)

 

 

 

 

Таблица 3

№

R2i, мм

R1, мм

hл, мм

<Object: word/embeddings/oleObject16.bin><Object: word/embeddings/oleObject17.bin>,

МПа

<Object: word/embeddings/oleObject18.bin>

<Object: word/embeddings/oleObject19.bin>,

МПа

<Object: word/embeddings/oleObject20.bin>,

МПа

Примечание

1

117,5

63,8

7,0

503,6

0,1583

79,7

508,0

 

2

119,0

 

 

 

 

510,0

0,1350

68,2

518,0

 

3

124,5

 

 

 

 

533,6

0,0486

25,9

556,0

 

4

136,0

 

 

 

 

581,5

-0,1320

-76,7

650,0

 

5

160,0

 

 

 

 

685,7

-0,5

-434,0

920,4

 

6

160,0

 

 

685,7

1,0

685,7

745,7

 

7

160,0

1600

7,0

685,7

1,0

685,7

745,7

 

8

160,

 

 

 

 

685,7

1,0

685,7

745,7

 

 

Расчет напряженного состояния на наружной и внутренней поверхностях цилиндрической оболочки баллона при Рр = 3,0·Рраб = 60,0 МПа (611,9 кг/см2)

Расчет напряжений проводим по формулам для трехосного напряженного состояния:

круговые (тангенциальные) напряжения

<Object: word/embeddings/oleObject21.bin> (5.5)

где: <Object: word/embeddings/oleObject22.bin> r1 = 125,0 мм; r0 = 118,0 мм; r1, г0 - радиусы наружной и внутренней поверхностей соответственно.

осевые напряжения рассчитывают по формуле:

<Object: word/embeddings/oleObject23.bin> (5.6)

радиальные напряжения <Object: word/embeddings/oleObject24.bin> = 60,0 Мпа.

Интенсивность разрушающих напряжений рассчитываем по формуле:

<Object: word/embeddings/oleObject25.bin> (5.7)

Согласно исходным данным r1 = 125,0 мм, r0 = 118,0 мм, получаем:

<Object: word/embeddings/oleObject26.bin>

 

Величины расчетных напряжений:

<Object: word/embeddings/oleObject27.bin> = 1042,3 МПа; <Object: word/embeddings/oleObject28.bin> = 491,16 МПа; <Object: word/embeddings/oleObject29.bin> = -60,0 МПа.

Интенсивность разрушающих напряжений:

<Object: word/embeddings/oleObject30.bin> (5.8)

Расчетная характеристика <Object: word/embeddings/oleObject31.bin> > 935,0 МПа (превышает на 2,1%), она может быть снижена плюсовым допуском на толщину стенки.

V - полный объем баллона

Vц.у. - объем цилиндрической части баллона

Vд – объем днища

<Object: word/embeddings/oleObject32.bin> (5.9)

Vд=2,35 л

V = Vцил + 2Vд = 48+2ּ2,35 = 53 л (5.10)

Vп – полезный объем баллона

Vп = 0,9V = 0,9ּ53 = 47 л (5.11)

Объем газовой подушки – 10% полного объема.

Принимаем газовый баллон: модель 9230 типа БТ 30.20.250/785

 

Заключение

В данном проекте в качестве аналога был взят двигатель ВАЗ-2107 рабочим объем 1,6 литра, обеспечивающий приемливые тяговые характеристики. Газовый баллон с интегрированным вентилем со встроенным предохранительным, пожарным и расходным клапанами и системой вентиляции утечек, был расположен в багажнике. В заключение хочу отметить, что годовой экономический эффект от внедрения модифицированного двигателя составит более 4 млн. руб. при годовом выпуске 10000 шт., а это было бы существенно для предприятия производителя.

 

Список используемых источников:

Болоев

П.А.,

Ганбат

Ш., Очирова Т.П., Стариков А.А. Определение оптимальных параметров надежности двигателей при работе на газе / Теория и практика реализации технологического образования: Материалы международной научно-практической конференции. Улан-Удэ, 2006. – с. 172-174.

Болоев

П.А., Очирова Т.П.,

Дульчаева

И.Л. Экологические параметры работы автомобильных двигателей. / Теория и практика реализации технологического состояния образования: Материалы международной научно-практической конференции. Улан-Удэ, 2006. – 171

с

.

Болоев

П.А., Очирова Т.П., и др. Технико-экологические показатели работы бензинового двигателя при работе на сжиженном газе / Факультет механизации сельского хозяйства: Материалы научно-практической конференции. Актуальные вопросы развития регионального АПК.- Иркутск, 2007. - с. 12-14.

Васильев Ю.Н. Транспорт на газе / Ю.Н. Васильев, А.И.

Гриценко

, Л.С.

Золотаревский

. – М.: Недра, 1992. – 342

с

.