Разработка элементов управления топливной системы газодизеля морской техники
|
СОКРАЩЕНИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОДИЗЕЛЯ 5
1.1 Экологическое обоснованное применения газодизельного топлива 5
1.2.Области применения газодизельных двигателей 9
1.3 Имеющийся опыт и перспективы использования газопоршневцых ДВС на флоте 18
ВЫВОДЫ 24
2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ 27
2.1 Теоретические сведения и структурные схемы элементов 27
ВЫВОДЫ 40
3. СОЗДАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ 42
ВЫВОДЫ 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОДИЗЕЛЯ 5
1.1 Экологическое обоснованное применения газодизельного топлива 5
1.2.Области применения газодизельных двигателей 9
1.3 Имеющийся опыт и перспективы использования газопоршневцых ДВС на флоте 18
ВЫВОДЫ 24
2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ 27
2.1 Теоретические сведения и структурные схемы элементов 27
ВЫВОДЫ 40
3. СОЗДАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ 42
ВЫВОДЫ 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
На сегодняшний день современное двигателестроение сталкивается с двумя проблемами - истощение нефтяных запасов и необходимость повышения экологической безопасности судовых энергетических установок . Вопрос исследования является актуальным ^поскольку использование современных электронных средств управления в газодизельных двигателях, которые получают все большее распространение, обеспечивает более точное дозирование топлива и за счет этого улучшаются экономические и экологические показатели двигателя и судна в целом.
Объектом исследования является газодизель
Предметом исследования является создание современной системы топливоподачи газодизельного двигателя с использованием информационных технологий
Целью работы является совершенствование системы управления газодизелем.
Задачи
- Анализ областей применения газодизеля
- Разработка алгоритма управления газодизелем
- Создание технических средств управления газодизелем
Объектом исследования является газодизель
Предметом исследования является создание современной системы топливоподачи газодизельного двигателя с использованием информационных технологий
Целью работы является совершенствование системы управления газодизелем.
Задачи
- Анализ областей применения газодизеля
- Разработка алгоритма управления газодизелем
- Создание технических средств управления газодизелем
Из- за большой агрегатной мощности судовые ДВС могут являться основным источником загрязнения атмосферы в таких локальных зонах как порты, гидротехнические сооружения, акватории рек в черте города
Установленные требования означают необходимость принятия следующих мер: снижения расхода топлива, которое неизбежно приведет к эквивалентному снижению выбросов с ОГ продуктов неполного сгорания топлива: сажи, углеводородов, оксидов углеводородов, формальдегида; К использованию новых источников энергии, применению альтернативных топлив
Из альтернативных топлив наиболее перспективным является природный газ, Природный газ на 98.. .99 % состоит из метана.
Моторные свойства природного газа позволяют использовать его для двигателей практически не изменяя базовую конструкцию. Так же мощность установки будет сохранена, экономичность увеличится, а содержание токсичных выбросов уменьшится.
Газодизельные двигатели нашли свое применение в таких областях как автомобильный, железнодорожный, морской, речной, авиационный транспорт, а так же в и технике специального назначения.
С момента принятия закона о переходе на газодизельное топливо различных транспортных средств начались интенсивные работы по проектированию и созданию газодизельных двигателей
Используются два принципиально различающихся способа перевода дизельных двигателей на питание газовым топливом:
1. Конвертация дизельного двигателя в двигатель внутреннего сгорания с воспламенением газовоздушной смеси от искры (полное замещение топлива).
Данный способ достаточно радикальный и связан со значительным изменением конструкции базового двигателя. При этом с двигателя демонтируют дизельную топливную аппаратуру, уменьшают степень сжатия до 11- 16 единиц, устанавливают систему зажигания, топливоподающую газовую систему. В результате двигатель работает на газовом топливе, которое имеет стоимость ниже, чем дизельное топливо. Экологические параметры отработавших газов конвертированного дизеля, как правило, выше исходного двигателя, при работе по первому варианту обеспечиваются номинальные мощности с незначительным снижением кпд с базовым двигателем.
После выполнения конвертации двигатель уже не может больше работать на дизельном топливе.
2. Использование газодизельного режима. В газодизельном режиме в двигатель подают два топлива - основное дизельное (но в меньшем количестве, чем в базовом), дополнительное - газовое (топливо для замещения). При этом основное дизельное топливо играет роль «запальной» дозы для воспламенения интегральной газовоздушной топливной смеси. Существенным преимуществом газодизельного цикла является то, что мощность источника зажигания в нем значительно больше, чем в двигателе с искровым зажиганием, кроме того, рабочая смесь поджигается не в одной точке у холодной стенки, а в центре заряда. Благодаря этому одной из важных особенностей газодизельного процесса является возможность надежной работы двигателя на обедненной рабочей смеси. При таком способе сохраняется возможность быстрого перехода с газового топлива на дизельное и обратно.
Использование газового топлива на транспорте, в том числе на морском и речном, приводит к возникновению дополнительных рисков, которые необходимо минимизировать. Выделяются следующие виды опасностей, обусловленных присутствием на судне СПГ и его паров:
1) объемный взрыв газа, возникающий в результате его утечки в газообразном состоянии в замкнутом объеме при наличии источника воспламенения (источником воспламенения может служить открытое пламя, электрическая искра или поверхность, нагретая выше температуры самовоспламенения газа (для метана + 540 °));
2) взрыв емкостей для хранения газа в следствие повышения давления;
3) пожар в результате разлившегося газа или струйный пожар в результате горения газа под давлением;
4) газовое облако, в котором может возникнуть пожар;
5) быстрое фазовое превращение при попадании сжиженного газа в воду, аналогичное взрыву без возгорания;
6) резкое значительное увеличение давления в емкости
сжиженного газа в результате перемешивания слоев газа с различной плотностью и резкого увеличения интенсивности парообразования в танке СПГ;
7) удушение в результате попадания человека в облако газа;
8) травмы от низких температур в результате воздействия сжиженного газа при контакте с кожей человека;
загрязнение атмосферы в результате утечки газа
Опыт эксплуатации судов, использующих газовое топливо свидетельствует, что наибольшую опасность независимо от типа энергетической установки и способа хранения газового топлива представляют утечки газа, влекущие за собой взрывы и пожары.
Наиболее эффективным средством обеспечения безопасной эксплуатации судовых энергетических установок, работающих на СПГ является установление требований классификационных обществ, касающихся строительства и эксплуатации судов- газоходов, их энергетических установок и систем.
В двигателе работающем на газовом топливе на подачу газа дозатором к всасывающим клапанам оказывает влияние объем полости всасывания (коллектора), угла перекрытия клапанов в процессе продувки и сжимаемости газа, и поэтому он попадает в цилиндры с запаздыванием и с недостаточно качественным смесеобразованием, что ухудшает качество регулирования частоты вращения несмотря на преимущества двигателя работающего на газе.
Для улучшения экологических и экономических показателей двигателей, работающих на газовом топливе, проведены работы по созданию электроуправляемой системы импульсной подачи газа. В системах с импульсной подачей посредством быстродействующего электромагнитного клапана газ подается к всасывающим клапанам двигателя в такте впуска и поэтому влияние объема всасывания и угла перекрытия клапанов в процессе продувки сведено к минимуму, что значительно уменьшает запаздывание подачи газа
При различном режиме работы двигателя мы должны подавать разную порцию топлива .В топливных системах старого поколения этим занимался человек. На сегодняшний день все более актуальным становится использование АСУ (автоматизированной системы управления ),которая сама управляет количеством подаваемого топлива
На электрогазовый клапан с электронным управлением подается управляющий сигнал для дальнейшего распределения топлив.
Конструкция электрогазового клапана, первоначально разрабатывалась с цилиндрической возвратной пружиной. Однако в процессе исследований и испытаний было выявлено, что посадка затвора на седло происходила с перекосом, который вызывал интенсивный износ седла и затвора с последующим нарушением герметичности. Кроме того наличие одной кольцевой щели для электрогазового клапана с большой производительности приводило к увеличенным размерам седла и затвора, что приводило к увеличенной силе отрыва затвора от седла и далее к увеличенным размерам электромагнита.
В процессе дальнейших разработок была принята конструкция с двумя пластинчатыми пружинами и с двухщелевым седлом. Наличие двух плоских пружин в электрогазовом клапане осуществляет плоскопараллельное движение затвора, что обеспечивает при посадке контакт по всей поверхности затвора и седла и тем самым снижает контактное напряжение. Наличие двухщелевого седла обладает преимуществом по сравнению с однощелевым седлом, поскольку при одинаковых габаритах площадь проходного сечения для прохода газов у него больше, а за счет того, что усилие от давления газа действует на кольцевую щель то оно меньше. На такой электрогазовый клапан получен патент Российской Федерации № 2211878.
Использование электрогазового клапана с двухщелевым седлом позволяет обеспечить наполнение цилиндра лучше, чем при использовании электрогазового клапана с однощелевым седлом. Нам потребуется меньшее усилие действующее на шток клапана ,следовательно мы можем использовать более компактный и менее мощный электромагнит .
Установлено, что дальнейшее развитие газодельных двигателей требует совершенствования системы топливной подачи .
Выбрана наиболее перспективная схема подающей системы ,разработанная Фурман Виктором Владимировичем, которая успешно используется на автомобильном и железнодорожном транспорте.
Для расчетов использовались формулы ООО «Проектно-производственное предприятие Дизельавтоматика» .
Расчеты применены для конвертирования двигателя на судне ,которое использует наш университет для экспедиций . Катамаран CENTAURUS- II имеет два дизельных двигателя , мощностью Yanmar 4JH4 55 л.с и Yanmar 3JH3- 40 л.с. Система была адаптирована для двигателя Yanmar 4JH4 .При выполнении разработан алгоритм управлением топливоподачи электрогазовым клапаном с двухщелевым седлом. В зависимости от режима работы двигателя АСУ подает разное количество топлива (считывая сигнал с коленчатого вала и подавая на временной клапан) Проведены расчеты конструкции газового клапана. Предложенный алгоритм расчетов может быть использован для адаптации других дизельных двигателей.
Установленные требования означают необходимость принятия следующих мер: снижения расхода топлива, которое неизбежно приведет к эквивалентному снижению выбросов с ОГ продуктов неполного сгорания топлива: сажи, углеводородов, оксидов углеводородов, формальдегида; К использованию новых источников энергии, применению альтернативных топлив
Из альтернативных топлив наиболее перспективным является природный газ, Природный газ на 98.. .99 % состоит из метана.
Моторные свойства природного газа позволяют использовать его для двигателей практически не изменяя базовую конструкцию. Так же мощность установки будет сохранена, экономичность увеличится, а содержание токсичных выбросов уменьшится.
Газодизельные двигатели нашли свое применение в таких областях как автомобильный, железнодорожный, морской, речной, авиационный транспорт, а так же в и технике специального назначения.
С момента принятия закона о переходе на газодизельное топливо различных транспортных средств начались интенсивные работы по проектированию и созданию газодизельных двигателей
Используются два принципиально различающихся способа перевода дизельных двигателей на питание газовым топливом:
1. Конвертация дизельного двигателя в двигатель внутреннего сгорания с воспламенением газовоздушной смеси от искры (полное замещение топлива).
Данный способ достаточно радикальный и связан со значительным изменением конструкции базового двигателя. При этом с двигателя демонтируют дизельную топливную аппаратуру, уменьшают степень сжатия до 11- 16 единиц, устанавливают систему зажигания, топливоподающую газовую систему. В результате двигатель работает на газовом топливе, которое имеет стоимость ниже, чем дизельное топливо. Экологические параметры отработавших газов конвертированного дизеля, как правило, выше исходного двигателя, при работе по первому варианту обеспечиваются номинальные мощности с незначительным снижением кпд с базовым двигателем.
После выполнения конвертации двигатель уже не может больше работать на дизельном топливе.
2. Использование газодизельного режима. В газодизельном режиме в двигатель подают два топлива - основное дизельное (но в меньшем количестве, чем в базовом), дополнительное - газовое (топливо для замещения). При этом основное дизельное топливо играет роль «запальной» дозы для воспламенения интегральной газовоздушной топливной смеси. Существенным преимуществом газодизельного цикла является то, что мощность источника зажигания в нем значительно больше, чем в двигателе с искровым зажиганием, кроме того, рабочая смесь поджигается не в одной точке у холодной стенки, а в центре заряда. Благодаря этому одной из важных особенностей газодизельного процесса является возможность надежной работы двигателя на обедненной рабочей смеси. При таком способе сохраняется возможность быстрого перехода с газового топлива на дизельное и обратно.
Использование газового топлива на транспорте, в том числе на морском и речном, приводит к возникновению дополнительных рисков, которые необходимо минимизировать. Выделяются следующие виды опасностей, обусловленных присутствием на судне СПГ и его паров:
1) объемный взрыв газа, возникающий в результате его утечки в газообразном состоянии в замкнутом объеме при наличии источника воспламенения (источником воспламенения может служить открытое пламя, электрическая искра или поверхность, нагретая выше температуры самовоспламенения газа (для метана + 540 °));
2) взрыв емкостей для хранения газа в следствие повышения давления;
3) пожар в результате разлившегося газа или струйный пожар в результате горения газа под давлением;
4) газовое облако, в котором может возникнуть пожар;
5) быстрое фазовое превращение при попадании сжиженного газа в воду, аналогичное взрыву без возгорания;
6) резкое значительное увеличение давления в емкости
сжиженного газа в результате перемешивания слоев газа с различной плотностью и резкого увеличения интенсивности парообразования в танке СПГ;
7) удушение в результате попадания человека в облако газа;
8) травмы от низких температур в результате воздействия сжиженного газа при контакте с кожей человека;
загрязнение атмосферы в результате утечки газа
Опыт эксплуатации судов, использующих газовое топливо свидетельствует, что наибольшую опасность независимо от типа энергетической установки и способа хранения газового топлива представляют утечки газа, влекущие за собой взрывы и пожары.
Наиболее эффективным средством обеспечения безопасной эксплуатации судовых энергетических установок, работающих на СПГ является установление требований классификационных обществ, касающихся строительства и эксплуатации судов- газоходов, их энергетических установок и систем.
В двигателе работающем на газовом топливе на подачу газа дозатором к всасывающим клапанам оказывает влияние объем полости всасывания (коллектора), угла перекрытия клапанов в процессе продувки и сжимаемости газа, и поэтому он попадает в цилиндры с запаздыванием и с недостаточно качественным смесеобразованием, что ухудшает качество регулирования частоты вращения несмотря на преимущества двигателя работающего на газе.
Для улучшения экологических и экономических показателей двигателей, работающих на газовом топливе, проведены работы по созданию электроуправляемой системы импульсной подачи газа. В системах с импульсной подачей посредством быстродействующего электромагнитного клапана газ подается к всасывающим клапанам двигателя в такте впуска и поэтому влияние объема всасывания и угла перекрытия клапанов в процессе продувки сведено к минимуму, что значительно уменьшает запаздывание подачи газа
При различном режиме работы двигателя мы должны подавать разную порцию топлива .В топливных системах старого поколения этим занимался человек. На сегодняшний день все более актуальным становится использование АСУ (автоматизированной системы управления ),которая сама управляет количеством подаваемого топлива
На электрогазовый клапан с электронным управлением подается управляющий сигнал для дальнейшего распределения топлив.
Конструкция электрогазового клапана, первоначально разрабатывалась с цилиндрической возвратной пружиной. Однако в процессе исследований и испытаний было выявлено, что посадка затвора на седло происходила с перекосом, который вызывал интенсивный износ седла и затвора с последующим нарушением герметичности. Кроме того наличие одной кольцевой щели для электрогазового клапана с большой производительности приводило к увеличенным размерам седла и затвора, что приводило к увеличенной силе отрыва затвора от седла и далее к увеличенным размерам электромагнита.
В процессе дальнейших разработок была принята конструкция с двумя пластинчатыми пружинами и с двухщелевым седлом. Наличие двух плоских пружин в электрогазовом клапане осуществляет плоскопараллельное движение затвора, что обеспечивает при посадке контакт по всей поверхности затвора и седла и тем самым снижает контактное напряжение. Наличие двухщелевого седла обладает преимуществом по сравнению с однощелевым седлом, поскольку при одинаковых габаритах площадь проходного сечения для прохода газов у него больше, а за счет того, что усилие от давления газа действует на кольцевую щель то оно меньше. На такой электрогазовый клапан получен патент Российской Федерации № 2211878.
Использование электрогазового клапана с двухщелевым седлом позволяет обеспечить наполнение цилиндра лучше, чем при использовании электрогазового клапана с однощелевым седлом. Нам потребуется меньшее усилие действующее на шток клапана ,следовательно мы можем использовать более компактный и менее мощный электромагнит .
Установлено, что дальнейшее развитие газодельных двигателей требует совершенствования системы топливной подачи .
Выбрана наиболее перспективная схема подающей системы ,разработанная Фурман Виктором Владимировичем, которая успешно используется на автомобильном и железнодорожном транспорте.
Для расчетов использовались формулы ООО «Проектно-производственное предприятие Дизельавтоматика» .
Расчеты применены для конвертирования двигателя на судне ,которое использует наш университет для экспедиций . Катамаран CENTAURUS- II имеет два дизельных двигателя , мощностью Yanmar 4JH4 55 л.с и Yanmar 3JH3- 40 л.с. Система была адаптирована для двигателя Yanmar 4JH4 .При выполнении разработан алгоритм управлением топливоподачи электрогазовым клапаном с двухщелевым седлом. В зависимости от режима работы двигателя АСУ подает разное количество топлива (считывая сигнал с коленчатого вала и подавая на временной клапан) Проведены расчеты конструкции газового клапана. Предложенный алгоритм расчетов может быть использован для адаптации других дизельных двигателей.