УДК 621.43:629.048

Гаврилов А.В.

Дмитриев Н.В.

Рязанский государственный агротехнологический университет
им. П. А. Костычева, г. Рязань

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ сжиженного газа ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В кабине автомобиля

Эффективность использования автомобилей напрямую зависит от физического состояния управляющих ими людей. Существенное влияние на человека оказывают температура и влажность воздуха в кабине, величины которых должны находиться строго в определенных пределах [1]. Поддержание оптимальных значений указанных параметров осуществляют установки кондиционирования воздуха.

В настоящий момент большинство установок кондиционирования выполнены на основе цикла парокомпрессионных установок. Суть его заключается в испарении сжиженного хладагента в испарителе, установленном в салоне автомобиля. Установки, использующие данный способ нашли распространение вследствие своей высокой эффективности, однако, им свойственен существенный недостаток - это отбор мощности от двигателя на привод компрессора и охлаждающих вентиляторов, который приводит к увеличению расхода топлива двигателем до 20% [2,3].

В то же время, испарение, как физический процесс, имеет высокий потенциал при работе системы питания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на сжиженном нефтяном газе (СНГ). Данная система широко применяется для питания газом двигателей легковых, грузовых автомобилей и другой техники.

В штатной системе питания СНГ его, перед подачей в цилиндры двигателя полностью испаряют [4], при этом теплота, необходимая для испарения, поглощается из системы охлаждения двигателя [5,6], но эту же теплоту можно брать и из кабины, установив в ней специальный теплообменник. В этом случае будет проходить необходимый процесс испарения газа и, в то же время, снижаться температура воздуха в кабине.

Чтобы эффективно управлять процессом производства хода по данному принципу, необходимо выявить закономерность между расходом газа двигателем внутреннего сгорания и температурой охлаждаемого при этом воздуха.

На базе кафедры «Автотракторные двигатели и теплотехника» Рязанского государственного агротехнологического университета для исследования данного процесса была разработана лабораторная установка.

Основой лабораторной установки (рис. 1) является двигатель внутреннего сгорания ВАЗ-2111 1, оснащенный системой питания сжиженным газом GIG-3.

Особенностью данной системы является то, что регулирование качества смеси осуществляется путем изменения длительности открытия газовой форсунки 6.

Газовая форсунка открывается и закрывается при такте впуска каждого цилиндра, по сигналу, поступающему от электронного блока управления 13 (ЭБУ). Командным параметром работы ЭБУ служат электрические сигналы, снимаемые с низковольтной обмотки модуля зажигания. Длительность импульса формируемого ЭБУ и определяет характеристику подачи газового топлива.

Настройки качества топливной смеси на холостом ходу и повышенных оборотах холостого хода осуществляется с помощью соответствующих ручек на передней панели блока управления. Газ подается из форсунки во впускной коллектор через распределитель 5.

Для нормальной работы форсунки необходимо, чтобы давление газа на ее входе было порядка 0,2 МПа. Поддержание этого давления осуществляет газовый редуктор 7. Он выполняет функции, аналогичные функциям в других системах питания газовым топливом. Редуктор является дифференциальным, т.е. давление газа на его выходе зависит от разряжения во впускном трубопроводе.

Рис. 1. Схема лабораторной установки:

1 – двигатель внутреннего сгорания ВАЗ-2111; 2 – стенд тормозной СТЭУ-50; 3 – регулятор частоты вращения вентилятора; 4 – электрический вентилятор TR – M4; 5 – распределитель газа; 6 – электромагнитная газовая форсунка; 7 – дифференциальный газовый редуктор; 8 – датчик расхода газа; 9 – дополнительный испаритель; 10 – датчик температуры DS18S20;
11 – электромагнитный газовый клапан; 12 – газовый баллон;
13 – электронный блок управления газобаллонного оборудования GIG-3; 14 – дроссель.

В редуктор газ поступает через датчик расхода газа 8. В дополнительном испарителе 9 (в лабораторной установке он является основным), выполненном в виде змеевика, помещенного в кожух из листового железа, установлен датчик температуры 10, который измеряет температуру воздуха, продуваемого через испаритель вентилятором 4.

Производительность вентилятора можно регулировать при помощи регулятора 3. На входе в испаритель установлен дроссель 14. Подача газа из баллона 12 после остановки двигателя перекрывается электромагнитным клапаном 11. Нагрузочный и скоростной режим двигателя поддерживается тормозным стендом СТЭУ-50 2, на базе асинхронного электродвигателя с фазным ротором.

Исследованиями было установлено, что на эффективность охлаждения, т.е. температуру воздуха на выходе из установки, оказывают влияние несколько факторов. Один из них – это расход газа двигателем внутреннего сгорания. Чем он выше, тем большее количество теплоты отбирается у воздуха в салоне. Вместе с тем, при большой нагрузке и достаточно низкой температуре окружающего воздуха, воздух в салоне может чрезмерно охлаждаться, что влечет за собой риск возникновения простудных заболеваний. Влиять на общий расход газа, с целью регулирования процесса охлаждения, невозможно, поскольку это приведет к нарушению эксплуатационного режима энергетического средства. Поэтому целесообразно параллельно основному испарителю, который будет использоваться для охлаждения воздуха, установить дополнительный, с подводом тепла из системы охлаждения ДВС и включать в его работу либо когда охлаждение не требуется, либо в режимах высоких нагрузок. Это даст возможность сохранить общее количество газа, поступающего в двигатель, достаточным для его нормальной работы.

Следующим фактором, влияющим на эффективность процесса охлаждения, является конструкция дополнительного испарителя (тип теплообменника, материал из которого он выполнен, площадь теплообмена и др.).

Исследования на данной лабораторной установке позволили выявить математическую зависимость между расходом газа, производительностью вентилятора и температурой воздуха на выходе из испарителя вида:

t_в = 7,33 - 0,61Q_г + 0,79Q_в - 0,094 Q_гQ_в, ÅС, (1)

где t_в – температура воздуха на выходе из испарителя, ÅС;

Q_г – расход СНГ через испаритель, м³/ч;

Q_в – производительность вентилятора, м³/ч.

Зависимость (1) можно заложить в виде программы в электронный блок управления всей установкой кондиционирования, что позволит поддерживать температуру в кабине автоматически и обеспечит максимальный комфорт для водителя. Дальнейшие исследования на кафедре ведутся именно в этом направлении.

Таким образом, предлагаемый принцип позволит повысить топливную экономичность двигателя (теплота на испарение газа будет потребляться не из системы охлаждения ДВС, а из кабины), а охлаждение воздуха в кабине мобильного энергетического средства осуществлять автоматически и в соответствии с требованиями санитарно-гигиенических норм.

Список литературы:

1. СанПиН 2.24.548-96 "Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений".

2. Михайлов М.В., Гусева С.В. «Микроклимат в кабинах мобильных машин». М., «Машиностроение», 1977, 230 с.

3. Назаров В.И., Рыженко В.И. «Бытовые и автомобильные кондиционеры». – М.: Оникс, 2009.

4. Ерохов В. И. «Легковые газобаллонные автомобили : Устройство, переоборудование, эксплуатация, ремонт». – М. : ИКЦ «Академкнига», 2003.

5. Золотницкий В. А. «Новые газотопливные системы автомобилей». Под научн. ред. С. Н. Погребного. – М. : « Издательский Дом Третий Рим», 2003.

6. Ю. В. Панов «Установка и эксплуатация газобаллонного оборудования автомобилей: Учеб. пособие для нач. проф. образования». – М.: Издательский центр «Академия»: Образовательно – издательский центр «Академия», 2002.