Курсовая работа на тему Переоборудование автомобиля УАЗ Патриот для работы на газовом топливе

Введение

Эксплуатация автомобилей, особенно таких мощных и проходимых, как УАЗ Патриот, неизбежно сопряжена со значительными расходами на топливо. Высокая стоимость бензина в сочетании с существенным расходом топлива данной моделью становится серьезным экономическим барьером, снижающим эффективность ее использования как в личных, так и в коммерческих целях. Эта проблема формирует запрос на поиск альтернативных и более экономичных решений.

Кардинальным способом снижения эксплуатационных расходов является переоборудование автомобиля для работы на газовом топливе. Переход на сжиженный нефтяной газ (СНГ), который в среднем на 30-50% дешевле бензина, позволяет существенно сократить затраты на заправку, делая каждую поездку более выгодной. Именно поэтому данная технология приобретает все большую актуальность для владельцев неэкономичных автомобилей.

Целью настоящей курсовой работы является разработка и комплексное обоснование проекта по переоборудованию автомобиля УАЗ Патриот для работы на газовом топливе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать существующие виды газового топлива и поколения газобаллонного оборудования (ГБО).
2. Выбрать оптимальный комплект ГБО, исходя из технических характеристик автомобиля УАЗ Патриот.
3. Разработать детальный технологический процесс установки выбранного оборудования.
4. Рассчитать экономическую эффективность проекта и определить срок его окупаемости.

Определив цели и задачи, перейдем к теоретическому анализу существующих технологий, чтобы сделать обоснованный выбор для нашего проекта.

Глава 1. Аналитический обзор технологий перевода автотранспорта на газ

1.1. Сравнительный анализ видов газового топлива

При переоборудовании автомобилей используются два основных вида газового топлива: сжиженный нефтяной газ (СНГ), представляющий собой смесь пропана и бутана, и сжатый природный газ (СПГ), состоящий преимущественно из метана. Несмотря на общую цель, они имеют существенные различия.

• Стоимость и доступность: СНГ является более доступным и распространенным видом топлива для частного транспорта. Сеть заправочных станций (АГЗС) значительно шире, чем сеть станций, предлагающих СПГ (АГНКС).
• Давление хранения: СНГ хранится в баллонах в жидком виде под относительно низким давлением (до 16 атмосфер), тогда как СПГ — в газообразном состоянии под высоким давлением (200-250 атмосфер). Это делает баллоны для СПГ более тяжелыми, дорогими и сложными в установке.
• Влияние на двигатель и экологичность: Оба вида топлива являются более экологически чистыми по сравнению с бензином. Однако СПГ (метан) сгорает полнее, что обеспечивает несколько лучшие экологические показатели. При этом оба варианта продлевают срок службы моторного масла и свечей зажигания.

Для проекта по переоборудованию частного легкового автомобиля УАЗ Патриот выбор однозначно делается в пользу СНГ. Это решение обосновано более развитой инфраструктурой, меньшей стоимостью и сложностью установки оборудования, а также достаточными экономическими и экологическими преимуществами для данного класса техники.

1.2. Классификация и эволюция систем ГБО

Газобаллонное оборудование прошло значительный путь развития, который принято разделять на поколения. Каждое новое поколение предлагало более совершенные решения для разных типов двигателей.

Ранние системы (1-е и 2-е поколения) использовали эжекторный (вентури) принцип подачи газа. Газ смешивался с воздухом в простом смесителе, установленном перед дроссельной заслонкой. Эти системы были относительно простыми и предназначались в основном для карбюраторных двигателей. Их главным недостатком была неточность дозирования топлива, что приводило к повышенному расходу и риску «хлопков» во впускном коллекторе.

Революционным шагом стало появление систем 4-го поколения, известных как системы последовательного (фазированного) впрыска газа. Они начали получать широкое распространение во второй половине 1990-х годов и предназначены для современных инжекторных двигателей. В таких системах газ подается через отдельные газовые форсунки непосредственно во впускной коллектор для каждого цилиндра, а процессом управляет собственный электронный блок управления (ЭБУ) ГБО, работающий в паре со штатным ЭБУ автомобиля. Это обеспечивает максимальную точность дозировки, близкую к бензиновой системе.

1.3. Обоснование выбора системы ГБО для УАЗ Патриот

Двигатель автомобиля УАЗ Патриот является инжекторным, с многоточечной системой впрыска топлива. Применение на нем устаревших эжекторных систем ГБО технически нецелесообразно и может привести к нестабильной работе двигателя, потере мощности и даже его повреждению.

Оптимальным и единственно верным решением для данного автомобиля является установка системы ГБО 4-го поколения с последовательным впрыском СНГ. Этот выбор аргументируется следующими преимуществами:

• Точное дозирование топлива: Электронный блок управления ГБО считывает сигналы с бензиновых форсунок и рассчитывает точную порцию газа для каждого цилиндра, адаптируясь к различным режимам работы двигателя.
• Минимальная потеря мощности: При правильной настройке современных систем, таких как Prins VSI или OMVL Dream, потеря мощности обычно не превышает 5-10%, что практически незаметно при повседневной эксплуатации.
• Автоматический переход: Система обеспечивает плавный и автоматический переход с бензина на газ при прогреве двигателя и обратно при окончании газа в баллоне.
• Безопасность и надежность: Современные системы оснащены множеством датчиков и клапанов безопасности, что исключает утечки и другие нештатные ситуации.

После теоретического обоснования выбора конкретного типа топлива и системы ГБО, можно перейти к практической части — разработке технологического процесса установки оборудования.

Глава 2. Разработка технологического процесса переоборудования

2.1. Подбор и комплектация оборудования

Для переоборудования автомобиля УАЗ Патриот на СНГ с использованием системы 4-го поколения необходим следующий комплект оборудования:

• Газовый баллон: Для УАЗ Патриот чаще всего выбирают тороидальный баллон объемом 70-95 литров, который устанавливается в багажном отделении, либо цилиндрический баллон.
• Мультиклапан: Устройство, монтируемое на баллон, которое включает в себя запорную арматуру, скоростной клапан (перекрывает подачу при обрыве магистрали), клапан сброса избыточного давления и указатель уровня топлива.
• Редуктор-испаритель: Ключевой элемент, который понижает давление газа и переводит его из жидкой фазы в газообразную. Подбирается с запасом по мощности двигателя автомобиля.
• Газовые форсунки: Устройства, осуществляющие впрыск газообразного топлива во впускной коллектор. Их производительность должна соответствовать мощности двигателя.
• Электронный блок управления (ЭБУ) ГБО: «Мозг» системы, который управляет работой газовых форсунок на основе данных штатного контроллера автомобиля.
• Фильтры: Устанавливаются два фильтра — для жидкой фазы (перед редуктором) и для паровой фазы (после редуктора, перед форсунками).
• Магистрали: Медные или термопластиковые трубки для транспортировки газа от баллона к редуктору.
• Выносное заправочное устройство (ВЗУ): Монтируется в лючок бензобака или под бампером для заправки баллона.
• Переключатель вида топлива: Устанавливается в салоне автомобиля и позволяет водителю принудительно выбирать тип топлива, а также отображает текущий уровень газа в баллоне.

2.2. Разработка технологической карты установки

Технологический процесс монтажа ГБО является сложной инженерной задачей и должен выполняться квалифицированным персоналом в строгой последовательности:

1. Подготовительные работы: Проводится входная компьютерная диагностика двигателя для подтверждения его исправности. Автомобиль моется.
2. Монтаж баллона и заправочного устройства: Баллон надежно крепится к кузову автомобиля. Монтируется ВЗУ и соединяется с мультиклапаном заправочной магистралью.
3. Прокладка газовых магистралей: От мультиклапана под днищем автомобиля прокладывается расходная магистраль к моторному отсеку. Магистраль крепится к кузову с определенным шагом и не должна соприкасаться с движущимися и нагревающимися частями.
4. Установка компонентов в подкапотном пространстве: Монтируется редуктор-испаритель, фильтр паровой фазы и рампа с газовыми форсунками. Форсунки размещаются как можно ближе к впускному коллектору, для чего в нем сверлятся отверстия и устанавливаются специальные штуцеры.
5. Монтаж электроники: Устанавливается ЭБУ ГБО. Прокладывается и подключается жгут проводов к газовым и бензиновым форсункам, аккумулятору, датчикам и штатному ЭБУ автомобиля для считывания необходимых сигналов (например, оборотов двигателя).
6. Установка переключателя вида топлива: В удобном для водителя месте на приборной панели монтируется кнопка-переключатель.

2.3. Пусконаладочные работы и настройка системы

После завершения монтажа наступает самый ответственный этап — настройка системы. Он включает в себя несколько ключевых шагов. Сначала производится первая, тестовая заправка небольшим количеством газа. С помощью специального мыльного раствора или течеискателя тщательно проверяются на герметичность все резьбовые и вальцованные соединения газовой системы.

Далее автомобиль подключается к компьютеру со специализированным программным обеспечением. Производится точная калибровка системы: ЭБУ ГБО выстраивает топливную карту для работы на газе, основываясь на данных, полученных во время работы двигателя на бензине на разных оборотах и под разной нагрузкой. Именно от качества настройки зависит стабильность работы двигателя, его приемистость и, что самое важное, минимизация потери мощности, которую удается удержать в пределах 5-10%.

Технологический процесс разработан. Теперь необходимо доказать, что предложенное инженерное решение является экономически оправданным.

Глава 3. Расчет экономической эффективности проекта

3.1. Расчет капитальных затрат

Первоначальные инвестиции в проект складываются из двух основных составляющих: стоимости комплекта оборудования и стоимости работ по его установке и настройке. На рынке представлено оборудование в разных ценовых категориях. Для УАЗ Патриот средняя стоимость качественного комплекта ГБО 4-го поколения вместе с работами по установке составляет от 500 до 2000 долларов США. Для нашего расчета примем среднее значение.

Смета капитальных затрат:

• Стоимость комплекта оборудования (редуктор, форсунки, ЭБУ, баллон и т.д.): ~$700
• Стоимость монтажных и пусконаладочных работ: ~$300
• Итого капитальные затраты: ~$1000

3.2. Расчет эксплуатационных расходов до и после переоборудования

Для расчета годовых затрат на топливо примем следующие исходные данные:

• Средний годовой пробег: 30 000 км.
• Расход бензина АИ-92 на УАЗ Патриот: 15 л / 100 км.
• Расход СНГ: на 15% выше бензинового, т.е. 17,25 л / 100 км.
• Средняя стоимость бензина АИ-92: $1,3 / литр.
• Средняя стоимость СНГ: $0,7 / литр (на ~46% дешевле).

Годовые затраты на бензин:
(30 000 км / 100 км) * 15 л * $1,3/л = $5850

Годовые затраты на газ:
(30 000 км / 100 км) * 17,25 л * $0,7/л = $3622,5

3.3. Расчет годовой экономии и срока окупаемости

Чистая годовая экономия представляет собой разницу между затратами на топливо до и после переоборудования.

Годовая экономия = Затраты на бензин — Затраты на газ
$5850 — $3622,5 = $2227,5

Срок окупаемости проекта рассчитывается по стандартной формуле. Этот показатель демонстрирует, через какой период времени первоначальные инвестиции полностью вернутся за счет полученной экономии.

Срок окупаемости = Капитальные затраты / Годовая экономия

Подставим наши значения:
$1000 / $2227,5/год ≈ 0,45 года (или около 5,5 месяцев).

Как показывают расчеты, для автомобилей с высоким годовым пробегом, как в нашем примере, срок окупаемости чрезвычайно мал. Даже при меньших пробегах он редко превышает 1-3 года, что подтверждает высокую экономическую целесообразность проекта.

Проведенные расчеты доказывают финансовую выгоду. Для полноты картины рассмотрим аспекты безопасности и влияния на окружающую среду.

Глава 4. Требования к охране труда и экологическая безопасность

4.1. Безопасность при эксплуатации автомобиля на ГБО

Современное газобаллонное оборудование является абсолютно безопасным при условии его правильной установки и использования сертифицированных компонентов. Безопасность обеспечивается многоуровневой системой защиты. Ключевым элементом является мультиклапан, который предотвращает перезаправку баллона (заполнение не более 80%), а также оснащен скоростным и электромагнитным клапанами, мгновенно перекрывающими подачу газа при обрыве магистрали или выключении зажигания.

Все оборудование, устанавливаемое в странах Европы и Таможенного союза, должно соответствовать строгим международным стандартам. Для систем, работающих на сжиженном нефтяном газе (СНГ), это стандарт ECE R67. Наличие такой сертификации гарантирует, что компоненты прошли все необходимые испытания на прочность и надежность.

4.2. Охрана труда при выполнении работ по установке

Работы по монтажу ГБО должны проводиться в специально оборудованном помещении с соблюдением строгих правил охраны труда:

• Все работы с электрооборудованием автомобиля проводятся при отключенной аккумуляторной батарее.
• При использовании подъемных механизмов необходимо убедиться в их исправности и правильной фиксации автомобиля.
• Помещение должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией и средствами пожаротушения.
• Финальная проверка герметичности системы является обязательной процедурой перед передачей автомобиля клиенту.

4.3. Экологическое обоснование проекта

Перевод транспорта на газ имеет значительные экологические преимущества. Газ является более чистым топливом, чем бензин. При его сгорании образуется значительно меньше вредных веществ.

В выхлопе автомобиля, работающего на СНГ, по сравнению с бензиновым аналогом, содержится:

• На 10-15% меньше углекислого газа (CO2), основного виновника парникового эффекта.
• Значительно меньше оксидов азота (NOx).
• Практически полностью отсутствуют твердые частицы (сажа) и соединения серы, которые наносят серьезный вред здоровью человека и окружающей среде.

Таким образом, проект не только экономически выгоден, но и вносит вклад в улучшение экологической обстановки.

Рассмотрев все технические, экономические и нормативные аспекты проекта, мы можем подвести итоги проделанной работы.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы была всесторонне изучена и обоснована целесообразность переоборудования автомобиля УАЗ Патриот на сжиженный нефтяной газ. Все поставленные во введении задачи были успешно решены.

На основе проведенного анализа был сделан вывод, что для инжекторного двигателя данной модели оптимальным решением является установка системы ГБО 4-го поколения с последовательным впрыском СНГ. Был разработан детальный технологический процесс, включающий подбор компонентов, пошаговый монтаж и финальную настройку, что обеспечивает качественную и безопасную интеграцию системы в автомобиль.

Экономические расчеты наглядно продемонстрировали финансовую эффективность проекта. При годовом пробеге 30 000 км годовая экономия на топливе составила $2227,5, а срок окупаемости проекта — менее 6 месяцев. Это доказывает высокую рентабельность инвестиций.

Итоговый вывод однозначен: переоборудование автомобиля УАЗ Патриот на сжиженный нефтяной газ является технически реализуемым, экономически целесообразным и экологически оправданным решением, позволяющим значительно снизить эксплуатационные расходы и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.

Список использованных источников

В данном разделе приводится библиографический список всех источников, использованных при написании работы. Оформление выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ или методическими указаниями учебного заведения. Список включает учебники по двигателям внутреннего сгорания, научные статьи о влиянии газового топлива на ДВС, нормативные документы (стандарты ECE R67), техническую документацию производителей ГБО и авторитетные онлайн-ресурсы.

Приложения

Данный раздел содержит дополнительные материалы, которые иллюстрируют и дополняют основной текст работы, но из-за своего объема или формата не могут быть включены в него. В приложения могут быть вынесены: подробная технологическая карта установки в табличной форме, графики зависимости срока окупаемости от годового пробега и стоимости топлива, принципиальные электрические схемы подключения ЭБУ ГБО, а также примеры (копии) сертификатов соответствия на ключевые компоненты системы.

Список источников информации

1. ГОСТ 27577-2000. Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания.
2. ГОСТ Р 51753-2001. Баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах. Общие технические условия.
3. ГОСТ 21624-81 Система технического обслуживания и ремонта автомобильной техники. Требования к эксплуатационной технологичности и ремонтопригодности изделий. – М.: Издательство стандартов, 1982. – 14 с.
4. ОСТ 37.001.653-99. Газобаллонное оборудование для транспортных средств, использующих газ в качестве моторного топлива. Общие технические требования и методы испытаний.
5. ОСТ 37.001.657-99. Расходно-наполнительное и контрольно- измерительное оборудование. Общие технические требования и методы испытаний.
6. У 152-12-007-99 (с изм. №1 от 2000 г.). Автомобили. Установка на автомобили ГБО для работы на КПГ. Приемка и выпуск после установки. Испытания ГТС. Технические условия.
7. РД 03112194-1099-03. Руководство по организации и выполнению услуг и работ по переводу на компримированный природный газ автотранспортных средств, находящихся в эксплуатации.
8. РД 3112199-1069-98. Требования пожарной безопасности для предприятий, эксплуатирующих автотранспортные средства на компримированном природном газе.
9. ПБ 10-115-96.Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.
10. ГН 2.2.5.686-98. Федеральные санитарные правила, нормы и гигиенические нормативы, предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны.