Улучшение системы подачи компримированного газообразного топлива в тракторный двигатель

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 631.171

УЛУЧШЕНИЕ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ КОМПРИМИРОВАННОГО ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В ТРАКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Б. П. Загородских, профессор, доктор технических наук;

Ю. А. Коцарь, профессор, доктор технических наук;

В. В. Володин, кандидат технических наук

ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова», т. 8 (452) 749-652

Рассмотрены известные схемы питания газодизельных систем (зарубежные и отечественные разработки). Описаны устройство и принципы работы в газодизельном цикле системы питания двигателя, разработанной НТЦ «Авангард» (г Саратов) с целью экономии и эффективного использования топливных ресурсов.

Ключевые слова: газодизель, система подачи газа в двигатель.

В настоящее время расходы на топливо достигают 50 % в себестоимости производства сельскохозяйственной продукции, поэтому совершенствование системы питания тракторных дизелей для работы на более дешевом топливе - природном газе - является одним из направлений повышения эффективности работы машинно-тракторного парка в сельском хозяйстве.

Наиболее простым и приемлемым для сельского хозяйства способом перевода дизельного двигателя на газообразное топливо является использование газодизельного цикла, так как это не требует изменения конструкции дигателя, сохраняются его базовая топливная аппаратура и способность работать либо на одном дизельном, либо на бинарном топливе [1].

Газодизельный процесс, как и дизельный, соответствуют смешанному циклу, но имеет свои особенности. Общее количество тепла, выделившегося на участке видимого сгорания при обоих процессах, практически одинаково, но при газодизельном процессе достигается более высокое максимальное давление цикла, повышаются экономические и экологические показатели [2, 3, 4, 5].

Известно, что теплотворная способность 1 м3 природного газа приблизительно равна теплотворной способности 1 л минерального дизельного топлива. Для обеспе-

чения продолжительности работы трактора в газодизельном режиме при соотношении газа и дизельного топлива 3:1 объем газа (при давлении 20 МПа) должен быть в 3...4 раза больше объема топливного бака.

При эксплуатационных нагрузках рабочий процесс в газодизеле протекает столь же эффективно, как и в дизеле. Однако при уменьшении нагрузки, с увеличением коэффициента избытка воздуха эффективность процесса резко снижается, так как существенно уменьшается полнота сгорания топлива. Поэтому при малых нагрузках на газодизеле необходимо осуществлять не только количественное, но и качественное регулирование горючей смеси.

Для эффективной работы двигателя по газодизельному циклу необходимо создать систему управления, которая не только регулирует подачу газа и дизельного топлива, но и оптимизирует их соотношение в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами.

Известны следующие схемы питания двигателей в газодизельном цикле [6, 7, 8,

9, 10].

Фирма <даеэро|1» (Канада) разработала газодизельную систему с внутренним смесеобразованием и непосредственным впрыском газа в цилиндр. Основой системы является созданная фирмой комбинированная газодизельная электронноуправ-

ляемая форсунка, в которой происходит предварительное смешивание дизельного топлива и природного газа. Недостатком данной схемы является тот факт, что расход газа при постоянном давлении напрямую зависит от времени подъёма иглы форсунки, то есть от количества подаваемого дизельного топлива в двигатель, а следовательно, затрудняется качественное регулирование работы двигателя за счёт изменения состава рабочей смеси.

Фирма АРБ (Канада) разработала газодизельную систему с распределенным впрыском газа и управляемой запальной дозой дизельного топлива. Главным элементом этой системы является моноблок «Шерекс», выполняющий функции редукционного газового клапана, регулятора давления, фильтра и отсечного магистрального клапана. Но в моноблоке «Шерекс», так же как и в системе <^еБроі1», затруднено регулирование подачи газообразного топлива.

В отечественных схемах СЭРГ-500 (Сардизель, г. Саратов) и ГНУ ВИМ (г. Москва) изменение мощности двигателя происходит за счет изменения подачи дизельного топлива, что приводит к увеличению его расхода [12].

В НТЦ «Авангард» (г. Саратов) с учетом отмеченных недостатков была разработана система питания двигателя по га-

зодизельному циклу, которая реализована на тракторе РТМ-160. При этом на трактор установлена дополнительная система питания двигателя газообразным топливом (рис. 1).

Баллоны 7 в количестве восьми штук установлены на задней грузовой платформе трактора. Суммарная емкость баллонов составляет 640 л, что позволяет обеспечить продолжительность работы трактора без заправки в течение 12 ч. Точное и стабильное дозирование газа обеспечивает двухступенчатый газовый редуктор 5 высокого давления.

В качестве редуктора высокого давления 5 выбран редуктор РВД-200/3-25 (разработка НТЦ «Авангард», производство «СЭПО-ЗЭМ, г. Саратов), поддерживающий давление на выходе с точностью ±2 % при постоянном расходе газа независимо от давления в баллонах. Кроме того, конструкция редуктора позволяет полностью израсходовать газ в баллонах. Редуктор 2 (рис. 2) размещен под капотом трактора и соединен дополнительным контуром 1 с системой охлаждения двигателя с целью обогрева седла клапана первой ступени. Редуктор также снабжен электромагнитным клапаном для отключения подачи в него газа при неработающем двигателе, при работе в дизельном режиме и в случае аварийной ситуации. Для монтажа редук-

Рис. 1. Система подачи компримированного природного газа в двигатель трактора РТМ-160:

1 - смеситель; 2 - впускной трубопровод; 3 - дроссельный патрубок; 4 - дозатор;

5 - редуктор; 6 - вентиль; 7 - баллон; 8 - шаговый электродвигатель; 9 - электронный блок управления; 10 - датчик положения рычага управления; 11 - датчик частоты вращения; 12 - датчик положения рейки ТНВД; 13 - ТНВД; 14 - датчик температуры

Нива Поволжья № 1 (22) февраль 2012 69

Рис. 2. Размещение систем подачи газообразного топлива под капотом двигателя:

1 - контур подключения газового редуктора к системе охлаждения двигателя; 2 - редуктор РВД-200/3-25; 3 - дозатор газа 4.000; 4 - датчик температуры охлаждающей жидкости;

5 - датчик давления газа

тора изготавливается специальная рама, которая крепится под капотом.

Для управления работой двигателя по газодизельному циклу разработана электронная система управления. При этом используется штатный топливный насос высо-

кого давления (ТНВД), в котором все функции механического регулятора как в дизельном, так и в газодизельном режимах берет на себя электронная система управления двигателем [13], представленная в виде модернизированной схемы на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема электронной системы управления газодизельным двигателем

Электронный блок, устанавливаемый в кабине, представляет собой вычислительное устройство, выполненное на многослойной печатной плате с электрорадиоэлементами поверхностного монтажа. Питание его осуществляется напряжением 12 В от бортовой системы электрооборудования трактора. Электронным блоком осуществляется сбор и обработка сигналов с датчиков, формирование алгоритмов управления рейкой топливного насоса и дозирование расхода газа.

Переключатель режима работы представляет собой блок, обеспечивающий переход двигателя с дизельного рабочего цикла на газодизельный.

Рис. 4. Дозатор газа 4.000

Дозатор газа (рис. 4) с электромагнитным управлением (производство «СЭПО-ЗЭМ») обладает высокой точностью дозирования (±0,5 %) и позволяет перекрывать подачу газа в двигатель на режиме принудительного холостого хода, что позволяет не только экономить топливо, но и предотвратить «хлопки» в глушителе и его разрыв. Электронный дозатор газа состоит из электромагнитного привода, отсечного

электромагнитного клапана нормально закрытого типа, датчика давления и температуры газа за редуктором, корпуса [14-16]. В качестве управляющего звена используется двухфазный шаговый двигатель. Последовательность импульсов, управляющих шаговым двигателем, формируется электронным блоком управления. Дозатор газа 3 вместе с газовым редуктором устанавливается на специальной раме в подкапотном пространстве трактора.

Смеситель газа (рис. 5) представляет собой кольцевидной формы трубку с отверстиями, через которые газ поступает во впускной коллектор двигателя [16]. Конструкция смесителя обеспечивает равномерное перемешивание газа с воздухом. Датчик положения рейки ТНВД, датчик положения рычага управления ТНВД, датчик

температуры охлаждающей жидкости, датчики давления и температуры газа после редуктора выпускаются серийно промышленными предприятиями и являются покупными изделиями, входящими в состав ЭСУГД-160.

Рис. 5. Смеситель газа

Датчики частоты вращения коленчатого вала двигателя, положения рейки ТНВД, положения рычага управления ТНВД и положения рейки ТНВД устанавливаются на топливном насосе вместо механического регулятора. В качестве регулятора положения рейки использован шаговый электродвигатель, позволяющий с высокой точностью регулировать запальную дозу дизельного топлива.

Датчик температуры охлаждающей жидкости устанавливается в рубашке охлаждения двигателя рядом со штатным датчиком температуры 4 (рис. 2), для чего в блоке цилиндров делается отверстие и нарезается резьба.

Система работает следующим образом (см. рис. 1). Запуск двигателя и выход на номинальный температурный режим осуществляется в дизельном режиме независимо от положения переключателя режимов. В этом случае электрический сигнал с датчика положения рычага управления ТНВД поступает в электронный блок управления (положение рычага управления задает тракторист). Одновременно в электронный блок управления поступают сигналы с датчика частоты вращения к. в. двигателя и с датчика положения рейки ТНВД.

В зависимости от положения рычага управления насосом электронный блок вырабатывает сигнал на перемещение привода рейки ТНВД. При этом рейка ТНВД устанавливается в положение, обеспечивающее подачу дозы дизельного топлива, необходимую для поддержания оборотов коленчатого вала двигателя, заданных рычагом управления.

Нива Поволжья № 1 (22) февраль 2012 71

После выхода двигателя на номинальный температурный режим автоматика переключает работу двигателя на газодизельный режим. В этом случае параллельно работе канала электронного регулирования положения рейки ТНВД (регулирование запальной дозы дизельного топлива -дизельный режим) включается канал регулирования подачи газа, т. е. осуществляется одновременная подача запальной дозы дизельного топлива и газа в двигатель.

При включении режима работы «газодизель» электрический сигнал с электронного блока поступает на клапан высокого давления, при открытии которого газ поступает в редуктор. На выходе редуктора устанавливается рабочее давление газа, который подается на вход электронного дозатора, откуда газ через смеситель поступает в коллектор двигателя.

Электронным блоком управления, с учетом давления и температуры газа, формируются управляющие сигналы на изменение проходного отверстия дозатора, тем самым обеспечивается подача необходимого объема газа в двигатель.

Таким образом, в зависимости от положения рычага управления ТНВД электронным блоком управления вырабатываются одновременно два сигнала дозирования: запальной дозы дизельного топлива и газа. Соотношение между объемами запальной дозы дизтоплива и газа на всех режимах работы двигателя определяется законами управления, заложенными в память электронного блока.

Описанная система была установлена на трактор РТМ-160 производства «Уралвагонзавода» и проходила испытания в НИИ Юго-Востока, что подтверждено соответствующими актами.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что трактор проработал без отказов 800 ч. При проведении пахотных работ с увеличением сопротивления силы тяги на крюке (глубины пахоты) происходит увеличение соотношения газообразного и дизельного топлива. Так, при глубине пахоты в 15 см замещение дизельного топлива газовым достигает 51 %, а при глубине 25 см - 65 %. Установлено, что на одной заправке дизельным и газовым топливом (шесть баллонов по 80 литров) трактор работает до 20 ч (без нагрузки).

Литература

1. Кукта, Г. М. Испытание сельскохозяйственных машин / Г. М. Кукта. - М.: Машиностроение, 1964. - 284 с.

2. Толшин, В. И., Режимы работы и токсичные выбросы отработавших газов судо-

вых дизелей / В. И. Толшин, В. В. Якунчи-ков. - М.: Изд-во МГАВТ, 1999. - 192 с.

3. Стативко В. Л. Применение природного газа в качестве моторного топлива в сельскохозяйственном производстве // Техника и оборудование для села. - 2004. -№ 10.

4. Рекомендации по использованию ком-примированного природного газа в качестве моторного топлива для транспортноэнергетических средств сельскохозяйственного назначения. - М.: ВИМ, 2003.

5. Камышников, О. В. Природный газ как моторное топливо на транспорте / О. В. Камышников //Национальная газомоторная ассоциация. - 2004. - № 8.

6. Крылов, А. В. Повышение эффективности и безопасности функционирования газотопливной аппаратуры газодизельных автобусов / А. В. Крылов // Национальная газомоторная ассоциация. - 2004. - № 9.

7. Горбунов, Б. П.Опыт эксплуатации газодизельных автобусов / Б. П. Горбунов // Национальная газомоторная ассоциация. -2004. - № 10.

8. Камышников, О. В. Повышение эффективности газодизельных автомобилей / О. В. Камышников //Национальная газомоторная ассоциация. - 2004. - № 12.

9. Седелев, К. П. Улучшение топливных и экологических показателей газодизеля / К. П. Седелев //Национальная газомоторная ассоциация. - 2005. - № 19.

10. Марков, В. Л. Топлива и топливопо-дача многотопливных и газодизельных двигателей / В. Л. Марков, С. И. Козлов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 296 с.

11. Абрамович, Г. Н. Прикладная газовая динамика / Г. Н. Абрамович. - М.: Наука, 1969. - 824 с.

12. СЭРГ 500.00.002 ТО. Техническое описание и инструкция по эксплуатации системы газового оборудования газобаллонных тракторов К-700А и К-701.

13. Бабков, Ю. В. Микропроцессорная система управления газодизелем / Ю. В. Бабков. - СПб.: Изд-во ПГУПС, 2001. - 39 с.

14. Лиханов, В. А. Сгорание и сажеоб-разование в цилиндре газодизеля / В. А. Ли-ханов. - Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2000. - 103 с.

15. Богданчиков, А. Л. Опыт эксплуатации газодизельных автобусов «Икарус» в Алма-Ате: Информ. обеспечение науч.-техн. прогр. / А. Л. Богданчиков, Г. А. Ульрих, Ю. К. Титов. - Алма-Ата: КазНИИНТИ, 1989. - 74 с.

16. Система питания газодизелей. Унифицированные приборы газового оборудования: Техническое описание. - Киев: КАДИ, 1989. - 48 с.