Гидроприводная форсунка для газодизеля с внутренним смесеобразованием

т

Научные разработки и исследования

Гидроприводная форсунка для газодизеля с внутренним смесеобразованием

A.С. Хачиян,

профессор МАДИ, к.т.н.,

B.Е. Кузнецов,

старший научный сотрудник МАДИ, И.Г. Шишлов,

старший научный сотрудник МАДИ, к.т.н., А.В. Вакуленко, инженер МАДИ, Д.М. Карпов,

аспирант МАДИ

Разработана и изготовлена газовая форсунка с гидроприводом от дизельного топлива, подаваемого из аккумулятора топливной системы, используемая для минимизации запальной порции дизельного топлива. Определены расходные характеристики при различных подъемах иглы. Разработана методика и программа расчетного исследования гидроприводной газовой форсунки, позволившая уточнить в процессе конструирования ее определяющие размеры. Установлена длительность подачи природного газа на режимах полной и частичных нагрузок двигателя при различных давлениях на входе в форсунку. Показана возможность снижения давления до 4 МПа. Выявлена необходимость применения буферного компрессора для дальнейшего увеличения выработки газа из баллонов.

Ключевые слова: газодизель, природный газ, внутреннее смесеобразование, гидроприводная газовая форсунка (ГГФ).

Hydraulically driven gas nozzle for dual fuel internal mixing diesel

A.S. Khachian, V.E. Kuznetsov, I.G. Shishlov, A.V. Vakulenko, D.M. Karpov

It is impossible to ensure high economy at light loads of dual fuel diesel engine with external mixture formation because of incomplete combustion of poor air natural gas mixtures. Use of internal mixture formation would make it possible to get good ignitable mixture due to local differences in gas air strength. Gas nozzle is driven by diesel fuel supplied from accumulator of the system used to minimize fuel ignition portion. Gas nozzle has been fabricated and tested to determine gas flow characteristic in respect to injection duration. Computer modeling was used to help in nozzle design. Calculations made possible to find duration of gas injection at full and light loads in case of different gas supply pressure. It has been shown that gas supply pressure equal to 4 MPa may be used for all operating conditions. To further decrease of the gas supply pressure it may be necessary to use boosting compressor to keep high pressure at nozzle inlet.

Keywords: dual fuel diesel engine, natural gas, internal mixture formation, gas nozzle, injection, computer modeling.

При разработке газодизеля с внешним смесеобразованием не удается обеспечить приемлемую экономичность на режимах малых нагрузок из-за высокой неполноты сгорания природного газа при больших избытках воздуха. Применение внутреннего смесеобразования позволит использовать легковоспламеняемую газовоздушную смесь за счет обеспечения локальной неоднородности смеси.

Опыты, выполненные на газодизеле с внешним приготовлением газовоздушной смеси и минимизированной подачей запальной порции дизельного топлива (ДТ), обнаружили недостаточную экономичность на малых нагрузках (при больших избытках воздуха). Связано это с неполнотой сгорания бедных газовоздушных смесей. Для создания более благоприятных локальных условий горения решено использовать внутреннее смесеобразование.

Для подачи природного газа (ПГ) в цилиндр двигателя была разработана гидроприводная газовая форсунка (рис. 1). В качестве гидропривода выбрана аккумуляторная топливная система (АТС) типа Common Rail, применение которой позволяет воспламенять газовоздушную смесь от минимизированной мелко распыленной запальной порции ДТ, подаваемой с помощью электрогидравлических форсунок (ЭГФ) базового дизеля.

Для исследований подачи ПГ через ГГФ при использовании АТС в качестве гидропривода разработана математическая модель и создана программа расчета (рис. 2), предусматривающая возможность введения матрицы значений текущего давления в цилиндре, которые рассчитываются по программе расчета действительного цикла газового двигателя с внутренним смесеобразованием, что обеспечивает повышение точности расчета цикловой подачи природного газа (G ).

Уточнение параметров и проверка адекватности математической модели производились с применением расходных характеристик, которые были получены при испытании ГГФ на специально созданной безмоторной установке (рис. 3). Для снятия расходных характеристик на безмоторной установке разработана электронная

Научные разработки и исследования

система управления гидроприводом ГГФ, позволяющая в ручном режиме менять длительность и частоту управляющего импульса и задавать

необходимое число циклов срабатываний ГГФ.

Методика определения расходных характеристик заключалась в

У///////////7777Щ

б и Р" Р

Рис. 2. Расчетная схема программы расчета подачи ПГ через ГГФ: V , р - объем и давление в управляющей камере; ргаз - давление ПГ; 5и, Рпр - жесткость и сила предварительной затяжки пружины иглы ГГФ; си, - ускорение и ход иглы ГГФ; скл, - ускорение и ход управляющего клапана; рак, рсл - давление ДТ в аккумуляторе и магистрали слива ДТ; ЭМ - электромагнит

Ат = — R

измерении массы ПГ, поступившей в мерную емкость за фиксированное число циклов срабатывания ГГФ. Масса ПГ, поступившая в мерную емкость за время замера, рассчитывалась по уравнению

f \

Рг Pi T2z2 1[zi у

где V6 - объем мерного баллона; р1 и р2 - абсолютные давления в мерном баллоне до и после замера; Т1 и Т2 - температуры в мерном баллоне до и после замера; z1 и z2 - коэффициенты сжимаемости, соответствующие состоянию газа в мерном баллоне до и после замера; R - газовая постоянная.

Следует отметить, что представленный для примера график расхода ПГ (рис. 3) построен в функции длительности управляющего импульса (т), подаваемого на электромагнит гидравлического клапана управления, а не реального времени истечения ПГ из форсунки. Расходные характеристики получены для максимального подъема иглы ГГФ h и=0,4 мм при давлении в гидравлическом аккумуляторе р ак=10 МПа и давлении ПГ на входе в ГГФ Р впр=8 МПа. Можно отметить удовлетворительное совпадение опытной и расчетной характеристик.

Расчетные исследования подачи ПГ через ГГФ проводились для варианта, в котором воспламенение газовоздушной смеси осуществляется от малой мелкораспыленной порции ДТ, подаваемой АТС типа Common Rail. В этом случае ПГ можно начинать подавать в цилиндр двигателя сразу после закрытия впускного клапана с меньшим давлением рвпр, что позволит повысить степень выработки ПГ из баллонов.

Анализ полученных расчетных дифференциальных характеристик подачи ПГ показал следующее:

• подача ПГ начинается и заканчивается с некоторым смещением относительно роста давления ДТ в управляющей камере ГГФ, что, очевидно, связано с инерционностью подвижных деталей ГГФ, а также наличием запорной пружины иглы, сила предварительного сжатия которой преодолевается при достижении определенного давления ДТ в управляющей камере;

Научные разработки и исследования

й

• для компенсации уменьшения цикловой подачи при снижении давления ПГ на входе в ГГФ рвпр и при уменьшении максимального подъема иглы Ии (цель - снижение инерционности подвижных деталей) необходимо увеличивать длительность впрыскивания;

• для создания благоприятных локальных зон горения бедной газовоздушной смеси, особенно на режимах холостого хода и малых нагрузок, подачу ПГ целесообразно завершать как можно ближе к углу начала воспламенения запальной порции ДТ. Так результаты расчетов параметров цикла газодизельного двигателя для режима холостого хода (п=750 мин-1) показали, что оптимальный угол воспламенения газовоздушной смеси, соответствующий углу начала воспламенения запальной порции ДТ, равен 14° до ВМТ (166° ПКВ от начала сжатия). Следовательно, в данном случае

подача ПГ должна начинаться за 30° до ВМТ (рис. 4, характеристика 3);

• нецелесообразно снижать минимальное давление ПГ на входе

воспламенения. В то же время с ростом давления в цилиндре двигателя истечение ПГ становится докритическим, и может наступить момент, при котором подача ПГ окажется невозможной;

• на режимах холостого хода и малых нагрузок для обеспечения необходимых цикловых подач ПГ может оказаться недостаточным уменьшение длительности управляющего импульса вследствие большого суммарного эффективного сечения ^ распылителя и физических ограничений быстродействия системы управления. Дополнительно на этих режимах управлять подачей ПГ можно изменением давления ДТ в аккумуляторе (рис. 5), от которого зависит скорость нарастания давления в управляющей камере ГГФ. Расчеты

в ГГФ (р ) ниже 4 МПа, так как в этом случае на режиме холостого хода окончание подачи ПГ невозможно приблизить к углу оптимального начала

Рис. 4. Расчетные дифференциальные характеристики подачи ПГ на частоте вращения 750 мин-(холостой ход) при давлении ПГ рвпр = 4 МПа: 1 - начало открытия УК 140° ПКВ от НМТ; 2 - начало открытия УК 150° от НМТ ПКВ; 3 - начало открытия УК 150° ПКВ от НМТ

показали, что снижение давления ПГ на входе в ГГФ ведет к уменьшению диапазона регулирования подачи ПГ.

Таким образом, результаты расчета подачи ПГ позволили выбрать основные размеры ГГФ и, в частности, эквивалентное проходное сечение распылителя, а также величину хода иглы.

Для получения необходимых цикловых подач ПГ, обеспечивающих стабильную работу двигателя во всем диапазоне режимов, может оказаться целесообразным применение комбинированного управления ГГФ: изменения длительности управляющего импульса в сочетании с регулированием давления ДТ в аккумуляторе.

Так как минимальное давление ПГ на входе в ГГФ (рвпр) снижать ниже 4 МПа нецелесообразно, то для достаточно глубокой выработки запаса ПГ из баллонов необходим буферный до-жимной компрессор.