Система подачи добавочного компонента в цилиндр дизельного двигателя

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-1-67-73 УДК 621.436.12

М. Н. Покусаев, А. С. Зубарев, А. Ю. Грабарчук

СИСТЕМА ПОДАЧИ ДОБАВОЧНОГО КОМПОНЕНТА В ЦИЛИНДР ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Работающий дизельный двигатель является источником интенсивного загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, которые содержатся в отработавших газах. Данная проблема неоднократно поднималась Комитетом по защите морской среды в штаб-квартире Международной морской организации, отвечающей за повышение надежности и безопасности судоходства в области международной торговли и за предотвращение загрязнения моря с судов. Предлагается механизм решения данной проблемы, а именно дооборудование судового дизеля системой, которая позволит подавать добавочный компонент непосредственно в цилиндр дизельного двигателя, что позволит уменьшить содержание вредных веществ в отработавших газах. Проведен анализ эффективности уже существующих систем, успешно применяемых на практике, рассмотрены их преимущества и недостатки. Приведены главные отличия предлагаемой системы от систем, введенных в эксплуатацию, и основные ее преимущества. Точная подача добавочного компонента и отслеживание основных характеристик дизеля осуществляется благодаря разработанному электронному блоку управления, который получает необходимые сигналы от различных датчиков, монтируемых на дизеле. Все составные части установки образуют в итоге одну общую систему, но следует отметить, что функционально она является исключительно добавочной. Получение достоверных результатов стало возможным благодаря использованию новейших электронных составляющих и интеграции их с элементами дизеля.

Ключевые слова: дизельный двигатель, аккумуляторная топливная система, окислы азота, топливная система, электронный блок управления.

Введение

Работающий дизельный двигатель является источником интенсивного загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, которые содержатся в отработавших газах.

Одними из наиболее токсичных химических элементов, отрицательно воздействующих как на природу, так и на человека, являются оксиды азота (КОх), которые имеют свойство аккумулироваться, что оказывает пагубное влияние на живые организмы.

18 апреля 2016 года в штаб-квартире Международной морской организации (ИМО) в Лондоне (Великобритания) состоялась 69-я сессия Комитета по защите морской среды. В ходе работы данной сессии были приняты поправки к Конвенции МАРПОЛ (в том числе и к приложению VI «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов») о необходимости при входе и выходе из района контроля выбросов по NOx внесения в судовой журнал записи, касающейся стандарта выбросов и состояния судовых дизельных двигателей, с указанием даты, а также были внесены поправки к техническому кодексу по испытанию работающих на газе и двухтопливных двигателей в рамках стратегии по сокращению выбросов NOx [1, 2].

28 октября 2016 года в ходе 70-й сессии Комитета по защите морской среды было заключено соглашение о придании Северному и Балтийскому морям статуса районов контроля выбросов окислов азота с судов (КЕСА ^егШ), в соответствии с Правилом 13 и Дополнением III Приложения VI к Конвенции МАРПОЛ, и одобрены соответствующие поправки, которые вступят в силу и будут применяться к новым судам с 1 января 2021 года.

Данные факты говорят о ежегодном ужесточении требований к выбросам вредных веществ, содержащихся в отработавших газах судовых дизелей.

Анализ современных подходов в решении проблемы загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами

В настоящее время все технические мероприятия, направленные на снижение вредных выбросов отработавших газов дизелей, можно разделить на три основные группы: - совершенствование конструкции дизелей и точная регулировка параметров;

- применение каталитических нейтрализаторов и других средств очистки отработавших газов;

- улучшение состава топлива.

Целью исследования являлось снижение эмиссии NOx в отработавших газах дизелей, в связи с чем было произведено дооборудование судового дизеля аккумуляторной топливной системой с возможностью подачи жидкостных дополнительных компонентов в цилиндр дизельного двигателя в необходимом диапазоне.

Рассмотрим более подробно системы, которые были успешно применены на двигателях внутреннего сгорания с целью уменьшения содержания вредных выбросов в отработавших газах и экономии топлива:

- Lexus в 2006 г. впервые на серийном моторе опробовал «гибридную» систему питания (D-4S - Direct Injection 4-stroke petrol Superior version). На каждом цилиндре было установлено по две форсунки: одна во впускном коллекторе распыляет топливо под давлением до 4 бар, другая подает бензин непосредственно в цилиндр. Форсунки работают по разным алгоритмам. На холодном двигателе в начале такта впуска топливо впрыскивает форсунка низкого давления. В конце такта сжатия дополнительную порцию бензина подает другая форсунка, обогащая смесь вокруг свечи зажигания. С таким послойным распределением заряда сгорание идет при более высоких температурах, чем при обычном гомогенном смесеобразовании [3];

- Nissan в 2009 г. стал использовать технологию впрыска топлива Dual Injector. Она заключается в том, что в ДВС была использована не одна форсунка на цилиндр, а две - для каждого клапана своя. Благодаря этому решению диаметр капель топлива, попадающих в цилиндр, уменьшается на 60 %, поэтому бензин сгорает плавно и стабильно, особенно в сочетании с системой автоматического регулирования фаз газораспределения. Экономия топлива составляет порядка 4 % по сравнению с ДВС с непосредственным впрыском [4];

- с целью уменьшения выбросов вредных веществ, выполнения требований норм Евро-6 концерн Volkswagen разработал комбинированную систему впрыска, объединяющую систему непосредственного впрыска и систему распределенного впрыска на одном двигателе. Блок управления двигателем в зависимости от режимов работы активизирует одну из систем впрыска, чем достигается существенное снижение выбросов частиц сажи и углекислого газа [5];

- система WaterBoost от Bosch запрограммирована на дополнительную подачу воды вместо топлива. Вода активно охлаждает топливно-воздушную смесь, за счет чего повышается стойкость к детонации, производится более раннее зажигание и, в конечном итоге, увеличивается производительность двигателя. Как заявляет разработчик, система впрыска воды в двигатель на 5 % повышает мощность двигателя, на 13 % сокращает расход топлива, на 4 % снижает выборы углекислого газа [6].

Конструкция системы впрыска воды включает водяной бачок, водяной насос и водяные форсунки. Электронное управление впрыском воды осуществляет система управления двигателем. Пятилитрового бачка дистиллированной воды хватает на 5 000 км пути. Первым автопроизводителем, который довел разработку Bosch до внедрения, стала компания BMW. Сегодня BMW устанавливает на автомобилях М-серии систему впрыска воды, обеспечивающую безопасность на гонках MotoGP. Также система впрыска воды испытывается на прототипе BMW 1-й серии.

Система впрыска воды в двигатель нагнетает воду из бачка и распыляет ее во впускном коллекторе, чем достигается снижение температуры сгорания смеси на 25 °С. Это позволяет BMW использовать степень сжатия 11:1 вместо допустимого соотношения 9,5:1. Благодаря более высокой степени сжатия расход топлива снижается на 8 % и на 10 % увеличиваются крутящий момент и мощность двигателя.

Более низкая температура сгорания смеси уменьшает нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, турбокомпрессор, каталитический нейтрализатор, что повышает срок службы этих элементов.

Применение данных систем позволило снизить количество вредных выбросов (в том числе и NOx) в отработавших газах двигателей.

Все перечисленные системы были успешно применены на двигателях внутреннего сгорания с использованием принудительного воспламенения от свечи зажигания. К главным недостаткам данных систем можно отнести:

- невозможность применения данных систем на других двигателях без внесения существенных изменений;

- невозможность работы двигателя (в случае выхода из строя системы) только на одной из двух форсунок.

Следует отметить, что возможность применения разрабатываемой системы рассматривается исключительно в качестве добавочной. Применение таких систем на дизелях старой постройки позволит улучшить экологические показатели, приближая их к современным мировым требованиям.

Преимущества разрабатываемой системы:

- разрабатываемая установка позволяет подавать дополнительный компонент в любой момент цикла;

- в разрабатываемой установке предусмотрена как взаимосвязанная работа форсунки основного топлива (ОТ) и форсунки добавочного компонента (ДК), так и продолжение работы дизеля на форсунке ОТ в случае отключения добавочной системы.

Разрабатываемое устройство позволит решить ряд технических задач: даст возможность подавать ДК в цилиндр дизеля в любой момент рабочего цикла, позволит осуществлять оптимальный подбор состава и дозировки ДК в цилиндр дизельного двигателя [7].

Предлагаемый вариант системы по подаче добавочного компонента

Принцип действия топливной системы, работающей на дизельном топливе, состоит в следующем. Из бака топливо по трубопроводу поступает к насосу низкого давления, затем к фильтру тонкой очистки, после которого топливо поступает к топливному насосу высокого давления. Из насоса топливо под давлением подается по трубопроводу высокого давления к форсункам и впрыскивается в цилиндр дизеля.

Данная топливная система дооборудована системой по подаче ДК непосредственно в цилиндр дизельного двигателя (рис. 1).

1

Рис. 1. Система по подаче добавочного компонента: 1 - топливный бак; 2 - насос низкого давления ОТ; 3 - фильтр тонкой очистки ОТ; 4 - насос высокого давления ОТ; 5 - трубопровод ОТ; 6 - датчик давления ОТ; 7 - форсунка ОТ; 8 - бак с ДК; 9 - трубопровод ДК; 10 - насос низкого давления ДК; 11 - трубопровод ДК; 12 - фильтр тонкой очистки ДК; 13 - трубопровод ДК; 14 - невозвратный клапан;

15 - насос высокого давления ДК; 16 - трубопровод высокого давления ДК; 17 - топливная рампа высокого давления ДК; 18 - регулятор высокого давления; 19 - датчик давления ДК; 20 - электромагнитная форсунка; 21 - датчик давления газов; 22 - цилиндр дизеля; 23 - отсечная магистраль; 24 - электронный блок управления

Система работает следующим образом. Из бака ДК по трубопроводу поступает в насос низкого давления и под давлением 8-10 бар через невозвратный клапан поступает в насос высокого давления, затем ДК по трубопроводу поступает в топливную рампу высокого давления, в которой поддерживается заданное давление в пределах 45-175 бар с помощью регулятора высокого давления. Из топливной рампы высокого давления ДК подается в электромагнитную форсунку, а затем в цилиндр дизеля, где происходит сгорание смеси. Управление работой системы впрыска ДК осуществляется электронным блоком управления.

Разработка электронного блока управления

Для управления работой системы впрыска ДК, отслеживания и фиксации параметров установки был разработан электронный блок управления на базе микроконтроллера STM32F103C8 фирмы STMicroelectronics. Данный микроконтроллер является 32-битным архитектуры ARM и имеет рабочую частоту до 72 МГц.

Электронный блок управления получает и обрабатывает данные, поступающие с датчика положения коленчатого вала, энкодера, термопар, датчиков давления топлива, и управляет регулятором давления топлива, продолжительностью и временем открытия электромагнитной форсунки. Также электронный блок предоставляет функционал для снятия рабочих показателей и изменения параметров системы в реальном времени.

Многие датчики не могут быть подключены к микроконтроллеру напрямую из-за несовместимых уровней напряжения (порты ввода-вывода микроконтроллера не могут работать с напряжением более 3,3 В) и типов сигналов (например, АЦП микроконтроллера способен замерять лишь напряжение, но не ток), поэтому возникла необходимость разработки дополнительных плат, которые осуществляют нужные преобразования:

- преобразователя «ток-напряжение» для считывания данных с датчика МИДА;

- компаратора для считывания данных с датчика ВМТ, который корректно работает с высоким напряжением (датчик ВМТ используется индуктивного типа, и его выходной сигнал зависит от скорости вращения вала - выбросы напряжения могут достигать 100-200 В);

- внешнего АЦП для считывания значений с термопары.

Данные всех датчиков в конечном итоге считываются микроконтроллером и используются в работе его программного цикла (рис. 2).

Рис. 2. Схема взаимодействия микроконтроллера с составляющими экспериментальной установки

Так, например, датчик поворота коленчатого вала считает вращение с точностью до четверти угла непрерывно, поэтому датчик ВМТ используется для обнуления его значений при начале нового круга. Также микроконтроллер содержит несколько аппаратных таймеров, позволяющих выполнять точные замеры временных интервалов. Сочетание всех этих данных позволяет верно определять момент начала и конца проведения впрыска ДК. Помимо этого, по интервалу поступления импульсов с датчика ВМТ контроллер способен определять скорость вращения вала в оборотах в минуту.

Сигнал с датчика МИДА используется для управления регулятором давления в топливной системе. Контроллер способен подстроить требуемую силу, прикладываемую к регулятору давления с помощью соленоида, чтобы поддерживать давление на заданном уровне. При превышении установленного давления клапан открывается и сбрасывает излишнее давление в обратный контур.

Цифровые датчики температуры DS18B20 позволяют с высокой точностью измерять температуру в относительно низкотемпературных (не более 125 °С) контурах двигателя. Они опрашиваются примерно 1 раз в секунду и позволяют следить за динамикой изменения температуры в контурах охлаждения на различных режимах работы дизеля.

Пьезоэлектрический датчик динамического давления PS01 совместно с энкодером выводит и обновляет показания давления в цилиндре с промежутком в 0,25° п.к.в.

Электронный блок управления связан с персональным компьютером или ноутбуком по интерфейсу USB и позволяет в реальном времени просматривать все собранные системой данные, а также настраивать различные параметры. Он дает возможность:

- управлять моментом открытия и закрытия электромагнитной форсунки;

- определять положение, угловую скорость и частоту вращения коленчатого вала дизеля в любой момент времени;

- определять и изменять давление в топливной рампе высокого давления в режиме реального времени;

- определять температуру выхлопных газов, охлаждающей воды на входе/выходе из дизеля, температуру воздуха на входе во впускной коллектор, температуру масла, температуру окружающей среды;

- определять давление топлива в основной топливной системе, давление газов в цилиндре, атмосферное давление;

- записывать и сохранять все параметры и показатели работы установки в формат, пригодный для дальнейшей обработки в специальных программах.

Заключение

Разрабатываемый блок управления позволяет решить одну из главных задач, поставленных перед нами: подавать добавочный компонент в цилиндр дизеля в любой момент рабочего цикла. Функции управления установкой и фиксации ее основных параметров стали осуществляться при помощи актуальной на сегодняшний день техники, что позволяет получать и обрабатывать достоверные результаты непосредственно в процессе работы.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Резолюция МЕРС.271(69): поправки к Приложению VI к Конвенции МАРПОЛ, 2016. URL: http://docs.cntd.ru/document/542614212 (дата обращения 15.12.2017).

2. Резолюция МЕРС.272(69): поправки к Приложению VI к Конвенции МАРПОЛ, 2016. URL: http://publication.pravo.gov.ru/File/GetFile/0001201712250051 ?type=pdf (дата обращения 15.12.2017).

3. Две форсунки, четыре клапана: гибридная система питания Lexus. URL: https://www.zr.ru/ content/articles/13427-dve_forsunki_chetyre_klapana/ (дата обращения 15.12.2017).

4. Nissan первый применил две форсунки на цилиндр. URL: http://www.automobili.ru/news/ technique/nissan-pervym-primenil-dve-forsunki-na-tsilindr-2041/ (дата обращения 15.12.2017).

5. Комбинированная система впрыска. URL: http://systemsauto.ru/feeding/combined-injection.html (дата обращения 15.12.2017).

6. Система впрыска воды в двигатель. URL: http://systemsauto.ru/feeding/water-injection-system.html (дата обращения 15.12.2017).

7. Зубарев А. С. Разработка устройства для улучшения технико-экономических и экологических характеристик дизельного двигателя // Инновационное предпринимательство: тез. докл. Молодежн. науч.-практ. конф. (Астрахань, 11-13 ноября 2015 г.). Астрахань: Издат. дом «Астрахан. ун-т», 2015. С. 168-169.

Статья поступила в редакцию 09.01.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Покусаев Михаил Николаевич — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой эксплуатации водного транспорта; pokusaev@astu.org.

Зубарев Антон Сергеевич — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры эксплуатации водного транспорта; Anton1601@rambler.ru.

Грабарчук Александр Юрьевич — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры эксплуатации водного транспорта; alex45678@mail.ru.

Abstract. A working diesel engine is an intense source of atmospheric air pollution with toxic substances contained in exhaust gases. This problem was repeatedly raised by the Marine Environment Protection Committee at the headquarters of the International Maritime Organization which is responsible for strengthening stability and security of navigation of merchant ships and for preventing sea pollution from ships. The article proposes the way to solve the problem, namely, to equip a ship diesel with a system that will allow the additional component to be delivered directly to the cylinder of the diesel engine, thereby reducing the content of harmful substances from exhausted gases. Having analyzed the existing systems that were successfully applied in practice, there have been shown strong and weak points of the developed system, as well as its distinguishing features. Accurate feeding of the additional component and monitoring of the main characteristics of the diesel is carried out thanks to the developed electronic control unit, which in turn receives the necessary signals from various sensors mounted on the diesel engine. All the components of the installation form, as a result, one common system, but it should be noted that functionally the system under consideration is only accessory. Getting reliable results has become possible due to using the latest electronic components and integrating them with diesel elements.

Key words: diesel engine, battery fuel injection system, nitrous oxides, fuel injection system, electronic control unit.

1. Rezoliutsiia MERS.271(69): popravki k Prilozheniiu VI k Konventsii MARPOL. 2016 [Resolution MEPC. 271 (69): amendments to Appendix VI to MARPOL Convention]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/542614212 (accessed: 15.12.2017).

2. Rezoliutsiia MERS.272(69): popravki k Prilozheniiu VI k Konventsii MARPOL [Resolution MEPC. 272 (69): amendments to Appendix VI to MARPOL Convention]. 2016. P. 2. Available at: http://publication.pravo.gov.ru/File/GetFile/0001201712250051 ?type=pdf (accessed: 15.12.2017).

3. Dve forsunki, chetyre klapana: gibridnaia sistemapitaniia Lexus [Two injectors, four velves: Lexus hybrid fuel system]. Available at: https://www.zr.ru/content/articles/13427-dve_forsunki_chetyre_klapana/ (accessed: 15.12.2017).

4. Nissan pervyi primenil dve forsunki na tsilindr [Nissan was the first to use two injectors in the cylinder]. Available at: http://www.automobili.ru/news/technique/nissan-pervym-primenil-dve-forsunki-na-tsilindr-2041/ (accessed: 15.12.2017).

5. Kombinirovannaia sistema vpryska [Combined injection system]. Available at: http://systemsauto.ru/feeding/combined-injection.html (accessed: 15.12.2017).

M. N. Pokusaev, A. S. Zubarev, A. Yu. Grabarchuk

SYSTEM OF SUPPLYING THE ADDITIVE COMPONENT TO THE CYLINDER OF THE DIESEL ENGINE

REFERENCES

6. Sistema vpryska vody v dvigatel' [System of injecting water into the engine]. Available at: http://systemsauto.ru/feeding/water-injection-system.html (accessed: 15.12.2017).

7. Zubarev A. S. Razrabotka ustroistva dlia uluchsheniia tekhniko-ekonomicheskikh i ekologicheskikh kharakteristik dizel'nogo dvigatelia [Developing a device for improving technical-and-economic and ecological characteristics of a diesel engine]. Innovatsionnoe predprinimatel'stvo: tezisy dokladov Molodezhnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii (Astrakhan', 11-13 noiabria 2015 g.). Astrakhan, Izd. dom «Astrakhanskii universi-tet», 2015. Pp. 168-169.

The article submitted to the editors 09.01.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Pokusaev Mikhail Nikolaevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department of Operation of Water Transport; pokusaev@astu.org.

Zubarev Anton Sergeevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department of Operation of Water Transport; Anton1601@rambler.ru.

Grabarchuk Alexander Yuryevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Course Student of the Department of Operation of Water Transport; al ex45678@m ail .ru.