Непосредственный впрыск газового топлива в камеру сгорания ДВС с искровым зажиганием

Непосредственный впрыск газового топлива в камеру сгорания ДВС с искровым зажиганием

В.А. Шишков,

начальник технического отдела ООО «Рекар», доцент Самарского Государственного Аэрокосмического Университета им. С.П. Королева, к.т.н.

Рассмотрены возможности реализации непосредственного впрыска газового топлива в камеру сгорания ДВС с искровым зажиганием с электронной системой управления. Даны рекомендации по системе и алгоритму управления подачей газового топлива с непосредственным впрыском и управлению ДВС на различных режимах его работы. Показаны преимущества и недостатки непосредственного впрыска газового топлива в камеру сгорания ДВС.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), непосредственный впрыск газового топлива, камера сгорания (КС), искровое зажигание, алгоритм, электронная система управления.

Direct injection of gas fuel in the chamber of combustion the engine of internal combustion with spark ignition

V.A. Shishkov

The opportunities of realization direct injection of gas fuel in the chamber of combustion the engine of internal combustion with spark ignition with an electronic control system are considered. The recommendations for system and algorithm of management of submission of gas fuel with direct injection and management the engine of internal combustion on various modes of his work are given. The advantages and lacks direct injection of gas fuel in the chamber of combustion the engine of internal combustion are shown.

Keywords: the engine of internal combustion, direct injection of gas fuel, chamber of combustion, spark ignition, algorithm, electronic control system.

Непосредственный впрыск бензина в камеру сгорания ДВС получил широкое распространение на современных автомобилях. Это вызвано требованиями по снижению токсичности отработавших газов (ОГ) и выбросов диоксида углерода. Использование непосредственного впрыска газового топлива в КС находится в стадии разработки, так как возникают трудности в его осуществлении. Для жидких топлив при их высокой плотности проще создать требуемый перепад давления на форсунках при малом объемном расходе. Это очень важно для впрыска топлива за короткий промежуток времени и в достаточном массовом количестве для создания стехиометрического или бедного составов смеси перед процессом сгорания. Газовые топлива имеют малую плотность, а значит требуют большего объема в сравнении с жидкими топливами. Большой объем газового топлива, если он находится в газовой фазе, сложнее впрыснуть в камеру сгорания за короткий промежуток времени.

Для снижения расхода жидких топлив применяется так называемое послойное смесеобразование, которое позволяет ДВС на низких режимах работать на бедных смесях с основным составом топливовоздушной смеси 18...40, то есть а = 1,22.2,72. При послойном смесеобразовании в районе свечи смесь - стехиометрическая, а при удалении от нее - бедная. Создать послойное смесеобразование на жидких топливах проще, чем на газообразных, так как впрыскиваемые капельки жидкого топлива можно направить в зону электродов свечи и получить в этом месте сте-хиометрическую смесь для лучшего воспламенения.

Для определения оптимальной схемы непосредственного впрыска газового топлива в камеру сгорания рассмотрим следующие варианты.

Непосредственный впрыск сжиженного газа или газообразного топлива

Для исключения получения двухфазного потока на дозирующем элементе газовой форсунки непосредственный впрыск сжиженного газа требует следующих специальных конструктивных решений: теплоизоляцию трубопроводов и всех элементов топливной аппаратуры, повышение давления в системе подачи до значений, превышающих давление насыщения жидкой фазы газом, установку обратного слива из топливной рампы парожидкостной фазы газового топлива в баллон с высоким давлением, а также установку дренажной системы при хранении заправленного автомобиля при использовании криогенных баллонов. Для бездренажного хранения потребуются баллоны высокого давления, при котором газовое топливо будет находиться в жидкой фазе и т.д. Все это значительно усложняет и удорожает топливную систему для непосредственного впрыска сжиженного газа в сравнении с впрыском газовой фазы.

Непосредственный впрыск газообразного топлива осложнен необходимостью за короткий промежуток времени подавать в камеру сгорания большой объем топлива. Кроме того, при снижении давления газа в баллоне ниже давления в цилиндре при такте сжатия потребуется дополнительный компрессор для сжатия газа или изменение

алгоритма его впрыска в цилиндр, например, на двойной (рис. 1). Первый впрыск в начале такта сжатия обеспечивает максимальный расход газа для создания во всем объеме камеры сгорания обедненной топливовоздушной смеси (ТВС). Второй впрыск в конце такта сжатия в зону электродов свечи - для создания местного стехиометрического состава ТВС перед процессом зажигания.

Непосредственный впрыск газа в такте всасывания воздуха, в такте сжатия смеси или частично в такте всасывания воздуха и его сжатия

Непосредственный впрыск газа в такте всасывания (рис. 2) снизит наполнение цилиндров воздухом. Сниже-

ние составит примерно величину, равную объемной стехиометрии, что, в свою очередь, не позволит достичь требуемого крутящего момента и мощности ДВС. Этот режим можно использовать при снижении давления в баллоне до такого уровня, когда непосредственный впрыск станет невозможным для такта сжатия. Данный режим используют для максимальной выработки газа из баллона и увеличения пробега автомобиля на одной заправке. Мощность, крутящий момент, токсичность отработавших газов и расход газового топлива в этом случае будут аналогичны этим параметрам для варианта с впрыском газа во впускной трубопровод. Для снижения выбросов СН необходимо, чтобы впрыск газа был начат в момент закрытия выпускного клапана или позднее.

Рис. 2. График фазы непосредственного впрыска газа в камеру сгорания в такте впуска (впускной клапан открыт): 11 - высота подъема клапана газовой форсунки и впускного клапана; ?газ - продолжительность впрыска газа; ?вп кл - продолжительность открытого состояния впускного клапана двигателя; ?о - продолжительность одновременного отрытого состояния выпускного и впускного клапанов от начала открытия впускного клапана, эквивалентное 0-60° положения коленчатого вала

•Фш ЯЯИНР ЮЛ фщ «ар »4P Jbb И! А

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (18) ноябрь 2010 г.

Рис. 3. График фазы непосредственного впрыска газа в камеру сгорания частично в такте впуска

и частично в такте сжатия

Непосредственный впрыск газа частично в такте всасывания воздуха, а частично в начале такта сжатия (рис. 3) не требует высокого перепада давления газа на форсунках и может быть использован, как в предыдущем варианте. В сравнении с предыдущим вариантом снижение мощности и крутящего момента будет меньше на величину, выраженную в процентах и равную величине массового количества газового топлива, которое попадает в камеру сгорания после закрытия впускного клапана. То есть чем больше масса впрыскиваемого топлива после закрытия впускного клапана, тем меньше потери мощности и крутящего момента. Это связано с увеличением массы ТВС, поступившей в цилиндр ДВС. Изменение токсичности отработавших газов и расхода топлива в сравнении с предыдущим вариантом будет незначительное, если состав топливовоздушной смеси будет стехиометрическим.

При использовании двойного впрыска (рис. 4) можно получить значительное снижение токсичности отработавших газов и расхода топлива. Первый впрыск - в такте впуска для создания бедной смеси по всему объему камеры сгорания, второй - в начале такта сжатия в зону электродов свечи для создания в ней стехиометрического состава ТВС. Так как масса газового топлива при втором впрыске незначительна, то потери мощности и крутящего момента соизмеримы с впрыском газа во впускной трубопровод.

В алгоритме управления ДВС можно реализовать оба вышеописанных варианта, один - для мощностных режимов, второй - для экономичных.

Непосредственный впрыск в такте сжатия (рис. 5) требует высокого перепада давления на газовых форсунках, если он заканчивается при приближении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ). Если впрыск заканчивается при нахождении поршня в промежуточной

Рис. 4. График фазы непосредственного впрыска газа в камеру сгорания частично в такте впуска

и частично в такте сжатия

точке при его движении к ВМТ, то потребуется средний перепад давления газового топлива на форсунках. К преимуществам относится высокое наполнение цилиндров газовоздушной смесью, а значит есть возможность получить большие крутящий момент и мощность ДВС в сравнении с двумя предыдущими вариантами.

Различные уровни перепада давления впрыскиваемого газа

Низкий перепад давления (до 1 МПа) на газовых форсунках применяется для непосредственного впрыска в такте впуска воздуха или в начальный период такта сжатия. Его преимущества заключаются в том, что, во-первых, не требуется дополнительный компрессор, во-вторых, происходит максимальная выработка газового топлива из баллона, в-третьих, можно использовать некоторые конструкции газовых форсунок и редуктор от систем с впрыском во впускной трубопровод. Недостатки те же, что и для систем с впрыском во впускной трубопровод.

Средний перепад давления (1-5 МПа) на газовых форсунках применяется для непосредственного впрыска газа в начале и середине такта сжатия, для пред-впрысков при многократных впрысках за один рабочий ход, а также для создания начального бедного состава газовоздушной смеси. Недостатки - снижение выработки газа из баллона при отсутствии дополнительного компрессора, повышенные требования к конструкции газовых форсунок.

Высокий перепад давления (более 5 МПа) на газовых форсунках применяется для непосредственного впрыска газа в конце такта сжатия перед началом подачи зажигания на электроды свечи или при многократных впрысках для создания стехиометрического состава газовоздушной смеси в зоне электродов свечи зажигания. Недостатки - более высокие требования к конструкции газовых форсунок и еще большее снижение выработки газа из баллона в сравнении с предыдущими вариантами.

Различные элементы для впрыска газового топлива

Электромагнитные газовые форсунки применяются для непосредственного впрыска только в такте впуска и в начальный период такта сжатия. Из-за высоких температур и давления в камере сгорания в рабочем такте не все газовые электромагнитные форсунки можно применять для непосредственного впрыска. Например, нельзя применять мембранные, у которых мембрана изготовлена из материалов на основе резины или пластика.

Специальные конструкции пъезофорсунки и форсунки с поршневым компрессором применимы для всех вариантов впрыска газа по фазам работы цилиндра, но они не доведены до серийного производства.

Степень сжатия воздуха в цилиндре

Для бензиновых ДВС с непосредственным впрыском степень сжатия изменяется от 10 до 11,5. Это стало возможным из-за снижения вероятности возникновения детонационных процессов при работе на обедненных смесях и температуры заряда при испарении жидкой фазы бензина после впрыска в цилиндр. Для газовых видов топлив, у которых детонационное число выше, чем у бензина, можно увеличить степень сжатия, например, для пропан-бутана с 10,5 до 11___12,5, а для метана

(природного газа) с 12,5 до 14_ 16. При использовании газовых форсунок с поршневым компрессором желательно охлаждать газовое топливо перед его впрыском в цилиндр. С доработкой конструкции двигателя можно применить один из двух вариантов увеличения степени сжатия для непосредственного впрыска газа:

повышенная степень сжатия не изменяется в зависимости от режима работы ДВС;

повышенная степень сжатия, например, от 12,5 до 16, изменяется в зависимости от режима работы ДВС и степени обеднения основной массы газовоздушной смеси.

Чем выше обеднение смеси и чем меньше объем камеры сгорания (влияние масштабного фактора на воспламенение топливовоздушной смеси), тем меньше вероятность возникновения детонационных процессов в двигателе.

Преимущества и недостатки впрыска газа в камеру сгорания под высоким давлением в такте сжатия

Преимущество заключается в повышении степени турбулентности внутреннего вихря, за счет которого увеличивается скорость сгорания газовоздушной смеси [1]. Степень относительного увеличения турбулентности можно оценить расчетным путем.

Для вычисления относительной величины изменения импульса Д/ движения воздушного вихря в камере сгорания за счет впрыска газа запишем закон сохранения импульса движения:

т + т = (т + т ,

вв ггв ггв

где тв , тг , (тв + тг) - масса воздуха, газа и смеси воздуха с газом соответственно;

^ V.

скорость воздуха, газа при его впрыске в ка-

меру сгорания и газовоздушной смеси после их смешения (средние интегральные векторные величины).

Или в относительных величинах изменения импульса движения:

Д/ = 1 + т~ч / т = (т + т )~\/ / т ,

г г в в в ггв в в

где тв / тг = 10 - коэффициент стехиометрии газового топлива в смеси с воздухом. Для оценки влияния примем 10 = 16 кг воздуха на 1 кг газового топлива.

Тогда относительная величина изменения импульса движения

Д/ = 1 + (1/у (^ / ^ ).

Например, при сверхкритическом перепаде на клапане газовой форсунки при непосредственном впрыске в камеру сгорания скорость истечения газа будет равна скорости звука, то есть = азв. Для оценки примем скорость звука 410 м/с. Скорость движения воздуха зависит от перепадов давления на впускном клапане и всей системы впуска, его температуры, частоты вращения коленчатого вала (КВ), пульсационной составляющей в системе впуска, формы камеры сгорания и т.д. В общем случае для многих конструкций двигателей с принудительным зажиганием средняя векторная величина скорости воздуха в камере сгорания изменяется от 5 до 40 м/с. Тогда получим диапазон изменения относительного импульса движения от 6,125 на режиме холостого хода до 1,64 при максимальной частоте вращения КВ.

Если принять допущение об отсутствии внешних и внутренних потерь энергии при впрыске газа в камеру сгорания, то изменение относительного импульса движения будет пропорционально относительному увеличению

турбулентности ДЕ движения газовоздушной смеси, то есть Д/ ~ ДЕ.

Скорость горения газовоздушной смеси Ц = Ц + Ц где ио, и' - нормальная скорость горения и турбулентная составляющая скорости горения соответственно.

Турбулентная составляющая в данном случае возрастет примерно в 6,125...1,64 раза от режима холостого хода до максимальной частоты вращения КВ. Соответственно скорость сгорания газовоздушной смеси в процентном отношении увеличится больше на холостом ходу, чем при максимальной частоте вращения коленчатого вала. Относительное снижение токсичности отработавших газов по выбросам СО и СН будет более значительным на малых режимах, чем при максимальной частоте вращения КВ.

К недостаткам непосредственного впрыска газового топлива можно отнести:

усложнение конструкции газовых форсунок, а значит и увеличение стоимости топливной газовой аппаратуры;

увеличение числа соединений газовых трубопроводов с элементами топливной аппаратуры с высоким давлением, что снижает надежность системы по ее герметичности и соответственно по пожаровзрывобезопас-ности;

увеличение количества и продолжительности доводочных работ системы подачи газового топлива и алгоритма управления ДВС при работе на бедных газовоздушных смесях для выполнения норм по токсичности отработавших газов.

Элементы для непосредственного впрыска газового топлива

Наиболее сложным элементом в системе газовой подачи с непосредственным впрыском является газовая форсунка. Высокий перепад давления на клапане форсунки для непосредственного впрыска означает сверхкритическое истечение газа из ее сопла [2]. Фактически скорость звука в минимальном сечении сопла форсунки ограничивает ее расходные характеристики. Увеличение расхода возможно двумя способами: увеличением диаметра сопла форсунки и длительности импульса открытого состояния клапана форсунки, что не всегда приемлемо для режимов с высокой частотой вращения коленчатого вала. При частоте вращения КВ 6000 мин-1 время впрыска должно быть меньше 5 мс (время перемещения поршня в такте сжатия с нижней до верхней мертвой точек). Это время включает в себя: продолжительность открытия клапана форсунки, импульса открытого состояния клапана форсунки и закрытия клапанной пары. В настоящее время нет разработки и тем более производства газовых форсунок для непосредственного впрыска газа [3].

Вторым элементом является газовый редуктор. Если для газообразного природного газа с давлением в баллоне до 25.40 МПа не составляет трудности создать перепад давления на газовой форсунке от 1,5 до 10 МПа, то

для пропан-бутана потребуется плунжерный или поршневой компрессор для создания необходимого перепада давления на клапане форсунки для непосредственного впрыска газа. Для природного газа при снижении давления в баллоне ниже 5 МПа также потребуется подобный компрессор или выработка газа из баллона будет неполной, что, в свою очередь, сократит пробег автомобиля на одной заправке. При давлении в баллоне ниже 5 МПа для природного газа можно предусмотреть движение с ограничением мощности ДВС (для обеспечения передвижения автомобиля до очередной заправки природным газом) и впрыск газа в такте впуска ТВС.

Датчики давления и температуры газа перед форсунками должны быть рассчитаны по измеряемому диапазону и прочности корпуса на соответствующее рабочее давление. Точность измерений этих датчиков должна позволять алгоритму управления корректировать газовую подачу в соответствии с требованиями по токсичности отработавших газов, способствовать улучшению пусковых и ездовых качеств автомобиля, оптимизации расхода топлива, обеспечению мощностных режимов работы и максимальной выработки газа из баллонов.

Электронный блок управления может быть аналогичным бензиновому для непосредственного впрыска газа. Естественно, алгоритм управления должен быть доработан в соответствии с рекомендациями, приведенными в данной работе и работах [1-4].

Остальная газовая аппаратура (клапаны, баллоны, трубопроводы, заправочные устройства и т.д.) практически не отличается от аппаратуры с впрыском газа во впускной трубопровод. За исключением бронированных шлангов от редуктора до рампы форсунок, которые по прочности должны соответствовать рабочему давлению.

Рекомендации по непосредственному впрыску газа в камеру сгорания и алгоритму управления ДВС

1. Степень сжатия в ДВС должна соответствовать конкретному виду газового топлива, например, для пропан-бутана 11 или повышенная до 11_12,5, для природного газа 12,5_13 или повышенная до 14_16 и т.д. Требуемая степень сжатия для однотопливного ДВС должна обеспечиваться объемом и конструкцией камеры сгорания, а также соответствующим объемом цилиндра. Для многотопливных вариантов ДВС с непосредственным впрыском газа потребуется конструкция камеры сгорания или конструкция цилиндра с изменяемыми объемами для получения требуемой степени сжатия для каждого вида топлива.

2. Для создания слоев с различным составом газовоздушной смеси в камере сгорания требуется специальная конструкция как камеры сгорания, так и выходного дозирующего устройства газовой форсунки, при этом впрыск газового топлива необходимо осуществлять для различных газов по-разному. Метан легче воздуха, поэтому впрыскивать его необходимо в центр

воздушного вихря, который образовался в процессе впуска воздуха в камере сгорания, в центр этого вихря необходимо поместить и электроды свечи. Впрыск бутана наоборот необходимо выполнять по периферии воздушного вихря, так как он тяжелее воздуха, и соответственно электроды свечи должны быть помещены в периферийную область камеры сгорания. Впрыск пропана вызывает некоторые затруднения из-за того, что его молекулярная масса практически соизмерима с массой воздуха. Впрыск смеси пропана и бутана необходимо выполнять как впрыск чистого бутана. В этом случае бутан создаст в периферийной области стехио-метрическую смесь, а в центре вихря пропан создаст бедную газовоздушную смесь.

3. Для создания послойного состава газовоздушной смеси необходимо, во-первых, сформировать вход воздушного потока в цилиндр таким образом, чтобы создать радиальный вихрь в камере сгорания; во-вторых, создать турбо- или электронаддув цилиндров; в-третьих, предусмотреть задержку открытия впускного клапана от верхней мертвой точки поршня в процессе такта впуска для увеличения разрежения в цилиндре и повышения скорости воздуха на входе в камеру сгорания. Задержка может составлять от 0 до 90° от ВМТ поршня, при этом достигается максимальная скорость движения поршня и максимальное разрежение в цилиндре. Необходимо помнить, что значительное увеличение задержки может повысить количество паров масла, проникающих через зазоры поршневых колец из картера, что, в свою очередь, может привести к увеличению выбросов СО и СН в отработавших газах. И, наконец, необходимо увеличить скорость движения вихря воздуха в камере сгорания за счет роста частоты вращения коленчатого вала.

4. Фаза непосредственного впрыска газа должна быть синхронизирована с максимальной скоростью воздушного вихря в камере сгорания. Кроме этого для создания послойного состава газовоздушной смеси можно использовать несколько впрысков на один рабочий такт ДВС. Например, ранний (в фазе начала такта сжатия или в фазе конца такта впуска аналогично впрыску газа во впускной трубопровод) предвпрыск части газового топлива для создания среднего по всему объему состава смеси на уровне 18_25, то есть по а = 1,22_1,7. Затем второй впрыск в объем около электродов свечи зажигания (в фазе конца такта сжатия) перед началом зажигания, при этом фаза последнего впрыска должна заканчиваться, как минимум, раньше на 0,01_0,5 мс до начала зажигания. В этом случае можно добиться местного послойного состава газовоздушной смеси в зоне около электродов свечи до а = 1.

Для получения послойного состава газовоздушной смеси необходимо правильно подобрать фазу второго впрыска в область электродов свечи зажигания и фазу начала зажигания для того, чтобы вторая доза газа не успела перемешаться с основной массой топливовоздушной смеси. Иначе в зоне электродов свечи зажигания

не будет стехиометрического состава, что повлечет ухудшение воспламенения бедной смеси.

В таком случае обеспечение мощностных режимов работы ДВС на бедной смеси при высокой частоте вращения коленчатого вала становится проблематичным, так как обычно требуется обогащение топливовоздушной смеси. Для обеспечения необходимой мощности в данном случае используют ДВС с большей мощностью, например, вместо 1,6-литрового будет двухлитровый.

Сложнее получить послойное смесеобразование газа с воздухом при низкой частоте вращения коленчатого вала.

Для каждого вида газового топлива и режима работы ДВС потребуется выбрать оптимальное обеднение с учетом следующих условий:

двигатель должен устойчиво работать во всем диапазоне режимных параметров;

температура горения должна обеспечивать минимальное количество выбросов СО, СН и NOx при работе на бедной смеси при сильном разбавлении отработавших газов воздухом;

фазы впрысков должны обеспечивать требуемую цикловую подачу газа в цилиндры (при высокой частоте вращения коленчатого вала сложно обеспечить 2-3 впрыска соответствующих долей цикловой подачи газового топлива).

5. Угол опережения зажигания необходимо выбрать в соответствии с рекомендациями, изложенными в работе [1] и п.4.

6. При использовании газового топлива с различным химическим составом компонентов необходимо использовать рекомендации для алгоритма по адаптации состава топливовоздушной смеси [4]. Адаптация может выполняться в целях получения максимальных значений мощности и крутящего момента, снижения расхода топлива и токсичности отработавших газов.

Литература

1. Шишков В.А. Определение величины увеличения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газ в зависимости от скорости горения топливной смеси // Транспорт на альтернативном топливе. - 2008. - № 3. - С. 20-23.

2. Шишков В.А. Алгоритм управления и диагностика состояния электромагнитных газовых форсунок ДВС с искровым зажиганием // АГЗК+АТ. - 2006. - № 6. - С. 46-48.

3. Шишков В.А. Возможности систем одновременной подачи газового и жидкого топлив в ДВС с искровым зажиганием // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009.

- № 2. - С. 22-28.

4. Шишков В.А. Алгоритм адаптации электронной системы управления ДВС к различным химическим составам газового топлива // Транспорт на альтернативном топливе.

- 2008. - № 1. - С. 30-35.

Автомобильные газовые баллоны

ООО «Балсити» янпиотся единственным производителем в России, изготавливающим баллоны для СУ Г, сертифицированные по Международным Правилам ЕЭК ООН №67-01. На предприятии внедрена и действует система менеджмента качества в соответствии с ГОСТ Р И СО 9001 -200 В {130 9001-2008 )

В настоящее время серийно изготавливаются: • цилиндрические баллоны емкостью от 30 до 220 л. - тороидальные баллоны емкостью от 42 до 94 л, -блоки цилиндрических баллонов различной емкости (спаренные баллоны),

Широкое разнообразие типов и объемов выпускаемых баллонов позволяет оснастить ими автомобили любой марки.

ООО «Ёалсити» является эксклюзивным поставщиком баллонов на конвейер Горько веко го автозавода ГАЗ.

Тел. +7 (495) 955-43-77

Факс +7 (495) 7ВЗ-84-92

E-mail: batcity@balcity.ru

Сайт: www.batcity.rj