Система питания и управления газодизелем, работающем на природном газе

Система питания и управления газодизелем, работающем на природном газе

А.А. Капустин,

зав. кафедрой Санкт-Петербургского государственного университета сервиса и экономики, профессор, д.т.н.

Газодизель, - это двигатель внутреннего сгорания, работающий на природном газе (основное топливо) с воспламенением газовоздушной смеси в цилиндре запальной дозой жидкого дизельного топлива. Газовоздушная смесь образуется во впускном коллекторе.

Большой опыт по использованию природного газа в качестве топлива ДВС накоплен для карбюраторных двигателей, которые продолжают совершенствоваться, улучшая свои технико-экономические показатели.

В 1987 г. объединение «КамАЗ» начало выпуск модификаций автомобилей с газодизельными двигателями КамАЗ-7409. Система питания и управления газодизелем разработана во ФГУП «НАМИ».

Однако практика эксплуатации газодизельных автомобилей выявила недостатки в конструкции системы НАМИ. Это увеличение вредных выбросов в отработавших газах: СО - в 3,3 раза, СН - в 12,5 раз. На малых и средних нагрузках расход жидкого топлива (запальная доза) увеличивался до 50% от цикловых подач при номинальных нагрузках. Это не соответствовало параметрам, приведенным в технических характеристиках газодизельных КамАЗов, где запальная доза указывалась на уровне 20% номинала.

Повышенные расходы жидкого топлива, ухудшение динамических свойств автомобилей свели на нет заказы на газодизели. В чем же причина? Анализ конструкции газодизелей КамАЗ позволил определить, что при разработке систем одновременной подачи воздуха, газа и жидкого топлива специалисты НАМИ использовали опыт создания судовых и стационарных газодизелей.

Прежде всего следует отметить, что газодизель с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси и зажиганием ее в цилиндре нужно рассматривать, как двигатели Отто. Поэтому концепция улучшения топливной экономичности и экологических показателей газодизеля близка своей направленностью к концепции создания экономичных и экологически чистых бензиновых или газовых двигателей.

Основная проблема при этом связана с совершенствованием систем питания газодизеля: с высококачественным смесеобразованием посредством гомогенизации газовоздушной смеси и с оптимизацией дозирования топлива для того, чтобы в каждом цикле и цилиндре был требуемый состав смеси.

Требования к смесеобразованию вытекают из условия, что именно коэффициент избытка воздуха а в основном определяет состав продуктов сгорания и удельный расход

топлива двигателем, хотя величина а различно влияет на концентрацию в продуктах сгорания СО, CnHm и NOx. Если теоретически СО и CnHm имеются в продуктах сгорания только богатых смесей (то есть при правильной организации смешения в бедных смесях эти продукты не образуются), то NOx в наибольших количествах образуется при а = 1-1,1, соответствующем максимальной температуре сгорания при наличии избыточного кислорода, то есть при несколько обедненной смеси. По мере же обеднения (и обогащения) концентрация NOx в продуктах сгорания падает, достигая незначительной величины уже при а = 1,4.

Следовательно, при сгорании смеси с а = 1,4 процесс будет малотоксичен по всем трем компонентам. По мере же дросселирования из-за уменьшения температуры сгорания и повышения доли остаточных газов теоретический состав смеси минимальной токсичности будет постепенно приближаться к стехиометрическому. Что же касается топливной экономичности, то известно, что в карбюраторных двигателях g . соответствует а = 1,05-1,1, хотя термический КПД

-'e min 'эк 1 m

цикла растет по мере обеднения смеси. При дросселировании значения аэк уменьшаются, попадая в область богатых смесей. Однако такие значения аэк в основном определяются затруднениями в формировании очага пламени от искрового источника и, как правило, приводят к затягиванию горения, то есть увеличение мощности искры перемещает аэк на большие значения (аэк = 1,15-1,2). При факельном зажигании аэк растет до величины 1,4-1,6, что означает, что есть средства сближения значений коэффициентов избытка воздуха, соответствующих минимальной токсичности и экономичности.

В газодизелях газовоздушная смесь поджигается от воспламенения жидкого топлива, впрыскиваемого в цилиндр. В конце хода сжатия факел запального жидкого топлива образует мощный источник зажигания, обеспечивающий сгорание более бедных смесей, чем при искровом зажигании. Возможность эффективно сжигать бедные смеси позволяет иметь степень сжатия газового двигателя, как у дизеля. Двигатели с частотой вращения коленчатого вала до 1000 об/мин-1 с цилиндрами диаметром более 150 мм выполняют обычно с е = 11-13. Более высокие степени сжатия (до 18) применяются для более быстроходных двигателей с меньшим диаметром цилиндра. Для предотвращения воспламенения газовоздушной смеси в период сжатия необходимо, чтобы коэффициент избытка воздуха а; смеси воздуха и газообразного топлива был не менее 1,8-2,2. При работе с большими коэффициентами избытка воздуха для компенсации уменьшения литровой мощности приходится увеличивать количество впрыскиваемого жидкого топлива. Коэффициент избытка воздуха а2 при сгорании и расширении зависит как от а1, так и от количества вводимого жидкого топлива. Для обеспечения полного сгорания жидкого топлива коэффициент избытка воздуха а2 после впрыска жидкого топлива должен быть не менее 1,2-1,8. Меньшие значения а2 относятся к более быстроходным двигателям.

ИИ дШи. 0 4

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (4) июль 2008 г.

Рис. 1. Изменение параметров процесса при различных способах регулирования: 1 - количественный; 2 - качественный; 3 - смешанный оптимальный; 4 - смешанный обогатительный

Минимальное количество запального жидкого топлива, обеспечивающее устойчивую работу газодизеля, определяется характеристикой установленной на нем топливной аппаратуры. В конвертированном двигателе топливный насос должен обеспечивать подачу такого количества топлива, которое необходимо для получения номинальной мощности при работе только на жидком топливе. Минимальное количество жидкого топлива, которое такой насос может устойчиво подавать, составляет 20-25% от его номинальной подачи. При меньшей подаче возможна неравномерность и пропуск в подачах отдельных секций многоплунжерных насосов. Если на двигателе установить отрегулированный или специальный ТНВД для впрыска только запального жидкого топлива, то устойчивую работу двигателя можно получить при подаче топлива 3-5% и менее от количества жидкого топлива, необходимого для работы только на жидком топливе при номинальной нагрузке.

Образование гомогенной смеси из газа и воздуха является необходимым условием совершенного сгорания, так как местное, хотя бы небольшое, переобогащение смеси приводит к недостатку воздуха и, следовательно, к невозможности полного сгорания.

Условия образования горючей смеси в газодизелях более благоприятны, чем в двигателях, работающих на жидком

топливе, так как газ и воздух находятся в одном агрегатном состоянии.

При газожидкостном процессе запальное жидкое топливо впрыскивается в газовоздушную смесь. Процесс образования воспламеняющейся горючей смеси из паров жидкого топлива и воздуха протекает так же, как и в двигателях с воспламенением от сжатия, работающих на жидком топливе.

Выбор способа регулирования газодизеля зависит от назначения и типа двигателя. Так, для стационарных двигателей в подавляющем большинстве применяется качественное регулирование. Этот же способ специалистами НАМИ использован при создании системы питания газовоздушной смесью газодизеля КамАЗ-7409.

Мощность, развиваемая двигателем, регулируется путем изменения состава горючей смеси (изменением величины а), то есть изменением соотношения количества газа и воздуха в смеси. Это выполняется дросселированием потока газа при постоянном количестве воздуха, поступающего за цикл.

Известно, что такой способ регулирования во всем диапазоне нагрузки двигателя выполнять невозможно. Соотношение газа и воздуха на малых нагрузках (при малых подачах газа) может сильно отличаться от стехиометрического, и скорость реакции настолько уменьшается, что реакция практически может прекратиться. В такой топливовоздушной смеси пламя не сможет распространяться.

Для двигателей транспортных средств, особенно автомобилей, работающих главным образом на частичных нагрузках, применяют количественное регулирование, то есть меняется количество свежей газовоздушной смеси, поступающей в двигатель (изменение п„), для изменения его мощности. При этом состав газовоздушной смеси стремятся выдерживать таким образом, чтобы он соответствовал пределу эффективного обогащения.

В отношении экономичности лучшие результаты могут быть получены, конечно, при качественном регулировании. В этом случае количество свежего заряда, поступающего в цилиндры двигателя, остается неизменным. Мощность, развиваемая двигателем, регулируется путем изменения состава горючей смеси (изменением величины а), то есть изменением соотношения количества газа и воздуха в смеси. Это обычно достигается дросселированием потока газа.

Наиболее эффективным для газодизелей является способ смешанного регулирования, заключающийся в том, что в области высоких нагрузок мощность двигателя меняется в результате обогащения горючей смеси.

Способ обогатительного регулирования является разновидностью смешанного регулирования. На рис. 1 показан характер изменения коэффициента наполнения коэффициента избытка воздуха а, индикаторного КПД п и удельного расхода тепла ц. в зависимости от нагрузки при различных способах регулирования.

При создании автомобильной системы приготовления газовоздушной смеси для газодизеля у конструкторов был единственный выбор. В основу была положена система питания газобаллонных автомобилей, включающая газовоздушный смеситель, двухступенчатый редуктор низкого давления и другие элементы, установленные на двигатель и автомобиль, как показано на рис. 2. В системе были и не-

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (4) июль 2008 г.

иВЬ»|Щ|Ц .....ШТШД^т

Рис. 2. Принципиальная схема газового оборудования НАМИ: 1 - двигатель; 2 - преобразователь давления газа; 3 - манометр; 4 - баллон; 5 - двухступенчатый редуктор низкого давления; 6 - трехходовой электромагнитный клапан; 7 - дозатор газа; 8 - смеситель; Б - к индикатору засоренности

которые изменения. Во-первых, отсутствовала дроссельная заслонка во впускном коллекторе. Вместо нее в газовом канале установили дозатор газа 7, то есть заслонку, управляемую от педали водителя и регулирующую подачу газа из двухступенчатого редуктора. Для управления запальной дозой на ТНВД установили ограничитель хода рычага подачи топлива.

Следует обратить особое внимание на то, что газовоздушный смеситель и двухступенчатый редуктор представляют собой газовый карбюратор. Эта система обеспечивает автоматическое согласование соотношений воздуха и газового топлива на всех возможных режимах работы двигателя. Регулирование мощности связано с изменением величины коэффициента наполнения, поэтому необходимо органы управления подачей топлива поставить в зависимость от параметра, однозначно связанного с коэффициентом наполнения. Таким параметром является величина разрежения Л РК во впускной трубе за дроссельной заслонкой. От нее коэффициент наполнения зависит линейно.

В результате, при работе системы КамАЗ двухступенчатый редуктор на малых нагрузках без разряжения не подавал газ, механический дозатор не играл никакой роли, и двигатель работал на дизельном топливе.

Ограничитель подачи дизельного топлива на рычаге водители отключали, поэтому автомобиль работал без ограничения подачи дизельного топлива. Как только росла частота вращения коленчатого вала двигателя, разряжение включало газовый редуктор, регулятор ТНВД, чувствуя подкрутку двигателя снаружи (газом), убирал рейку и уменьшал подачу жидкого топлива независимо от положения рычага подачи ТНВД. Между рейкой ТНВД, регулятором и рычагом подачи была введена гибкая связь.

В целях устранения выявленных недостатков была предложена система питания и управления газодизелем

«ГДА», в основе которой был заложен способ внешнего смесеобразования природного газа и воздуха с количественным регулированием, то есть при изменении количества свежей топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель, менялся коэффициент наполнения для изменения мощности двигателя. При этом состав топливовоздушной смеси выдерживался в соответствии с пределом эффективного обеднения.

Чтобы избежать ошибок при проектировании системы питания газодизеля, нужно понять работу главного элемента - редуктора низкого давления, который является дозатором газа и управляет работой двигателя на всех режимах.

В процессе пуска двигателя возникающее во впускном трубопроводе разрежение через вакуумную трубку 8 (рис. 3), вакуумную полость Е дозирующего экономайзер-ного устройства передается в вакуумную полость Д разгрузочного устройства. Под действием разрежения диафрагма разгрузочного устройства сжимает коническую пружину 20, перемещается вверх и разгружает диафрагму 5 второй ступени редуктора от действия усилия, создаваемой пружиной 20. Минимальное значение разрежения, при котором срабатывает разгрузочное устройство, составляет 0,8-1,0 кПа.

Работе на режиме холостого хода соответствует положение основных элементов редуктора низкого давления и карбюратора-смесителя, показанное на рис. 3.

Клапаны первой 18 и второй 6 ступеней редуктора низкого давления открыты. Клапан экономайзера закрыт под действием высокого разрежения. При работе двигателя на режимах малых нагрузок в полости Б второй ступени редуктора поддерживается небольшое избыточное давление порядка 98-200 МПа.

На режимах холостого хода и малых нагрузок состав горючей смеси можно регулировать с помощью регулировочного винта 2 общей подачи газа в систему холостого хода. Это определяет качество работы двигателя при переходе от режимов холостого хода к режимам малых нагрузок без «провалов». По мере увеличения открытия дроссельной заслонки 27 ее верхние кромки в большой степени перекрывают отверстия 28. При этом площадь отверстия, попадающая в область высокого задроссельного разрежения, увеличивается, что приводит к возрастанию подачи газа через данные отверстия.

ШП дШи. Ш I

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (4) июль 2008 г.

Работе двигателя на режимах частичных нагрузок соответствует положение основных элементов редуктора низкого давления и карбюратора-смесителя, показанное на рис. 4. После открытия клапана 29 газ при небольшом открытии дроссельной заслонки 27 поступает в карбюратор-смеситель как через главную дозирующую систему, так и через систему холостого хода.

По мере дальнейшего открытия дроссельных заслонок 27 разрежение в диффузоре-смесителе 30 возрастает, а разрежение в зоне выходных отверстий 26 и 28 системы холостого хода уменьшается. В связи с этим при возрастании нагрузки подача газа через главную дозирующую систему постепенно увеличивается.

Возрастание нагрузки двигателя связано с увеличением степени открытия клапанов 18 и 6 (рис. 5) первой и второй ступеней редуктора и приводит к увеличению подачи газа. Давление в полости Б второй ступени редуктора по мере открытия дроссельной заслонки и соответствующего увеличения разрежения в диффузоре-смесителе 30 изменяется от избыточного давления, равного 100 Па, до разрежения порядка 200 Па. Это вызывает постепенное обеднение горючей смеси по мере возрастания нагрузки.

Работе двигателя на режиме полной мощности соответствует положение основных элементов редуктора и смесителя, показанное на рис. 5. Дроссельная заслонка 27 полностью открыта. Клапаны 18 и 6 редуктора и обратный клапан 29 кар-

бюратора-смесителя также максимально открыты. Это обеспечивает получение от двигателя полной мощности.

Таким образом, двухступенчатый редуктор эффективно регулирует автоматическую работу двигателя на всех режимах, образуя при этом газовоздушную смесь требуемого состава.

Теперь очевидно, что в газовых системах вводить заслонку в газовые каналы не только нет необходимости, но и является ошибкой.

В целях выявления соответствия двухступенчатого редуктора всем требованиям необходимо сделать проверочный расчет редуцирующей системы по пропускной способности для режима максимального расхода газа (по внешней скоростной характеристике) при минимальном давлении в баллоне.

Расход горючей смеси прямо пропорционален рабочему объему цилиндров Vh двигателя, максимальной частоте вращения птах коленчатого вала двигателя и коэффициенту наполнения г|„, характеризующему сопротивление впускного тракта:

60и

Л-

2 1000

Давление газа в полостях редуктора необходимо регулировать таким образом, чтобы истечение газа через все клапаны редуктора происходило во всем диапазоне рабочих давлений при перепадах, обеспечивающих сверхкритические скорости истечения.

При надкритическом перепаде давлений пропускная способность газового редуктора может быть определена путем использования законов газодинамики. Расход газа (м3/ч), проходящего через первую ступень редуктора:

»„-ля.« .....¿г.

Расход газа (м3/ч), проходящего через вторую ступень редуктора:

I / 1г и /

У,

к +1

1

Д71

где ^ и - площади клапанов соответственно первой и второй ступеней, см2; цк1 и цк2 - коэффициенты расхода газа через клапаны первой и второй ступеней; рв и рк1 - давление на клапаны первой и второй ступеней, МПа; Т2 и Т1 - температура газа соответственно в первой и второй ступенях.

Коэффициент расхода газа для первой или второй ступени редуктора:

М,2 =У1Лр/[/к1ЛрАр1Лр/р1Лр),

где V12p - расход газа через первую (вторую) ступень редуктора, м3/ч.

В предложенном материале рассмотрена механическая система питания и управления газодизелем. Сегодня большинство двигателей, в том числе и газовых, оборудуются системами впрыска топлива. Если с впрыском бензина особых проблем уже не возникает, то впрыск газа во впускной коллектор еще требует внимания исследователей. Дело в том, что для работы форсунок необходимо поддерживать постоянное давление газа в гребенке раздачи газа, что технически сложно выполнить. Поэтому газовые двигатели с системами впрыска очень сложно проходят испытания на соответствие стандартам по токсичности.

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (4) июль 2008 г.

иВЬ»|Щ|Ц .....ТЛТтДДВт