СИСТЕМА ПОДАЧИ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ДВИГАТЕЛЬ
ENGINE GAS-AIR MIX FEED SYSTEM

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам подачи топливовоздушной смеси в двигатель внутреннего сгорания.
Известна система подачи газа для газового и газожидкостного двигателя - патент RU №2039882 [дата подачи заявки 14.08.1992 г.], МПК F02M 21/04, содержащая источник газа, редукторы низкого и высокого давления, газовоздушный смеситель с диффузором и дроссельной заслонкой, впускной коллектор. Во внутренней полости впускного коллектора размещена труба со сквозными распределительными окнами, размещенными напротив каналов цилиндров двигателя.
Недостатком данной системы является увеличение сопротивления на впуске при решении задачи по повышению равномерности поступления газовоздушной смеси по цилиндрам двигателя.
Известна также система центрального впрыска газа для двигателя внутреннего сгорания - заявка на изобретение RU №97112804 [дата подачи заявки 10.07.1997 г.], МПК F02M 21/02, содержащая источник сжатого газа, газовый редуктор, электромагнитный газовый клапан с датчиком, дозатор газа, сообщенный с газовым клапаном и подключенный к газосмесительному устройству карбюратора-смесителя двигателя внутреннего сгорания, и переключатель вида топлива.
Однако при неоспоримых достоинствах система, при центральной подаче газа, не обеспечивает равномерность подачи газовоздушной смеси по цилиндрам двигателя.
Известна система впрыска сжатого природного газа для газовых двигателей - патент US 005329908 A [дата подачи заявки 19.07.1994 г.]. Система содержит источник сжатого газа, линии подвода топлива, газовый редуктор с электромагнитным отсечным клапаном, электромагнитные форсунки с аккумуляторами газа в теле форсунки, электронный блок управления (ЭБУ), контролирующий продолжительность впрыска сжатого газа в цилиндры.
Недостатком данной системы является наличие аккумуляторов газа в корпусе форсунки - в данном случае усложняется конструкция форсунки, и при этом размеры форсунки не позволяют аккумулировать запас газа, необходимый для поддержания постоянного давления впрыска.
Наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемой системы (прототипом) является устройство подачи природного газа с внешним смесеобразованием в двигатель RU №2291316 [дата подачи заявки 03.08.2005 г.], МПК F02M 21/02, состоящее из источника газа, редуктора, электромагнитных управляемых клапанов и смесителей с числом последних, равным числу цилиндров двигателя.
Недостатком данного устройства является переменное давление газа перед газовыми форсунками ввиду особенностей работы газового редуктора, при пульсирующих потоках в каналах впускного коллектора.
Целью изобретения является повышение мощности двигателя за счет усовершенствования системы впуска газовоздушной смеси путем поддержания постоянного давления сжатого природного газа перед форсунками и синхронизации колебаний газовоздушной смеси путем обеспечения одинаковой длины впускных воздушных трубопроводов к каждому цилиндру двигателя.
Это достигается тем, что систему подачи газовоздушной смеси в прототипе, содержащую источник газа, управляемые электромагнитные газовые форсунки с числом, равным количеству цилиндров двигателя, линию подвода газообразного топлива, включающую трубопровод, редуктор и газовоздушные смесители с числом, равным количеству цилиндров двигателя, предлагается дополнить газовым аккумулятором расчетного объема на участке между газовым редуктором и управляемыми электромагнитными газовыми форсунками, электронным устройством управления моментом и количеством подачи топлива и установить впускной воздушный трубопровод с одинаковой длиной каналов к каждому цилиндру двигателя. При этом объем газового аккумулятора рассчитывается следующим образом.
Газовый аккумулятор находится между редуктором и газовыми форсунками, поэтому там постоянно поддерживается рабочее давление форсунок, создаваемое редуктором.
A
3
где V - объем газового аккумулятора, м;
A
3
ρ - плотность природного газа при рабочем давлении форсунки, кг/м;
0
3
ρ - плотность природного газа при поступлении в цилиндры двигателя, кг/м;
0
0
3
V - объем природного газа, необходимый для запаса в аккумуляторе, при плотности ρ, м.
В ходе выполнения работы были проведены испытания модернизированной системы питания автотракторного газодизельного двигателя - газодизельной модификации двигателя КамАЗ 7409.10 №889563.
Ц.Д.
3
На испытываемом двигателе был установлен ТНВД модели 335-10, со средней величиной цикловой подачи дизельного топлива V=81,5 мм/цикл. При работе по газодизельному циклу запальная доза дизельного топлива составляла в среднем 10% от номинального значения цикловой подачи. Оставшиеся 90% топлива замещались природным газом. При этом известно соотношение расхода дизельного топлива и природного газа:
3
1 л.д.т.=1,3 м природного газа.
Отсюда
Ц.Г.
Ц.Д.
-6
3
V=0,9×1,3×10×V=0,000073 м,
Ц.Г.
где V - максимальная цикловая подача природного газа в один цилиндр двигателя при работе по газодизельному циклу.
Тогда
где  - максимальная цикловая подача природного газа во все цилиндры двигателя при работе по газодизельному циклу;
n - количество цилиндров двигателя.
З
Далее вводим К - коэффициент запаса газа в аккумуляторе.
З
При K=10 отбор газа из аккумулятора в рабочие цилиндры двигателя за один цикл составляет 10% от общего количества газа, находящегося в аккумуляторе. С учетом подачи газа из редуктора в аккумулятор отклонение давления в газовом аккумуляторе от рабочего давления форсунки находится в пределах 3-5% в зависимости от быстродействия редуктора. Таким образом достигается существенное повышение равномерности подачи газовоздушной смеси в рабочие цилиндры двигателя. Эти расчеты были подтверждены полученными опытными данными (табл.1-3).
A
A
0
Для нахождения V определим значения ρ и ρ.
Плотность газа при рабочих условиях рассчитывается по ГОСТ 30319.1-96.
где р - давление газа при рабочих условиях, МПа;
Т - температура газа при рабочих условиях, К;
C
3
ρ - плотность газа при стандартных условиях, кг/м;
C
Т - температура окружающей среды при стандартных условиях, К;
C
р - давление окружающей среды при стандартных условиях, МПа;
C
К - коэффициент сжимаемости.
Коэффициент сжимаемости определяется по ГОСТ 30319.2-96.
C
3
Для автотракторного газодизельного двигателя ρ=0,6682 кг/м.
С
C
Значения параметров р и Т при стандартных условиях по ГОСТ 2939-63:
C
р=0,101325 МПа;
С
T=293,15 К.
Тогда для рабочих условий форсунки (р=0,3 МПа и Т=350 К):
Для условий поступления природного газа в цилиндры двигателя (р=0,1 МПа и Т=360 К):
Тогда
Расчетный объем газового аккумулятора для модернизированной системы питания газодизельной модификации двигателя КамАЗ 7409.10 с ТНВД модели 335-10 составил 3,3 л. Таким же образом, используя уравнения (1), (2), и (3) можно рассчитать объем газового аккумулятора для любого автотракторного газового или газодизельного двигателя с другими параметрами.
Для подтверждения достоверности расчетов были проведены стендовые моторные исследования газодизельной модификации двигателя КамАЗ 7409.10 с ТНВД модели 335-10 без газового аккумулятора и с газовым аккумулятором различных объемов. В результате была получена зависимость температуры отработавших газов от конструкции системы питания двигателя. В таблицах 1, 2 и 3 приведены опытные данные, показывающие зависимость температуры отработавших газов в различных цилиндрах исследуемого двигателя от нагрузки и объема газового аккумулятора.
Таблица 1.
Система питания без газового аккумулятора.
М
t<sub>1ц</sub>
t<sub>2ц</sub>
t<sub>3ц</sub>
t<sub>4ц</sub>
t<sub>5ц</sub>
t<sub>6ц</sub>
t<sub>7ц</sub>
t<sub>8ц</sub>
кг м
°C
°C
°С
°C
°C
°С
°C
°С
10
350
330
300
320
340
320
300
290
20
450
360
340
340
420
330
320
300
30
490
460
420
400
450
420
400
380
40
510
460
430
410
480
440
400
390
50
510
460
430
410
490
430
410
400
60
515
470
450
450
500
450
440
430
70
530
480
460
450
505
470
450
430
Таблица 2.
Система питания с газовым аккумулятором, К<sub>З</sub>=5.
М
t<sub>1ц</sub>
t<sub>2ц</sub>
t<sub>3ц</sub>
t<sub>4ц</sub>
t<sub>5ц</sub>
t<sub>6ц</sub>
t<sub>7ц</sub>
t<sub>8ц</sub>
кг м
°С
°С
°С
°С
°С
°С
°С
°С
10
360
380
390
400
410
340
360
380
20
400
460
410
440
380
420
400
390
30
480
460
520
440
500
440
450
450
40
490
520
530
520
490
510
480
460
50
530
500
480
480
500
530
510
470
60
530
510
540
490
480
540
520
510
70
540
520
500
490
500
510
490
500
Таблица 3.
Система питания с газовым аккумулятором, К<sub>З</sub>=10.
М
t<sub>1ц</sub>
t<sub>2ц</sub>
t<sub>3ц</sub>
t<sub>4ц</sub>
t<sub>5ц</sub>
t<sub>6ц</sub>
t<sub>7ц</sub>
t<sub>8ц</sub>
кг м
°С
°C
°С
°C
°C
°С
°C
°C
10
400
400
380
390
400
390
380
390
20
450
450
440
440
440
440
440
430
30
490
480
480
470
490
480
480
470
40
510
510
500
500
500
500
490
490
50
510
510
510
500
510
510
500
500
60
515
510
500
500
510
510
500
500
70
530
530
520
520
530
520
520
520
На фиг.1 показана конструктивная схема предлагаемой системы подачи газовоздушной смеси в двигатель.
Система подачи газовоздушной смеси в двигатель состоит из одноступенчатого газового редуктора 2, газового аккумулятора 3 расчетного объема, электромагнитных управляемых газовых форсунок 7, газовоздушных смесителей 5 с числом, равным количеству цилиндров двигателя. Система содержит также трубопроводы 4, соединяющие источник газа 1 с редуктором, редуктор с аккумулятором, аккумулятор с форсунками, через которые газ поступает в смесители, находящиеся во впускном воздушном трубопроводе 6, где создается смесь газа с воздухом. Редуктор посредством выходного отверстия соединен с входом аккумулятора, с другой стороны аккумулятор соединен с электромагнитными управляемыми форсунками, число которых равно числу цилиндров двигателя.
Сжатый природный газ из источника газа 1 поступает по трубопроводу высокого давления в одноступенчатый газовый редуктор 2, после которого с давлением, необходимым для оптимальной работы газовой форсунки, газ поступает в газовый аккумулятор 3, где находится неснижаемый запас газа под рабочим давлением форсунки. Данный запас позволяет компенсировать неравномерность подачи газа из газового редуктора к газовым форсункам на различных режимах работы двигателя. Из газового аккумулятора газ по линиям подвода газа к форсункам 4 поступает к электромагнитным газовым форсункам 7, контролируемым электронным устройством управления моментом и количеством подачи топлива по сигналам датчика частоты вращения коленчатого вала, датчика массового расхода воздуха и кислородного датчика (не показаны). Порции газа из электромагнитных форсунок попадают в смесители 5 и, предварительно перемешавшись с воздухом, поступающим из впускного воздушного трубопровода 6, попадают в цилиндры двигателя 8. Впускной воздушный трубопровод устанавливается с одинаковой длиной каналов к каждому цилиндру двигателя. Управление работой двигателя производится изменением положения дроссельной заслонки 9.