CC BY
39Экологическая эффективность газобаллонного автомобиля на компримированном природном газе
В. И. Ерохов, профессор Московского политехнического университета (Московский политех), д.т.н.
Показаны конструктивные и функциональные особенности современного газобаллонного автомобиля, работающего на компримированном природном газе. Приведены параметры технической, социально-экономической и экологической эффективности газобаллонного автомобиля на КПГ.
__Ключевые слова:
компримированный природный газ, газовая система питания, двухступенчатый редуктор, система управления, функциональные датчики и исполнительные устройства, система рециркуляции ОГ, эффективность системы питания КПГ.
мировой практике промышленное производство газобаллонных автомобилей, работающих на компримированном природном газе (КПГ), является одной из приоритетных концепций современного автомобилестроения. Специалисты ПАО «КАМАЗ» разработали модельный ряд грузовых автомобилей, спецтехники и автобусов для работы на КПГ. Эти новейшие наземные транспортные средства (ТС) удовлетворяют современным топливно-энергетическим и экологическим требованиям [1].
Значительная часть наземных ТС оснащена базовым двигателем КАМАЗ 820.60-260 (8УЧ 12/13), предназначенным для установки на шасси самосвала КАМАЗ-65115, седельного тягача КАМАЗ-65116 и спецтехники КАМАЗ -43118, 43114. Двигатель КАМАЗ 820.61260 (8УЧ 12/13) предназначен для установки на автобусные шасси НЕФАЗ -5339 [2].
Принципиальная схема системы питания и управления газовым двигателем с принудительным воспламенением
8УЧ 12/13 для работы на КПГ приведена на рис. 1.
Газобаллонная установка автомобилей семейства «КАМАЗ» содержит кассету газовых баллонов 31, сообщенных между собой с помощью трубопроводов высокого давления, заправочное устройство 30, магистральный трубопровод высокого давления с магистральным вентилем 28 высокого давления, газовый редуктор 25, сообщенный через газопровод 21 с газовым фильтром 38. Газовые баллоны размещены в защитном кожухе за кабиной или в поддонах (слева или справа) на раме автомобиля.
Автомобильный баллон для КПГ является наиболее металлоемким изделием и особо важным элементом конструкции газобаллонного автомобиля (ГБА). Баллон подвергают специальной термической обработке, обеспечивающей однородную структуру металла и безосколочность при его разрушении.
Заправочное устройство 30 содержит встроенную заглушку, размещенную на гибком шланге, обратный клапан, предотвращающий обратный поток газа
Рис. 1. Система питания и управления газового двигателя семейства КАМАЗ: 1 - датчик фазы; 2 - датчик температуры ОЖ; 3 - трубопровод подачи наддувочного воздуха; 4 - датчик давления наддувочного воздуха; 5 - блок дроссельной заслонки (ДЗ); 6 - электрическая цепь блока ДЗ; 7,14 - датчики температуры ОГ; 8 - воздухоочиститель; 9,11,12 - компрессоры; 10 - датчик температуры наддувочного воздуха; 13 - трубопровод; 15 - электрический разъем; 16 - датчик температуры газа; 17 - датчик давления газа; 18,20,21 - газопровод; 19 - электромагнитный клапан (ЭМК) подогревателя; 22 - главное реле XS11; 23 - топливное реле XS12; 24 - электромагнитный газовый клапан высокого давления; 25 - газовый редуктор; 26 - газовый фильтр высокого давления; 27 - реле включения ЭМК баллонов для подогревателя; 28 - вентиль магистральный; 29 - вентиль баллона с ЭМК; 30 - заправочное устройство; 31 - газовый баллон; 32 - штуцер с манометром; 33 - электронный блок управления (ЭБУ); 34 - выключатель питания АКБ; 35 - замок зажигания; 36 - выключатель ЭМК; 37 - лампа диагностики; 38 - газовый фильтр; 39 - колодка диагностическая; 40 - электронная педаль; 41 - газовая форсунка; 42 - свеча зажигания; 43 - масляный фильтр; 44 - масляный насос; 45 - зубчатый венец; 46 - датчик частоты вращения КВ (синхронизации); 47 - подогреватель двигателя
при негерметичной системе, и устройство крепления.
Газовый ЭМК 24 высокого давления обеспечивает подачу газа к первой ступени редуктора высокого давления 25 (РВД). В первой ступени РВД 25 происходит переход высокого давления газа к низкому.
Газовый двигатель 8 УЧ 12/13 содержит систему подачи воздуха, газового топлива, устройство рециркуляции отработавших газов (ОГ) и электронную систему управления. Система подачи
наддувочного воздуха содержит воздушный фильтр 8, впускной трубопровод (ВТ) с размещенным в нем левым 9 и правым 11 нагнетательными компрессорами (ТРК). Датчики давления 4 и температуры 10 наддувочного воздуха обеспечивают измерение давления и температуры во впускном трубопроводе.
Блок 5 дроссельной заслонки (модель Siemens ETC 5) объединяет в одном корпусе ДЗ, шаговый электродвигатель, редуктор привода заслонки и датчики положения заслонки, связанные
электрической цепью 6 с ЭБУ 33 двигателя. Блок 5 ДЗ сообщен с трубопроводом 3 подачи наддувочного воздуха. При отключении электрического питания ДЗ устанавливается в положение, соответствующее примерно 3 % ее полного закрытия.
Электронная педаль 40 снабжена двумя датчиками положения, связанными электрической цепью с ЭБУ 33.
Система управления двигателем содержит ЭБУ 33, функциональные датчики, исполнительные устройства, связанные электрическими цепями с ЭБУ, а также диагностическую лампу, кислородный датчик, газовый клапан, клапан измерения давления воздуха и клапан-дозатор холостого хода. Электронный блок управления 33 обеспечивает сбор информации от функциональных датчиков и исполнительных устройств для правильного расчета алгоритмов управления подачей требуемого количества газа и искрового разряда в двигателе. Информация от датчиков поступает в ЭБУ и преобразуется в управляющие сигналы для воздушной заслонки, газовых форсунок и катушек искровой системы зажигания. Оптимальные алгоритмы управления газовым двигателем обеспечивают его высокие экологические показатели и позволяют снизить затраты на топливо.
Электромагнитные форсунки расположены во впускных каналах блока цилиндров. В режиме работы на газе они получают управление от ЭБУ 33 двигателя при помощи сигнала с широтно-импульсной модуляцией.
Главное реле 22 включается ЭБУ 33 при включении замка зажигания. При включении реле подается напряжение на цепи питания ЭБУ, функциональные датчики и часть исполнительных устройств. Выключение реле производится ЭБУ после выключения замка зажигания 35 с задержкой 10-20 с.
Топливное реле 23 включается ЭБУ
33 при появлении сигнала датчика 46 частоты вращения КВ. Через реле подается питание на обмотки отсечных ЭМК. Реле 23 быстро отключается после остановки двигателя, даже если замок зажигания остался во включенном положении.
Лампа диагностики 37 предназначена для информирования об обнаруженных ЭБУ неисправностях и расположена на панели приборов. При включении зажигания лампа 37 загорается на короткое время и гаснет.
Датчик 46 датчик частоты вращения КВ (синхронизации) обеспечивает согласование работы дозаторов газа с фазами открытия и закрытия впускных клапанов. Этот датчик - индуктивного типа и установлен над диском синхронизации с числом зубьев 60-2. Расстояние от торца датчика до зубчатого венца 45 составляет 0,5... 1 мм. Сигнал датчика 46 используется для определения частоты вращения КВ и его положения в ВМТ первого (или шестого) цилиндра. При вращении диска изменяется магнитный поток в магнитопроводе датчика, и наводятся импульсы переменного тока. В его обмотке два пропущенных зуба на диске служат для определения ВМТ первого цилиндра. При выходе датчика из строя или неисправности его цепей работа двигателя невозможна.
Датчик фазы 1 обеспечивает согласование работы дозаторов газа и катушек зажигания с фазами открытия и закрытия впускных клапанов. Датчик установлен на верхней части картера маховика и работает на эффекте Холла. При неправильной установке датчика фазы 1 двигатель может не запуститься, так как нарушается порядок искрообразова-ния по цилиндрам. При отсутствии сигнала датчика ЭБУ 33 переходит в режим нефазированного впрыска газа.
Датчики температуры предназначены для измерения температуры ОЖ 2, воздуха 10 во впускном трубопроводе и газа 16.
Таблица 1
Характеристика датчика температуры
Температура, °С 100 80 42 19 -10
Напряжение на выходе датчика, В 0,32 0,62 1,88 3,12 4,38
Датчики температуры ОГ 7 и 14 размещены в приемных патрубках выпускного трубопровода вблизи корпусов турбин. В качестве датчиков используют термопары.
Датчик 2 температуры ОЖ корректирует продолжительность открытого состояния газовых форсунок. По результатам показаний датчика 2 ЭБУ проводит расчет положения ДЗ, необходимой то-пливоподачи при пуске двигателя, заданных оборотов холостого хода (обороты увеличиваются для холодного двигателя и снижаются до 800 мин-1 при прогреве), а также по показаниям датчика проводится обогащение горючей смеси для холодного двигателя (табл. 1).
Датчик 4 давления предназначен для определения абсолютного давления воздуха во впускном трубопроводе. Датчик давления - терморезистивного типа. На основании показаний датчиков температуры 10 и давления 4 воздуха корректируется время открыто -го состояния газовых форсунок для поддержания необходимого состава газовоздушной смеси при изменении внешних условий.
Педальный модуль 40 включает два независимых датчика положения педали, работающих параллельно и повышающих надежность системы. Датчик положения педали встроен в корпус педального модуля. На основании показаний этого датчика ЭБУ производит расчет заданного положения ДЗ, а также осуществляется переход в режимы поддержания заданной частоты вращения холостого хода и торможения двигателем.
Свечи зажигания 42 обеспечивают воспламенение горючей смеси в цилиндрах двигателя. Двигатель комплектуется
свечами зажигания BRISK Silver LR14YS (LR15YS). Зазор между электродами свечи составляет 0,3...0,4 мм.
Электронный блок управления 33 двигателя подает сигнал на магистральный клапан 24 отключения подачи газа. Магнитное поле клапана обеспечивает перемещение запорного элемента вверх, открывая доступ к газовому баллону 31.
Электромагнитные газовые форсунки 41 по сигналам ЭБУ 33 открывают каналы выхода газа во впускной трубопровод. В зависимости от частоты вращения КВ и давления в трубопроводе блок управления рассчитывает продолжительность открытия электромагнитных газовых форсунок. Объем дозируемого газа определяется длительностью импульса и величиной давления газа в газовой распределительной магистрали. После достижения частоты вращения КВ свыше 400 мин1 ЭБУ переходит в рабочий диапазон управления ЭМК. Первоначально ЭБУ рассчитывает продолжительность открытого состояния ЭМК (длительность импульса), используя сигналы датчиков температуры, двигателя и давления в ВТ.
Маркировка баллона для КПГ приводится в информационной зоне, очерченной белой полосой. На испытанный баллон наносят клеймо. На переднем днище отчетливо выбиваются следующие паспортные данные: марка завода-изготовителя; порядковый номер баллона; масса баллона в килограммах; дата (месяц и год) изготовления и последующего испытания; значения рабочего и пробного давления; объем баллона в литрах; клеймо ОТК завода-изготовителя; номер стандарта на баллон [3].
На баллоне указываются даты первого гидравлического испытания (месяц и год) и последующего (год). Повторные гидравлические испытания проводятся в установленные сроки на специально организованных испытательных пунктах по специальной программе.
Газовые баллоны рассчитаны на 20 лет непрерывной эксплуатации ГБА. Их испытывают на герметичность при полностью открытом и закрытом положениях вентилей с помощью сжатого воздуха, очищенного от масла и механических примесей, либо азота (методом омыливания), а также путем погружения баллона в воду под давлением 20 МПа.В процессе испытаний не допускается утечка воздуха под клапаном
и по резьбовому соединению.
Принципиальная схема двухступенчатого газового редуктора высокого давления приведена на рис. 2.
Двухступенчатый РВД обеспечивает снижение давления КПГ, поступающего из баллонов, с 19,6 до 0,26...0,30 МПа и поддержание его постоянным на всех режимах работы двигателя, а также подогрев газа для предотвращения обмерзания в процессе редуцирования и аварийный сброс давления газа из первой ступени при превышении допустимых пределов. Снижение давления до требуемой величины на выходе необходимо для обеспечения двигателя газом.
Технические характеристики двухступенчатого РВД приведены в табл. 2.
Рис. 2. Двухступенчатый газовый редуктор высокого давления:
1 - пружина второй ступени; 2 - штуцер разрежения; 3 - седло клапана второй ступени; 4 - клапан второй ступени; 5 - вторая ступень; 6 - выходной газовый патрубок; 7 - корпус РВД второй ступени; 8 - входной трубопровод высокого давления; 9 - ниппель; 10 - накидная гайка; 11 - седло клапана; 12 - клапан первой ступени; 13 - кольцевой зазор; 14 - шарик; 15 - первая ступень; 16 - пружина первой ступени; 17 - регулировочный винт первой ступени; 18 - крышка первой ступени; 19 - шток первой ступени; 20 - мембрана первой ступени; 21, 35 - предохранительные клапаны; 22 - корпус предохранительного клапана; 23 - регулировочный винт предохранительного клапана; 24 - штуцер подвода ОЖ; 25 - подогревающая полость; 26 - соединительный канал; 27 - возвратная пружина; 28 - корпус клапана второй ступени; 29 - дозирующее отверстие; 30 - мембрана второй ступени; 31 - шток второй ступени; 32 - упор штока второй ступени; 33 - крышка второй ступени; 34 - регулировочный винт второй ступени; 36 - штуцер отвода ОЖ; 37 - шпилька; 38 - корпус редуктора первой ступени; 39 - входной штуцер подачи газа
Таблица 2
Технические характеристики двухступенчатого редуктора высокого давления
Давление на входе в редуктор, МПа (кгс/см2) 20 (200 )
Давление газа в первой ступени, МПа (кгс/см2) 0,59.0,88 (6.9)
Давление газа во второй ступени, МПа (кгс/см2) 0,26.0,30 (2,6.3,0)
Давление срабатывания предохранительного клапана в редукторе высокого давления, МПа (кгс/см2) 1,18.1,77 (12.18)
Двухступенчатый РВД содержит первую 15 и вторую 5 редуцирующие ступени, а также подогревающую полость 25. РВД снабжен штуцером подвода 24 и отвода 36 подогревающей жидкости, трубопроводом 8 высокого давления и выходным газовым патрубком 6. В корпусе 38 первой ступени 15 размещен предохранительный клапан 35, обеспечивающий аварийный сброс газа в атмосферу.
Мембрана 20 первой ступени размещена между нажимной шайбой и упором штока 19 первой ступени. Шток 19 кинематически связан с рычагом клапана 12 первой ступени. Нажимная пружина 16 первой ступени передает через мембрану 20 и шток 19 усилие на поворотный рычаг, который поворачивается на неподвижной оси и отходит от клапана 12 первой ступени 15. При перемещении клапана 12 под давлением газа образуется зазор между ним и седлом 11, через который газ поступает в полость первой ступени 15.
Понижение давления газа с 20 до 0,6 МПа сопровождается его расширением в полсти первой ступени и поглощением тепловой энергии от окружающих компонентов.
Природный газ с большим содержанием влаги и углекислоты предварительно подогревают, так как наличие влаги в РВД может привести к замерзанию и нарушению нормальной работы двигателя. Для предотвращения подобного явления автомобиль оборудован подогревателем газа. При редуцировании КПГ происходит снижение его температуры на 65.. .70 °С. Предварительный подогрев
КПГ осуществляется за счет теплоты охлаждающей жидкости, циркулирующей в системе охлаждения двигателя.
Входная первая ступень снабжена подогревающей полостью 25, сообщенной через входной штуцер 24 с системой охлаждения двигателя. Подогрев газа во входной ступени 15 обеспечивает компенсацию понижения температуры расширяющегося газа, вызванного значительным перепадом давления до и после запорного клапана 12.
Подогревающая полость 25 ОЖ содержит штуцеры 24 и 36 соответственно подвода и отвода охлаждающей жидкости двигателя.
При давлении газа в полости первой ступени 15 выше 1,2.1,4 МПа усилие давления преодолевает усилие пружины 16 первой ступени, клапан 21 открывается, и газ через дренажное отверстие регулировочного винта 23 предохранительного клапана и шланг системы вентиляции отводится в атмосферу в безопасном месте, что предотвращает прорыв мембраны 20 первой ступени.
Газ в полость первой ступени 15 РВД поступает по впускному штуцеру через кольцевой зазор 13 между клапаном 12 и седлом 11, где расширяется с понижением давления и температуры, а через зазор между клапаном 4 и седлом 3 поступает в полость второй ступени 5. Из полости второй ступени 5 через выходной патрубок 6 газ поступает в систему питания двигателя.
При работе двигателя количество газа, проходящего через редуктор, изменяется при сохранении постоянного давления в полости первой ступени,
равного 0,6 МПа, а во второй ступени -0,26.0,3 МПа.
В зависимости от режимов работы двигателя происходит изменение проходного сечения редуктора, которое определяется положением клапанов 12 и 4 первой и второй ступеней относительно седел 11 и 3 соответственно. Когда давление газа под мембраной 30 второй ступени достигает 0,26.0,3 МПа, и сила давления газа на мембране 30 уравновесит усилие пружины 1 , мембрана с упором штока второй ступени отходит от штока 31, а клапан второй ступени 4 под действием возвратной пружины 27 переместится и закроется.
После закрытия клапана 4 второй ступени в полости первой ступени 15 давление начинает подниматься. Мембрана 20 первой ступени перемещается вверх, сжимая пружину 16, и при давлении, превышающем 0,6 МПа, сила давления газа на мембрану 20 преодолевает усилие пружины 16. В дальнейшем мембрана 20 со штоком 19 первой ступени, перемещаясь вверх, поворачивает рычаг клапана первой ступени вокруг неподвижной оси, и коротким плечом рычаг клапана 12 первой ступени упирается в корпус клапана первой ступени и закрывает его.
Информация о нагрузке двигателя поступает на РВД в виде разрежения в ВТ, которое участвует в управлении подачей газа в двигатель. Для этого на крышке второй ступени 33 вмонтирован штуцер разрежения 2, который соединяет надмембранную полость второй ступени с трубопроводом двигателя. Изменение разрежения в ВТ автоматически отслеживается второй ступенью РВД, корректирующей расход газа.
Регулировка давления РВД осуществляется изменением усилия пружин 16 и 1 путем вращения регулировочных винтов 17 и 34. При вращении по резьбовой поверхности регулировочного винта 17 упор пружины 16 перемещается, изменяя ее упругость.
Давление срабатывания предохранительного клапана 21 регулируется винтом 23 предохранительного клапана. При вращении винта по часовой стрелке давление срабатывания предохранительного клапана повышается, так как увеличивается усилие сжатия пружины и растет уравновешивающая сила давления газа.
Нарушение баланса поступления и расхода газа в камере рабочего давления сопровождается изменением в ней давления. В результате действия системы регулирования рабочее давление восстанавливается до заданного. При этом мембрана перемещается вверх, и образуемый зазор между седлом и клапаном уменьшается. Таким образом в полость поступает газа меньше, и рабочее давление в ней восстанавливается.
Система управления включает карту впрыскивания и зажигания. Трехмерная таблица, хранящаяся в памяти ЭБУ содержит оптимальные значения длительности впрыскивания топлива в зависимости от скорости и нагрузки на двигатель. Получив сигналы от соответствующих датчиков, ЭБУ обращается к этой таблице, из которой выбирается требуемое значение длительности впрыскивания газа, соответствующее текущим условиям работы двигателя. На режиме холостого хода ЭБУ переводит двигатель на специальную карту системы ХХ.
Управление процессом впрыскивания по типу обратной замкнутой связи протекает в соответствии с программой, хранящейся в памяти ЭБУ, содержащей специфические схемы работы для получения разнообразных параметров. Основными параметрами являются частота вращения КВ двигателя и нагрузка, на которые водитель оказывает непосредственное влияние с помощью педали газа. К контролируемым параметрам также относятся температура воздуха, топлива, охлаждающей жидкости и давление турбокомпрессора [4].
28
Блок управления двигателя использует сигналы датчика для расчета и управления временем открытия клапанов подачи газа. Длительность управляющих импульсов и подача топлива определяются величиной расхода воздуха в ВТ двигателя.
При пуске двигателя газовая форсунка 41 (см. рис. 1) работает в синхронном режиме, длительность импульса определяется ЭБУ в зависимости от температуры двигателя. В этом режиме ЭБУ использует информацию от датчика температуры (для определения длительности импульса) и датчика положения КВ (для определения частоты импульсов и их синхронизации с работой цилиндров).
Изменение длительности управляющего импульса обусловлено изменением нагрузки двигателя и давления газа в ВТ. Через определенное время (при достижении двигателем заданной температуры) ЭБУ начинает принимать сигнал от датчика кислорода, расположенного в системе выпуска ОГ. В зависимости от концентрации кислорода в ОГ ЭБУ изменяет длительность импульса для обеспечения оптимального состава ОГ.
Система управления подачей топлива обеспечивается ЭБУ 33 газовой форсункой 41 (см. рис. 1). Датчик частоты
вращения КВ, установленный на корпусе двигателя, формирует управляющие импульсы в момент прохождения сигнала положения КВ двигателя. Длительность управляющих импульсов и подача топлива определяются величиной расхода воздуха в ВТ двигателя.
Компьютерная система выбирает необходимый режим работы двигателя для его прогрева и затем устанавливает обороты холостого хода. Система диагностики во время движения контролирует все детали и устройства, влияющие на состав ОГ. Эта система сохраняет ошибки, связанные с составом ОГ, и отображает их при помощи контрольной лампы (MIL).
Газовая форсунка обеспечивает впрыскивание заданного количества газа во впускной канал головки цилиндра. Дозатор газа (форсунка) приведен на рис. 3.
Отсутствие напряжения на обмотке характеризует закрытое состояние дозатора. Сопротивление обмотки дозатора составляет 11±0,5 Ом. Оба контакта обмотки дозатора изолированы от его корпуса.
При установке форсунки в газовый трубопровод смазывают ее уплотнитель-ные резиновые кольца 2. Необходимо
а б
Рис. 3. Газовая форсунка:
1 - распылитель; 2 - уплотнительное резиновое кольцо; 3 - входное отверстие; 4 - корпус; 5 - формуляр; а - принципиальная схема; б - общий вид
Рис. 4. Схема размещения газовой форсунки:
1 - впускной клапан; 2 - головка цилиндров; 3 - направляющая; 4 - корпус дозатора; 5 - газовый трубопровод; 6 - дозирующее отверстие; 7 - электрический разъем; 8 - канал подачи газа; 9 - винт; 10 - крышка головки блока; 11 - хвостовик
использовать минимальное количество смазки, так как попадание масла в клапанный механизм дозатора может привести к его заклиниванию.
В каждый цилиндр двигателя индивидуально в строго определенной пропорции и в определенное время в зависимости от окружающей среды, нагрузки и состояния двигателя на свечу подается искровой разряд определенной длительности и мощности.
Схема размещения газовой форсунки в системе подачи газа приведена на рис. 4.
Принципиальная схема системы рециркуляции (РЦ) двигателя 8УЧ 12/13 приведена на рис. 5.
Система РЦ БОЯ содержит левый 3 и правый 16 выпускные трубопроводы, сообщенные через трубопровод 30 с турбиной 29 ТРК, теплообменник 17
Рис. 5. Принципиальная схема системы РЦ ОГ:
1 - газовый двигатель; 2, 20 - поток ОГ до турбины; 3 - выпускной трубопровод (левый); 4 - поток наддувочного воздуха с ОГ после ОНВ; 5 - патрубок наддувочного воздуха с ОГ после ОНВ; 6 - ОНВ; 7 - привод вентилятора; 8 - привод заслонки нагнетательного воздуха;
9 - заслонка нагнетательного воздуха;
10 - патрубок наддувочного воздуха с ОГ до ОНВ; 11 - смеситель; 12 - сопло Вентури; 13 - заслонка подачи ОГ;
14 - привод заслонки ОГ; 15 - патрубок подачи ОГ после ОНВ; 16 - выпускной трубопровод (правый); 17 - теплообменник; 18 - полости подачи ОЖ; 19 - штуцер отвода ОЖ; 21 - штуцер подвода ОЖ; 22 - полость подачи ОГ; 23 - патрубок подачи ОГ до теплообменника; 24 - патрубок наддувочного воздуха после ТРК; 25 - патрубок; 26 - патрубок потока воздуха;
27 - патрубок входа компрессора;
28 - компрессор ТРК; 29 - турбина ТРК;
30 - трубопровод; 31 - ОГ на выходе турбины; 32 - патрубок ОГ до теплообменника
Рис. 6. Внешняя скоростная характеристика двигателя 8УЧ 12/13:
1 - крутящий момент Ме, Н-м; 2 - мощность двигателя Ые, кВт; 3 - температура ОГ °С; 4 - удельная концентрация оксидов азота в ОГ г/(кВт-ч); 5 - расход газа Сг, кг/ч; 6 - удельный эффективный расход топлива г/(кВт^ч)
с входным 23 и выходным 15 патрубками, полость 22 подачи ОГ, сопло 12 Вентури, дроссельную заслонку 13 с пневмоприводом 14, охладитель наддувочного воздуха (ОНВ) 6 с патрубками 5 и 10 подачи наддувочного воздуха до и после ОНВ, заслонку 9 с пневмоприводом 8 и компрессор 28.
Степень РЦ ОГ регулируют путем изменения положения дроссельных заслонок 9 и 13 по величине наддувочного воздуха. Сопло 12 Вентури обеспечивает равномерное смешивание ОГ с наддувочным воздухом. Оценка эффективности выброса вредных веществ двигателем 8УЧ 12/13 осуществлялась по 13-режим-ному циклу.
Охлаждение ОГ в теплообменнике 17 осуществляется путем подачи ОЖ из внутреннего контура двигателя 1. Оптимальная температура ОЖ составляет 75.80 °С, а ОГ в системе РЦ - 150 °С. Отвод теплоты от ОГ
- 265 МДж/ч. Расчетное количество ОЖ для обеспечения перепада в 10 °С составляет 6 м3/ч. Перспективное решение системы РЦ обусловлено наличием сопла 12 Вентури после ТРК и охладителя наддувочного воздуха.
Внешняя скоростная характеристика двигателя 8УЧ 12/13 приведена на рис. 6.
Рециркуляция ОГ обеспечивает увеличение наполнения цилиндров при остающемся постоянном количестве подаваемого свежего воздуха. Присутствие ОГ в процессе сгорания приводит к снижению локальных и средних температур цикла, способствующих образованию МОх [3, 4].
Определяющим параметром системы
РЦ является коэффициент
Крц =
„ВТ
-со,
„ ВТ
-со,
- С,
„ОС
со,
„ОГ 'СО,
.ОС
-со,
-ОГ
-со,
рециркуляции 100%,
концентрации
где
СО2 соответственно в ВТ, окружающей среде и ОГ.
Коэффициент рециркуляции (КРЦ) представляется в процентах относительно количества ОГ СОГ. Большие значения КРЦ соответствуют высокой частоте вращения КВ.
Содержащийся в составе ОГ диоксид азота способствует ускорению протекания предпламенных химических реакций, сокращающих период задержки воспламенения Сгорание протекает при меньшей скорости нарастания давления (ф/^ф)тах, в результате чего снижается содержание оксидов азота (МОх) и углеводородов (СН).
Предпочтительным методом управления степенью РЦ является регулировка подачи ОГ при помощи заслонки ОГ, приоткрытой заслонкой наддувочного воздуха. Наиболее эффективна система РЦ при полностью открытой дроссельной заслонке ОГ (максимальная степень РЦ). Для снижения выбросов МОх до уровня
Рис. 7. Влияние степени РЦ ОГ на показатели работы двигателя: 1 - расход топлива; 2 - оксиды азота; 3 - мощность; 4 - граница эффективности РЦ
Евро-5 необходимо повышать степень РЦ до 20 %. Снижение температуры ОГ на 1 °С способствует увеличению РЦ на 0,002...0,01 %.
РЦ замещает содержание кислорода в камере сгорания, что влияет на протекание процесса сгорания и снижение максимальной температуры во фронте пламени, сопровождающееся уменьшением эмиссии N0^ Снижение выбросов N0X при использовании РЦ обусловлено повышением удельной теплоемкости заряда из-за добавления диоксида углерода, паров воды, а также запаздывания начала сгорания и замедления его развития. Уменьшение кислорода в горючей смеси при РЦ приводит к снижению максимальной и среднеци-кловой температуры сгорания, а также к смещению процесса сгорания на линию расширения.
Уменьшение количества кислорода сопровождается снижением интенсивности тепловыделения в период кинетического сгорания, что обеспечивает умеренные скорости образования N0^ Однако при этом увеличивается неполнота сгорания топлива, дымность ОГ и выброс твердых частиц.
Уменьшение температуры продуктов сгорания и выброса N0X при
использовании РЦ на 90 % связано с уменьшением содержания кислорода и только на 10 % - с повышением удельной теплоемкости заряда.
Применение РЦ приводит к запаздыванию начала сгорания и замедлению его развития, что сопровождается снижением температуры сгорания рабочей смеси и сокращением периода, в течение которого максимальные температуры цикла остаются неизменными. Основная масса N0X образуется в первой половине процесса сгорания. Запаздывание тепловыделения является основным фактором, вносящим вклад в образование N0^
Влияние степени РЦ ОГ на показатели работы двигателя приведено на рис. 7.
Экологическая и энергетическая безопасность страны остается приоритетной проблемой национальной экономики. Применение природного газа в качестве моторного топлива обеспечивает решение энергетических проблем автомобильного транспорта как на ближайшую перспективу, так и на отдаленное будущее.
Наземные транспортные средства с газовыми двигателями соответствуют экологическому стандарту Евро-5.
Решения для всех альтернативных видов топлива
Компания Stäubli продвигает экологически безопасные решения и разрабатывает соединения для заправки альтернативными видами топлива более 25 лет. Заправочные и разрывные муфты Stäubli - эргономичные и простые в использовании, надежные и безопасные для всех альтернативных видов топлива (метан, LPG или водород), в соответствии со стандартами отрасли.
Здесь вы найдёте более детальную информацию www.staubli.com
FAST MOVING TECHNOLOGY
ООО «Штойбли РУС» 196158, С-Петербург Пулковское шоссе 28а тел. +7 812 6221773 [email protected]
Stäubli
жтжж
Наиболее эффективным методом снижения выбросов МОх газовых двигателей является система рециркуляции ОГ и уменьшение угла опережения зажигания.
КАМАЗ разработал немало современных средств на КПГ, которые работают в различных отраслях народного хозяйства. «Газпром» в свою очередь обеспечил эффективную систему газоснабжения, позволяющую шире использовать природный газ. Таким образом комплексно решается государственная задача по расширению рынка газомоторного топлива.
N
Литература
1. Малюга А.Г., Хафизов Р.Х. ОАО «КАМАЗ»: решение проблем экологии больших городов России // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010.
- № 6 (18). - С. 19-20.
2. Автомобили КАМАЗ 65115, 65116 с газовым двигателем. 65115-39020001 РТ, Ответственный редактор Д.Х. Вале-ев, 2010 г. - 79 с.
3. Ерохов В.И. Газобаллонные автомобили (конструкция, расчет, диагностика). Учеб. для вузов. - М: Горячая линия -Телеком, 2016. - 598 с.
4. Чикишев Е.М., Анисимов И.А. Влияние низких температур воздуха на энергетические и экологические параметры газобаллонных автомобилей // Транспорт на альтернативном топливе.
- 2012. - № 6 (30). - С. 32-33.
