CC BY
35Экологические и топливно-энергетические показатели однотопливных газобаллонных автомобилей при работе на КПГ
■
В.И. Ерохов, профессор
Московского политехнического университета (Московский Политех), д.т.н.
Приведены экологические и топливно-энергетические показатели однотопливных газобаллонных автомобилей при работе на КПГ. Установлены закономерности изменения экологических, мощностных, экономических и динамических параметров газовых двигателей нового поколения, обобщены их эксплуатационные характеристики. Проанализированы экологические и топливно-энергетические показатели однотопливных газобаллонных автомобилей.
__Ключевые слова:
компримированный природный газ, газовый двигатель, экологические показатели газового двигателя, система зажигания, подогрев горючей смеси, расход топлива, степень сжатия, нормы токсичности, дымность, продукты сгорания.
П
реимущество природного газа (ПГ) в качестве топлива обусловлено высоким содержанием водорода. Сгорание ПГ сопровождается меньшим по сравнению с традиционным моторным топливом образованием углекислого газа на единицу выделенной теплоты [1]. Углеводородные газы также имеют благоприятное соотношение С:Н (углерода к водороду). Углеродное число у современных бензинов составляет 6,0, а у СУГ и ПГ - соответственно 4,9 и 2,99.
Потенциал образования парникового эффекта можно представить зависимостью:
/пэф = ™со2 + 320шЫго + 25шСн4 , (1)
где тсо2, шМ2о и ШСН4 - выбросы вредных веществ (ВВ); 1, 320 и 25 - коэффициенты потенциала парникового эффекта данных веществ.
Нормируемыми ВВ ОГ в соответствии с действующими нормативными документами являются шесть компонентов: СТЧ, СО2, СО, N0^ СНОГ, СНИС. В странах ЕС достигнуто снижение выбросов СО2 легковыми автомобилями до 135 г/км. В ближайшем будущем норма составит 90 г/км. Нормирование выбросов оксидов серы осуществляют косвенно через ограничение содержания серы в топливе.
Современные газовые двигатели для работы на КПГ выполнены одното-пливными [2, 3]. Высокая степень сжатия позволяет реализовать потенциальные свойства газового топлива.
Относительная вредность ВВ (ГВВ) в общих выбросах может быть представлена в виде коэффициента (индекса) концентрации химического элемента:
2*
ЛЕТ С ВАМИ
^вв — С1 /с1ПДК > (2)
где с1 и с ПдК соответственно фактическая и предельно допустимая концентрации вредного вещества в рассматриваемой среде.
Показатель суммарной токсичности состава ОГ, содержащего п вредных
компонентов, может быть представлен следующей зависимостью [4]:
= , (3)
где п - общее число токсичных компонентов в смеси; с; - фактическая концентрация компонента, мг/м3; I - количество токсичных компонентов.
Физический смысл показателя ХГОГ обусловлен минимальным количеством чистого воздуха, необходимого для разбавления ОГ до безопасного его состояния. Комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) продуктами сгорания рассчитывают как сумму нормируемых ВВ по ПДКСС (среднесуточная концентрация), ПДКМР (максимально разовая), ПДКРЗ (рабочая зона), приведённых к концентрации СО или диоксида серы (Б02). На основе фактических концентраций рассчитывают баллы кратности превышения ПДКсс. Значение компонента СО выбрано постоянным и соответствует среднесуточному ПДКсс - 1 мг/м3.
Относительная вредность 7сосс>^соМР,^соРЗ ¿-го компонента при различных ПДК по отношению к СО, определяемая как отношение ПДКСС. к ПДКСОсс для
основных компонентов, представлена следующими зависимостями:
Гс0сс = < 1Д (4)
СОсс ПДКСС( '
т — ПД^ССМР1 1 .
-1' (5)
ПДКСОрз
Гсо- = ^ 1Д (6)
Индекс токсичности ОГ двигателя характеризуется суммарным количеством содержащихся в них вредных веществ:
1Тсссо = %?д1тогТсс.. (7)
Транспортные средства эксплуатируются в населённых пунктах или рабочих зонах (АГНКС, АГЗС, карьеры, шахты, склады). Расчёты суммарных показателей вредности ОГ следует проводить с учётом норм ПДКСС, ПДКМР и ПДКРЗ. Для проведения расчёта индекса токсичности определены коэффициенты вредных компонентов ОГ.
Относительная вредность Тс0сс, ТсоМР, ^С0РЗ ¿-го компонента при различных ПДК по отношению к СО для основных компонентов приведена в табл. 1.
Таблица 1
Относительная вредность ГСОсс, ^соМР, ^С0РЗ /-го компонента при различных ПДК
Компонент ОГ Относительная вредность ВВ ОГ при различных ПДК
ГС0сс ^СОМР ГСОРЗ
СО 1 1 1
СН 2 1 0,07
N0, - - 0,67
35,29 58,82 2,22
Диоксид серы 802 60 166,67 2
Сероводород Н28 375 625 2
Сажа С 60 33,33 5,71
Бензапирен С20Н12 3 000 000 - 133 333,33
Акролеин СН2СНСНО 100 166,67 28,57
Формальдегид Н2СО 250 142,86 40
Свинец (в пересчёте на РЬ) 4285,71 - 2000
Сравнивая среднесуточное значение ПДКСС СО (мг/м3) населённых пунктов с санитарными нормами, можно составить уравнение, представляющее индекс вредности ОГ ДВС:
Е^СОсс = тог7сосс; (8)
I ^сомр = 2"=191 тог^сомр; (9)
I Тсорз = 1"=1 дх тог^сорз • (10)
Для определения суммарной токсичности ОГ введён условный суммарный параметр токсичности ОГ по отношению к условному ВВ, учитывающий биологическую вредность отдельных компонентов отработавших газов. В данном методе для каждого компонента ОГ на основе фактических концентраций рассчитывают баллы кратности превышения ПДК.
Сравнивая среднесуточное ПДКСС СО (мг/м3) населённых пунктов с санитарными нормами, можно составить расчётные уравнения. Так, суммарный показатель загрязнения ОС может быть представлен в следующем виде:
£ = 1 ^СОсс = дсототТсОсс + б,снтог^СНсс + б,Ы02шог^Н0сс + ^сШогТссс +
+^РВшогГРВсс + от0ГТ$0сс + дакрт0ГТакрсс + д бпшог^бпсс > (11)
где ,С0. • \§ш - удельный вес каждого компонента ОГ; тОГ - масса ОГ; 7с0сс - относительная вредность ОГ.
Аналогичные формулы могут быть для помещений £ ^С0МР и £ ^соРЗ . При сравнительной оценке различных сред ИЗА для расчётов применяют одинаковое число примесей. Комбинаторный индекс загрязнённости рассчитывают как сумму общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов.
Доля N0.^ в суммарном индексе концентрации на режимах холостого хода (ХХ) составляет 35...40 % и 70...75 % - на режимах нагрузок свыше 20 %. Доля СО в суммарном индексе концентрации ВВ составляет около 10 % на режимах средних нагрузок, возрастая до 22 % на режимах полной мощности и до 20 % - на ХХ. Альдегиды оказывают заметное влияние на суммарный индекс концентрации ВВ на режимах ХХ и полной нагрузки. Они обладают большой реакционной способностью и почти полностью выгорают при высоких температурах в камере сгорания (КС) дизеля.
Наиболее эффективным методом снижения выбросов N0.^ газовых двигателей является система рециркуляции ОГ и уменьшения угла опережения зажигания.
Меньшая скорость распространения фронта пламени в КС сопровождается уменьшением максимального давления и температуры рабочего цикла, а также снпижением величины активного тепловыделения. Коэффициент наполнения у газового двигателя на 8.10 % меньше, чем у бензинового. Частично этосвязано с тем, что при использовании бензина значительная часть топлива поступает в цилиндры в виде капель и плёнки.
Система рециркуляции ОГ предназначена для снижения выброса N0.^ путём подачи части ОГ из выпускного трубопровода в цилиндры двигателя. В этом случае температура в КС снижается, и условия для образования N0.^ становятся менее благоприятными.
Рециркуляция ОГ сопровождается уменьшением максимальной температуры цикла благодаря уменьшению свежего заряда и увеличению его теплоёмкости. Снижение максимальной температуры цикла способствует уменьшению выброса оксидов азота на 60.70 %.
Действие ОГ на протекание процесса сгорания проявляется в двух аспектах. Содержащийся в составе рециркулируемых газов (РГ) диоксид азота способствует ускорению протекания предпламенных химических реакций, сокращающих период задержки воспламенения (фХ1). Сгорание протекает при меньшей скорости нарастания давления (йр/^ф)тах, в результате чего снижается содержание оксидов азота N0.^ и углеводородов СН (особенно альдегидов) в составе ОГ.
Основное воздействие РГ на процесс сгорания проявляется в содержании в них продуктов с высокой удельной теплоёмкостью и диоксида углерода. Присутствие их в процессе сгорания приводит к снижению локальных и средних температур цикла, способствующих образованию N0^ Степень рециркуляции ОГ можно оценить коэффициентом рециркуляции [4, 5]:
где СВТсо , СОСсо , СОГсо - концентрации СО2 соответственно во впускномтрубо-проводе (ВТ), окружающей среде и ОГ.
Аналогичный подход использован фирмой Ricardo Consulting Engineers (EGR)
2ft
ЛЕТ С ВАМИ
57
(12)
"Ьвт&Р
58
Рис. 1. Принципиальная схема системы РЦ ОГ:
1 - газовый двигатель; 2, 19 - поток ОГ до турбины; 3 - выпускной трубопровод (левый); 4 - поток наддувочного воздуха с РГ после ОНВ; 5 - патрубок наддувочного воздуха после ОНВ; 6 - охладитель наддувочного воздуха (ОНВ); 7 - вентилятор; 8 - пнев-моцилиндр привода заслонки нагнетательного воздуха; 9 - дроссельная заслонка нагнетательного воздуха; 10 - патрубок наддувочного воздуха после турбины; 11 - узел подготовки смеси воздуха и РГ; 12 - смеситель (сопло Вентури); 13 - дроссельная заслонка подачи РГ; 14 - пневмоцилиндр привода заслонки РГ; 15 - патрубок удаления РГ после теплообменника EGR; 16 - выпускной трубопровод (правый); 17 - теплообменник; 18 - патрубок отвода ОЖ; 20 - патрубок подвода ОЖ; 21 - полости подачи ОЖ; 22 - патрубок подачи ОГ до теплообменника; 23 - поток наддувочного воздуха после ТРК; 24 - поток РГ до теплообменника EGR; 25 - патрубок подачи ОГ перед теплообменником; 26 - корпус компрессора; 27 - колесо компрессора; 28 - ротор ТРК; 29 - турбина ТРК; 30 - колесо турбины; 31 - объединённый входной патрубок подачи РГ; 32 - корпус турбины; 33 - поток РГ до теплообменника EGR
путём введения параметра EGR - control. Рециркуляция ОГ обеспечивает возврат ОГ в объёме 10...20 % на впуск в цилиндры. Попав в цилиндры, ОГ действуют как активные центры в начале сгорания, но вместе с тем они увеличивают количество балластных компонентов, замедляют протекание реакции окисления и снижают температуру.
Принципиальная схема системы РЦ двигателя 8 V4 (12/13), изготовленная на базе теплообменника НПО «Турбо-техника», приведена на рис. 1.
Система РЦ EGR содержит выпускной 3 и 16 (левый и правый соответственно) трубопровод, сообщённый через трубопровод 30 с турбиной 29 ТРК, теплообменник 17 с входным 20 и выходным 16 патрубками, а также с патрубками подачи 23 и удаления 16 РГ, полости подачи ОЖ, узел подготовки смеси воздуха и РГ 11, патрубки соответственно подвода 20 и отвода 18 охлаждающей жидкости, турбокомпрессор, снабжённый турбиной 29, и компрессор 28.
Система наддува содержит компрессор 28, канал подачи наддувочного воздуха после ТРК, узел 11 подготовки смеси воздуха и РГ, содержащий дроссельную заслонку, пневмоцилиндр 8 привода заслонки нагнетательного воздуха, смеситель 12 (сопло Вентури), дроссельную заслонку подачи РГ, пневмоцилиндр 14 привода заслонки РГ, охладитель наддувочного воздуха (ОНВ) 6 с патрубками 5 и 10 подачи наддувочного воздуха до и после ОНВ.
Степень РЦ ОГ регулируют путём изменения положения дроссельных заслонок 9 и 13 по величине наддувочного воздуха. Сопло Вентури 12 обеспечивает равномерное смешивание ОГ и наддувочного воздуха.
Оптимальная температура ОЖ составляет 75.80 °С. Оптимальная величина РГ в системе РЦ составляет 150 °С. Отвод теплоты от ОГ составляет 265 МДж/ч. Расчётное количеств ОЖ для обеспечения перепада 10 °С
2*
ЛЕТ С ВАМИ
составляет 6 м3/ч. Перспективное решение системы РЦ обусловлено наличием сопла Вентури после ТРК и наличием ОНВ.
Рециркуляция ОГ начинается после прогрева охлаждающей жидкости ^^Н
до температуры 35.40 °С и осуществляется во всём диапазоне частичных нагру- 59
зок. При работе двигателя на полной нагрузке система рециркуляции ОГ выключается [5-7].
Эффективным средством снижения выбросов N0.^ с ОГ в газовом двигателе является применение охлаждаемой РЦ ОГ.
Двигатель испытывался при различных степенях рециркуляции ОГ, которая регулировалась изменением положения заслонок по наддувочному воздуху (заслонка ОНВ) и по рециркулируемым газам (заслонка РГ).
Увеличение Крец осуществляют путём открытия заслонки РГ при полностью открытой заслонке ОНВ или закрытия заслонки ОНВ при полностью открытойзас-лонке РГ.
Измерение выброса ВВ с ОГ проводилось в базовом варианте и при настройке с корректированными значениями углов опережения впрыскивания топлива с целью снижения выбросов N0^
Эффективность теплообменника EGR в системе РЦ может быть выражена формулой
Этп=;г^Ч (13)
11—1 0Ж1
где Г1, Т2 - температура РГ соответственно на входе в теплообменник EGR и на выходе из него; ТОЖ1 - температура воды на входе в теплообменник EGR.
Тепловой поток теплообменника EGR, представляющий количество теплоты, отводимое при охлаждении РГ, может быть представлен зависимостью:
Qтu = Сож ■ сож ■ ДГ0Ж = Срг ■ срг ■ ДГрг, кДж/ч , (14)
где СОЖ, СРГ - массовые расходы охлаждающей и охлаждаемой сред (ОЖ и РГ); сОЖ, сРГ - средние удельные теплоёмкости охлаждающей и охлаждаемой сред, для ОЖ сОЖ=4,187 кДж/(кг-К), для РГ сРГ=1,162 кДж/(кг-К).
Перепад температуры воды в теплообменнике может быть представлен зависимостью
Д^ож = Т0Ж2 — Тож1. (15)
Перепад температур РГ в теплообменнике может быть представлен зависимостью
ДТрг = _ Трт2 . (16)
Массовый расход охлаждаемых рециркулируемых газов может быть представлен зависимостью:
^рг = Крец " Сог = Крец ■ (Своз + Стоп), кг/ч , (17)
где СОГ - общий расход ОГ; Своз, Стоп - расход воздуха и топлива соответственно.
Расчётный расход охлаждающей жидкости (вода):
^тп КГ
%жр = с . (18)
и0Ж ОЖ 4
Тепловая нагрузка на систему охлаждения (мощность, необходимая для охлаждения РГ):
т 3600 с v J v '
Оценка теплообменника EGR проведена на режиме с наибольшими значениями-расхода РГ и температуры воды на входе в теплообменник.
Срц = ^-100%. (20)
"ог
Коэффициент рециркуляции Крец представляют в процентном отношении от Gor. Испытанная система EGR в диапазоне работ двигателя «=1250.1750 мин1 обеспечивает степень рециркуляции Крец=0,013...0,09 (рециркуляция ОГ 1,3.9 % от Gor). Большие значения Крец наблюдаются на высоких оборотах двигателя.
Из двух способов управления степенью рециркуляции предпочтительным является регулировка заслонкой РГ при открытой заслонке наддувочного воздуха. Способ регулировки заслонкой НВ при открытой заслонке РГ менее эффективен из-за увеличения сопротивления в смесителе при закрытии заслонки НВ и значительного падения давления наддувочного воздуха (на ~0,02...0,08 МПа), снижения расхода воздуха G уменьшается на 70.370 кг/ч) и ухудшения топливной экономичности двигателя ge на 6.10,0 г/(кВт-ч).
Наибольшая эффективность системы EGR по снижению удельных выбросов оксидов азота достигается при полностью открытой заслонке РГ (при наибольшей степени рециркуляции). Исходя из этого испытания по циклу ESC проводились при полностью открытой заслонке РГ.
Величина Крец зависит от температуры РГ Т2, то есть от эффективности теплообменника EGR. Из сравнения режимов регулировочных характеристик и ESC-цикла, имеющих разное значение Т2, следует, что при снижении Т2 на 1 °С степень рециркуляции увеличивается на 0,002.0,019 %.
По данным фирмы MODINE (производство теплообменников EGR для средних и тяжёлых грузовых автомобилей), РГ необходимо охлаждать до температур 150.180 °С. Испытанный теплообменник EGR на режимах с большими значениями расхода РГ и температуры ОЖ на входе в теплообменник не обеспечивает достаточную эффективность охлаждения РГ (Этп= 66.67,5 %), температура РГ на выходе из теплообменника составляет 220.250 °С.
По данным ПАО «КАМАЗ», теплообменник системы EGR с уровнем рециркуляции 25 % должен иметь параметры Tt=650 °С, Т2=150 °С, Тож1=80 °С, Тож2 =90 °С, расход РГ составляет Gpr=КpЦ•Gог=0,25•1800 кг/ч = 450 кг/ч.
При повышении рециркуляции ОГ до 25 % для поддержания температуры РГ после теплообменника EGR на уровне 150 °С необходим теплообменник с эффективностью 85 %, обеспечивающий отвод теплоты в количестве 261 МДж/ч. Тепловая нагрузка на систему охлаждения при этом должна составить 73 кВт, а расчётное количество расхода воды для перепада ДТож=10 °С - 6 м3/ч.
Эффективность газового двигателя можно определить с помощью разработанного коэффициента экологической эффективности, представляющего собой отношение приведённой суммарной токсичности дизеля к суммарной токсичности газового двигателя [4]:
уптсо
Кэгд = < 1,0, (21)
2*
ЛЕТ С ВАМИ
где Ггса° дв - суммарная приведённая токсичность газового двигателя; Т™ - суммарная приведённая токсичность дизеля.
Коэффициент экологической эффективности изменяется в диапазоне от 1 к 2. Его величина представляет количество воздуха (м3), необходимое для разбавления 61
ОГ до безвредного состояния.
Охлаждение рециркулируемых газов в теплообменнике EGR осуществляется ОЖ. При снятии регулировочных характеристик подвод ОЖ к теплообменнику EGR осуществлялся из внешнего контура стендовой системы охлаждения, температура воды при этом составила 10.19 °С [8-10]. При испытаниях по ESC-циклу подвод ОЖ к теплообменнику EGR производился из внутреннего контура системы охлаждения двигателя, температура воды при этом составила 74.80 °С.
Варианты и способы регулирования системы РЦ ОГ представлены в табл. 2.
Таблица 2
Вариант испытаний Способ регулирования системой РЦ
Рециркуляция ОГ отключена 1-й способ: открыта заслонка ОНВ; регулировка заслонкой РГ 2-й способ: открыта заслонка РГ; регулировка ОНВ
Рециркуляций РГ включена 1-й способ: открыта заслонка ОНВ; регулировка заслонкой РГ 2-й способ: открыта заслонка РГ; регулировка ОНВ
Из двух способов управления степенью рециркуляции предпочтительным является первый способ (регулировка заслонкой РГ, при открытой заслонке НВ). Второй способ управления (регулировка заслонкой НВ, при открытой заслонке РГ) неприемлем ввиду увеличения сопротивления в смесителе при закрытии заслонки НВ и значительного падения давления наддувочного воздуха (на 0,2.0,8 кгс/см2), а также снижения расхода воздуха (Св уменьшается на 70.370 кг/ч) и ухудшения топливной экономичности двигателя на 8.14 г/(кВт-ч).
Наиболее эффективна система РЦ при полностью открытой дроссельной заслонке РГ (максимальная степень РЦ). Для снижения выбросов N0.^ до уровня Евро-5 необходимо повышать степень РЦ до 20 %.
Из анализа результатов ESC-цикла следует, что в базовом варианте двигателя (1-й способ, без рециркуляции) выполнение норм Евро-5 возможно при снижении N0.^ на 80 %. Испытанная система EGR снижает N0.^ на 28 %, а совместно с корректировкой углов опережения впрыскивания топлива - на 45 %. Для исследования возможности снижения выбросов N0.^ до уровня Евро-5 рекомендуется повысить степень рециркуляции системы EGR до 25 %, увеличив пропускную способность смесителя.
Переход двигателя на газодизельный режим сопровождается повышением мощности крутящего момента во всём диапазоне внешней скоростной характеристики. При этом наблюдается небольшое повышение температуры отработавших газов (£ОГ). Влияние степени РЦ ОГ на показатели работы двигателя приведено на рис. 2.
Рис. 2. Влияние степени РЦ ОГ на показатели работы двигателя: 1 - расход топлива; 2 - оксиды азота; 3 - мощность; 4 - граница эффективности РЦ
Механизм воздействия РЦ на внутрицилиндровые процессы имеет сложный и неоднозначный характер [11]. Инертный газ разбавляет рабочую смесь, не изменяя соотношения воздух/топливо, уменьшает содержание кислорода в заряде.
Возврат ОГ в объеме 25 % обратно на впуск двигателя сопровождается ухудшением процесса сгорания, замедлением его скорости, снижением температуры и давления в цилиндре, то есть создаются условия, способствующие уменьшению выброса N0^ ОГ, возвращенные в цилиндр, действуют как активные центры в начале сгорания, но одновременно увеличивают количество балластных компонентов, замедляющих протекание реакции окисления и снижение температуры рабочего цикла.
Увеличение кислорода в составе горючей смеси повышает температуру горения. Введение ОГ искусственно уменьшает содержания кислорода в составе рабочей смеси, что сопровождается падением температуры сгорания из-за сокращения количества кислорода, взаимодействующего с азотом и обеспечивающего снижение количества N0^
Уменьшение кислорода сопровождается снижением интенсивности тепловыделения в период кинетического сгорания, обеспечивая умеренные скорости образования N0^ Однако при этом увеличивается неполнота сгорания топлива, сопровождающаяся ростом дымности ОГ и выбросом ТЧ.
Основное влияние ОГ на процесс сгорания обусловлено содержанием продуктов с высокой удельной теплоёмкостью и диоксида углерода. Рециркуляция ОГ обеспечивает увеличение наполнения цилиндров при остающемся постоянным количестве подаваемого свежего воздуха. Присутствие ОГ в процессе сгорания приводит к снижению локальных и средних температур цикла, способствующих образованию N0X [6, 7].
Цикловое наполнение двигателя с учетом РЦ ОГ можно представить зависимостью
с ,
ц 1,2 п
(22)
где Сц - цикловое наполнение цилиндра, мг/цикл; Мн - массовое наполнение
2*
ЛЕТ С ВАМИ
цилиндра; I - тактность двигателя; п - частота вращения КВ двигателя.
РЦ замещает содержание кислорода в камере сгорания, что влияет на протекание процесса сгорания и снижение максимальной температуры ^^Н
во фронте пламени, сопровождающейся снижением концентрации N0.^ , что при использовании РЦ обусловлено повышением удельной теплоёмкости заряда из-за добавления СО2, паров воды, а также запаздывания начала сгорания и замедления его развития. Уменьшение кислорода в горючей смеси при РЦ приводит к снижению максимальной и средней цикловой температуры сгорания и смещению процесса сгорания на линию расширения.
Уменьшение температуры продуктов сгорания и выброса N0.^ при использовании РЦ на 90 % связано с сокращением содержания кислорода, и только 10 % эффекта обусловлено повышением удельной теплоёмкости заряда.
Современные экологические стандарты 0BD-II и Е0BD второго поколения предполагают наличие бортовой диагностики, основанной на системе РЦ ОГ. Рециркуляция ОГ сопровождается уменьшением максимальной температуры цикла благодаря уменьшению свежего заряда и увеличению его теплоёмкости. Зависимость линейная: коэффициент остаточных газов равен нулю - мощность максимальная; с ростом коэффициента остаточных газов мощность всегда падает.
Попав в цилиндры, ОГ действуют как активные центры в начале сгорания, но вместе с тем они увеличивают количество балластных компонентов, замедляющих протекание реакции окисления и снижение температуры рабочего цикла. Система РЦ не работает на режимах ХХ и при полной нагрузке двигателя. Правильная работа систем РЦ ОГ проверяется на прогретом высокооборотном двигателе путём увеличения с малой частоты вращения КВ до 3 000 мин-1 (не более), а также путём визуального наблюдения за перемещением штока клапана.
Образование N0.^ в ОГ является следствием высокой температуры и давления в КС, связанных с повышением эффективности сжигания топлива в двигателе. Чем выше температура, тем выше топливная экономичность и мощность двигателя.
Применение РЦ приводит к запаздыванию начала сгорания и замедлению его развития, что сопровождается снижением температуры сгорания рабочей смеси и сокращению периода, в течение которого максимальные температуры цикла остаются неизменными.
Влияние степени РЦ ОГ на показатели работы бензинового двигателя приведено на рис. 3.
Относительная величина оксидов азота уменьшатся по мере увеличения степени РЦ. Из физических особенностей воздействия ОГ на процесс сгорания вытекает,что эффективность рециркуляции ОГ увеличивается при снижении их температуры. При рециркуляции в свежем заряде цилиндра снижается доля свободного кислорода, что приводит к снижению скорости и температуры сгорания топлива, в результате чего происходит снижение эмиссии N0^
Присутствие ОГ в процессе сгорания приводит к снижению локальных и средних температур цикла, также способствующих образованию N0^
При умеренной степени рециркуляции ОГ 5...15 % и сохранении исходными Ме в двигателе достигаются весьма низкие удельные выбросы N0.^ 4,5...2,5 г/ (кВт-ч) (по 13-ступенчатому циклу) при обеспечении приемлемого уровня дымно-сти ОГ, что является важнейшим преимуществом системы РЦ ОГ. При высокой
Рис. 3. Влияние рециркуляции на выброс оксидов азота и температуру ОГ: 1 - максимальная температура в зоне продуктов сгорания; 2 - максимальная температура в цилиндре; 3 - снижение оксидов азота при температуре рециркуляции газов 1000 К; 4 - снижение оксидов азота при температуре рециркулируемых газов 350 К
степени РЦ, превышающей 40 % объёма воздуха на впуске, происходит увеличение содержания сажи, СО, СН и расхода топлива из-за недостатка кислорода.
Важной проблемой рециркуляции является сложность автоматического регулирования закона перепуска ОГ в зависимости от режима работы дизеля.
Основная масса N0.^ образуется в первой половине процесса сгорания. Запаздывание процесса тепловыделения является основным фактором, вносящим вклад в образование N0^ Содержание в составе ОГ диоксида азота N02 способствует ускорению протекания предпламенных химических реакций, в результате которых сокращается продолжительность задержки воспламенения топлива, и сгорание протекает при меньшей скорости нарастания давления
Система управления двигателем включает карту впрыскивания и зажигания. Трёхмерная таблица, хранящаяся в памяти ЭБУ содержит оптимальные значения длительности впрыскивания топлива в зависимости от скорости и нагрузки двигателя. 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. ЭБУ контролирует и обрабатывает входящие сигналы измерительных датчиков, может хранить в памяти информацию, содержащую специфические схемы работы для получения разнообразных параметров. Контролируемые параметры также включают температуру воздуха, топлива, охлаждающей жидкости и давление турбокомпрессора [10].
2*
ЛЕТ С ВАМИ
При пуске двигателя газовая форсунка 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 65 импульсов и их синхронизации с работой цилиндров).
Результаты экологических испытаний однотопливного газобаллонного автомобиля (ГБА) приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты экологических испытаний однотопливного ГБА
Наименование загрязняющих ВВ Контролируемые параметры Технический регламент (п. 3. прил. 3, не более)
У=50±5 км/ч У=50±5 км/ч, с открытым люком на крыше
Оксид углерода СО, мг/м3 0,9 1,1 5,0
Диоксид азота N0^ мг/м3 0,01 0,01 0,2
Оксид азота N0, мг/м3 0,1 0,02 0,4
Метан СН4, мг/м3 0 0 50
Наземные транспортные средства с газовыми двигателями соответствуют экологическому стандарту Евро-5. Наиболее эффективным методом снижения выбросов N0.^ газовых двигателей являются системы РЦ ОГ и уменьшения угла опережения зажигания. Применение КПГ в целом характеризуется достаточной безопасностью эксплуатации ГБА и экономической эффективностью.
При РЦ из-за разбавления заряда продуктами сгорания процесс сгорания протекает несколько хуже. Концентрации СО и СН в ОГ несколько увеличиваются. Из-за недостатка кислорода в отдельных зонах КС образуется богатая смесь, сгорание которой не может быть полным и сопровождается образованием частиц сажи.
Основная масса N0.^ образуется в первой половине процесса сгорания. Запаздывание процесса тепловыделения является основным фактором, вносящим вклад в образование N0^ Содержание в составе ОГ N02 способствует ускоренному протеканию предпламенных химических реакций, в результате которых сокращается период задержки воспламенения топлива. В этом случае снижение концентрации N0.^ в ОГ происходит вследствие уменьшения максимальной температуры цикла ОГ. Рециркуляция увеличивает общее наполнение цилиндров при остающемся постоянным количестве подаваемого свежего воздуха.
Зависимость влияния степени РЦ на показатели работы современного дизеля приведена [11] на рис. 4.
По мере увеличения значения рециркуляции выбросы N0.^ (кривые 3, 4) уменьшаются, а сажа (кривые 1, 2) и удельный расход топлива (кривые 5, 6) -возрастают.
Испытания транспортного дизеля [12-15] показали целесообразность использования РЦ ОГ на режимах малых нагрузок. Применение РЦОГ обеспечивает
Рис. 4. Влияние степени РЦ на экологические показатели работы дизеля:
1, 4, 5 - сажа, оксиды азота, ф-ф - нагрузка 100 %; 2, 3, 6 - сажа, оксиды азота,
X-X - нагрузка 25 %; пКВ = 1800 мин-1
снижение выбросов оксидов азота на 35 % при неизменном уровне топливной экономичности.
Выбросы сажи, представляющей собой микроскопические углеродистые частицы различной формы, структуры и величины диаметром 0,05 мкм, достигают минимального значения при Крц=25 %. Ядро частицы состоит из чистого углерода, а на нём адсорбируются различные углеводородные соединения, оксиды металлов и серы. Состав частиц сажи зависит от применяемого рабочего процесса, режима работы двигателя и состава топлива. Частота вращения КВ не оказывает влияния на концентрации выброса ВВ.
Автомобили, работающие на КПГ, характеризуются низким содержанием ВВ.
Расчет концентраций сажи представлен в программе ДИЗЕЛЬ-РК, разработанной специалистами МГТУ им. Н.Э. Баумана. Скорость сажеобразования в зоне горения составляет:
= 0,004-^—, (23)
ат / к V ат
где V - текущий объём цилиндра; - цикловая подача топлива; йх/йт - скорость тепловыделения.
Скорость сажеобразования пропорциональна скорости исчезновения жидких капель вследствие их полного испарения. Параллельно с сажеобразованием протекает процесс выгорания сажевых частиц и уменьшения их объёмной концентрации.
Скорость выгорания сажи может быть представлена выражением
= 3,110-6ПО,5р[С], (24)
гдер - текущее давление в цилиндре, МПа;, [C]=C/V- текущая концентрация сажи в объёме цилиндра.
Скорость изменения концентрации сажи в цилиндре из-за расширения:
'й[С]\ впйУ
" (25)
/a[Lj\ ^ ^ bn av ^ V dr )v ' V dy
Перевод полученного значения концентрации сажи (г/м3) в единицы шкалы Хартриджа осуществляется по уравнению:
Hartridge = 100[1 - 0,9545ехр(-2,4226[С])]. (26)
По аналогичным эмпирическим зависимостям концентрация сажи может быть переведена в единицы шкалы Bosch.
Показатели эмиссии твёрдых частиц могут быть вычислены по эмпирической формуле Алкидаса [16] в зависимости дымности ОГ:
( 10 \ 1,206 [PM]=565(/n-1 . (27)
L J V 10-BoschJ y '
В камере сгорания существуют неоднородные по температуре участки. Капли жидкого топлива, попадая на эти поверхности, крекируются, и двигатель работает с повышенной дымностью ОГ. На стадии процесса сгорания углеводородов образуется свободный углерод. Реакция распада происходит с высокими скоростями по сравнению с реакциями его окисления. С ростом температуры разница между скоростями распада и окисления увеличивается, что является причиной повышенной дымности ОГ дизелей.
Сопоставление расчётных и экспериментальных результатов концентрации сажи на режимах ВСХ показали высокую их сходимость. Предельные значения содержания ВВ различных энергетических установок по тестам (Правила № 49 ЕСЕ) приведены в табл. 4.
Таблица 4
Токсичность ОГ различных энергетических установок
2*
ЛЕТ С ВАМИ
67
Содержание г/(кВтч) Евро-5 Газовый двигатель Газодизель Дизель с системой нейтрализации
СО 4,0 0,07 2,5 0,56
СН 0,55 0,34 0,12 0,02
NO, 2,0 2,13 0,25 3,28
Твёрдые частицы 0,5 0 0,35 0,018
Требования экологического стандарта OBD-II и ЕOBD предполагают приоритетное определение неисправностей системы РЦ, отказ которой неизбежно приводит к повышению выброса ВВ и прежде всего N0^
Результаты оценки выбросов ВВ однотопливного автомобиля КАМАЗ при работе на КПГ приведены на рис. 5.
■ существующий газовый делатель КАМАЗ П нсрна гЕр:-и экотвгицкксго стандарта (Ей) □ нсриа Еерс-5 экологического стандарта (Е5)
Рис. 5. Результаты оценки выбросов ВВ однотопливного автомобиля КАМАЗ при работе на КПГ
Показатели динамических и топливно-экономических качеств газобаллонных автомобилей рассматривают в функции скорости Б=/(У) и расхода топлива
Qт=/ (У).
Дорожная экономическая характеристика представляет собой расход топлива в диапазоне от установившейся минимально устойчивой до максимальной скорости движения газобаллонных автомобилей. Топливную экономичность автомобиля оценивают расходом топлива в литрах на 100 км пробега, определяемую по формуле
= (7/5) ■ 100,л/100, (28)
где Qт - расход топлива, л/100 км; У - количество топлива, израсходованного на мерном участке, л; Б - длина мерного участка, км.
Свободное качение (выбег) газобаллонного автомобиля (в зависимости от полной массы) изменяется в широких пределах (600.3000 м). Выбег автомобиля определяют путём свободного его качения при разобщении двигателя и трансмиссии.
В реальных условиях эксплуатации автомобильные двигатели 75.80 % времени работают на неустановившихся режимах. Разгон автомобиля, занимающий 38.42 % в общем балансе времени пребывания газобаллонного автомобиля на линии, относят к наиболее характерным режимам его работы в реальных условиях эксплуатации.
Динамические характеристики (разгон) газобаллонных автомобилей определяют с места путём последовательного переключения передач с низшей до высшей и с минимально устойчивой скорости движения на прямой передаче путём резкого открывания дросселя. Регистрация динамических параметров (разгон/выбег) осуществлялась при помощи прибора «путь-время-скорость» (пятое колесо).
Динамические характеристики «разгон/выбег» газобаллонного автомобиля КАМАЗ при работе на КПГ [17-18] приведены на рис. 6.
2*
ЛЕТ С ВАМИ
69
Рис. 6. Динамические характеристики газобаллонного автомобиля КАМАЗ-6511-33 при работе на КПГ:
1- продолжительность разгона до максимальной скорости, с; 2 - длина мерного участка разгона до максимальной скорости, м; 3 - длина мерного участка свободного качения, м; 4 - продолжительность свободного качения до текущей скорости, с
Сравнительные показатели скоростной характеристики «разгон/выбег» автомобиля КАМАЗ приведены в табл. 5.
Таблица 5
Скоростная характеристика «разгон/выбег» автомобиля КАМАЗ
Модель автомобиля
Параметры 65115 65115 6520 6520
КПГ СПГ КПГ СПГ
Масса газовой установки (включая массу газа), кг 1300 550 1900 550
Число баллонов/баков, ед. 13 по 80 л 1 на 450 л 17 (9-80 л, 8-100 л) 1 на 450 л
Расход газа при скорости 60 км/ч, м3 46 36,7 43 41
Расход газа при скорости 80 км/ч, м3 49 42 52 52
Грузоподъёмность, кг 14 400 14 820 18 700 20 540
Снаряжённая масса, кг 10 800 10 380 14 400 12 560
Колёсная база, мм 3 690 3 690 4 600 3 600
Максимальная масса, кг 25 200 25 200 33 100 33 100
Величина свободного качения свидетельствует о минимально возможных потерях в трансмиссии испытываемых газобаллонных автомобилей. В городских условиях эксплуатации для грузовых и легковых автомобилей средние скорости движения составляли 30 и 28,6 км/ч соответственно.
Пробег газобаллонных автомобилей на одной заправке при работе на СПГ повышается в 1,5 раза по сравнению с КПГ.
Пусковые качества газобаллонных автомобилей, работающих на газовом то-70 пливе, практически не отличаются от базовых бензиновых. При использовании га-
зового топлива газобаллонные автомобили второго и третьего поколений по пусковым качествам несколько уступают базовым бензиновым модификациям. Существует несколько причин. Некоторые из них связаны с более высокой температурой воспламенения горючей смеси, меньшей скоростью распространения фронта пламени, повышенной степенью сжатия. Важной отраслевой задачей является адаптация ТС к эффективной эксплуатации на КПГ.
Основные преимущества КПГ приведены в табл. 6.
Таблица 6
Эксплуатационные показатели при работе на КПГ
Показатели Социально-экономическая эффективность
Безопасность Согласно «Классификации горючих веществ по степени чувствительности», утверждённой приказом МЧС РФ № 404 от 10.07.2009 г., метан относится к безопасному 4-му классу (слабочувствительные вещества)
Экологичность Природный газ является наиболее экологичным моторным топливом. Его использование позволяет значительно снизить количество ВВ в ОГ до уровня стандартов Евро-4 и Евро-5
Экономичность Стоимость КПГ в 2-3 раза ниже нефтяных топлив
При температуре окружающего воздуха до -5 °С эффективный пуск двигателя на КПГ второго и третьего поколений может осуществляться как на газовом топливе, так и на бензине. Удовлетворительный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха до -8 °С может быть достигнут только при правильной регулировке газовой аппаратуры в сочетании с достаточно надёжной работой стартёра. При более низких температурах (-10 °С) пуск газового двигателя вызывает затруднения.
В настоящее время разработаны конструкции современных подогревателей для ГБА при работе на СУГ и КПГ. Холодный пуск двигателя на КПГ четвёртого поколения эффективно осуществляется при температуре охлаждающей жидкости <10 °С. При работе двигателя на бензине активизируются клапаны подачи газа. В этом случае при закрытом клапане высокого давления для работы на газе к бензину добавляют 15 % газа (от общего количества топлива).
Если газ поступает из газораспределительной магистрали, то на клапаны подачи газа через 60 с подают полное напряжение. Температура ЭМФ повышается на 35 °С, исключается залипание клапанов подачи газа. Затем включается клапан высокого давления для работы на газе, и давление снова поднимается в газораспределительной магистрали.
Важным направлением улучшения энергетических параметров газовых двигателей является совершенствование эксплуатации при низких температурах.
При холодном двигателе влага конденсируется на его деталях, имеющих температуру ниже точки росы. Изменение точки росы зависит от количества образующейся влаги. Количество влаги в газе не должно превышать 9 мг/нм3. Такая величина влагосодержания препятствует образованию льда в любой
точке газовой аппаратуры. Несоблюдение этого условия приводит к образованию льда (ледяные пробки) в газовых редукторах при дросселировании КПГ. Одна из наиболее важных проблем эффективного использования КПГ связана с осушкой его на АГНКС.
Точка росы при давлении 20 МПа составляет -30 °С, а при нормальном давлении равна -72 оС. Точка росы КПГ на входе линии высокого давления АГНКС соответствует температуре -52 °С, а на выходе -30 °С.
При сгорании 1 м3 метана образуется 1,6 кг водяных паров. Точка росы ОГ при работе на метане при а=1,3 наступает при температуре 42.48 °С. Закономерность изменения точки росы продуктов сгорания конвертированного двигателя с принудительным воспламенением приведена на рис. 7.
Продолжительность запуска холодного двигателя существенно зависит от величины установочного угла опережения зажигания. Оптимальная величина при работе на КПГ составляет 5° от появления старта до появления первой вспышки (базовый автомобиль имеет 3°). Меньшая скорость сгорания требует увеличения угла опережения зажигания, что приводит к перегреву деталей двигателя. Задержка воспламенения существенно влияет на экологические и топливно-энергетические показатели современного ДВС. Начало процесса сгорания может быть рассчитано с учётом величины задержки воспламенения, определяемой по формуле
Еп
(29)
Рис. 7. Точка росы продуктов сгорания транспортного двигателя: 1 - КПГ; 2 - СУГ; 3 - бензин
тзв = А - В - п-^Т/р ■ ехрят,
где A, B - константы; п - частота вращения КВ, мин1; Ео - энергия активации топлива, кДж/кмоль; T - температура, К; R - газовая постоянная.
Увеличение температуры на 10 °С сопровождается повышением скорости химической реакции в 4 раза, а при возрастании до 100 °С - в 1000 раз. При повышении температуры возрастают скорость движения молекул и число соударений между ними в 1,3 раза.
Причины воспламенения (хлопки) во впускном трубопроводе газового двигателя третьего поколения обусловлены перебоями в искрообразовании из-за неисправностей основных его элементов (катушки зажигания, свечи зажигания, высоковольтные провода и наконечники, датчик детонации и электронный блок управления), одновременным искрообразованием в двух цилиндрах двигателя и большим углом одновременного открытия впускного и выпускного клапанов. Происходит перепуск пламени во впускной трубопровод с последующим воспламенением газовоздушной смеси с характерным хлопком.
В газовых двигателях с центральным поступлением газа нежелательность хлопка при работе на газовом топливе сопровождается разрушением компонентов двигателя, в частности, прибора измерения потока воздуха.
Одним из основных показателей технического уровня ГБА является безопас-
2*
ЛЕТ С ВАМИ
71
Ой
ЪоиюШ*'
72
ность конструкции газовой аппаратуры. Критерием надёжной её работы считают наработку до появления первого отказа, то есть до нарушения герметичности элементов системы питания, сопровождающегося утечкой газа и создающего угрозу безопасной эксплуатации автомобиля или прекращающего транспортный процесс. Надёжность ГБА формируется на стадии проектирования, обеспечивается технологией и поддерживается в эксплуатации [19].
Безопасность конструкции газовой аппаратуры характеризует технический уровень ГБА. Параметрические отказы газовой аппаратуры предопределяются её конструктивными особенностями и условиями эксплуатации.
Так, конструктивные факторы обеспечивают достижение необходимого уровня физических и параметрических отказов газовой аппаратуры. Параметрические отказы характеризуются неоптимальной частотой вращения КВ и мощностью газового двигателя, увеличением частоты вращения КВ газового двигателя на режимах ХХ, а также невозможностью работы двигателя в газодизельном режиме.
Что касается эксплуатационных факторов, то принятая регламентная система технического обслуживания ТС обеспечивает поддержание параметров газовой аппаратуры на необходимом уровне до капитального ремонта.
Безотказная работа системы питания ГБА предопределяется количеством и техническим уровнем его функциональных элементов. Вероятность безотказной работы газовой системы питания по критерию «герметичность» может быть представлена зависимостью
где РСП - вероятность безотказной работы системы питания; ргб, рбв, ррп, ргф -вероятность безотказной работы газового баллона, баллонного вентиля, редуктора-подогревателя, газового фильтра, р1 - вероятность безотказной работы г-го аппарата.
Нарушение компонентного состава газового топлива может привести к преждевременному износу двигателя, а иногда и к разрушению деталей его цилиндро-поршневой группы.
Пропускную способность мембранных предохранительных устройств в случае статического повышения давления рассчитывают по формуле
где М - молярная масса газов, проходящих через устройство, (кг/кмоль); А - коэффициент; р - давление, МПа.
Для защиты газовых баллонов применяют предохранительные мембраны. Термический предохранитель установлен на запорном клапане. Он предотвращает разрушение газового баллона вследствие чрезмерного повышения давления из-за воздействия высоких температур. Для обеспечения безопасности клапан сброса давления снабжён разрывной мембраной.
Газовый двигатель в полном жизненном цикле имеет ряд особенностей. Скорость сгорания газа, связанная с высоким ОЧ, требует увеличения угла опережения зажигания, что приводит к перегреву деталей двигателя. В эксплуатации наблюдаются случаи прогорания днища поршней и клапанов при слишком раннем зажигании и работе на бедных смесях.
Важным элементом термического предохранителя является небольшая
^сп _ Ргб ' Рбв ' Ррп ' Ргф ' Р1,
(30)
С = АРр-^М/Т,
(31)
2*
ЛЕТ С ВАМИ
стеклянная капсула, содержащая жидкость и предотвращающая выход газа. При повышении температуры до 110 °С и выше жидкость в капсуле расширяется и разрушается. ПГ выходит в атмосферу через специальные отверстия. ^^Н
Характерным дефектом редуктора высокого давления является разрыв диафраг- 73
мы и разрушение уплотнительной прокладки. Эти неисправности появляются при наработке 22,0 тыс. и 12,0 тыс. км соответственно. Наиболее опасными являются разрывы трубопроводов высокого давления, прорыв газа через диафрагму или клапан второй ступени редуктора низкого давления и негерметичность баллонных вентилей.
Характерной особенностью рабочего процесса, определяющего эксплуатационную надёжность двигателя в целом, является более мягкая его работа. Применение газового топлива уменьшает отложения как в самом двигателе, так и в системе топливоподачи. Наличие меньшего количества отложений способствует уменьшению износа трущихся деталей двигателя.
Моторное масло в меньшей степени подвержено загрязнению механическими примесями, не разбавляется бензином в случае применения КПГ, что позволяет обоснованно увеличивать регламентируемые интервалы замены его и масляных фильтров.
Перевод двигателя на КПГ уменьшает износ гильз цилиндров на 14 %, поршней на 17 %, поршневых колец на 63 %, шеек КВ двигателя на 57.70 %. Срок службы свечей зажигания увеличивается на 40 %, а масляных фильтров в 1,5-2 раза. Из-за отсутствия разжижения моторного масла парами бензина и его загрязнения периодичность смены моторного масла возрастает в 1,5-2 раза, что на 18.20 % уменьшает его эксплуатационный расход.
При работе ДВС на КПГ не происходит смывание масляной плёнки со стенок цилиндров. На головке блока цилиндров не образуются отложения углерода. Поршневые кольца, из-за которых происходит изнашивание элементов ДВС, не за-коксовываются. Наличие меньшего количества отложений способствует уменьшению износа трущихся деталей двигателя. Моторесурс двигателя, работающего на КПГ в более благоприятных условиях, на 30.40 % выше по сравнению с бензином. Параметры системы зажигания отличаются стабильностью работы.
Надёжность газового редуктора оказывает заметное влияние на работу систем впрыскивания газа. Отказы редуктора низкого давления связаны с нарушением внутренней (первая ступень) и внешней (вторая ступень) герметичности. Степень опасности упомянутых отказов различна. Нарушение герметичности клапана первой ступени редуктора связано с повышением давления в ней после остановки двигателя. Его определяют по манометру низкого давления, находящемуся в кабине водителя.
Наиболее типичным отказом газового редуктора является нарушение величины давления в первой и второй его ступенях.
Величина давления газа в первой ступени может быть выражена зависимостью
р1 = / (р^/кР «кР Мр «мР СпрР К^ (32)
где рб - давление в баллоне; /к1 - рабочая поверхность клапана, м2; «к1 - коэффициент активности клапана, зависящий от его формы; М - сила давления пружины, препятствующая закрытию клапана, Нм; «м1 - коэффициент активности мембраны; спр1 - жёсткость пружины, Н/м; Нк1 - ход клапана, м; см1 - жёсткость мембраны, Н/м.
При этом значения параметров /к1, Нк1 и см1 существенно влияют на величину давления газа в первой ступени газового редуктора, а параметры спр1, як1, ям1 и см1 оказывают незначительное влияние на эту величину. Точность (Д,%) определения 74 коэффициентов влияния составляет 12 %.
Величина давления газа во второй ступени может быть выражена зависимостью
р2=/а^ — «м2, hк2, См2 ), (33)
где р1 - давление в первой ступени; /к2 - рабочая поверхность клапана, м2; ак2 -коэффициент активности клапана, зависящий от его формы; —2 - сила давления пружины, препятствующая закрытию клапана, Нм; ам2 - коэффициент активности мембраны; спр2 - жёсткость пружины, Н/м; Нк2 - ход клапана, м; см2 - жёсткость мембраны, Н/м.
Параметры р1, /к2, —2 и Нк заметно влияют на величину давления газа в первой ступени газового редуктора. Анализ изменения относительной величины коэффициента влияния (8, %) на величину давления во второй ступени показывает, что параметры спр2, ак2, ам2 и см2 оказывают незначительное влияние на величину давления газа в первой ступени. Точность (Д,%) определения коэффициентов влияния составляет 12 %.
В эксплуатации (по международной классификации) находятся четыре типа баллонов: КПГ-1 (металлический баллон); КПГ-2 (металлический баллон с корпусом, усиленный просмолённой жгутовой нитью (намотка в виде обручей); КПГ-3 (металлический баллон с корпусом, усиленным просмолённой жгутовой нитью со сплошной намоткой); КПГ-4 (баллон с просмолённой жгутовой нитью и неметаллическим корпусом полностью из композиционного материала).
Высокое давление хранения предъявляет к баллонам повышенные требования прочности, равной 2,4. Для снижения массы баллона и повышения прочности стенок применяют легированные металлы или алюминий, армированный стеклопаке-том. Современные ГБА оснащают металлокомпозитными баллонами. Армированные пластмассовые сосуды в 3-4 раза легче стальных. Газовые баллоны имеют многократный запас прочности и устанавливаются в наименее уязвимых местах в автомобиле.
Масса 50-литрового стального баллона под давлением 20 МПа в зависимости от марки стали находится в пределах 50.93 кг. Металлопластиковые баллоны
а б
Рис. 8. Положение клапанов газораспределительного механизма газового двигателя: а - нормальное положение клапана; б - положение клапана после проседания; 1, 4 - гнездо; 2 - фаска клапана; 3 - тарелка клапана; 5 - стержень; 6 - деформированная поверхность
легче в 1,5-2 раза, а углепластиковые -в 2-4 раза. Более высокая трудоёмкость и стоимость их изготовления сдерживает широкое их распространение.
Углеводородный состав бензина содержит маслянистые углеводородные примеси. Для улучшения качества в него вводили присадки - антиокси-данты, ингибиторы коррозии, моющие вещества, добавки для повышения октанового числа, а также красители. При работе на бензине поверхности соприкосновения клапана с седлом покрываются тонкой плёнкой, которая снижает его износ.
При работе двигателя на газе создаются условия образования на соприкасающихся поверхностях (клапан и седло) оплавленных микроучастков и окисления продуктов износа. По данным ОАО КАМАЗ, наблюдается повышенный износ поверхностей с нарушением теплообмена, выраженный проседанием клапана (рис. 8, а и б).
Наиболее слабыми элементами газовых ДВС являются сопряжения клапанов газораспределительного механизма. При отсутствии сигнала датчика фазы система управления переходит в режим нефазированного впрыска топлива и попарного искрообразования. При этом ухудшаются мощностные показатели двигателя, увеличивается расход топлива и выброс ВВ.
В эксплуатационных условиях происходило прогорание клапанов. Бензин в отличие от газа впрыскивается во впускной коллектор в распыленном жидком состоянии и охлаждает впускные клапаны. Газ подаётся в испаренном состоянии, то есть при более высокой температуре. Сгорание при более высокой температуре вызывает дополнительный перегрев клапанов и сёдел. Значительная доля теплоты отводится от клапанов при контактировании тарелок с сёдлами.
В составе технических газов в отличие от автомобильных содержится большое количество примесей (например, сера), не нормировано содержание непредельных углеводородов, а также маслянистых включений, называемых конденсатом. Также на резинотехнических изделиях газовой аппаратуры концентрируются примеси, которые адсорбируют одоранты, значительно повышая их местную концентрацию, что отрицательно сказывается на надёжности работы газовой аппаратуры.
Рис. 9. Схема подачи специальной жидкости во впускной трубопровод инжекторного двигателя комплектом FlashLube: 1 - кронштейн для крепления; 2 - фиксирующие саморезы; 3 - заправочный трубопровод; 4 - паспорт; 5 - крышка дозатора; 6 - фильтр; 7, 9 - регулировочный винт; 8 - впускной трубопровод; 10 - дозатор газа; 11 - прозрачное стекло; 12 - соединительный шланг; 13 - жидкость; 14 - фильтр тонкой очистки
2*
ЛЕТ С ВАМИ
75
ЪоиюШ*'
0.25
(О
с: та
та
1 /
2 __— — ■— -—- — — 3
ю
20
25x1000 Наработка, км
Рис. 10. Результаты исследования износа впускных и выпускных клапанов при работе на газе:
1 - выпускной клапан без жидкости; 2 - выпускной клапан с жидкостью; 3 - впускной клапан без жидкости
Для компенсации влияния газа на износ клапанов на двигателях можно установить газовую систему, совместив её с устройствами, дозирующими специальные топливные добавки для улучшения теплообмена клапана с седлом.
Материалы клапанов и сёдел, их размеры и устройство головки блока цилиндров являются основными факторами, влияющими на износ клапанов при работе на газе. При наработке ГБА свыше 100 000 км начинают изнашиваться седла клапанов.
Для компенсации влияния качества газа на износ клапанов двигателя устанавливают газовую систему, совмещённую с устройствами дозирования специальной топливной добавки. Примером такой добавки является жидкость под названием FlashLube [20]. Присадка FlashLube улучшает теплообмен между клапаном и седлом головки блока цилиндров, она предохраняет клапаны от прогорания и увеличивает их срок службы. Комплект FlashLube содержит ёмкость с жидкостью и дозирующее устройство. Ёмкость устанавливают под капот автомобиля, и жидкость подается специальным дозирующим устройством (лубрикатор) во впускной трубопровод после дроссельной заслонки.
Схема подачи специальной жидкости во впускной трубопровод инжекторного двигателя комплектом FlashLube приведена на рис. 9.
Результаты, представленные на рис. 9, демонстрируют преимущества использования FlashLube.
Эффективность использования лубрикатора FlashLube была проверена экспериментальными исследованиями. На двигателе размещают приспособление для ввода жидкости во впускной трубопровод вблизи второго и третьего цилиндров.
Заметная доля теплоты отводится от клапанов при контактировании элементов сопряжения тарелок с сёдлами.
Результаты, представленные на рис. 10, демонстрируют преимущества использования FlashLube [21].
2*
ЛЕТ С ВАМИ
Экологическая и энергетическая безопасность страны остается приоритетной проблемой национальной экономики. Применение ПГ в качестве моторного топлива обеспечивает решение энергетических проблем автомобильного транспорта как на ближайшую перспективу, так и на отдалённое будущее. 77
Суммируя все вышесказанное, можно утверждать, что наиболее эффективным методом снижения выбросов N0.^ газовых двигателей является система РЦ ОГ и уменьшения угла опережения зажигания. Создание однотопливных систем позволит реализовать потенциальные свойства газового топлива, поскольку экологические и энергетические параметры однотопливных газовых систем превосходят технический уровень базовых двигателей.
Применение КПГ в целом характеризуется достаточной безопасностью эксплуатации ГБА и его экономической эффективностью.
_Использованные источники
1. Ерохов В.И. Газобаллонные автомобили (конструкция, расчёт, диагностика). Учеб. вузов. - M.: Горячая линия -Телеком, 2016. - 598 с.
2. Ерохов В.И. Современные однотопливные автомобили на компримированном природном газе // Транспорт на альтернативном топливе. - 2019. - № 3 (69), ч. 1. - С.66-77.
3. Ерохов В.И. Современные однотопливные автомобили на компримированном природном газе // Транспорт на альтернативном топливе. - 2019. - № 4 (70), ч. 2. - С.46-56.
4. Ерохов В.И. Токсичность современных автомобилей. Методы и средства снижения вредных выбросов в атмосферу. Учеб. - М.: ФОРУМ, 2016. - 458 с.
5. Малюга А.Г., Хафизов Р.Х. ОАО «КАМАЗ»: решение проблем экологии больших городов России // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 6 (18). - С. 19-21.
6. Ерохов В.И. Системы рециркуляции отработавших газов современных двигателей // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 4 (34). - С. 36-42.
7. Ерохов В.И. Экологическая эффективность газобаллонного автомобиля на компримированном природном газе // Транспорт на альтернативном топливе. - 2017. - № 2 (56). - С. 21-32.
8. Ерохов В.И. Безопасность и эффективность эксплуатации газобаллонного автомобиля на компримированном природном газе // Транспорт на альтернативном топливе. - 2017. - № 5 (59). - С. 5-20.
9. Ерохов В.И. Проектирование и расчёт расходомера воздуха электронных систем впрыскивания топлива // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 6 (24). - С. 20-27.
10. Needham J.R., Doyle D.M., Nicol A.J. The Low NOx Truck Engine // SAE Technical Paper Series. - 1991. - № 910731. - 10 р.
11. Программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК. Кафедра «Поршневые двигатели» им. Н.Э. Баумана. - 2016-2019.
12. Автомобили КАМАЗ 65115, 65116 с газовым двигателем.65115-39020001 РТ.
13. Малов Р.В., Ерохов В.И. и др. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. - М.: Транспорт, 1982. - 200 с.
14. Mattes P., Remmeils W., Sudmanns H. Untersuchungen zur Abgasruckfuhrung am Hochleistungsdieselmotor // MTZ. - 1999. - Jg.60. - № 4. - S. 234-243.
15. Zelenka P., Aufinger H., Reczek W., Cartellieri W. Colled EGR - A key technology for future efficient HD diesels // SAE Technical Paper Series. - 1998. - № 980190. - 13 р.
16. Alkidas A.C. Relationship between smoke measurements and particulate measurements // SAE Technical Paper Series. - 1984. - № 840412. - 9 p.
17. Ерохов В.И., Одинокова И.В. Совершенствование экологических параметров газодизельных автомобилей // Транспорт на альтернативном топливе. - 2016. - № 2 (50). - С. 57-66.
18. Григорьев Е.Г., Колубаев Б.Д., Ерохов В.И. Газобаллонные автомобили. - М.: Машиностроение. - 216 с.
19. Ерохов В.И., Карунин А.Л. Газодизельные автомобили (конструкция, расчёт, эксплуатация). - М.: Граф-Пресс, 2005. - 558 с.
20. Flash lube. Valve Saver Fluid. Электронный ресурс. 2010 г. - 40 с.
