CC BY
30Концепция современного газодизеля и основные
результаты ее реализации
В.И. Ерохов, профессор МГТУ («МАМИ»), д.т.н., Заслуженный деятель науки РФ
Основными задачами настоящей работы являются: теоретические и экспериментальные обоснования основных положений и концепции современного газодизеля; разработка метода организации рабочего процесса современного газодизеля нового поколения с микропроцессорной системой управления; разработка и обоснование закона подачи запальной дозы дизельного топлива (ЗДТ), величины и момента ее подачи; разработка и реализация конструкции современного газодизеля; проведение комплексных экспериментальных исследований при работе газодизеля на дизельном и смешанном видах топлив.
Энергетические и экологические аспекты автомобильного транспорта относятся к числу важных и приоритетных задач отечественной национальной экономики. Автомобильный транспорт представляет собой наиболее энергоемкую отрасль народного хозяйства.
Применение альтернативных видов топлива позволяет эффективно решить взаимосвязанные проблемы энергетической и экологической безопасности страны.
Объектом исследования является рабочий процесс газодизеля с микропроцессорной системой управления, а предметом исследования - конструкция газодизельной аппаратуры нового поколения.
Характерные параметры испытываемых двигателей: ^=10,35-11,96 л, S/D=1,25-1,0.
Реальным заменителем традиционного жидкого моторного нефтяного топлива в ближайшем будущем станет компримированный природный газ (КПГ). Это подтверждает положительный отечественный и зарубежный опыт
газификации автомобильного транспорта. Значительные запасы природного газа (ПГ), высокие темпы его добычи и разветвленная сеть магистральных газопроводов открывают широкие возможности для использования КПГ в качестве моторного топлива. ПГ представляет собой наиболее эффективный экологический вид моторного топлива, содержащий по массе до 24% водорода. Повышенное содержание водорода обеспечивает высокую эффективность рабочего процесса газодизеля. В ПГ отсутствуют ароматические углеводороды и сернистые соединения, что является наиболее важным для снижения выбросов твердых частиц.
Физико-химические и моторные свойства ПГ позволяют считать его наиболее перспективным моторным топливом XXI в. Газовое топливо из альтернативного превратилось в самостоятельный вид моторного топлива. Данное утверждение основано на достаточном ресурсном обеспечении потребностей автомобильного транспорта в газомоторном топливе, его
Нормы токсичности ОГ по правилам 49 ЕЭК
энергетической полноценности, экологической эффективности и экономической целесообразности применения. Однако доля потребления ПГ в качестве моторного топлива составляет менее 1%. Производственные мощности АГНКС в России загружены на 10-15%.
Дизелизация представляет собой традиционное направление совершенствования структуры автомобильного транспорта. Ее развитие сопровождается значительным ростом абсолютного расхода дизельного топлива. Определяющими критериями технического уровня дизелей являются экологические параметры и величина замещения базового топлива альтернативным. Международные экологические стандарты «Евро-3» и «Евро-4» предъявляют повышенные требования к снижению выбросов СО, С Н , N0 и
1 т п х
твердых частиц (табл. 1).
Газодизель обладает рядом известных экологических и топливно-энергетических преимуществ по отношению к базовому двигателю. Коренное повышение технического уровня современных газодизелей обеспечивается путем оснащения их современными микропроцессорными системами и электронными средствами управления. Известные материалы в данной области автомобильной техники до настоящего времени по ряду причин носят, как правило, иллюстративный характер.
МГТУ «МАМИ» разработаны теоретические основы проектирования газодизельной аппаратуры [1]. Дальнейшим этапом этой работы является создание газодизельной аппаратуры, оснащенной электронными средствами управления.
Таблица 1
ООН
Наименование Компоненты ОГ Дата введения
СО, г/(кВтч) СЛ г/№-ч) ^ , г/(кВтч) РТ (частицы) г/(кВтч)
49-01 11,2 2,4 14,4 — —
49-02А («Евро-1») 4,5 1,1 8,0 0,36 Окт. 1995 г.
49-02А («Евро-1») 4,0 1,1 7,0 0,15 Окт. 1996 г.
49-020 («Евро-2») 2,0 0,6 5,0 1,0 1999 г.
«Евро-3» 1,5 0,5 3,5 0,08 2003-2005 гг.
«Евро-4» 1,0 0,5 2,0 0,05 2005-2009 гг.
Величина запальной дозы определялась в процентах для каждого скоростного режима относительно дизельного топлива на номинальном режиме. Исследования проводились на различных скоростных режимах дизеля (п = 1200, 1800 и 2600 мин-1) при постоянных значениях средних эффективных давлений (Ре). При этом величина запальной дозы ДО) изменялась в широких пределах от 8 до 45%.
Воспламенение от сжатия в дизеле ограничивает минимальное значение степени сжатия до 13-14 ед. Условия бездетонационной работы газового двигателя не допускают повышения степени сжатия выше 12-13 ед., то есть на пределе детонации.
Сущность разработанной концепции современного газодизеля связана с теоретическим обоснованием эффективной его работы при одновременном сгорании газовоздушной смеси и рациональной дозы запального дизельного топлива. В основу концепции положены теоретические представления самовоспламенения газодизельной смеси, особенности ее сгорания и протекания рабочего процесса.
Концепция современного газодизеля предусматривает сочетание низкого расхода топлива и выброса вредных веществ (ВВ). Работы по созданию модификаций автомобильных дизелей нового поколения, работающих по газожидкостному циклу, в РФ (ФГУП ГНЦ «НАМИ», ФГПУ «НИИАТ», МГТУ «МАМИ», МАДИ, ведущие заводы отрасли ЯМЗ, ЗИЛ, КамАЗ) возобновлены после 2000 г. В РФ была разработана и реализована принципиальная схема питания газодизеля, в основе которой заложен качественный принцип регулирования мощности. Для его реализации разработаны конструкции топливного насоса высокого давления (ТНВД) с двухрежимным регулятором.
Методологической особенностью технологии использования газа в дизелях является определение топливного эквивалента газового топлива по отношению к дизельному топливу, полученному в соответствии с уравнениями энергетического и мощностного баланса работы двигателя и автомобиля [5]. Обобщенный топливный эквивалент для пересчета газового топлива на дизельное может быть представлен формулой:
т д= Нг/Н • р ,
г и и 1т'
где Ниг - теплотворная способность газа, кДж/кг; Ни - теплотворная способность дизельного топлива; рт - удельная плотность дизельного топлива (ДТ) г/см3.
Концепция современного газодизеля представляет собой систему конструктивно-технологических и технических решений реализации новой технологии совместного использования традиционного дизельного и альтернативного вида топлив. Исходными принципами при разработке газодизельной конструкции является полное сохранение базовой конструкции двигателя, достигаемое путем применения дополнительных к нему навесных систем и узлов. Важным условием при этом является сохранение возможности работы двигателя в дизельном режиме без ухудшения его показателей, а также полное сохранение эффективных и экономических показателей базовой модели двигателя при работе в газодизельном режиме. На первом этапе была исследована эжекторная газодизельная система.
Концепция современного газодизеля предусматривает конвертирование базовых двигателей в газодизельные с сравнительно незначительными конструктивными изменениями и создание системы нового поколения. Оправданным также является стремление к сохранению на всех режимах работы двигателя постоянной цикловой подачи жидкого топлива, равной подаче на режимах холостого хода (ХХ).
На втором этапе была применена микропроцессорная система с впрыском в ВТ по аналогии с бензиновой системой. Электрическая часть разработанной системы управления включает электронный блок управления, исполнительные устройства и датчики: регистрации начала впрыскивания, частоты вращения КВ двигателя, расхода воздуха и газа, температуры охлаждающей жидкости и воздуха, положения педали управления и топливной рейки ТНВД и давления воздуха [3].
Электронный блок управления учитывает показания датчиков, сравнивает их с эталонными значениями и выдает командные параметры для управления величиной запальной дозы и началом ее впрыскивания в зависимости от ре-
жима и данного рабочего состояния двигателя.
ТНВД снабжен датчиком положения и электромагнитным приводом топливной рейки, датчиком частоты вращения кулачкового вала ТНВД и гидравлически связан с топливным баком. Электромагнитный привод рейки ТНВД обеспечивает автоматическое включение ТНВД как в режиме впрыскивания дизельного топлива, так и в газодизельном режиме. Датчики частоты вращения КВ двигателя, температуры и давления позволяют в реальном масштабе времени выдавать на электронный блок управления соответствующую информацию о текущем состоянии двигателя для формирования команд управления работой двухтопливной системы питания газодизеля. Микропроцессорное управление обеспечивает оптимальный закон подачи запальной дозы и газа.
Электронное управление при этом обеспечивает эффективность реализации закона подачи запальной дозы и наиболее экономичные режимы движения автомобиля.
В разработанном газовом дизеле (ГД) использовано смешанное (внутреннее и внешнее) смесеобразование, то есть вне и внутри цилиндра дизеля. При внешнем смесеобразовании ПГ подается форсункой во впускной трубопровод, где смешивается с воздухом с образованием горючей смеси. При внутреннем смесеобразовании величина запальной дозы поступает традиционным способом.
Важным фактором создания газодизеля является обеспечение подачи оптимальной величины запальной дозы дизельного топлива. Величина запальной дозы определяется с учетом условий минимального расхода жидкого топлива, оптимальных показателей, надежной работы дизеля и его топливной аппаратуры при одновременной работе на смеси ДТ и ПГ.
Для проведения работ по выбору оптимальной величины жидкого нефтяного топлива было разработано, изготовлено и смонтировано специальное устройство, содержащее электромагнитный клапан и рычаг.
При работе по газодизельному циклу суммарный часовой расход дизельного топлива и газа определялся по формуле:
С£ = Дс„+слн11н^)1 кг/ч,
где AGзд часовой расход запальной
дозы топлива, кг/ч; - часовой расход
газа, кг/ч; Нг/Н дт - низшие весовые теп' ' и и
лотворные способности газа и дизельного топлива, МДж/кг.
Теплотворная способность КПГ составляет 48,39 МДж/ч, а плотность ПГ при нормальных условиях равна 0,676 кг/м3. Плотность дизельного топлива составляет 0,83 г/м3, а теплотворная способность - 42,4 МДж/кг.
Приведенный удельный расход топлива определяется по формуле: кг/ч.
Приведенный коэффициент избытка воздуха рассчитывается по формуле:
а=й*у,и ьв^+О.**),
где 0,„ХУ„ - весовое наполнение двигателя воздухом, кг/ч; и Ьг0 - теоретически необходимые количества воздуха для сгорания 1 кг ДТ и газового топлива, равные соответственно 14,5 и 17,4.
Двухкомпонентное топливо находится одновременно в газовой и жидкой фазах, что представляет определенные сложности для самовоспламенения горючей смеси. С уменьшением коэффициента избытка воздуха а < 2 температура самовоспламенения горючей смеси возрастает. При достижении температуры самовоспламенения смеси в камере сгорания происходит неконтролируемое сгорание (детонация).
Важным моментом является улучшение стабильности и эффективности распыления запального дизельного топлива. На режимах частичных нагрузок учитывался способ создания рабочей смеси.
Параметры газовоздушной смеси определяются величиной давления и температуры. Факел впрыскиваемого топлива поджигается от самовоспламеняющегося локального объема, образованного практически в момент начала впрыска смешанного топлива. Локальный объем имеет стехиометрический состав горючей смеси. В цилиндре происходит поступление, прогрев ЗДТ до температуры кипения и последующее адиабатическое сжатие и испарение. Топливная струя в камере сгорания обдувается вихрем. Факел воспламеняется на поверхности топливной струи, где
образуются микрообъемы с испарившимся топливом, и состоит из мельчайших капель.
Однако обеспечить такой режим работы газодизеля без применения определенных мер затруднительно, а порой и невозможно. На малых нагрузках воспламенение газовой смеси проблематично из-за низкой концентрации газа. Осуществить подачу жидкого топлива меньшую, чем подача на ХХ, без переделки топливной системы нельзя из-за возможных пропусков воспламенения в отдельных цилиндрах.
При расчете ЗДТ вначале определяется доля жидкого топлива, соответствующая ХХ дизеля с оценкой цикловой подачи. Контрольной величиной при этом является часовой расход жидкого топлива при сохранении ранее найденной цикловой подачи на ХХ при одновременном определении необходимого количества газообразного топлива, добавляемого в располагаемый воздух для получения заданной мощности.
При работе двигателя в газодизельном режиме сгорание запальной дозы в силу малой ее величины происходит достаточно быстро (до начала активного тепловыделения газового топлива). Сгорание ДТ происходит при высоких значениях коэффициента сгорания топлива независимо от нагрузочного режима.
Величина запальной дозы является определяющим параметром эффективности газодизеля. Закон подачи запальной дозы топлива устанавливает общую закономерность и заключается в том, что впрыскивание запальной дозы следует производить ступенчато или применять предварительное ее впрыскивание во время фазы задержки. В начале впрыскивания величина запальной дозы должна быть минимальной.
Регулятор ТНВД работает в двух режимах, поэтому перевод на ГД обеспечивает трехрежимное регулирование подачи топлива. Двухрежимные регуляторы обеспечивают одинаковое положение рейки (разворот плунжерных пар) при постоянном положении рычага привода регулятора.
В городских условиях эксплуатации более эффективна система с двух-режимным регулированием дизеля (рис. 1). В этом случае важно приме-
нять регулирование цикловой подачи топлива (ЦПТ) с горизонтальными характеристиками (линии 3-5). В момент начала движения автомобиля с места путем нажатия на педаль управления подачей топлива рейка ТНВД находится в положении, обеспечивающем ЦПТ для режима холостого хода (точка 7). При полном нажатии на педаль управления ЦПТ практически мгновенно возрастает до максимального значения (точка 11). При этом она превышает номинальную величину в 1,5 раза. Если педаль управления нажата на 3/4 (кривая 3) от полного хода (точка 10), соответствующее увеличение составит 1,3. При нажатии на педаль управления на величину 0,5 от полного ее хода двигатель на режимах разгона будет работать с подачей топлива близкой к номинальной величине (точка 9). Точка 8 характеризует величину подачи запальной дозы топлива.
Наклонная левая 6 и правая ветви характеризуют крайние (минимальное и максимальное) положения рычага регулятора с механическим управлением ТНВД.
Пуск и работа газодизеля на режимах ХХ с минимальной частотой вращения КВ двигателя производятся только на дизельном топливе. Мощность газодизеля регулируется путем изменения количества газа, подаваемого в цилиндры двигателя.
Горизонтальный характер протекания регуляторной характеристики сопровождается неустойчивой работой
Рис. 1. Скоростная характеристика ТНВД с двухрежимным регулятором частоты вращения КВ дизеля: 1 - пусковая доза; 2 - внешняя скоростная характеристика; 3-5 - горизонтальные линии; 6 - минимальное положение рычага регулятора; 7 - режим холостого хода; 8 - величина запальной дозы; 9, 10 - области высокой нагрузки, близкой к полной; 11 - полная нагрузка
двигателя при меньшей частоте вращения КВ дизеля. На промежуточных скоростных режимах дизель работает неустойчиво. Управление транспортным дизелем с двухрежимным регулятором в условиях быстроизменяющейся нагрузки затруднено.
Двухрежимный регулятор в городских условиях обеспечивает снижение расхода топлива на 5-6% по сравнению с всережимным. В магистральных дорожных условиях движения автомобиля расход топлива практически одинаков. Пологое (благоприятное) протекание регуляторных характеристик может быть получено при трехре-жимном регулировании. При фиксированном положении рычага управления регулятором, соответствующем 35-40% полного хода рычага, обеспечивается формирование требуемой характеристики qцзд = ^п) запальной дозы.
Наиболее эффективным является трехрежимный регулятор с наклонными или гиперболическими кривыми. Регулятор с гиперболическими характеристиками обеспечивает получение постоянной мощности при уменьшении частоты вращения КВ дизеля [2].
При известном законе подачи топлива относительное количество сгоревшего топлива (х) от общего его количества может быть определено с помощью уравнения И.И. Вибе.
Значительный вклад в исследование газодизеля внесли теоретические и экспериментальные работы специалистов ФГУП ГНЦ «НАМИ» В.В. Карницкого,
Рис. 2. Изменение расхода газа и величины запальной дозы в газодизельном режиме двигателя 8VЧ (12/12):
1 - выделение теплоты с учетом неполного сгорания (максимальная экономичность);
2 - выделение теплоты без учета неполного сгорания; 3 - величина запальной дозы без учета неполного сгорания;4 - фактическая величина запальной дозы; 5 - величина запальной дозы с учетом неполного ее сгорания; 4Нт - теплота сгорания; 46 - запальная доза
Г.С. Корнилова, В.А. Лукшо и Т.Р. Фили-посянца. В настоящее время разработана эжекторная дизельная топливная аппаратура для работы в ГД-режиме с микропроцессорной системой управления [4].
Изменение расхода газа и величины запальной дозы в газодизельном режиме работы дизеля 8VЧ (12/12) показано на рис. 2.
Газодизельная рабочая смесь характеризуется физическими параметрами жидкой и газообразной ее составляющих. В цилиндре газодизеля протекают сложные взаимосвязанные процессы смешивания и диффузии газовоздушной смеси и ДТ. Переход ЗДТ из жидкой фазы в газообразную (летучесть) в условиях камеры сгорания представляет сложный динамический диффузионный процесс.
В газодизеле сгорание запальной дозы топлива в силу ее малой величины происходит достаточно быстро до начала активного сгорания газового топлива. Сгорание ДТ происходит при высоких значениях коэффициента избытка воздуха независимо от нагрузочного режима работы двигателя.
Наиболее эффективное горение газообразного топлива происходит в узком диапазоне значений. Газодизельный цикл имеет относительно узкую зону оптимального горения горючей смеси. Существует возможность улучшения топливной экономичности до 25-30% на режимах малых и средних нагрузок при одновременном снижении массовых выбросов ВВ.
Максимально возможная экономичность газодизеля достигается в случае выделения теплоты сгорания по прямолинейной зависимости (кривая 1). Величина запальной дозы несколько возрастает (2-4%) и протекает по прямолинейной зависимости (кривая 3).
Выделение теплоты с учетом неполноты сгорания представлено кривой 1. Выделение теплоты без учета неполноты сгорания представлено кривой 2. Величина запальной дозы без учета неполноты сгорания представлена кривой 3. Фактическая величина запальной дозы представлена кривой 4. Параметры запальной дозы с учетом неполноты ее сгорания представлены кривой 5.
Рис. 3. Влияние величины запальной дозы дизельного топлива на показатели токсичности ОГ газодизеля
при различной его нагрузке: 1 - х-х-0,75 МПа; 2 - о-о-0,35 МПа; п = 1800 мин-1; 1ф - температура носка форсунки
Анализ теплофизических и физико-химических свойств газодизельных смесей показал, что увеличение доли газа в газодизельной смеси в диапазоне 0-80% сопровождается некоторым снижением ее метанового числа и возрастанием задержки воспламенения смеси с 2 до 3,7 мс.
Для поддержания оптимального соотношения количества выделившейся теплоты и увеличения нагрузки количество газа возрастает по выпуклой кривой, а количество запальной дозы убывает по вогнутой кривой. Этому способствует падающая зависимость отношения запальной дозы к газовому топливу и практически прямолинейная зависимость обратного отношения.
Влияние величины запальной дозы дизельного топлива на показатели токсичности ОГ газодизеля приведено на рис. 3.
Возможности работы в газодизельном цикле при больших значениях а и при средних и малых нагрузках обеспечиваются высокой энергией источника воспламенения и его многоочаговой формы (факел запальной дозы). Однако эффективность сгорания газовоздушной смеси возможна лишь в узком диапазоне а. Поэтому, несмотря на более высокую экономичность на максимальных нагрузках, на режимах малых и средних нагрузок при работе в газодизельном режиме по сравнению с работой на дизельном топливе эконо-
мичность резко ухудшается и увеличиваются выбросы СО и С Н .
~ т п
Расход топлива на малых нагрузках резко снижается по мере увеличения запальной дозы и уменьшается содержание СтНп и СО в ОГ. При этом концентрация 1\1Ох возрастает незначительно. На больших нагрузках имеет место более существенное увеличение выбросов окислов азота и значительно меньшее влияние на выброс несгоревших углеводородов и окиси углерода. По мере увеличения запальной дозы в заданных пределах процесс сгорания интенсифицируется. Особенно это сильно происходит на малых нагрузках, то есть при работе двигателя на обедненных газовоздушных смесях.
Увеличение запальной дозы положительно влияет на температуру носка распылителя форсунки, которая при больших нагрузках и частотах вращения КВ двигателя достигает 300°С. Снижение температуры распылителя носка форсунки по мере увеличения запальной дозы вполне закономерно, так как происходит улучшение его охлаждения за счет большего количества подаваемого дизельного топлива.
Повышение эффективности сгорания газовоздушной смеси на частичных нагрузках возможно путем изменения параметров дизельной фазы. Были также применены распылители с уменьшенными проходными сечениями 0,16 вместо 0,2 мм2 с меньшей интенсивностью нагнетания.
Оптимальная величина запальной дозы должна изменяться в зависимости от нагрузки. При этом целесообразно запальную дозу увеличивать в области малых и больших нагрузок. Минимизация величины запальной дозы зависит от двух факторов - температуры носка распылителя форсунки, которая не должна превышать определенных значений, вызывающих закоксовывание отверстий распылителя, и достижения минимальной токсичности и дымности отработавших газов (ОГ).
При работе двигателя в газодизельном режиме по сравнению с дизельным без изменения угла опережения впрыска на больших нагрузках наблюдается снижение расхода топлива, а на малых - его резкое увеличение до 15%. При переменном угле впрыскивания за-
пальной дозы в диапазоне 18-24° ПКВ до ВМТ в зависимости от нагрузки удельные расходы топлива по сравнению с постоянным углом опережения впрыскивания у газодизеля уменьшается до 40 г/кВт. Дымность ОГ газодизеля при различных регулировках углов впрыскивания практически не изменяется, но в два-четыре раза ниже по сравнению с базовой конструкцией.
Для получения хороших результатов установочный угол опережения впрыскивания запальной дозы дизельного топлива должен изменяться в зависимости от нагрузки - с 24° на малых нагрузках и до 13° на больших нагрузках двигателя.
Увеличение запальной дозы (в % от максимального часового расхода для каждого скоростного режима) оказывает заметное влияние на экономические и экологические параметры двигателя. С увеличением запальной дозы с 810% до 14-17% происходит улучшение топливной экономичности на 11% на малых и на 5% на больших нагрузках. Содержание СтНп снижается на 35% на малых нагрузках.
Термометрирование головки цилиндров и форсунки проводилось с помощью хромель-копелевых термопар, которые препарировались на поверхности головки первого цилиндра. Перед проведением испытаний головка с термопарами тарировалась, температура определялась с помощью автоматического потенциометра ЭПП-093. Измерение производилось в наиболее характерных точках, находящихся в области клапанной перемычки. Температура носка распылителя форсунки снижалась на 50°С.
Чтобы носовой наконечник распылителя не перегревался до сверхпредельной температуры 280°С, минимальный расход ДТ через форсунку был установлен в количестве 10 мг за цикл.
Уменьшение величины запальной дозы топлива и в особенности при невысокой нагрузке приводит к перепаду температур пояска на величину 80-100°С. По мере роста величины запальной дозы температура носка форсунки снижается.
Влияние величины запальной дозы на температуру носка распылителя наиболее заметно в диапазоне ее изменения от 8-10 до 20%. При величине за-
пальной дозы, равной 10%, температура соответствует 320°С, а при увеличении запальной дозы до 20% температура снижается до 250-270°С. Дальнейшее увеличение запальной дозы до 40-50% приводит к снижению температуры до 180-200°С.
Подача минимального количества ДТ (на уровне 8-10%) не является оптимальной, так как это приводит к ухудшению топливной экономичности на 5-6%, росту выброса вредных веществ и в первую очередь - СтНп на 5-10%, что указывает на плохое воспламенение и сгорание газовой смеси. Это приводит к недопустимо высокой температуре носка распылителя (до 50%) из-за недостаточного охлаждения топливом.
Для практического применения можно выбрать величину запальной дозы топлива на уровне 15-20% для создания условий нормальной работы газодизельного двигателя и экономии дизельного топлива.
Оптимальная характеристика величины запальной дозы топлива требует регулирования по двум ее переменным - по частоте вращения КВ двигателя и его нагрузке. Управление величиной запальной дозы топлива и положением воздушной заслонки достаточно сложно выполнить механическими методами. Применение микропроцессорной системы управления дозирующими средствами и рабочим процессом двигателя позволяет обеспечить снижение вредных выбросов на малых нагрузках в 1,1-1,4 раза, а при полной нагрузке - в несколько раз.
Сокращение продолжительности впрыска приводит к ухудшению воспламенения газовоздушной смеси и к повышению теплонапряженности распылителя форсунки. Величина запальной дозы топлива подбиралась с целью достижения максимальной экономичности на больших и малых нагрузках. Она оказывает заметное влияние на выброс ВВ, и с повышением ее величины снижается содержание углеводородов, окиси углерода и окислов азота. Минимальная величина ЗДТ должна быть не ниже 15%.
Влияние величины запальной дозы дизельного топлива на показатели токсичности приведено на рис. 4. Изменение величины запальной дозы
ния газовоздушной смеси возможна лишь в узком диапазоне а. Поэтому, несмотря на более высокую экономичность на максимальных нагрузках, на режимах малых и средних нагрузок при работе в газодизельном режиме, по сравнению с работой на дизельном топливе, экономичность резко ухудшается и увеличиваются выбросы СО и С Н . Оптимальная величина начала
т п
впрыскивания жидкого топлива для дизеля соответствует 18°, а для газодизеля - 16°.
Физико-химические процессы, предшествующие воспламенению дозы запального топлива, начинают активно протекать с момента ф=310° ПКВ. Период индукции может быть представлен следующей зависимостью:
т. = К -е-Е /вт, мс,
I м е
где Км - коэффициент диффузии (концентрация) метана, полученный расчетным или экспериментальным методами, Ео - условная энергия активации топлива, кДж/кмоль.
Коэффициент молекулярной диффузии метана в воздушный поток изменяется в пределах 0,1-1 см2/с, а при диффузии его в дизельное топливо составляет 0,04 см2/ч.
Значение коэффициента Км может быть определено по экспериментальным данным. В расчете принималась величина активации, равная Е=22,5-103 кДж/кмоль. Средняя температура (Т) за период задержки воспламенения определена путем моделирования процесса сжатия. Для данного типа газодизеля получено значение К = 0,075.
При поздней величине угла впрыскивания запальной дозы Qвпр=18°ПКВ воспламенение газодизельной смеси на режиме Рен происходит через т =0,8-1,1 мс (7-11° ПКВ) после впрыскивания дизельного топлива и заканчивается условно в интервале 8-11° ПКВ до ВМТ. За начало т| зап принималась величина, равная фо=310-315° ПКВ до ВМТ, после которого начинают активно протекать предпламенные реакции. В этом случае получено т| зап = 3,80-4,20 мс (34-38°С), то есть воспламенение запального топлива происходило за 11-12° ПКВ до ВМТ (большее значение т| зап соответствует фо = 310°).
Начало процесса сгорания может быть рассчитано с учетом величины
ДО ) оказывает заметное влияние на
4 зд'
выброс N0 и С Н . По мере увеличе-
~ х т п г }
ния запальной дозы концентрация N0x (при высоких Ре) и особенно СтНп (при малых Р ) в ОГ снижаются. Увеличение запальной дозы 4Gзд с 10 до 40% снижает выброс N0 в 1,5-2,0 раза и С Н
~ х 'г т п
- в 3,0-3,5 раза.
Концентрация СО в ОГ меняется незначительно при изменении величины запальной дозы дизельного топлива на всех режимах. Величина запальной дозы, равная 10%, не является оптимальной, так как это приводит к ухудшению топливной экономичности, росту СтНп, что обусловлено плохим воспламенением и сгоранием газовоздушной смеси.
Минимально возможная величина запальной дозы для транспортных двигателей составляет 15-20%.
Энергия запальной дозы топлива в 102-104 раз больше энергии искрооб-разования свечи зажигания. Это обеспечивает надежное воспламенение бедной газовоздушной смеси, а также быстрое сгорание основной порции топлива. Снижение величины запальной дозы дизельного топлива ниже минимального уровня неизбежно приводит к пропускам воспламенения или даже невозможности воспламенения газовоздушной смеси.
Возможности работы в газодизельном цикле при больших значениях а при средних и малых нагрузках обеспечиваются высокой энергией источника воспламенения и его многоочаговой формой (факел-запал запальной дозы). Эффективность сгора-
задержки воспламенения. Количество КПГ в газодизеле ограничивают величиной пропусков воспламенения вследствие большого значения т| из-за низкого цетанового числа (ЦЧ) смеси. Величина ароматических СтНп характеризует склонность топлива к самовоспламенению. Добавление в КПГ присадок, повышающих ЦЧ, несколько улучшает эффективность самовоспламенения. ПГ имеет низкую воспламеняемость, представляющую определенные трудности при организации рабочего процесса газодизеля. Температура самовоспламенения газового топлива составляет 600 К, что превышает температуру самовоспламенения дизельного топлива в два раза.
При работе дизеля на дизельном топливе величина т| складывается из продолжительности впрыскивания и распыливания топлива, его испарения и диффузии, протекания предпламен-ных реакций, неоднородности многостадийного воспламенения, прохождения холодного и голубого пламени.
Литература
1. Карунин А.Л., Ерохов В.И. Газодизельные автомобили. Учебное пособие. М, МГТУ «МАМИ», 1999. - С. 345.
2. Марков В.А., Трифонов В.Л., Сиротин Е.А. Оптимизация характеристик топливоподачи транспортного дизеля. Грузовик. 2000. N11. - С. 14-18.
3. Карунин А.Л., Ерохов В.И., Ге-лашвили О.Г. Микропроцессорная система управления газодизелем. Научные труды IV Международной научно-практической конференции, Сочи, 2001. - С. 87-91.
4. Лукшо В.А., Мовчанюк А.Л., Строганов А.В., Чеповой А.В. О токсичности отработавших газов газодизельных автомобилей. «Автомобили и двигатели». Сб. научн. трудов. Вып. 228.; М.: Изд. ГНЦ РФ-ФГУП НАМИ, 2001. С. 210-217.
5. Ерохов В.И., Иванов В.Н. Перспективы применения сжатого природного газа. // «Автодорожник Украины», 1981, - № 2.
6. Ерохов В.И., Иванов В.Н. ГБА: совершенствование их качества и техническая эксплуатация. // «Автомобильный транспорт Казахстана»,1982. - № 2.
Окончание в следующем номере
