CC BY
11(Щ
Транспорт и экология
Особенности доводки ДВС с искровым зажиганием на газовом топливе по токсичности отработавших газов
В.А. Шишков,
начальник технического отдела ООО «Рекар», к.т.н
Рассмотрена работа ДВС с искровым зажиганием и электронной системой управления двигателем при его доводке по токсичности отработавших газов при работе на газовом топливе. На основе исследований, проведенных автором, разработан алгоритм и даны рекомендации по проведению калибровочных работ по снижению токсичности. Предложены пути совершенствования алгоритма управления ДВС для ее снижения.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, распределенный впрыск газового топлива, искровое зажигание, токсичность отработавших газов, алгоритм, электронная система управления.
Features of operational development the engine of internal combustion with spark ignition on gas fuel on emissions of the fulfilled gases
V.A. Shishkov
The work the engine of internal combustion with spark ignition with an electronic control system is considered at his operational development on emissions of the fulfilled gases at work on gas fuel. On the basis of researches carried out the author, develops algorithm and the recommendations for realization калибровочных of works on decrease emissions are given. The ways of perfection of algorithm of management the engine of internal combustion for decrease emissions are offered.
Keywords: the engine of internal combustion, direct injection of gas fuel, spark ignition, emissions of the fulfilled gases, algorithm, electronics control system.
Нормы токсичности для ДВС с искровым зажиганием при работе на газовых видах топлив
Для корректного сравнения различных двигателей и автомобилей по токсичности отработавших газов и расходу топлива в международной практике внедрена система испытаний по стандартным ездовым циклам (рисунок). Различают три варианта испытаний: городской ездовой, загородный ездовой и смешанный циклы, которые применяются для всех видов топлив. Отличие состоит в нормативных показателях токсичности для различных топлив, классов двигателей и автомобилей. Для этих испытаний применяются также стандартные виды топлив [1].
Доводка двигателя и автомобиля по токсичности отработавших газов на газовых топливах практически мало отличается от их доводки на бензине, но имеет ряд особенностей, связанных со свойствами топливных газов и возникающих вследствие следующих причин:
• различного состава (углеводородные соединения, примеси, наличие и число молекул водорода) газовых топлив;
• различного среднего значения отношения атомов водорода к углероду;
• изменения температуры горения газового топлива по отношению к бензину;
• различных пределов горения смеси с воздухом;
• различной температуры воспламенения газовых топлив;
• качества приготовления газовоздушной смеси;
• степени обеднения или обогащения газовоздушной смеси (ГВС);
• изменения температуры горения ГВС в зависимости от ее состава;
• точности циклового дозирования газового топлива на стационарных и переходных режимах работы двигателя и т.д.
Как известно, наибольший выброс токсичных компонентов с отработавшими газами при испытаниях по ездовому циклу наблюдается в следующих случаях: во время прогрева двигателя после холодного пуска (для норм Евро-3 и выше замер токсичности начинается с нулевой секунды); в периоды увеличения и снижения режимов его работы при движении по циклам. В начальный момент пуска, когда из-за низкой частоты вращения коленчатого вала невозможно по датчику его положения вычислить точное расположение верхней мертвой точки первого цилиндра, применяется асинхронная подача газового топлива. При асинхронной подаче газа наблюдается максимальный выброс несго-ревших углеводородов СН и оксидов углерода СО. После вычисления положения первого цилиндра в период пуска диспетчер режимов включает попарно-параллельный или фазированный впрыск газа. Происходит резкое снижение выбросов СН и СО. Для ускорения прогрев двигателя на режиме холостого хода для бензинов осуществляется на богатой смеси, а для природного газа - на бедной смеси [2]. Соответственно при работе на бензине в режиме прогрева будет большой выброс СН и СО, а для природного газа могут отмечаться повышенные выбросы оксидов азота N0 .
Доводка автомобиля по токсичности отработавших газов заключается в калибровке соответствующих функций алгоритма электронного управления двигателем. Для этого рядом с первым датчиком кислорода до нейтрализатора или катколлектора устанавливается дополнительно широкополосный датчик кислорода, а его сигнал через преобразователь выводится на запись в ПК. В алгоритме управления двигателем выключается обратная связь по сигналу с первого датчика кислорода. Далее на автополигоне или роликовом стенде калибруют и корректируют газовую топливопо-дачу на всех стационарных режимах работы двигателя при различных частоте вращения коленчатого вала и нагрузке (расход воздуха через двигатель). Средняя линия синусоидальных показаний широкополосного датчика кислорода должна соответствовать составу газовоздушной смеси а = 0,985, при котором наблюдается наименьший выброс всех токсичных компонентов (СО, СН, N0 ) с отработавшими
газами. После выполнения данных работ включают обратную связь по сигналу со штатного управляющего датчика кислорода. Дальнейшую калибровку токсичности отработавших газов проводят по результатам испытаний в лаборатории токсичности (табл. 1).
Требования для производства нового автомобиля обусловлены тем, что он должен выполнять нормы токсичности в пределах своего ресурса от 0 до 100 (Евро-3) или до 160 (Евро-4) тыс. км.
Приведем методику анализа результатов испытания и рекомендации по дальнейшей калибровке электронной системы управления двигателем по токсичности отработавших газов.
Фаза 1 (городской ездовой цикл)
1. Разность в показаниях выбросов СО (1,484-0,385= 1,099 г/км) и СН (0,294-0,168=0,126 г/км) для холодного и
Таблица 1
Результаты испытания автомобиля на природном газе с содержанием метана около 99 % массой до 1250 кг на токсичность отработавших газов после предварительной калибровки
Фаза испытаний СН, г/км СО, г/км N0^, г/км СО2, г/км Расход газа, м3/100 км
Горячий цикл
1 фаза (городской цикл) 0,168 0,385 0,149 165,16 7,13
2 фаза (загородный цикл) 0,097 0,208 0,062 97,95 4,23
Смешанный цикл 0,123 0,2733 0,09 122,72 5,3
Холодный цикл
1 фаза (городской цикл) 0,294 1,484 0,107 172,076 7,52
2 фаза (загородный цикл) 0,104 0,255 0,055 101,718 4,39
Смешанный цикл 0,174 0,7082 0,07 127,67 5,55
Нормы Евро-4 0,1 1,0 0,08 125* 80...90** 5,6* 4**
Требования для производства нового автомобиля 0,05 0,5 0,04 - -
Примечание. Рекомендации производителям автомобилей: * - с 2010 г.; ** - с 2012 г. Циклы: горячий - двигатель и его системы перед циклом прогреты до рабочей температуры; холодный - двигатель и его системы перед пуском находятся при температуре 25 °С.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (25) февраль 2012 г.
АН| ИШГ I мтШ| Т1Р1Г тгп п°1"ПТГПТГИШШИШ
<т
Транспорт и экология
двигателя. При этом часть газового топлива выбрасывается в период перекрытия выпускного и впускного клапанов. Начало впрыска газового топлива лучше начинать в момент закрытия выпускного клапана.
Фаза 2 (загородный ездовой цикл)
6. Выбросы СО на горячем (0,208 г/км) и холодном (0,255 г/км) циклах укладываются в нормативные требования для производства и в нормы Евро-4 с запасом 74,5...79,8 %.
7. Выбросы СН на горячем (0,097 г/км) и холодном (0,104 г/км) циклах находятся на грани норм Евро-4 и не укладываются в нормативные требования для производства автомобилей. Эти превышения выбросов аналогичны описанным в п. 5.
8. Выбросы N0x на второй фазе на горячем (0,062 г/км) и холодном (0,055 г/км) циклах укладываются в нормы Евро-4, но имеют недостаточный запас для производства. Для их определения необходимо выполнить замеры на стационарных режимах работы с помощью широкополосного датчика кислорода. Если состав смеси а > 1, то необходимо его скорректировать до 0,985 (обогатить ГВС), что снизит температуру горения в камере сгорания и понизит выбросы N0^
9. Низкие значения выбросов СО2 при горячем (97,95 г/км) и холодном (101,718 г/км) циклах подтверждают то, что ГВС обеднена, что и увеличивает выбросы N0x .
Как видно из табл. 2, токсичность отработавших газов в смешанном холодном цикле практически по всем параметрам укладывается в нормы Евро-4 с запасом от 32; 50 и 83 % по СН, N0x и СО соответственно, а также в требования для производства нового автомобиля с запасом от 0 до 66 % по N0x и СО соответственно и с некоторым превышением на
Таблица 2
Результаты испытания автомобиля на природном газе с содержанием метана около 99 % массой до 1250 кг на токсичность отработавших газов после калибровочных работ в лабораторных условиях
горячего циклов показывает на то, что с момента пуска в процессе прогрева газовоздушная смесь была переобогащена, то есть а < 1. Отличие работы двигателя в этих циклах заключается только в том, что при холодном существует время на его прогрев. В работе [2] даны рекомендации по составу ГВС в процессе пуска и прогрева двигателя.
2. Высокие значения СО (0,385 г/км) и СН (0,168 г/км) в горячем цикле говорят о том, что могут быть два случая: переобогащение ГВС на стационарных или переходных режимах работы двигателя. Выяснить это можно путем анализа состава смеси по широкополосному датчику кислорода при работе на стационарных режимах на каждой полке первой фазы ездового цикла (горизонтальная полка, см. рисунок). Если состав смеси а < 0,985, то необходима коррекция в сторону ее обеднения, если а > 0,985 то необходимо обеднить смесь при ускорениях, изменить фазу и увеличить время отсечки топлива при сбросах режима работы двигателя.
3. Высокие значения выбросов СО2 при горячем (165,15 г/км) и холодном (172,076 г/км) циклах подтверждают то, что ГВС переобогащена на вышеназванных режимах работы двигателя.
4. Высокие значения выбросов N0x при горячем (0,149 г/км) и холодном (0,107 г/км) циклах показывают, что температура горения в камере сгорания возрастает вследствие обеднения газовоздушной смеси а > 1 из-за неправильного окончания фазы отсечки топлива при сбросе режима и неправильной дозировки газового топлива при выходе из режима отсечки топлива.
5. Высокие значения выбросов СН при горячем и холодном циклах говорят о том, что неправильно выбрано начало фазы впрыска газового топлива во впускной трубопровод
Фаза испытаний СН, г/км СО, г/км N0^ г/км СО2, г/км Расход газа, м3/100 км
Горячий цикл
1 фаза (городской цикл) 0,039 0,065 0,017 148,6 6,38
2 фаза (загородный цикл) 0,043 0,052 0,025 94,39 4,06
Смешанный цикл 0,042 0,057 0,02 114,4 4,92
Холодный цикл
1 фаза (городской цикл) 0,106 0,294 0,027 181,66 7,82
2 фаза (загородный цикл) 0,046 0,097 0,045 97,6 4,2
Смешанный цикл 0,068 0,17 0,04 128,5 5,53
Нормы Евро-4 0,1 1,0 0,08 125* 80...90** 5,6* 4**
Требования для производства нового автомобиля 0,05 0,5 0,04 - -
Примечание. Рекомендации производителям автомобилей: * - с 2010 г.; ** - с 2012 г. Циклы: горячий - двигатель и его системы перед циклом прогреты до рабочей температуры; холодный - двигатель и его системы перед пуском находятся при температуре 25 °С.
36 % запаса по выбросам СН. Выбросы диоксида углерода превышают рекомендуемое значение на 2,8 %. В данном случае возможны два варианта объяснения: во-первых, автомобиль имел высокое сопротивление движению и поэтому необходимо проверить выбег автомобиля со скорости 50 км/ч (он должен составлять не менее 550 м); во-вторых, нагрузочная характеристика роликового стенда была выше реальной нагрузки, которую определяют во время движения конкретного автомобиля.
Развитие алгоритма управления ДВС при работе на газе
Основным определяемым параметром является цикловая подача газового топлива, на которую оказывают влияние характеристики газовой форсунки и элементов газового питания. Рассмотрим последнее.
Цикловая подача для сверхзвукового истечения газа без учета расходной характеристики форсунки в периоды открытия и закрытия ее клапана:
^вп ^вп
<?Ц = ¿вп! сЮ/си = ¿вп Р Язв / йрШ,
О О
где ^ - ширина импульса впрыска газового топлива; в - массовый расход газа; Г - площадь проходного сечения клапана форсунки; азв - скорость звука в газе; р - плотность газа на входе в форсунку.
Цикловая подача для дозвукового истечения газа без учета расходной характеристики форсунки в периоды открытия и закрытия ее клапана:
^вп
<?ц = и ц ТгрУ1'2 (2к/(к-\)Тш [(/ сШТш -
0
¿вп ¿вп
- (| йкШу(к+т] 1 фуск, о о
где ц - коэффициент расхода для отверстий; Р - газовая постоянная; Тгр - температура в газовой рампе форсунок; к - показатель адиабаты; ж = ргр / рвых - относительный перепад давления газа на клапане форсунки, равный отношению давления в газовой рампе форсунок к давлению на выходе.
Для статических режимов работы двигателя значения интегралов в обеих формулах можно определить по непрерывной записи давления и температуры газа в рампе форсунок и давления во впускном коллекторе двигателя из предыдущего рабочего цикла. Особенностью сверхзвукового истечения является то, что по этим записям давления и температуры газа в рампе дополнительно определяется его плотность и скорость. Это можно сделать по соответствующим алгоритмам и программам расчета свойств газового топлива [3]. При отсутствии этих программ можно ввести относительные коэффициенты изменения плотности и скорости звука в виде матриц влияния, например, по отношению к выбранному постоянному давлению газа на входе в форсунку. В этом случае точность цикловой подачи будет зависеть от точности интерполяции и дискретности задания данных коэффициентов в матрице.
Для динамических режимов работы двигателя (ускорение и замедление) становится недостаточно точно
вычислить цикловую подачу газового топлива по вышеприведенным формулам из-за влияния динамических характеристик элементов газовой системы питания на давление газа в рампе перед форсунками в период цикловой подачи. В этом случае требуется введение дополнительных коэффициентов влияния:
= <7ц К\ К2 Кз К4 К5 Кб К-], где К\ = азв / а3вО - коэффициент влияния изменения скорости звука в газе при изменении температуры газа во время прогрева двигателя и его топливной системы, азв0 - скорость звука в газе для нормальных атмосферных условий; Кг = Ргр/ Ргро - среднеинтегральный коэффициент влияния изменения плотности газа в период цикловой подачи, ргр0 - плотность газа при нормальных условиях (постоянные давление и температура газа);
^нп ^вп
^з = f (¿вп) = I фгр/й* / [ I фгрЛЭДо - коэффициент 0 0
влияния на среднеинтегральное давление длительности цикловой подачи;
К4 = { (Ур) = (Ур - Уц) / Ур - коэффициент влияния объема газовой рампы (чем меньше объем, тем больше провал давления газа перед форсунками во время цикловой подачи из-за увеличения времени ответной реакции редуктора и времени, требуемого на наполнение рампы в динамическом режиме работы), Уц - объемная цикловая подача газа;
К5 = 1Лп - (Ьрр/№рр)] / и - коэффициент влияния реакции редуктора на провал давления в рампе форсунок во время цикловой подачи газа, 1/Крр - скорость движения волны разрежения от рампы до выхода из редуктора; Кб = [^вп - (Ьбр/И'бр)] / *вп - коэффициент влияния заполнения трубопровода газом перед редуктором на увеличение расхода через его клапан во время цикловой подачи газа, 1/Кбр - скорость движения волны разрежения от редуктора до выхода из газового баллона; K^ = f {6п/(к\ &Gd&t) - коэффициент коррекции в матричном виде для дополнительного воздействия на цикловую подачу в зависимости от скорости изменения частоты вращения коленчатого вала и скорости изменения нагрузки (расхода воздуха через двигатель).
Таким образом, разработанные методики калибровки токсичности отработавших газов при работе на природном газе и алгоритм коррекции газовой подачи с учетом характеристик элементов газовой топливной системы позволяют провести калибровку ДВС по токсичности выбросов.
Литература
1. ГОСТ Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН № 49). - М.: Госстандарт России, 2004. - 146 с.
2. Шишков В.А. Особенности пуска ДВС с искровым зажиганием на газовом топливе // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - № 6. - С. 26-33.
3. Шишков В.А. Расчет теплофизических свойств некоторых веществ на ЭВМ ЕС. Пакет программ: Технический отчет / Куйбышевский моторный завод. - Инв. № 001.9013. - 1987. - 84 с.
