CC BY
82
УДК 621.43.052
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ 6Ч 13/14 С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
В.А. Богомолов, профессор, д.т.н., Ф.И Абрамчук, профессор, д.т.н., В.М. Манойло, доцент, к.т.н., А.И. Воронков, доцент, к.т.н.,
С.В. Салдаев, аспирант, А.Н. Кабанов, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Описана разработанная и изготовленная экспериментальная установка для проведения исследований газового ДВС 6 Ч13/14 и его семейства.
Ключевые слова: экспериментальная установка, газовый ДВС, измерительная аппаратура, приборы, датчики, газоанализатор.
Введение
Дальнейшее совершенствование автотракторных газовых ДВС, направленное на улучшение их экономичности, снижение токсичности отработавших газов и уменьшение массогабаритных показателей невозможно без создания экспериментальных установок (стендов) для исследования двигателей.
С помощью экспериментальных установок можно поэтапно совершенствовать конструкцию узлов, показатели рабочего процесса ДВС и систем двигателя, а также повышать надежность их работы в целом.
Кафедрой ДВС совместно с Харьковским автомобильным ремонтным заводом №126 разработана и изготовлена экспериментальная установка для проведения исследований газового ДВС 6Ч 13/14 с искровым зажиганием.
Анализ публикаций
Исследование технико-экономических и экологических показателей, параметров рабочего процесса, отладка узлов газового ДВС 6Ч 13/14 и элементов системы управления будет ограниченным, а в некоторых случаях - просто невозможным без создания простых и надежных экспериментальных стендов.
Поэтому вопросу разработки, изготовления и отладки экспериментальных стендов для исследования газовых ДВС уделяется особое внимание как отечественными [1], так и зарубежными фирмами [2].
Как правило, в процессе поэтапной доводки двигателя невозможно заранее предугадать, какие именно из серийно выпускаемых узлов и устройств будут эффективно работать на стенде, и, как результат, получится надежно работающая экспериментальная установка. Это зависит от видов и программы испытаний, которые необходимо провести с объектом исследования (двигателем) в процессе его доводки.
Ниже авторами будут описаны особенности конструкции и принципиальной схемы экспериментальной установки для проведения исследований газового ДВС 6Ч 13/14, а также двигателей его семейства.
Цель и постановка задачи
Целью данного исследования является разработка и изготовление на базе унифицированных деталей, узлов, систем и устройств экспериментальной установки для проведения стендовых исследований газовых ДВС с целью отладки узлов и систем, поэтапного совершенствования параметров системы управления и рабочего процесса двигателя для получения высоких техникоэкономических и экологических показателей, а также надежности работы силового агрегата в процессе эксплуатации.
Особенности конструкции экспериментальной установки для проведения исследований семейства газовых ДВС
Общий вид экспериментальной установки приведен на рис. 1. Стенд оборудован всеми необходимыми приборами и устройствами, позволяющими проводить исследования газового двигателя.
Газовый двигатель 6Ч 13/14 1 смонтирован на раме и соединен с электрической балансирной машиной МПВ 32,7/28 3, мощность которой составляет 140 кВт. Связь двигателя с электромашиной осуществляется при помощи карданной передачи 2.
Пульт управления 12 стенда оснащен приборами для контроля теплового состояния двигателя и режимов его работы. Температура охлаждающей жидкости на входе и выходе из радиатора 10, давление и температура масла в системе смазки ДВС 1 контролируются показаниями, снимаемыми с экранов электрических приборов, размещенных на пульте 12 управления стенда.
Изменение нагрузки и крутящего момента двигателя определяется по показаниям шкалы весового устройства ВКМ-115 электромашины 3.
Импульсы частоты вращения коленчатого вала ДВС отслеживаются датчиком 4, а числовые значения изменения частоты вращения снимаются с экрана электронного тахометра ТЭД-1 5.
Показания температуры свежего заряда (воздуха) и газового топлива, поступающих в цилиндр ДВС, снимаются с экранов электрических потенциометров 9 и 6.
Замер расходов воздуха и газового топлива в системах воздухоснабжения и питания ДВС осуще-
ствляется газовыми счетчиками РГ-1000 8 и RG-25 15 соответственно.
Изменение давления воздуха и газового топлива в системах ДВС контролируется соответственно ^/-образным жидкостным 16 и механическим образцовым МО-16 17 манометрами.
Отвод отработавших и картерных газов из лаборатории, где размещен стенд, производится вытяжной вентиляцией 1 1.
Выбранное стандартное оборудование и измерительная аппаратура испытательного стенда позволяют осуществлять контроль и проводить замеры параметров работы двигателя с заданной точностью.
Кроме того, экспериментальная установка дополнительно оборудована: устройством для индици-рования двигателя 7; диагностическим оборудованием для контроля состава отработавших газов 14; а так же устройством 13 для отслеживания пульсационных явлений во впускном коллекторе ДВС.
Ниже будут описаны оригинальные узлы экспериментальной установки, а именно: система воздухоснабжения, топливная система двигателя и система управления ДВС.
Отличительной особенностью разработанной установки является то, что даже оригинальные системы
Рис. 1. Принципиальная схема стенда для проведения испытаний газовых ДВС
стенда приблизительно на 90% собраны из стандартных узлов, которые надежно зарекомендовали себя в процессе эксплуатации.
Устройство и работа системы питания газового двигателя
Схема системы питания двигателя 6Ч 13/14, работающего на газовом топливе, представлена на рис. 2.
Система питания двигателя собрана из элементов газобалонного оборудования, которое используется на автомобиле ЗИЛ-431610. Она обеспечивает понижение давления газа в редукторе до необходимого уровня и осуществляет регулирование, а также измерение расхода газа.
Газ находится в 12-ти баллонах, объединенных в группы по четыре баллона, размещенных один над другим в три яруса. Баллоны размещены и закреплены в блоке-контейнере. Контейнер с баллонами удобно возить на заправку.
На установке используются облегченные баллоны из легированной стали массой 62,5 кг, длиной 1700 мм и диаметром 219 мм, окрашенные в красный цвет. Баллоны изготавливают из цельнотянутых труб методом закатки днищ и горловин. Их заполняют сжатым природным газом до давления 20 МПа (200 кгс/см2).
В горловину баллона 4 (рис. 2) вкручивается переходник для подсоединения трубопроводов, вентилей 5 и манометра 3 высокого давления. Стальные переходники имеют наружную коническую резьбу, аналогичную резьбе в горловине баллона и на вентилях. Перед сборкой для обеспечения герметичности на резьбу наносится или свинцовый глет, разведенный на натуральной олифе, или свинцовый сурик, разведенный на олифе «Оксоль». При правильной установке переходника в горловине баллона на виду должно оставаться 3-5 витков резьбы. Момент затяжки резьбы составляет 0,45-0,55 кН-м (45-55 кгс-м).
Для контроля давления газа в баллонах на переходник первого баллона устанавливается манометр 3, рассчитанный на давление до 24 МПа (240 кгс/см2).
Баллоны соединяются в две группы трубопроводами, способными выдерживать давление до 20 МПа (200 кгс/см2). Изготавливаются трубопроводы из стальных бесшовных трубок с наружным диаметром 10 мм и с толщиной стенок 2,0 мм. Герметичность обеспечивается ниппельным соединением гайка-ниппель и конической поверхностью штуцера.
Баллоны устанавливаются горловинами в одну сторону. Каждая группа баллонов имеет вентиль
6 для подключения к общей магистрали стенда. Вентиль обеспечивает герметичность по клапану и резьбовому соединению переходника. Герметичность по штоку вентиля обеспечивается только в положении полного открытия. При открытии и закрытии вентиля допускается пропуск газа через сальник штока.
Каждая группа баллонов соединяется трубопроводом высокого давления с распределительной крестовиной. На крестовине имеются наполнительный 2 и расходный 5 вентили, аналогичные баллонным. Для подсоединения трубопроводов с ниппельным уплотнением на вентиль устанавливается переходной штуцер.
На штуцер наполнительного вентиля навинчивается заглушка, предохраняющая от попадания грязи и влаги. Последняя обеспечивает дополнительную герметизацию запорного устройства во время эксплуатации стенда. На штуцере наполнительного вентиля выполнена специальная (левая) резьба.
Газ из баллона через расходные вентили 5 и 6 поступает в газовый редуктор высокого давления (ГРВД) 10, где его давление понижается до необходимого уровня.
ГРВД, установленный в металлическом ящике, закреплен на стенке с внешней стороны здания. Во время работы стенда редуктор непрерывно подогревается водой, циркулирующей в системе жидкостного нагревателя 8.
Одноступенчатый газовый редуктор высокого давления, имеющий пропускную способность 55 м3 в час при давлении на входе 20 МПа (200 кгс/см2), автоматически поддерживает давление на выходе 0,95-1,1 МПа (9,5-11 кгс/см2). Если давление становится ниже 0,95 МПа, редуктор остается постоянно открытым.
Перед выходным штуцером ГРВД размещены датчик 11 сигнализатора падения давления с предохранительным клапаном, срабатывающим при давлении 1,45-1,7 МПа (14,5-17 кгс/см2). Фильтр на входе в ГРВД улавливает механические частицы размером 50 мкм и более. Внутри редуктора вмонтирован дополнительный фильтр. При любой неисправности редуктора необходимо закрыть расходный вентиль 6 на крестовине.
Из ГРВД 10 газ под давлением 0,95-1,1 МПа (9,5-11 кгс/см2) по трубопроводам поступает в расходомер газа RG-25 17, и далее в электромагнитный газовый клапан 18 с фильтром, которые крепятся на кронштейне с правой стороны ДВС. Войлочный фильтрующий элемент фильтра очищает газ от механических частиц, размер которых менее 50 мкм. О необходимости очистки фильтра судят по падению давления в первой ступени двухступенчатого редуктора 14.
Электромагнитный клапан 18 при неработающем ДВС находится в закрытом состоянии. При работающем двигателе клапан открывается электромагнитом. Команду электромагниту дает оператор предварительным нажатием на клавишу «газ». При этом включается электромагнитное реле, которое замыкает силовые контакты. Ток поступает на обмотку электроклапана. Последний открывается, и газ через фильтр поступает в газовый редуктор низкого давления (ГРНД) 14.
Рис. 2. Схема системы питания газового двигателя (для стендовых испытаний): 1 - двигатель; 2 - наполнительный вентиль; 3, 7, 9, 13 - манометры; 4 - секция баллонов; 5 -расходный вентиль; 6, 12 - магистральные вентили; 8 - жидкостный подогрев; 10 - редуктор высокого давления; 11 - сигнализатор падения давления с предохранительным клапаном; 14 - газовый редуктор низкого давления; 15 - газовый смеситель; 16 - газовоздушная заслонка; 17 - расходомер газа; 18 - электромагнитный клапан; 19 - разгрузочное устройство ГРНД; 20 - трубка; 21 -электронный дозатор газа
ГРНД представляет собой двухступенчатый автоматический клапан диафрагменного типа с рычажной передачей от диафрагмы к клапанам. Он обеспечивает снижение давления газа до значения, близкого к атмосферному, и поддержание его в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов работы ДВС.
Для обеспечения избыточного давления газа на выходе из редуктора 14, а также для перекрытия подачи газа к смесителю 15 при неработающем двигателе, предусмотрено разгрузочное устройство 19 диафрагменно-пружинного типа. Во впускной коллектор вкручена трубка 20, через которую разрежение из коллектора передается в разгрузочное устройство 19 ГРНД.
На входе в ГРНД установлен сетчатый фильтр, очищающий газ от частиц пыли, ржавчины и других механических примесей, которые могут нарушить герметичность клапанов редуктора.
Засорение фильтра может быть обнаружено при помощи манометра 13, установленного в первой ступени газового редуктора. Резкое падение давления газа в полости первой ступени при увеличении открытия заслонки дозатора 21 указывает на засорение фильтра.
При малой частоте вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу давление газа в полости первой ступени должно быть 0,2-0,22 МПа (2-2,2 кгс/см2).
Через дозирующее отверстие (жиклер) клапана, который размещен во второй ступени ГРНД 14, газ поступает в электронный дозатор 21 и далее через смеситель 15 и заслонку 16 идет в ДВС 1.
Электронное управление воздухоснабжением и составом газовоздушной смеси ДВС
Схема электронного управления составом газовоздушной смеси представлена на рис. 3.
Электронный дозатор газа 4 выполнен в виде дроссельного устройства, управление которым осуществляется сигналами, идущими от блока управления 11 микропроцессора. Основное назначение дозатора 4 - осуществлять регулирование расхода газа, подаваемого в смеситель 7 из двухступенчатого редуктора 3. Микропроцессор, получив команду (сигналы) от датчика 17, с помощью обратных электрических связей воздействует на дозатор газа. Последний изменяет подачу газа и тем самым управляет составом смеси газового ДВС. Дозатор 4 через дюрит крепится к корпусу газового смесителя 7.
Смеситель предназначен для приготовления газовоздушной смеси. Смеситель представляет собой цилиндр с вставленным в него диффузором. Последний имеет кольцевой коллектор подвода газа с радиальными отверстиями, через которые газ поступает в смеситель. В газовоздушном смесителе потоки газа и воздуха пересекаются под прямым углом, поэтому происходит эффективное приготовление смеси.
Перед диффузором размещена газовоздушная заслонка 14.
Регулирование расхода газовоздушной смеси и, в конечном счете, обеспечение заданной частоты вращения коленчатого вала двигателя осуществляется с помощью изменения угла поворота газовоздушной заслонки 14, установленной между смесителем и впускным коллектором. Один конец поворотной заслонки 14 при помощи тяг
7 8 10 11
Рис. 3. Система электронного управления составом газо-воздушной смеси газового двигателя: 1 - редуктор высокого давления с подогревателем газа; 2 - электромагнитный клапан; 3 - двухступенчатый газовый редуктор низкого давления; 4 - электронный дозатор газа; 5 - газовая заслонка с датчиком положения оси заслонки; 6 - подводящий газопровод; 7 - смеситель; 8 - датчик температуры атмосферного воздуха; 9 - корпус моноблока газовоздушной заслонки; 10 -датчик абсолютного давления во впускном коллекторе; 11 - блок управления микропроцессорным устройством; 12 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 13 -датчик частоты вращения/положения коленчатого вала; 14 - датчик положения газовоздушной заслонки; 15 - трубка, связывающая впускной коллектор с разгрузочной камерой двухступенчатого редуктора; 16 - баллоны с сжатым газом; 17 - датчик кислорода; 18 -система холостого хода подачи газа в ДВС
связан с рукояткой управления подачей газовоздушной смеси (педаль «газа»), а на втором конце установлен электронный датчик положения дроссельной заслонки (ЭДПДЗ). Электросигналы от ЭДПДЗ 14 идут на входное устройство микропроцессора (МП) 11. МП, обработав информацию, дает команду электронному дозатору 4 осуществлять коррекцию цикловой подачи газа и количества подаваемого воздуха в соответствии с режимами работы ДВС.
Газовая и газовоздушная заслонки с помощью обратных электронных сигналов идущих от МП, связаны между собой при помощи нелинейной зависимости. Они синхронно взаимодействуют друг с другом, независимо от изменения скоростных и нагрузочных режимов работы ДВС.
Для устойчивого воспламенения газовоздушной смеси в цилиндрах ДВС стенд оборудован электронной системой зажигания с микропроцессорным управлением.
Функциональная схема управления и электронная система зажигания газового ДВС 6Ч 13/14 будут более подробно описаны в следующей статье.
Выводы
Выбранная принципиальная схема экспериментальной установки для проведения стендовых испытаний газового ДВС 6Ч 13/14 дает возможность сделать следующие выводы:
- экспериментальный стенд является работоспособным. По своим заложенным характеристикам он позволяет проводить определенную серию разнообразных исследований над газовым ДВС на различных режимах, соответствующих условиям эксплуатации на реальном двигателе, а осуществляет также проверку конструктивных изменений, вносимых в ДВС при его доводке;
- конструктивная схема стенда предполагает возможность внесения изменений в соответствии с содержанием программы испытаний и требованиями к полученным результатам.
Литература
1. Бганцев В.Н., Левтеров А.М., Мараховс-
кий В.П. Газовый двигатель на базе четырехтактного дизеля общего назначения // Техно- plus. - Харьков. - 2003. - №10. -С. 92.
2. Clark N., Mott E., Atkinson M., deJong j., Atkin-
son J., Letvakovsky T., Travel L. Efect of Fuel Composition on the Operation of a Lean-Burn Natural Gas Engine, West Virginia University, SAE paper 952560, 2001.
Рецензент: А.С. Полянский, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 13 марта 2007 г.
