CC BY
23Особенности пуска ДВС с искровым зажиганием на газовом топливе
В.А. Шишков,
начальник технического отдела ООО «Рекар», доцент Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева, к.т.н.
Рассмотрен пуск двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием с электронной системой управления на газовом топливе. Показано влияние температуры ДВС на характеристику газовой подачи во время пуска и прогрева. Описаны основы и особенности алгоритма пуска ДВС с электронной системой управления на газовом топливе в зависимости от состояния двигателя, качества топлива и внешних условий. Предложены пути совершенствования алгоритма управления пуском ДВС на газовом топливе.
Ключевые слова: пуск, двигатель внутреннего сгорания, газовое топливо, искровое зажигание, параметры состояния, алгоритм, электронная система управления.
Features of start-up of internal combustion engine with spark ignition on gas fuel
V.A. Shishkov
Start-up of internal combustion engine with spark ignition with an electronic control system on gas fuel depends on parameters of a condition of fuel, the engine and environment is considered. Influence of temperature of internal combustion engine on the characteristic of gas giving is shown during start-up and warming. Bases and features of algorithm of start-up of internal combustion engine with an electronic control system on gas fuel depending on a condition of the engine, quality of fuel and external conditions are described. Ways of improving of algorithm of management by start-up internal combustion engine on gas fuel offered.
Keywords: start-up, an internal combustion engine, gas fuel, spark ignition, condition parameters, algorithm, an electronic control system.
Основы пуска ДВС на газовом топливе
В зависимости от температурного состояния ДВС и температуры окружающей среды различают:
1. Холодный пуск при температурах ниже 0°С. Для природного газа характерны особенности топливопо-дачи и содержания паров воды в газе. Для сжиженного углеводородного
газа (СУГ) из-за необходимости испарения обязателен пуск на бензине с последующим прогревом ДВС до 30°С и переключением на газовое топливо, если температура редуктора-испарителя после останова не снизилась ниже 30°С, то пуск может происходить на СУГ.
2. Пуск при нормальной температуре от 0°С до 30°С для природного
газа и СУГ аналогичен пуску ДВС при отрицательных температурах окружающей среды.
3. Пуск при повышенных температурах ДВС и окружающей среды выше 30°С (перегретый ДВС после термошока) как для природного газа, так и СУГ выполняется на газовом топливе.
В зависимости от применяемого типа газового топлива и его фазового состояния возникают свои условия пуска ДВС:
1. СУГ в баллоне автомобиля находится в жидкой фазе при соответствующих давлении и температуре, поэтому для его испарения необходимо подвести определенное количество теплоты от двигателя, то есть пуск ДВС выполняется на бензине с последующим прогревом и переключением на СУГ. Существуют системы подачи СУГ в жидкой фазе в камеру сгорания двигателя. Это требует значительного усложнения топливоподающей аппаратуры со значительным повышением давления в ней, достигающего значения до 3,5-4,0 МПа при рабочих температурах элементов двигателя для устранения процесса парообразования в элементах топливной системы и, в частности, в газовых форсунках. К таким системам газобаллонного оборудования (ГБО) относится система голландской фирмы «У1а!!е».
2. Компримированный природный газ (КПГ) при достаточной его очистке от тяжелых фракций углеводородов и паров воды не требует специального подогрева при пуске двигателя. Температура газа за счет эффекта дросселирования в редукторе с максимального значения давления 25 МПа до 0,1-0,3 МПа при начальных температурах двигателя и газа в баллоне на уровне -30°С может составлять -50...-б7°С. При наличии паров воды в газе в диапазоне температур окружающего воздуха -3...+10°С может происходить нарушение работы клапана газового редуктора (подвижный элемент клапана редуктора примерзает к седлу), в этом случае обязателен подогрев клапанной пары
редуктора, то есть как и на СУГ двигатель необходимо прогреть на бензине, а затем переключиться на КПГ. При температурах ниже 0°С происходит замерзание как воды, так и ее паров в газовом баллоне. Если баллон (баллоны) находится за пределами салона автомобиля (обычно под днищем кузова), то он не прогревается, и вода не попадает в газовый редуктор.
3. Сжиженный природный газ (СПГ) - для устойчивого пуска двигателя требуется испарение газа перед подачей его в камеру сгорания. При достаточной массе и теплопередаю-щей поверхности теплообменника испарителя (достаточность накопленной теплоты в металле теплообменника испарителя) пуск можно производить непосредственно на метане.
4. Водород в газовой фазе - его добавка в любой вид топлива во всем диапазоне температур окружающей среды и ДВС улучшает процесс пуска, так как молекулы водорода в топли-вовоздушной смеси являются активными центрами воспламенения.
5. Жидкий водород - как и для СПГ для устойчивого пуска двигателя требуется его испарение перед подачей в камеру сгорания.
6. Светильный газ - условия пуска ДВС аналогичны КПГ и т.д.
В зависимости от фазового состояния газового топлива в баллоне (баллонах) транспортного средства различаются особенности подготовки газового топлива и его качества по содержанию паров воды:
■ газ в жидком состоянии - требуется система для испарения газа с достаточным количеством внешней теплоты или значительное увеличение давления газа для устранения его преждевременного испарения в газовых форсунках и появления неустойчивых процессов газовой подачи и работы ДВС;
■ в газообразном состоянии - требуется достаточная очистка от паров воды и тяжелых углеводородов для устранения примерзания элементов клапанных пар газового редуктора и электромагнитных газовых форсунок.
В зависимости от применяемой системы электронного управления ДВС топливоподача при пуске может выполняться:
■ с асинхронной подачей газового топлива - применяется практически во всех системах управления ДВС до момента определения верхней мертвой точки первого цилиндра перед рабочим ходом, то есть ограничивается порогом чувствительности датчика положения коленчатого вала. При асинхронной газовой подаче все форсунки в начальный момент прокрутки, когда частота вращения коленчатого вала (КВ) двигателя, например, достигла 60 мин-1, подают газовое топливо в течение 80-120 мс. Далее при возрастании частоты вращения КВ двигателя происходит определение фаз и переход на другой вид газовой подачи, приведенный ниже;
■ с одновременной подачей газового топлива - может использоваться для увеличения частоты вращения КВ двигателя во время пуска до устойчивого режима холостого хода;
■ с попарно-параллельной подачей газового топлива - так же как и предыдущая, только для улучшения точности дозирования газового топлива при пуске двигателя для норм токсичности отработавших газов до «Евро-3»;
■ с фазированной подачей газового топлива - так же как и предыдущая, только для улучшения точности дозирования газового топлива при пуске двигателя для норм токсичности отработавших газов выше «Евро-3».
В зависимости от исправности или неисправности датчиков системы электронного управления ДВС пуск может быть произведен:
■ в штатном режиме по соответствующему алгоритму в зависимости от внешних условий и температурного состояния двигателя;
■ в резервном режиме с неисправным датчиком массового расхода воздуха подача газового топлива осуществляется в зависимости от частоты вращения КВ двигателя и положения дроссельной заслонки. В этом
случае расход воздуха при пуске выбирается по резервным таблицам его осредненных значений в зависимости от вышеназванных условий. Эти резервные таблицы расхода воздуха через ДВС формируются в процессе доводки калибровок на двигателе при испытаниях в моторном боксе и корректируются при проведении испытаний в составе автомобиля;
■ в резервном режиме с неисправным датчиком температуры охлаждающей жидкости ДВС количество газового топлива корректируется в зависимости от времени, прошедшего от начала пуска двигателя, и количества пусков в течение малого периода времени;
■ в резервном режиме с неисправным датчиком положения дроссельной заслонки (обрыв или короткое замыкание цепи датчика) газовая подача осуществляется по уровню частоты вращения КВ двигателя и сигналу с датчика массового расхода воздуха при достижении порога его чувствительности и т.д.
При неисправности регулятора холостого хода, когда происходит подклинивание его червячного вала, можно выделить два случая: заклинивание вала регулятора в закрытом положении клапана и в открытом положении клапана. В этом случае электронный блок управления двигателем не может определить данные неисправности и поэтому он не включает контрольную лампу «CHEK ENGIN» на панели приборов автомобиля. Водителю автомобиля придется провести пробные пуски для обоих вышеназванных случаев неисправностей. При закрытом положении клапана регулятора пуск двигателя можно произвести путем незначительного приоткры-тия дроссельной заслонки с помощью педали акселератора во время прокрутки коленчатого вала стартером с последующим ее удержанием для поддержания стабильного режима на холостом ходу. При заклинивании в открытом положении клапана регулятора холостого хода при пуске ДВС необходимо попытаться перекрыть
входной воздушный патрубок с помощью дополнительных средств, чтобы уменьшить количество воздуха, поступающего в цилиндры. При этом надо следить, чтобы вспомогательные средства не попали в воздушный фильтр двигателя.
Успешный пуск ДВС зависит от отсутствия пропусков воспламенения, то есть от исправности самого двигателя и его систем топливоподачи и зажигания [1]. Кроме этого, на режим пуска влияет содержание свободных молекул водорода в газовом топливе, которые являются центрами воспламенения в процессе зажигания в газовоздушной среде в камере сгорания ДВС.
К пуску двигателя относятся моменты раскрутки КВ ДВС стартером, начало топливоподачи и зажигания с последующим нарастанием частоты вращения коленчатого вала двигателя до режима устойчивого холостого хода. Поэтому на процесс пуска, кроме вышеприведенных, влияют следующие факторы:
■ характеристики масла в картере ДВС (плотность и вязкость, чем они выше, тем ниже обороты прокрутки коленчатого вала двигателя стартером);
■ наличие обкатки ДВС или соответствующего пробега автомобиля, то есть внутренние механические потери на трение в шатунно-поршневой группе и подшипниках двигателя, трение в элементах сцепления в нажатом состоянии педали;
■ степень сжатия в цилиндрах ДВС - чем выше степень сжатия, тем выше температура топливовоздушной смеси в конце процесса сжатия и тем лучше воспламенение, но увеличение степени сжатия требует повышенной мощности стартера;
■ величина зарядки аккумуляторной батареи - при большом разряде батареи снижается частота прокрутки коленчатого вала двигателя стартером;
■ минимальная частота вращения КВ двигателя при прокрутке стартером - чем она выше, тем выше дав-
ление и температура в конце процесса сжатия и вероятность нормального пуска двигателя;
■ мощность стартера - чем она выше, тем выше частота вращения коленчатого вала двигателя при прокрутке КВ, что особенно важно при отрицательной температуре двигателя и моторного масла в его картере;
■ масса всех деталей, приводимых в движение стартером, - чем меньше масса, тем выше частота вращения КВ двигателя при прокрутке коленчатого вала стартером при пуске двигателя;
■ количество впрыскиваемого газа при пуске двигателя - при недостаточном или избыточном количестве газа возникают неустойчивое горение газовоздушной смеси и пропуски воспламенения, а малая скорость нарастания частоты вращения коленчатого вала двигателя (от частоты прокрутки до устойчивого холостого хода) часто приводит к неудачным пускам. Для каждого вида газового моторного топлива можно определить различные уровни допускаемого обеднения или обогащения газовоздушной смеси при пуске двигателя, которые зависят от диапазона горения газа в воздухе. Например, для горения метана в воздухе диапазон составляет от 5 до 15% объемных долей при стехиометри-ческом составе 9,53 объемных долей или это соответствует от 8,47 до 25,42 весовых долей при стехиометрии 1б,15 весовых долей, что в свою очередь соответствует составам смеси а от 0,52 до 1,57. Это также показывает, что создать двигатель, работающий на сверхбедных смесях метана с воздухом с а больше чем 1,57, физически не представляется возможным, если только не разложить метан на радикалы углерода и водорода или добавить чистый водород в метановоздушную смесь перед подачей ее в камеру сгорания двигателя. Водород с воздухом горит от 4 до 75% объемных долей, и его добавка расширяет диапазон горения по составу смеси практически для всех видов углеводородных топлив;
■ фаза впрыска газового топлива, которая должна быть синхронизирована с фазами открытия и закрытия впускных и выпускных (при наличии условия перекрытия фаз) клапанов двигателя;
■ организация процесса приготовления газовоздушной смеси. Подача газа во впускной трубопровод при его впрыске под перепадом давления должна осуществляться по потоку воздуха во впускном коллекторе [2] и работать, как эжекторный насос. Если это условие не выполнено, то впрыскиваемый газ будет являться газодинамической гидравлической шайбой, которая повышает сопротивление при впуске воздуха в цилиндр, то есть общее количество воздуха, попавшего в цилиндр, соответственно уменьшится, и в результате снизятся крутящий момент и мощность двигателя;
■ исправность элементов системы зажигания (свечей зажигания, высоковольтных проводов и катушки зажигания);
■ величина высоковольтного напряжения - чем выше напряжение на свечах зажигания, тем больше энергии выделяется при искровом разряде, что улучшает процесс воспламенения газовоздушной смеси;
■ мощность искрового разряда на свечах зажигания, которая зависит от времени накопления заряда в катушке зажигания - чем больше время накопления, тем больше мощность искрового разряда и т.д.
Прогрев двигателя при работе на газе
Неотъемлемой частью после пуска двигателя является его прогрев от исходной температуры до рабочей. Ускорение режима прогрева связано с высокими требованиями по токсичности отработавших газов. По контрольному ездовому циклу при проверке по правилам ЕЭК ООН, нормам «Евро-3» и выше замер токсичности отработавших газов начинается с момента пуска двигателя при окружающей температуре от 18 до 25°С. Для быстрого прогрева нейтрализатор
из-под днища кузова автомобиля был перенесен в катколлектор в непосредственной близости от выпускных клапанов.
Температура горения КПГ в камере сгорания двигателя при одинаковом составе топливовоздушной смеси, в сравнении с бензином, ниже примерно на 150-200°С. Это приводит к увеличению времени прогрева двигателя и катколлектора примерно на 120-240 с, что неприемлемо для норм токсичности «Евро-3» и выше.
Прогрев двигателя при работе на бензине обычно происходит с соответствующим обогащением топливо-воздушной смеси примерно от а = 0,8 до 1,0 в зависимости от начальной температуры ДВС по определенной зависимости его изменения от тем-
пературы двигателя, то есть а = КТ^. Состав топливовоздушной смеси, равный 1, достигается примерно через 120-300 с с момента пуска двигателя в зависимости от начальных значений температур. Обогащение топли-вовоздушной смеси при пониженных температурах окружающей среды и двигателя связано с тем, что большая часть жидкого бензина выпадает в топливную пленку на стенки впускного трубопровода и камеры сгорания, и фактически состав смеси оказывается более бедным в сравнении с расчетной топливоподачей. В процессе прогрева двигателя количество бензина в топливной пленке снижается, поэтому расчетный состав топливовоздушной смеси приближается к реальному и при рабочей температуре двигателя
становится равным 1. На рис. 1 показан пример изменения состава топли-вовоздушной смеси в зависимости от температуры ДВС при пуске и прогреве на бензине.
Для ускорения прогрева двигателя и катколлектора при работе на газовом топливе (КПГ и СУГ) характеристика изменения состава газовоздушной смеси имеет противоположную тенденцию. Топливо в этом случае находится в газовой фазе и не выпадает в виде жидкой пленки на стенки впускного трубопровода и камеры сгорания. При этом состав изменяется с соответствующим обеднением от а = 1,2 до 1,0 в зависимости от начальной температуры двигателя и по определенной зависимости. Это сделано для повышения температуры горения газовоздушной смеси. В этом случае время прогрева катколлектора становится примерно таким же, как и при работе на бензине. Обеднение до а = 1,3-1,57 при работе на КПГ или СУГ может привести к местным прогарам выпускных клапанов из-за повышенной температуры отработавших газов и к неустойчивому горению смеси в камере сгорания, что затруднит пуск и прогрев двигателя. На рис. 2 показан пример изменения состава топливо-воздушной смеси в зависимости от температуры двигателя при пуске и прогреве на КПГ или СУГ.
Повышение количества свободного молекулярного водорода или его радикалов в газовом топливе увеличивает температуру горения газовоздушной смеси, а значит ускоряет прогрев катколлектора или нейтрализатора.
Часто производители автомобиля и электронной системы управления газовым двигателем (если двигатель рассчитан для работы на двух видах топлива - бензине и газе) вопросы его пуска и прогрева сводят к работе на бензине. После прогрева вручную или автоматически в зависимости от температуры двигатель переключают с бензина на газ. Это уменьшает проблемы с доводочными процессами по токсичности отработавших газов на данных
режимах, так как используется программа управления со всеми калибровками при работе на бензине с отработанными пуском и прогревом конкретного типа двигателя. Это неприемлемо для однотопливных газовых автомобилей, не имеющих резервной бензиновой системы топливоподачи.
Алгоритм пуска двигателя на газовом топливе
Алгоритм пуска двигателя на газовом топливе практически такой же, как и на бензине, только имеются свои особенности:
1. При пуске на газовом топливе частота вращения коленчатого вала двигателя нарастает с высокой скоростью, что может привести к масляному «голоданию» на трущихся поверхностях шарико-подшипниковой группы (ШПГ). Поскольку вязкость моторного масла в сильной степени зависит от температуры, то и количество прокачиваемого через двигатель масла будет различным из-за высоких гидравлических сопротивлений масляных каналов. В этом случае для уменьшения износа трущихся поверхностей двигателя необходимо ограничивать скорость нарастания частоты вращения коленчатого вала при пуске путем соответствующего дозирования газа при возрастании частоты вращения КВ или управлением подачи воздуха в цилиндры (увеличение количества циклового воздуха при нарастании частоты вращения коленчатого вала при пуске двигателя снижает скорость ее нарастания и наоборот за счет увеличения газовых сил на поршень двигателя в процессе сжатия). В зависимости от начальной температуры ДВС, например, от -30 до +100°С, время нарастания частоты вращения КВ двигателя соответственно должно быть примерно от 6 до 2 с.
t = f(Td); dn /dt = f(Td ; G J,
пуска две ' две ц воза
где t - время от начала прокрутки коленчатого вала стартером до достижения устойчивой частоты вращения КВ на режиме холостого хода;
dn/dt - скорость изменения частоты вращения коленчатого вала при пуске;
Тдвс - температура двигателя;
вц еозд - цикловой расход воздуха через цилиндр двигателя.
2. Состав газовоздушной смеси в зависимости от температуры двигателя при пуске и прогреве изменяется, например, по рис. 2.
а = «Тдв)
3. Газовое топливо может иметь широкий диапазон по составляющим его углеводородам и примесям (например, от чистого метана в жидком состоянии до КПГ с содержанием метана 80-99% или пропан-бутана с различным содержанием этих двух углеводородов в зимнем и летнем топливе). В этом случае для устойчивого пуска двигателя необходимо использовать алгоритм адаптации к химическому составу газового топлива [3].
вц газ = f (химический состав топлива),
где вц газ - цикловой расход газа.
4. Из-за снижения мощности и крутящего момента двигателя при работе на газе в сравнении с бензином и из-за уменьшения количества воздуха, поступающего в цилиндр в соответствии с объемным коэффициентом стехиометрии, необходимо увеличить частоту вращения коленчатого вала на режиме холостого хода на газе примерно в относительной пропорции к изменению крутящего момента или мощности. Это связано с механическими потерями на трение в зависимости от температуры ДВС.
На прогретом до рабочей температуры двигателе частота вращения КВ при работе на газе может быть равна частоте при работе на бензине, если будет достаточно мощности и крутящего момента для устойчивой работы двигателя на режиме холостого хода. п / л = Ые, / Ые или п /
газ хх бенз хх бенз хх газ хх газ хх
пб = Мб / М ,
бенз хх бенз хх газ хх
где пгаз хх - частота вращения КВ двигателя в режиме холостого хода при работе на газе;
л - частота вращения колен-
бенз хх
чатого вала в режиме холостого хода при работе на бензине;
Ые , М - мощность и крутя-
бенз хх бенз хх
щий момент двигателя соответственно при работе на бензине в режиме холостого хода;
Ые , М - мощность и крутя-
газ хх газ хх
щий момент двигателя соответственно при работе на газе в режиме холостого хода.
5. В случае если газ находится в баллоне в жидком состоянии, то обязательное условие пуска двигателя на бензине с последующим его прогревом, например, для СУГ как минимум до +30°С, и при достижении соответствующей температуры автоматическим или ручным переключением на газ.
6. В случае подачи газа в жидком состоянии при пуске двигателя должно быть достаточно теплоты от элементов ДВС для его испарения
Рис. 3. Схема фаз открытия и закрытия впускного клапана и впрыска газового топлива по углу положения коленчатого вала двигателя во впускной трубопровод ДВС: й - высота подъема впускного клапана; и - напряжение питания клапана газовой форсунки; ф - угол положения коленчатого вала двигателя
во время пуска и прогрева в режиме холостого хода или должна быть дополнительная система с повышенным давлением газа выше линии насыщения и его контролем в зависимости от режима работы двигателя и его температуры. Последнее, как было показано выше, усложняет и удорожает систему подачи газового топлива.
7. Для улучшения наполнения цилиндров газовоздушной смесью и снижения вероятности «хлопковых» эффектов во впускной системе ДВС необходимо правильно выбрать фазы впрыска газового топлива. Лучшим вариантом является впрыск газа на открытый впускной клапан. Это позволяет, во-первых, использовать энергию перепада давления газового топлива на форсунке в качестве эжек-торного насоса для улучшения наполнения цилиндров газовоздушной смесью [2]. Во-вторых, практически весь газ, поступивший во впускной трубопровод, попадет в цилиндр двигателя - это обеспечит его надежную «бесхлопковую» работу. На рис. 3 показана наилучшая фаза впрыска газового топлива во впускную трубу двигателя по отношению к фазам открытия и закрытия впускного клапана.
Для снижения потерь газа при продувке цилиндра при одновременно открытых выпускном и впускном клапанах (между и ф2) желательно фазу ф2 начала впрыска сместить в более позднюю сторону по отношению к фазе открытия впускного клапана (рис. 3) и совместить ее с фазой закрытия выпускного клапана.
Для снижения количества газового топлива, оставшегося во впускном трубопроводе, фаза ф3 (рис. 3) конца его впрыска должна закончиться раньше, чем закроется впускной клапан ф4, так как необходимо время, чтобы весь газ от форсунки через впускной клапан попал в цилиндр двигателя. Это зависит от расстояния между соплом газовой форсунки и впускным клапаном, а также от гидравлического сопротивления впускного трубопровода на этом участке и суммарной скорости движения газовоздушной
смеси. То есть чем больше расстояние от форсунки до клапана, тем раньше необходимо заканчивать впрыск газа по отношению к фазе закрытия впускного клапана и наоборот. Чем ближе расположена форсунка к впускному клапану, тем шире импульс (ф3-ф2) можно получить для впрыска газового топлива во впускной трубопровод, так как время движения газа до клапана снижается. Для выполнения этих условий необходимо правильно выбрать расходную характеристику газовой форсунки в точках динамической и статической настройки [4], которые определяют весь рабочий диапазон режимов ДВС от минимальной частоты вращения коленчатого вала без нагрузки до максимальной частоты вращения КВ и максимальной нагрузки.
8. Газовое топливо должно подаваться в зависимости от его температуры и давления в рампе перед форсунками, так как при их работе возникают значительные колебания давления. Амплитуда колебания давления газа в рампе форсунок зависит от типа впрыска (асинхронный, одновременный, попарно-параллельный, фазированный), то есть зависит от количества одновременно открытых клапанов форсунок. Эта амплитуда может достигать значения от 0,01 до 0,1 МПа в зависимости от расхода и уровня давления газа в рампе. Изменение перепада давления газа на форсунках приводит к изменениям расхода газа, что важно учитывать для правильного его дозирования во время пуска с получением необходимого состава газовоздушной смеси в цилиндрах двигателя. Кроме этого, по длине газовой рампы появляются стоячие волны давления, что приводит к увеличению разности расходов газа по отдельным форсункам, что в свою очередь приводит к повышению токсичности отработавших газов. Это можно учесть в алгоритме управления путем введения специальных коэффициентов коррекции газовой подачи в отдельных форсунках по результатам испытаний в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и расхода
воздуха в процессе пуска двигателя. Поскольку топливо подается через форсунки в газообразном состоянии, то из-за объемного расхода скорость заполнения трубопроводов газом низкая, при этом происходит вытеснение воздуха или азота при первом пуске после монтажа газовой аппаратуры на автомобиль. В этом случае скорость нарастания давления газа перед форсунками значительно ниже, чем у жидкого топлива. Это приводит к затягиванию процесса пуска по времени, так как коэффициент коррекции топливоподачи увеличит время открытого состояния газовых форсунок, а значит приведет к еще большему провалу давления газа в рампе и большей амплитуде колебаний давления в ней.
Плотность газового топлива зависит также от температуры, и поэтому коррекция его расхода также необходима при пуске двигателя. Особенно это важно, если газовое топливо находилось в жидкой фазе, а после прохождения испарителя - в газовой фазе. При приближении к линии насыщения газа при его испарении появляются значительные флуктуации плотности по его объему, что сложно учесть при дозировании расхода через газовые форсунки. Поэтому и рекомендуется прогревать двигатель на бензине до температуры газового редуктора-испарителя не ниже +30°С с последующим переходом на СУГ. Для СПГ или водорода эта температура значительно ниже, так как линия насыщения для них находится в области криогенных температур (для метана ниже -160°С, а для водорода ниже -253°С). Цикловое время впрыска газового топлива при пуске с учетом коррекции можно представить в следующем виде:
t = t +t ,
Ч Ч ну р
где t4 ну - цикловое время впрыска газа через электромагнитные форсунки при нормальных условиях, например, при Т=293,15 К и Р=0,1 МПа;
tp = f(P; T) - время коррекции впрыска, является функцией плотности газового топлива или температуры и давления.
Применение датчиков давления и температуры газа в рампе форсунок позволяет выполнять коррекцию топливоподачи также и при снижении давления газа из-за уменьшения его количества в баллоне до минимального значения, что в свою очередь увеличивает выработку газа из баллона, а значит и увеличивает пробег автомобиля на газовом топливе.
9. При впрыске газового топлива как в газообразном, так и жидком состоянии при пуске двигателя не образуется топливной пленки на внутренних поверхностях впускного воздушного трубопровода и на стенках камеры сгорания. В случае пуска со второй, третьей или последующих попыток (по ГОСТ допускается три попытки нормального пуска двигателя) в алгоритме управления двигателем не требуется вводить коррекцию газовой подачи ввиду отсутствия топливной пленки, в отличие от повторных пусков на бензине. Оставшееся количество газа в газообразном состоянии в цилиндре (при отсутствии воспламенения) практически можно оценить и учесть в алгоритме управления двигателем по степени наполнения цилиндров газовоздушной смесью и последующему ее удалению из цилиндра через выпускные клапаны.
10. Одним из путей улучшения наполнения цилиндров газовоздушной смесью и управления процессом пуска ДВС является использование электропривода (электромагнитных клапанов) выпускного и впускного клапанов. Это позволяет с помощью программы управления двигателем во время раскрутки коленчатого вала убрать режим продувки цилиндров, то есть изменить фазы закрытия выпускного и открытия впускного клапанов так, чтобы не было их одновременно открытого состояния. В этом случае уменьшаются потери газового топлива, снижается количество выбросов углеводородов в отработавших газах и повышается безопасность пуска из-за устранения вероятности «хлопка» в выпускной системе двигателя. Использование электропривода
клапанов позволяет управлять скоростью нарастания частоты вращения коленчатого вала двигателя при его пуске путем изменения фаз открытия и закрытия выпускного и впускного клапанов. Например, если раньше открыть выпускной клапан, то давление в камере сгорания снизится тоже раньше и соответственно уменьшатся силы давления на поршень, что приведет к снижению скорости нарастания частоты вращения коленчатого вала. Уменьшение ширины фазы открытого состояния впускного клапана приведет к снижению наполнения цилиндра газовоздушной смесью, что снизит газодинамические силы при ее сжатии, а это в свою очередь увеличит скорость нарастания частоты вращения коленчатого вала при пуске двигателя.
Развитие алгоритма управления при пуске ДВС на газовом топливе
Основные причины неустойчивого пуска ДВС или его отсутствия возникают при неисправности его элементов, элементов топливной системы или датчиков системы электронного управления:
■ нарушение подачи газового топлива, например, из-за изменения расходных характеристик газовых форсунок или газового редуктора в процессе эксплуатации, из-за отклонений в показаниях датчика массового расхода воздуха, из-за изменения наполнения цилиндров газовоздушной смесью в процессе износа поршневой группы и впускных и выпускных клапанов и т.д.;
■ плохое качество газового топлива из-за содержания большого количества механических примесей и жидкого конденсата;
■ различный химический состав газового топлива из-за различных его месторождений или изготовителей и поставщиков;
■ неисправности в системе зажигания;
■ частота вращения коленчатого вала двигателя при его прокрутке,
недостаточная для пуска ДВС из-за пониженного напряжения в аккумуляторной батарее или высокой вязкости моторного масла при отрицательных температурах окружающего воздуха и т.д.
При пуске ДВС первые четыре причины практически невозможно разделить, не имея дополнительных контрольных датчиков, поэтому для них решение по алгоритму адаптации топливоподачи при пуске можно объединить. Пятую причину можно идентифицировать с помощью датчика положения коленчатого вала двигателя, имеющего чувствительность к низкой частоте вращения КВ двигателя.
Соответственно совершенствовать алгоритм пуска необходимо при вышеназванных отклонениях. При пуске двигателя из-за того, что датчик кислорода начинает выдавать рабочий сигнал только после его прогрева до рабочей температуры, а датчик расхода воздуха имеет свой порог чувствительности, невозможно определить, какая газовоздушная смесь поступает в цилиндры - бедная или богатая. Поэтому обычно газовая подача при пуске производится по средним таблицам расхода воздуха в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и температуры двигателя. Более точно расчет газовой подачи можно делать при пуске двигателя по зависимости расхода воздуха от значений измеренного давления и температуры воздуха в его впускной системе. Соответственно алгоритм адаптации пуска можно построить следующим образом:
■ ввести счетчик количества пусков ДВС, значение которого сбрасывается до 0 по прохождению заданного времени, например 200-300 с;
■ алгоритм изменения газовой подачи необходимо включать не ранее второй или третьей попытки пуска ДВС в течение заданного времени;
■ при отсутствии пуска двигателя с первой попытки, во второй и последующих попытках организовать подачу газового топлива при пуске так,
чтобы она изменялась, например, от бедного до богатого состава смеси до появления устойчивых вспышек в цилиндрах. Наличие устойчивых вспышек в цилиндрах можно фиксировать по возрастанию частоты вращения коленчатого вала, при этом необходимо прекратить изменять коэффициент коррекции газовой подачи, фиксировать его отсутствие по прекращению горения в камере сгорания ДВС;
■ сохранять в памяти контроллера значение коэффициента обучения, при котором состоялся пуск ДВС для последующих его пусков, например, для мультипликативной функции циклового расхода газа:
G = G 0 Кб,
Ф газ ц0 газ об
где G^ газ - значение цикловой подачи газа при i-м пуске;
G„ - номинальное значение цик-
ц0 газ ^
ловой подачи газа;
Коб = f(n; G; tdjN) - безразмерный коэффициент обучения является функцией частоты вращения коленчатого вала, расхода воздуха Ge через ДВС, его температуры tdec и количества его пусков Ne, например, эту функцию можно задать в виде линейной характеристики, изменяющей значение от 0,5 до 2. Если коэффициент коррекции не достиг своего предельного значения (в нашем примере значения 2), то при последующем неустойчивом пуске он продолжает увеличиваться до этого значения или до значения устойчивого пуска двигателя.
Функцию цикловой подачи газа при i-м пуске можно задать и в аддитивной форме, например: Gц. газ = Gц0 газ (1+KJ. В этом случае функция коэффициента обучения Коб будет изменяться от -0,5 до +1.
При низких значениях частоты вращения коленчатого вала двигателя при прокрутке ДВС и его пуске наполнение цилиндров газовоздушной смесью значительно меньше, чем при более высокой частоте. Соответственно будет низким значение давления в камере сгорания в конце процесса сжатия, а значит будет занижена и поцилиндровая мощность и крутящий момент, что
в свою очередь затруднит раскрутку коленчатого вала двигателя при его пуске. Для двигателей, не адаптированных по степени сжатия под газовое моторное топливо, это еще больше усугубит положение при пуске из-за снижения мощности и крутящего момента при переключении с бензина на газовое топливо. В этом случае рекомендуется пуск выполнять на бензине. При пуске на газе можно реализовать следующий алгоритм:
■ при прокрутке коленчатого вала стартером, если его частота вращения, например, ниже 60 мин-1, включается алгоритм обеднения газовоздушной смеси при пуске двигателя;
■ необходимо организовать его цикловую подачу так, чтобы газовоздушная смесь была беднее на 10-20% в зависимости от частоты прокрутки коленчатого вала, при этом чем ниже его частота вращения, тем больше процент обеднения. В этом случае коэффициент коррекции газовой подачи при пуске задается в зависимости от частоты прокрутки и температуры двигателя;
■ при пуске двигателя необходимо управлять углом опережения зажигания в зависимости от параметров, указанных в работе [5].
Одним из перспективных направлений совершенствования двигателя и его пуска при работе на газовом топливе является непосредственный впрыск газа в камеру сгорания в процессе сжатия. В этом случае можно избежать потерь мощности и крутящего момента путем улучшения наполнения цилиндров газовоздушной смесью. Но данное направление приведет к усложнению газовой топливной системы и снижению выработки газа из баллона.
Заключение
1. В отличие от пуска на бензине, на процесс пуска двигателя на газовом моторном топливе оказывают влияние дополнительные факторы, которые определяются особенностя-
ми его состояния на борту транспортного средства.
2. Для выполнения высоких требований по токсичности отработавших газов прогрев двигателя на газовом моторном топливе необходимо проводить при соответствующем обеднении газовоздушной смеси, поступающей в цилиндры.
3. Для реализации в программном обеспечении электронного блока управления двигателя показаны особенности алгоритма его пуска на газовом топливе.
4. Даны предложения по развитию алгоритма управления при пусках ДВС на газовом топливе при различных отклонениях от средних параметров топлив, показаний датчиков системы управления и технического состояния двигателя.
Литература
1. Шишков В.А. Работа системы управления ДВС с искровым зажиганием на газовом топливе при пропусках воспламенения. - Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал № 4 (10), 2009. - С. 14-21.
2. Шишков В.А. Использование энергии перепада давления газа на электромагнитных форсунках (эжекция) для улучшения наполнения цилиндров ДВС смесью газового топлива с воздухом. - Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал № 3 (9), 2009. - С. 31-35.
3. Шишков В.А. Алгоритм адаптации электронной системы управления ДВС к различным химическим составам газового топлива. - Транспорт на альтернативном топливе, № 1, 2008. - С. 30-35.
4. Шишков В.А. Алгоритм управления и диагностики состояния электромагнитных газовых форсунок ДВС с искровым зажиганием. АГЗК+АТ, № 6 (30), 2006. - С. 46-48.
5. Шишков В.А. Определение величины увеличения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газ в зависимости от скорости горения топливной смеси. - Транспорт на альтернативном топливе, № 3, 2008. - С. 20-23.
