CC BY
24
Подача газового топлива
при наддуве цилиндров двигателя
с искровым зажиганием
В.А. Шишков,
преподаватель СГАУ им. академика С.П. Королёва, начальник технического отдела ООО «Рекар», к.т.н.
Приведены особенности цикловой подачи газа при наддуве цилиндров двигателя с искровым зажиганием. На основании расчетных исследований, проведенных автором, даны рекомендации по выбору параметров газовой системы подачи, величине наддува воздухом цилиндров, увеличению степени сжатия и изменению объема цилиндров для компенсации потерь мощности и крутящего момента при переоборудовании двигателя с бензина на газовое топливо.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, газобаллонное оборудование, впрыск газового топлива, наддув цилиндров, степень сжатия, искровое зажигание, мощность, крутящий момент.
При впрыске газа во впускной трубопровод (ВТ) и наддуве цилиндров дозирование топлива при его цикловой подаче с помощью электромагнитных форсунок имеет следующие особенности:
• увеличение диапазона изменения давления в ВТ от разрежения до избыточного над атмосферным давлением при изменении режима и нагрузки на двигатель [1] требует увеличения рабочего диапазона расходной характеристики газовой форсунки;
• улучшение продувки цилиндра в период одновременно открытых выпускного и впускного клапанов требует снижения выбросов газового топлива в выпускную систему двигателя;
• увеличение количества воздуха, поступившего в цилиндр за счет наддува, требует роста объема газового топлива для поддержания стехиометрического соотношения смеси [2];
• повышение давления воздуха во впускном трубопроводе ведет к увеличению давления впрыскиваемого газового топлива;
• определение места впрыска газового топлива - до компрессора, после компрессора или за теплообменником (интеркуллер) для охлаждения воздуха за компрессором.
Правильный подбор элементов ГБО к конкретному двигателю с наддувом цилиндров и впрыском газового топлива, а также к самому автомобилю является важной задачей с точки зрения выполнения современных требований по токсичности отработавших газов и ездовым качествам.
При наддуве цилиндров с помощью турбокомпрессора, компрессора с электрическим или механическим приводом необходимо различать два типа впрыска: во впускной трубопровод и непосредственный впрыск в камеру сгорания. При непосредственном впрыске со степенью сжатия до 12...14
при наддуве цилиндров происходит увеличение мощности и крутящего момента по сравнению с бензиновым ДВС с искровым зажиганием.
Наддув при впрыске газа в ВТ также позволяет увеличить мощность и крутящий момент до уровня этих показателей при работе автомобиля на бензине. Увеличение диапазона изменения давления во впускном трубопроводе при наддуве цилиндров требует, во-первых, увеличения перепада давления газа на клапане форсунки в зависимости от режима работы двигателя, то есть увеличения давления газа в рампе перед форсунками, во-вторых, применения форсунок с широким рабочим диапазоном расходов. При этом рабочий диапазон расхода газового топлива через форсунку должен возрасти прямо пропорционально коэффициенту наддува цилиндров двигателя. Это необходимо для подбора форсунок для двигателя с наддувом цилиндров.
Давление газа в рампе форсунок должно увеличиться на величину не менее (£-1)100 кПа, то есть давление перед газовыми форсунками должно быть не менее
Рфн=Рф+(£-1)Ю0, где £ - коэффициент наддува цилиндров; рфн , рф - давление газа перед форсунками соответственно для двигателя с наддувом цилиндров и без наддува цилиндров.
При этом перепад давления газа на клапане форсунки должен быть больше перепада для двигателя без наддува, что позволит увеличить расход газового топлива в соответствии с формулами дозвукового или звукового истечения [3]. Увеличение максимального расхода газового топлива необходимо выполнять пропорционально увеличению циклового расхода воздуха.
На токсичность отработавших газов по содержанию компонентов СН влияет время продувки цилиндров и наличие топлива в воздухе на впуске в них. Для снижения выбросов
углеводородов во время продувки цилиндров при сокращении продолжительности открытого состояния выпускного и впускного клапанов начало впрыска газа во впускной трубопровод должно быть совмещено с окончанием цикла продувки. Таким образом, цикловая подача газового топлива начинается после полного закрытия выпускного клапана и при открытом впускном клапане, что позволяет достичь минимальных выбросов углеводородного топлива в выпускную систему при продувке цилиндров.
При непосредственном впрыске газа в цилиндр начало импульса впрыска должно быть после закрытия впускного клапана, а завершиться впрыск должен за период сжатия топливовоздушной смеси до момента зажигания [3]. Конец впрыска в этом случае зависит от угла опережения зажигания. Чем больше угол опережения зажигания, тем раньше должна завершиться цикловая подача газа в цилиндр при непосредственном впрыске.
Правильный выбор места впрыска газового топлива в ВТ позволяет оптимизировать систему с точки зрения энергетических затрат [3]. Если для охлаждения воздуха на впуске в цилиндр осуществлять впрыск до компрессора, то с одной стороны не требуется увеличения давления газа перед форсунками, с другой это приведет к увеличению общих энергетических затрат на подачу топливовоздушной смеси. Эти затраты обусловлены потерей давления газового топлива при его расширении во время впрыска в ВТ и его повторным сжатием в компрессоре вместе с воздухом. Кроме этого, снижается безопасность работы компрессора для сжатия газовоздушной смеси, так как его необходимо изготавливать во взрывозащи-щенном исполнении, увеличиваются габариты его проходных сечений (увеличение площади пропорционально объемному коэффициенту стехиометрии, выраженному в процентах, например, для метана на 9,53 %), а значит и массы компрессора и теплообменника для охлаждения воздуха.
Впрыск газа за компрессором не приводит к вышеназванным энергетическим потерям, и он более безопасен. Но в этом варианте требуется увеличение давления газового топлива перед форсунками, рабочего диапазона расходной характеристики газовой форсунки и проходных сечений теплообменника для охлаждения воздуха, что увеличивает его габариты и массу.
Впрыск газа за интеркуллером в непосредственной близости от впускных клапанов наиболее оптимален как по минимальным энергетическим затратам (сжатие воздуха без газового топлива и минимизация потерь при его расширении в ВТ), так и по безопасности (газовоздушная смесь сразу попадает в цилиндр и не образует взрывоопасной смеси в ВТ). При этом не увеличиваются габариты и масса компрессора и интеркуллера.
Использование сжиженных газовых топлив при криогенных температурах для питания ДВС дает дополнительные преимущества. Для этого криогенное газовое топливо перед подачей его в теплообменник-испаритель направляют в теплообменник для охлаждения воздуха за компрессором. При
значительном перепаде температур в теплообменнике между воздухом, поступающим в двигатель, и криогенным топливом достигаются высокая эффективность (высокий коэффициент теплопередачи, малые габариты и масса) теплообменника и увеличение объема цикловой подачи воздуха в цилиндр двигателя. Это, в свою очередь, увеличивает мощность и крутящий момент двигателя.
Какими должны быть величина наддува цилиндров и степень сжатия для компенсации потерь мощности и крутящего момента при переходе с бензина на газовое топливо? Для примера рассчитаем по [4] параметры двигателя объемом 1,8 л по внешней скоростной характеристике для степени сжатия £=10,5 при работе на бензине и природном газе с содержанием метана 99 % без наддува, а также для степеней сжатия £=10,5 и £=12,5 с коэффициентами наддува £=1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5 при работе на газе с подачей топлива во впускной трубопровод (рис. 1 и 2).
Для названных вариантов принят состав топливовоздушной смеси: а=1 для частоты вращения 800 и 3000 мин-1, а=0,98 для 5600 мин-1, а=0,97 для 6200 мин-1. В данном расчете наддув начинался с частоты холостого хода, то есть от п=800 мин-1. При отсутствии наддува на частотах вращения коленчатого вала ниже 3000 мин-1 наблюдаются максимальные потери мощности от 11 до 13 % для двигателя с £=10,5 и от 5 до 9 % для двигателя с £=12,5. Относительное изменение крутящего момента аналогично в процентном выражении изменению мощности.
Как видно на рис. 1, мощность двигателя с £=10,5 при работе на газе становится идентичной мощности бензинового двигателя при коэффициенте наддува 1,15. Если £>1,15, то мощность при работе на газе становится выше, чем при работе на бензине.
Увеличение степени сжатия при работе на газовом топливе также приводит к увеличению мощности двигателя на всех режимах (см. рис. 2). При наличии наддува цилиндров мощность двигателя при работе на газе становится соизмеримой с мощностью при работе на бензине с коэффициентом
Рис. 1. Изменение мощности двигателя объемом 1,8 л с е=10,5 при работе на природном газе с содержанием метана 99 % в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и степени наддува % цилиндров воздухом по сравнению с этим же двигателем, работающим на бензине Аи-95 при одинаковом составе топливовоздушной смеси
Рис. 2. Изменение мощности двигателя объемом 1,8 л с 8=12,5 при работе на природном газе с содержанием метана 99 % в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и степени наддува % цилиндров воздухом по сравнению с двигателем с 8=10,5, работающим на бензине Аи-95 при одинаковом составе топливовоздушной смеси
наддува около 1,1. При дальнейшем увеличении коэффициента наддува мощность начинает превосходить мощность бензинового двигателя.
Нелинейность кривых (см. рис. 1 и 2) в зависимости от частоты вращения коленчатого вала связана с изменением наполнения цилиндров топливовоздушной смесью, то есть зависит от коэффициентов наполнения, дозарядки и очистки цилиндров.
На рис. 3 и 4 приведены графики изменения абсолютных величин мощности и крутящего момента двигателя в зависимости от частоты вращения КВ с различными степенями сжатия воздуха и наддува цилиндров при переводе его на газовое топливо. Наддув цилиндров осуществляется, начиная с режима холостого хода и до режимов с максимальной частотой вращения КВ, что характерно при использовании компрессора с механическим или электроприводом. Если в качестве привода компрессора используется газовая турбина, то увеличение мощности и крутящего момента происходит, начиная с режимов, на которых включается наддув, обычно при п=2000 мин-1.
Необходимо помнить, что при увеличении коэффициента наддува и степени сжатия пропорционально растет давление в камере сгорания в процессе рабочего такта. Если бензиновый двигатель переоборудовать на газовое топливо без увеличения степени сжатия и введения наддува цилиндров воздухом, то давление в камере сгорания в рабочем такте снизится на 0,5...5 %. При этом максимальное снижение давления в цилиндре реализуется в начале и конце рабочего такта. Это свидетельствует о снижении нагрузок на шатунно-поршневую группу, то есть двигатель при работе на газовом топливе работает мягче. Увеличение степени сжатия и коэффициента наддува цилиндров наоборот увеличит эти нагрузки при работе как на газе, так и на бензине. Двигатель при работе на газе будет иметь общий уровень давления в рабочем такте в камере сгорания ниже по сравнению с бензиновым вариантом.
Для нового двигателя с искровым зажиганием и наддувом изменение мощности и крутящего момента при переводе с
бензина на газовое топливо можно представить следующими зависимостями:
N Лен * (Н/10°) [1 +(^газ -
Ч газ=Ме бен * ОЛ/100) [1 +(^газ -
где газ , 6ен - мощность при работе на газе и бензине; ¿0 - объемный коэффициент стехиометрии; £газ , £бен - степень сжатия при работе на газовом топливе и бензине; М , М, - крутящий момент при работе на газе и бензине.
е газ е бен 1 ' 1 11
Необходимо помнить, что на мощность и крутящий момент влияет также состав топливовоздушной смеси, который должен быть одинаков на одних и тех же режимах работы как на бензине, так и на газе. Кроме этого, влияет изношенность шатунно-поршневой группы, что увеличит погрешность вычисления по приведенным формулам.
Системы наддува усложняют конструкцию двигателя и его систем, что приводит к его удорожанию. При этом система наддува увеличивает количество циклового воздуха. Чем можно заменить наддув цилиндров? Увеличить количество циклового воздуха возможно с помощью системы увеличения объема цилиндра (увеличение диаметра и хода поршня). Диаметр поршня можно изменить только в процессе доработки (расточка цилиндров) двигателя, поэтому управлять этим параметром в процессе работы невозможно. Увеличение диаметра поршня наиболее целесообразно при полном переоборудовании двигателя с бензина на газ, то есть для однотопливного газового варианта. Второй параметр - это ход поршня. Изменяя ход поршня пропорционально коэффициенту наддува цилиндров, можно получить тот же эффект увеличения мощности и крутящего момента.
В настоящее время механизмы для переменного хода поршня применяют для изменения объема камеры сгорания и управления степенью сжатия топливовоздушной смеси. Механизмов для изменения объема цилиндров в диапазоне увеличения 1,05.1,5 пока не существует. Применение механизмов для изменения объема цилиндров позволит изменить степень сжатия и повысить надежность двигателя.
Рис. 3. Изменение мощности двигателя объемом 1,8 л с 8=10,5 и 12,5 при работе на бензине Аи-95 и природном газе с содержанием метана 99 % в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и степени наддува % цилиндров
Рис. 4. Изменение крутящего момента двигателя объемом 1,8 л с 8=10,5 и 12,5 при работе на бензине Аи-95 и природном газе с содержанием метана 99 % в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и степени наддува % цилиндров
Существующие газовые турбины для привода компрессора имеют малый срок службы (30...50 тыс. км) и высокую стоимость из-за применения жаропрочных материалов, сложности конструкции и технологии изготовления. Одними из недостатков системы увеличения объема цилиндров являются увеличение хода поршня или установка дополнительных поршней, что может вызвать повышенную вибрацию шатунно-поршневой группы. При этом требуются равенство масс всех шатунно-поршневых групп и точность балансировки при вращении, что усложняет конструкцию и увеличивает ее стоимость.
Приведем несколько вариантов системы с переменным объемом цилиндров для двухтопливных двигателей (бензин+газ).
• Использование гидравлического цилиндра высокого давления в качестве шатуна поршня позволяет изменять длину шатуна. В такте впуска длина шатуна уменьшается для увеличения объема топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндр, а в такте сжатия его длина увеличивается до рас-
Рис. 5. Изменение мощности двигателя с 8=10,5 при работе на природном газе с содержанием метана 99 % в зависимости от частоты вращения КВ и относительной величины изменения хода поршня (объем цилиндров), равной степени наддува % цилиндров воздухом, по сравнению с этим же двигателем, работающим на бензине Аи-95 при одинаковом составе топливовоздушной смеси
четного значения. Для этого требуется гидравлическая система управления.
• Механическая рычажная система изменения хода поршня требует изменения положения коленчатого вала в процессе работы двигателя, что ухудшит вибрационные характеристики двигателя.
• Использование боковых дополнительных цилиндров, перпендикулярных к оси основного цилиндра для увеличения его объема, с приводом или от дополнительных распределительных валов, или от масляных гидроцилиндров, или от электропривода (шаговый электродвигатель или электромагнитный клапан).
На рис. 5 показано расчетное [4] влияние изменения объема цилиндров двигателя за счет изменения хода поршня на мощность в относительных величинах. Изменение хода поршня 5=£ 50 соответствовало изменению коэффициента наддува цилиндров воздухом £=1; 1,1; 1,2; 1,4 при степени сжатия £=10,5 и при работе на газе в сравнении с работой на бензине с подачей топлива во впускной трубопровод, где 50 =76 мм - исходное значение хода поршня.
Как видно из рис. 5, при увеличении хода поршня в 1,15 раза мощность двигателя при работе на газовом топливе становится одинаковой с мощностью при работе на бензине. При дальнейшем увеличении хода поршня (объем цилиндров) газовый двигатель превосходит бензиновый вариант как по мощности, так и по крутящему моменту. Влияние изменения хода поршня (объем цилиндров) при одинаковом его диаметре аналогично изменению степени наддува двигателя внутреннего сгорания. Выбор увеличения мощности и крутящего момента двигателя при его работе на газовом топливе остается за производителем автомобиля. Критерии выбора: с одной стороны надежность и ресурс, а с другой - снижение массы, при этом расход топлива для обоих вариантов одинаков, так как для соблюдения норм по токсичности отработавших газов топливовоздушная смесь имеет стехиометрический состав.
Литература
1. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей: учеб. для втузов. - 4-е изд., пе-рераб. и доп. / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин [и др.]; под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.
2. Шишков В.А. Расчет элементов системы топливопода-чи поршневого двигателя внутреннего сгорания: методические указания к курсовой работе / В.А. Шишков // Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П.Королева. - Самара: Изд-во СГАУ, 2007. - 36 с.
3. Шишков В.А. Теория управления двигателем с искровым зажиганием при работе на газовом топливе / В.А. Шишков. - Самара: АНО «Издательство СНЦ РАН», 2012. - 312 с.
4. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. / А.И. Колчин, В.П. Демидов - М.: Высш. шк., 2002. - 496 с.
