CC BY
15Разработка и исследование битопливного двигателя с качественным регулированием
А.С. Хачиян, профессор МАДИ (ГТУ), к.т.н., И.Г. Шишлов, младший научный сотрудник МАДИ (ГТУ), к.т.н., А.В. Вакуленко, инженер МАДИ (ГТУ), Д.М. Карпов, аспирант МАДИ (ГТУ)
Ключевые слова: битопливный двигатель, природный газ, дизельное топливо, аккумуляторная топливная система.
Research and development of dual fuel engine with qualitative regulation
A.S. Khachiyan, I.G. Shishlov, A.V. Vakulenko, D.M. Karpov
Keywords: bi-fuel engine, natural gas, diesel fuel, accumulator type injection system.
А.С. Хачиян,
профессор МАДИ (ГТУ), к.т.н.:
Статья посвящена исследованиям и разработке битопливного (природный газ - дизельное топливо) двигателя. Запальная минимизированная тонко распыленная порция дизельного топлива подается в цилиндры с помощью аккумуляторной топливной системы. Дозирование природного газа осуществляется вне цилиндров двигателя с помощью блока электромагнитных форсунок.
Исследования подтвердили возможность замещения дизельного топлива природным газом на 86 % для минимальных оборотов и до 95 % для полных нагрузок.
Paper is dedicated to research and development of dual fuel (natural gas - diesel fuel) engine. To inject minimized diesel fuel portion under high pressure, hence fine atomized accumulator type injection system is used.
Natural gas is metered outside of cylinders with the help of electronically controlled valves. In turned out that with the system described shortly it is possible to run the engine from minimum idle speed to high torque with substitution diesel fuel by natural gas 86% (at minimum idle) up to 95 % (at high torque) diesel fuel.
В развитых странах мира в последнее десятилетие снижению выбросов парниковых газов (в частности, диоксида углерода) уделяется больше внимания, чем снижению токсичности. Это в значительной мере связано с тем, что пути снижения выбросов вредных веществ (ВВ) хорошо уже изучены, и большинство ведущих фирм, производящих двигатели, имеет модели, выбросы ВВ которых приближаются к нулевым. Конечно, достигается это удорожанием двигателей и автомобилей. Считается, в частности, что радикальное снижение вредных выбросов газовыми двигателями может быть достигнуто при меньшем удорожании двигателей и автомобилей, чем в случае дизелей.
В [1] рассмотрены методы обеспечения качественного регулирования в газовом двигателе с внутренним смесеобразованием. Они предполагают изменение конструкции головки цилиндра и применение дожимного компрессора для природного газа. Это, естественно, существенно повысит стоимость конвертации дизеля в газовый двигатель. Поэтому изучение возможности применения качественного регулирования при внешнем смесеобразовании представляет существенный интерес.
В [2-4] приведены варианты подачи природного газа и воспламенения газовоздушной смеси.
Для исследования рабочего процесса на базе дизеля КАМАЗ
размерностью 120x120 с £=16,5, укомплектованного двухклапанными головками цилиндров, был создан экспериментальный образец двигателя, питаемого природным газом, с управляемым турбонаддувом, промежуточным охладителем, внешнем смесеобразованием и качественным регулированием. Газовоздушная смесь на всех режимах работы воспламенялась малой (V =5 мм3) за-
цикл
пальной порцией мелко распыленного дизельного топлива.
Для подачи запальной порции дизельного топлива используется аккумуляторная топливная система типа Common Rail, включающая восемь электрогидравлических форсунок (ЭГФ), подкачивающий топливный
МАДИ - 80 лет
т
Рис. 1. Принципиальная схема системы подачи запальной порции дизельного топлива: 1 - бак для хранения дизельного топлива; 2 - электрический подкачивающий насос; 3 - фильтр тонкой очистки 1-й ступени; 4 - фильтр тонкой очистки 2-й ступени; 5 - манометр контроля давления топлива после насоса подкачки; 6 - клапан-регулятор давления топлива в аккумуляторе; 7 - топливный насос высокого давления; 8 - аккумулятор; 9 - манометр контроля давления в аккумуляторе; 10 - ЭГФ
насос и топливныи насос высокого давления фирмы BOSCH (рис. 1).
Необходимое количество природного газа подает блок электроуправ-ляемых газовых форсунок (рис. 2).
Использование стандартных головок цилиндра обеспечивает высокую унификацию разрабатываемого двигателя с ранее выпущенными и выпускаемыми предприятием ОАО «КАМАЗ» дизелями. Это позволит в
дальнейшем переводить по новой разработанной методике дизели, находящиеся в эксплуатации, на природный газ.
Для испытаний газового двигателя создана экспериментальная установка, укомплектованная необходимой аппаратурой для измерения и контроля его параметров, измерения концентрации вредных веществ в отработавших газах, расхода воздуха и
Рис. 2. Принципиальная схема системы подачи газа: 1 - коллектор подвода свежей смеси к компрессорам ТКР; 2 - газовоздушный смеситель; 3 - воздушный фильтр; 4 - блок электроуправляемых газовых форсунок; 5 - трехступенчатый редуктор; 6 - электромагнитный клапан-фильтр высокого давления; 7 - баллоны для хранения природного газа
газа, управления и контроля элементами систем подачи топлив: природного газа и запальной порции дизельного топлива (рис. 3).
Для моторных испытаний газового двигателя на стенде разработана система управления, объединяющая три отдельных блока. Первый осуществляет управление ЭГФ (подача запальной порции дизельного топлива), второй в полуавтоматическом режиме управляет подачей природного газа, третий измеряет и контролирует параметры двигателя.
Обработку данных, полученных с датчиков, и формирование управляющих импульсов для ЭГФ осуществляют два персональных компьютера.
На предварительной стадии испытаний двигателя на частотах вращения п=750 мин-1 (режим холостого хода) и п=1000 мин-1 (малые нагрузки) обнаружилось существенное различие в температурах отработавших газов (ОГ) перед турбинами ТКР левого и правого блоков. Поблочная разница температуры ОГ перед турбинами ТКР достигала 70-80 °С. При этом были зафиксированы высокие концентрации несгоревших углеводородов СН (-5000-6000 ррт). Следует отметить, что блок управления обеспечивал подачу управляющего импульса на открытие всех ЭГФ одинаковой длительности.
Анализ полученных результатов позволил предположить, что причиной различия температур отработавших газов перед турбинами ТКР является нестабильность воспламенения и горения газовоздушной смеси в цилиндрах двигателя, связанная с неравномерной подачей запальной порции дизельного топлива (Уцикл=5 мм3) электрогидравлическими форсунками по цилиндрам двигателя. В связи с этим для равномерной подачи малых запальных порций дизельного топлива и получения значений корректирующего коэффициента управляющего импульса для каждой ЭГФ были определены характеристики подачи дизельного топлива.
Для обеспечения необходимой точности в замерах характеристик подачи дизельного топлива через ЭГФ проливка электрогидравлических форсунок проводилась
непосредственно на моторном стенде с установленными на двигателе элементами дизельной топливо-подающей аппаратуры и системой управления. Для этой цели ЭГФ были извлечены из головок двигателя и подсоединены каждая к своей трубке высокого давления.
Для сокращения времени замера при определении характеристик подачи дизельного топлива была выбрана частота срабатывания ЭГФ, соответствующая частоте вращения коленчатого вала (КВ) двигателя п=2000 мин-1, с помощью автономного генератора импульсов. Для повышения точности измерения
массы дизельного топлива один замер включал в себя 4,2 тыс. срабатываний (впрысков) ЭГФ.
Длительность управляющего импульса контролировалась двулуче-вым осциллографом С1-96. Развертка по длительности составляла 0,1 мс на деление, погрешность измерения -0,1 мс. Развертка по напряжению составляла 2 В на деление, при напряжении питания ЭГФ - 12 В, погрешность измерения - 0,2 В.
Давление дизельного топлива в аккумуляторе контролировалось манометром 1-го класса точности со шкалой 0-160 МПа. Цена деления равнялась 2 МПа.
Во время опытов давление дизельного топлива в аккумуляторе создавал ТНВД, установленный на двигателе. Двигатель прокручивался от моторного стенда с частотой вращения КВ п=1000 мин-1.
При определении расходных характеристик впрыска на все ЭГФ подавался управляющий импульс одинаковой длительности. Программа позволяет вручную задавать длительность управляющего импульса и число циклов срабатывания ЭГФ.
Дизельное топливо впрыскивалось в мерные емкости, которые взвешивались до и после замера. Полученная разница по массе делилась на число циклов срабатывания ЭГФ и далее рассчитывалась цикловая подача в мм3.
При взвешивании использовались высокоточные механические весы WA-21 с погрешностью измерения 0,05 мг и наборные мерные грузы от 10 до 100 мг 4-го класса точности М-Г-7-211,11.
На рис. 4. представлены полученные зависимости цикловых подач (мм3) восьми ЭГФ одной серии от управляющего импульса (мс) при давлении в топливном аккумуляторе Рдт=65 МПа, где видно, что ЭГФ имеют неодинаковые характеристики подачи топлива. Так, при подаче управляющего сигнала длительностью 0,7 мс максимальная разница по цикловой подаче топлива между ЭГФ шестого и восьмого цилиндров достигает 2,4 мм3, то есть в шестой цилиндр
•Фш ЯЯИНР ЮЛ фщ «ар ^Ьь в А
«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (18) ноябрь 2010 г.
МАДИ - 80 лет
(Ш
двигателя подается запальная порция дизельного топлива объемом 6,4 мм3, а в восьмой цилиндр только 4 мм3.
Для выравнивания цикловых подач с целью определения для каждой ЭГФ корректирующего коэффициента длительности управляющего импульса было создано новое программное обеспечение блока управления ЭГФ. Оно позволило при задании в начальных параметрах блока управления ЭГФ базовой длительности управляющего импульса (например, 0,7 мс) обеспечить для каждой ЭГФ его индивидуальную длительность использованием поправочного коэффициента к базовому управляющему импульсу.
Поправочные коэффициенты, полученные при анализе характеристик подачи дизельного топлива, были взяты за основу. С ними была проведена серия опытов с измерением цикловых подач ЭГФ, направленных на корректировку поправочных коэффициентов для каждой ЭГФ индивидуально (табл. 1). С введением корректирующих коэффициентов удалось снизить разброс в 6,86 раза. Максимальный разброс по цикловой подаче между ЭГФ составляет 0,35 мм3.
Для оценки влияния изменения давления дизельного топлива в аккумуляторе на цикловую подачу были определены характеристики ЭГФ при трех давлениях: р т = 61; 63 и 65 МПа (табл. 2).
Эксперименты показали, что колебание давления топлива в аккумуляторе ведет к нарушению стабильности получения необходимой цикловой подачи дизельного топлива. Следовательно, микропроцессорная система управления ЭГФ, контролирующая рабочее давление дизельного топлива в аккумуляторе, должна обеспечивать стабильное давление топлива в аккумуляторе при переходе с режима на режим.
Наиболее неблагоприятными режимами работы газового двигателя с качественным регулированием следует считать режимы холостого хода и малых нагрузок. На этих режимах двигатель должен стабильно работать при больших коэффициентах избытка воздуха а. В данном случае реализуется идея воспламенения
Таблица 1
Результаты проливки ЭГФ с учетом корректирующих коэффициентов
Номер ЭГФ Длительность управляющего импульса, мс Цикловая подача, мм3
1 0,685 5,30
2 0,712 5,28
3 0,696 5,19
4 0,697 5,37
5 0,705 5,03
6 0,680 5,28
7 0,684 5,31
8 0,726 5,38
Таблица 2
Цикловые подачи дизельного топлива по ЭГФ, полученные для трех давлений, при одинаковой длительности управляющего импульса
Номер ЭГФ Длительность Цикловая подача, мм3
управляющего импульса, мс Рдт=61 МПа рдт=63 МПа рдт=65 МПа
1 0,685 3,78 4,11 5,30
2 0,712 3,63 4,05 5,28
3 0,696 3,52 3,90 5,19
4 0,697 3,98 4,38 5,37
5 0,705 3,76 3,99 5,03
6 0,680 3,77 4,14 5,28
7 0,684 3,87 4,18 5,31
8 0,726 3,60 3,99 5,28
гомогенной газовоздушной смеси при условии внешнего смесеобразования очень малой запальной порцией дизельного топлива (К=5-5,3 мм3). Необходимо было, в частности, также определить возможность работы двигателя на режиме холостого хода без применения дополнительных средств (например, использования дроссельной заслонки).
Испытания двигателя в газодизельном варианте на режиме холостого хода показали возможность устойчивой работы двигателя на бедной гомогенной газовоздушной смеси. Тонко распыленная малая запальная порция дизельного топлива, подаваемая в цилиндры двигателя аккумуляторной топливной аппаратуры типа Common Rail, обеспечивает устойчивое воспламенение газовоздушной смеси (табл. 3).
Из табл. 3 видно, что в газодизельном варианте двигатель на режиме холостого хода устойчиво работает на а = 4,1, а в чисто газовом исполнении на а =1,21. При этом концентрации
суммарных выбросов углеводородов СН и оксидов азота NOx без применения нейтрализации ОГ различаются незначительно, выше оказываются лишь выбросы СО.
В сравнении с дизелем у газодизеля на 42 % ниже концентрация СО2 и в 50 раз - концентрация NOx в отработавших газах. Естественно, и в газовом, и в газодизельном двигателях значительны суммарные выбросы углеводородов - 1960, 2055 ррт соответственно против 7 ррт у дизеля. Различия связаны, очевидно, с неполным сгоранием метана.
Результаты испытаний двигателя на малой рабочей частоте вращения п=1000 мин-1 показали устойчивую работу двигателя на всех режимах (табл. 4). При этом диапазон регулирования нагрузки от минимально устойчивого до максимального крутящего момента по составу смеси следующий: а=3,06Н35 (при 0впр= 4° до ВМТ) и а=3,2-1,4 (при 0впр= 2° до ВМТ). То есть диапазон изменения коэффициента избытка воздуха по нагрузке от
Таблица 3
Результаты испытаний двигателя в дизельном, газодизельном (V,» 5-5,3 мм3) и газовом вариантах (с искровым зажиганием и количественной регулировкой) на режиме холостого хода с д=750 мин-1
Двигатель Gr, кг/ч GB, кг/ч вДТ, кг/ч а е, ° до ВМТ CO, % CH, ppm CO2, % NO, ppm
Дизель 0 310,8 2,27 9,30 12* 0,13 7 1,9 99
Газодизель с качественным регулированием 3,95 306,6 0,76 4,10 6* 0,18 2055 1,1 2
Газовый с количественным регулированием 3,50 71,50 0 1,21 5** 0,06 1960 - 7
- угол опережения подачи запальной порции дизельного топлива; ' - угол опережения зажигания.
Таблица 4
Нагрузочная характеристика
Номер M, Н«м е' Gr, кг/ч GB, кг/ч кг/ч а N, кВт e Ле CO, % CH, ppm CO2, % NO, ppm
(л=1000 мин-1, евпр= 4° до ВМТ)
1 28 5,55 341,1 1,008 3,06 2,93 0,03 0,87 0,22 1980 1,6 10
2 132 6,94 346,8 1,008 2,56 13,82 0,13 0,87 0,22 1917 2,6 41
3 396 9,12 369,5 1,008 2,13 41,46 0,30 0,92 0,22 1412 4,3 335
4 408 9,49 360,7 1,008 2,0 42,72 0,29 0,89 0,18 1119 5,1 390
5 540 10,20 372,2 1,008 1,93 56,54 0,37 0,92 0,15 882 6,3 806
6 780 15,53 385,7 1,008 1,35 81,67 0,36 0,86 0,11 849 9,5 4170
(п=1000 мин-1, евпр= 2° до ВМТ)
7 10 5,42 356,7 1,008 3,2 1,04 0,012 0,915 0,22 1980 1,6 10
8 420 10,85 374,7 1,008 1,8 43,97 0,272 0,937 0,19 1194 5,6 351
9 740 14,50 390,1 1,008 1,4 77,48 0,366 0,910 0,13 861 8,7 2980
максимального до минимального значений составляет 2,27-2,28 раза.
Если при полной нагрузке использовать стехиометрическую смесь, то диапазон изменения коэффициента избытка воздуха окажется выше -3,06-3,2. Если учесть состав смеси на режиме холостого хода, то диапазон изменения коэффициента избытка воздуха увеличится до 4,1.
Интересно также отметить, что на режиме холостого хода теплота, вводимая с природным газом, составляет 86 % всей вводимой теплоты. А при наибольшей нагрузке (Ме=780 Н-м) теплота, вводимая с природным газом, составляет почти 95 % от всей вводимой теплоты.
Выполненные опыты позволяют сделать следующие выводы:
■ двигатель устойчиво работает при избытке воздуха более 400 %;
■ для снижения выбросов оксидов азота при достижении высоких
крутящих моментов и работе на а не ниже 1,5-1,6 необходимо применить ТКР с меньшим значением минимального сечения канала подвода отработавших газов к колесам турбины;
■ на режиме холостого хода в сравнении с дизелем обеспечивается существенное снижение выбросов
диоксида углерода и оксида азота. Повышенные выбросы суммарных углеводородов (включая несгорев-ший метан) и оксида углерода, как следует из проведенных ранее опытов [5], можно минимизировать применением нейтрализаторов ОГ с пал-ладиевым катализатором.
Литература
1. Хачиян А.С., Шишлов И.Г., Вакуленко А.В. Автомобильный транспорт и парниковый эффект // Транспорт на альтернативном топливе. - 2008. - № 2 (2). - С. 68-70.
2. Hodgins K. Bruce, Hill Philip G., Ouelette Patric, Hung Peter. Directly Injected Natural Gas Fueling of Diesel Engines. SAE Technical Paper Series, 961671.
3. Aesoy Vilmar, Valland Harald. Hot Surface Assisted Compression Ignition of Natural Gas in a Direct Injection Diesel Engine. SAE Technical Paper Series, 960767.
4. Filho Orlando Volpato, Theunissen Frans, Junier Rokaldo Mazara. Control System for Diesel - Compressed Natural Gas Engines. SAE Technical Paper Series, 960467.
5. Хачиян А.С., Кузнецов В.Е., Шишлов И.Г. Перевод отечественных дизелей, находящихся в эксплуатации, на питание природным газом - рациональный способ улучшения экологических характеристик // Автотранспортное
предприятие. - 2008. - № 9. - С. 34-41.
