Системы электронного управления топливоподачей газовых и газодизельных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

<Ш

"'"Ьи,*»**

Системы электронного управления топливоподачей газовых и газодизельных двигателей

В.А. Марков,

профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н., В.В. Фурман,

ведущий конструктор ООО «ППП Дизельавтоматика» (г. Саратов), В.А. Иванов,

инженер-конструктор ООО «ППП Дизельавтоматика», И.А. Черезов,

инженер-конструктор ООО «ППП Дизельавтоматика»

Рассмотрены особенности работы дизельных двигателей, адаптированных к работе на природном газе. Описаны разработанные системы электронного управления топливоподачей дизельных и газодизельных двигателей.

Ключевые слова: дизельный двигатель, газодизельный двигатель, газовый двигатель, дизельное топливо, природный газ, электронная система управления.

Electronic systems of fuel supply control in gas and diesel-gas engines

V.A. Markov, V.V. Furman, V.A. Ivanov, I.A. Cherezov

Operational features of diesel engines fitted to use natural gas as a fuel have been considered. The developed electronic systems of fuel supply control in gas and diesel-gas engines are characterized.

Keywords: diesel engine, diesel-gas engine, gas engine, diesel fuel, natural gas, electronic control system.

В настоящее время в качестве одного из наиболее перспективных видов альтернативного моторного топлива рассматривается природный газ [1, 2]. В 2010 г. его доля в мировом балансе газовых альтернативных моторных топлив превысила 50 %. К 2035 г. годовое потребление природного газа в мире вырастет до 5,1 трлн м3, а его доля в топливном балансе планеты увеличится до 25 % [3].

Применение природного газа, в первую очередь, целесообразно на автомобильном транспорте, потребляющем большую часть моторных топлив. В Германии, например, предполагается к 2020 г. довести число автомобилей, работающих на природном газе, до 20 % от общего автомобильного парка

[1]. Используется этот вид топлива и на железнодорожном транспорте, в судовых дизелях, дизель-генераторных и мотокомпрессорных установках, других стационарных двигателях.

Особенность использования природного газа заключается в том, что он находится в одном агрегатном состоянии с окислителем - воздухом. Это облегчает смесеобразование, позволяет получить гомогенную топливовоздуш-ную смесь, обеспечить ее полное сгорание, высокие экономические и экологические показатели двигателя. Причем, при конвертации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на природный газ предпочтительно использовать дизельные двигатели, отличающиеся высокой степенью сжатия и

работающие с увеличенным по сравнению с бензиновыми двигателями коэффициентом избытка воздуха. Это позволяет повысить эффективность сжигания природного газа, получить улучшенные показатели топливной экономичности и токсичности отработавших газов.

При переводе дизельных двигателей на газообразные топлива возникает проблема обеспечения надежного воспламенения газовоздушной смеси в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов транспортного двигателя. Это обусловлено тем, что температура самовоспламенения нефтяных дизельных топлив составляет 230...300 °С (в зависимости от марки топлива), а природный газ (метан) имеет температуру самовоспламенения 540 °С. Поэтому температура конца сжатия Г может оказаться недостаточной для самовоспламенения рабочей смеси. Одним из наиболее эффективных путей решения этой проблемы является реализация газодизельного цикла, в котором воспламенение газовоздушной смеси осуществляется от запальной дозы дизельного топлива [1, 2].

К важнейшим параметрам газодизельных двигателей относится запальная доза дизельного топлива (ДТ). В автомобильных и тракторных двигателях, работающих на номинальном режиме, она обычно составляет 5.10 % [4, 5], в отдельных случаях - 20.25 % энергоемкости общей подачи топлива [6]. Это связано с необходимостью охлаждения распылителей форсунок дизельным топливом для предотвращения закок-совывания и выхода их из строя. В то же время с точки зрения более полного замещения нефтяного ДТ его запальную дозу желательно уменьшать.

Альтернативой газодизельным двигателям с воспламенением рабочей смеси от запальной дозы ДТ являются газовые двигатели с воспламенением смеси от постороннего источника - свечи зажигания. Такая организация рабочего цикла требует значительного увеличения энергии для искрообразования по сравнению с традиционными бензиновыми двигателями.

Реализация указанных потенциальных преимуществ газовых и

Рис. 1. Структурные схемы систем электронного управления топливоподачей СЭРГ500 (а) и импульсной топливоподачей газа СУДМ.01 (б) газодизеля: АБ - аккумуляторная батарея; БАКС - блок автоматического контроля системы; ГКЗД - электромагнитный газовый клапан запальной дозы ДТ; ДГ

- дозатор газовый; ДДГ - датчик давления газа; ДЗЧВ - датчик задания частоты вращения; ДТВ - датчик температуры охлаждающей жидкости; ДЧВ

- датчик частоты вращения; ОЗД - ограничитель запальной дозы ДТ; ОГК - электромагнитный отсечной газовый клапан; РГД - реле режима работы газодизеля (дизельный или газодизельный); ТНВД - топливный насос высокого давления; УМ - усилитель мощности; ДП - датчик положения штока исполнительного устройства; ДФО - датчик фазовой отметки; ИУ - исполнительное устройство; ЭГК1...ЭГК8 - электрогазовые клапаны

газодизельных двигателей невозможна без точного управления параметрами топливоподачи - цикловыми подачами газового и дизельного топ-лив, фазами и давлением топливоподачи. Эти параметры должны быть оптимальными для каждого эксплуатационного режима работы двигателя. Такое многофункциональное взаимосвязанное управление параметрами топливоподачи газодизельных двигателей целесообразно осуществлять с использованием современных электронных систем автоматического управления (САУ) и систем автоматического регулирования (САР) [1].

Производственно-промышленное предприятие ООО «ППП Дизельавто-матика» (г. Саратов) разработало несколько систем электроуправляемой подачи газа и дизельного топлива для дизелей, работающих по газодизельному циклу. Одной из них является система электронного управления топливоподачей СЭРГ500 для газодизельных двигателей автотракторной техники (рис. 1а).

Блок автоматического контроля систем (БАКС) - цифровой микропроцессорный комплекс со специальным программным обеспечением - предназначен для выполнения следующих функций:

• приема и обработки сигналов, поступающих от датчиков режимных параметров - частоты вращения, фазовой отметки, заданной частоты

вращения, положения штока исполнительного устройства, давления газа, температуры охлаждающей жидкости, управляющего сигнала от реле реализуемого цикла работы (дизельный или газодизельный);

• выдачи соответствующих сигналов на исполнительные устройства - газовый дозатор в газодизельном режиме работы, электромагнитный газовый клапан включения запальной дозы ДТ, электромагнитный отсечной газовый клапан, усилитель мощности;

• регулирования частоты вращения по статическому или астатическому законам в газодизельном цикле работы на всех скоростных и нагрузочных режимах работы газодизеля;

• перехода с дизельного цикла работы на газодизельный по внешней команде, а также при выполнения ряда условий - при нагрузке на газодизель выше значений, для которых требуется запальная доза ДТ; при частоте вращения выше заданной, при которой разрешен переход на газодизельный цикл работы; при давлении газа и температуре охлаждающей жидкости выше заданных величин;

• автоматического перехода на дизельный цикл работы и блокировки перехода в газодизельный цикл при ряде ограничений - при нагрузке на газодизель ниже значений, для которых требуется запальная доза ДТ; при пониженных частоте вращения и давлении газа; при температуре

охлаждающей жидкости выше заданной; при отключении (невключении) ограничителя запальной дозы ДТ; при отсутствии сигнала о заданной частоте вращения;

гпэа

Рис. 2. Газовый дозатор системы СЭРГ500: 1 - входной штуцер; 2, 14 - фланец; 3, 11 - распорное кольцо; 4 - мембрана; 5 - пластинчатая пружина; 6 - верхний полюс; 7 - стакан; 8 - сердечник; 9 - катушка; 10 - нижний полюс; 12 - затвор; 13 - стяжная шпилька; 15 - отводящий штуцер

Рис. 3. Структурная схема передаточных функций электронного регулятора частоты вращения системы типа СЭРГ500 с газовым дозатором (а) и электронного регулятора частоты вращения с системой импульсной подачи газа типа СУДМ.01 (б): Ит - текущая частота вращения; Из(в) - передаточная функция звена задержки; Иф(в) - передаточная функция звена фильтрации; Иф - текущая частота вращения после фильтрации; Изч - заданная частота вращения; ИПИ(в) - передаточная функция пропорционально-интегрального звена; Иэр(в) - передаточная функция электронного регулятора; и - среднее напряжение, подаваемое на электромагнит газового дозатора; Иэ(в) -передаточная функция электромагнита газового дозатора; У - перемещение затвора; К2 - коэффициент расхода газа от перемещения затвора; V - объемный расход газа; Ик(в) - передаточная функция коллектора; /к - объемный расход газа после коллектора; Ки - коэффициент зависимости объемной цикловой подачи газа от длительности управляющего сигнала; / - объемная цикловая подача газа; ИПИД(в) - передаточная функция пропорционально-интегрально-дифференциального звена; Ту - длительность управляющего сигнала, подаваемого на электрогазовый клапан; К]й - коэффициент электрогазового клапана; т - время задержки; в - комплексная переменная преобразования Лапласа; Тф - постоянная времени фильтрации; к1 - пропорциональный коэффициент; к2 - дифференциальный коэффициент; к3 - интегральный коэффициент; Тэ - постоянная времени электромагнита газового дозатора; Тк - постоянная времени коллектора

• цифрового индицирования ряда параметров.

Усилитель мощности предназначен для усиления сигналов, поступающих на элементы САУ: газовый дозатор, электромагнитный газовый клапан включения запальной дозы ДТ, электромагнитный отсечной газовый клапан.

Для электроуправляемой подачи газа разработана конструкция газового дозатора (рис. 2).

БАКС с газовым дозатором (рис. 3а) построен с использованием звена задержки для подсчета частоты вращения через интервал времени Г, звеньев фильтрации, электромагнита газового дозатора и коллектора, а также пропорционально-интегрального (ПИ) звена.

В двигателе, работающем на газе с САУ типа СЭРГ500, на подачу газа дозатором к всасывающим клапанам оказывает влияние объем полости всасывания (коллектор), угол перекрытия клапанов в процессе продувки и сжимаемости газа. Поэтому газ попадает в цилиндры с некоторым запаздыванием, что ухудшает смесеобразование и регулирование частоты вращения. Это, в свою очередь, приводит к ухудшению показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов.

Для улучшения этих показателей двигателей, работающих на природном газе, в ООО «ППП Дизельавтоматика» проведены работы по созданию элек-троуправляемой системы импульсной подачи газа к всасывающим клапанам двигателя на такте впуска посредством быстродействующего электромагнитного клапана. Влияние объема всасывания и угла перекрытия клапанов в процессе продувки в этой системе сведено к минимуму, что значительно уменьшает запаздывание подачи газа.

Электронный регулятор частоты вращения с импульсной подачей газа СУДМ.01 (рис. 36) имеет звенья регулирования задержки для подсчета частоты вращения через интервал времени Тз, фильтрации, а также пропорцио-нально-интегрально-дифференциаль-ное звено (ПИД).

Аналитические исследования рассмотренных регуляторов показали, что регулятор частоты вращения с системой импульсной подачи газа обладает большими быстродействием и запасом устойчивости.

Для автотракторной техники, в частности для трактора К-700 с двигателем, работающим по газодизельному циклу, спроектирована система электронного управления с импульсной подачей газа СУДМ.01. В этой

САУ воздействие на дозирующую рейку топливного насоса высокого давления осуществляется с помощью исполнительного устройства ЭРУС18 (электромеханическое устройство поворотного типа), работающего в комплекте с датчиком положения. При этом в дизельном режиме реализуется функция управления топливоподачей ДТ, в газодизельном - формирования запальной дозы ДТ.

Газ в цилиндры газодизеля подается с помощью электрогазовых клапанов, работающих в импульсном режиме. При этом формируется угол опережения подачи газа относительно положения поршня в нижней мертвой точке в зависимости от частоты вращения и нагрузки на газодизель.

Система СУДМ.01 (см. рис. 16) содержит следующие основные составные части: блок управления; электрогазовые клапаны (по одному на каждый цилиндр); исполнительное устройство в комплекте с датчиком положения; датчик частоты вращения газодизеля; датчик фазовой отметки; комплект кабелей связи; комплект монтажных частей.

Блок управления системы СУДМ.01 - цифровой микропроцессорный комплекс со специальным программным обеспечением - предназначен для выполнения следующих функций:

• приема и обработки сигналов, поступающих от датчиков режимных параметров - частоты вращения, фазовой отметки, задания частоты вращения, положения штока исполнительного устройства, давления газа, температуры охлаждающей жидкости, управляющего сигнала от реле цикла работы газодизеля (дизельный или газодизельный);

• выдачи управляющих сигналов на исполнительные устройства - электрогазовые клапаны в газодизельном режиме работы, исполнительное устройство дозирующего органа ТНВД, электромагнитный отсечной газовый клапан, усилитель мощности;

• регулирования частоты вращения по статическому или астатическому законам в дизельном и газодизельном циклах работы на всех скоростных и нагрузочных режимах;

• перехода из дизельного цикла работы на газодизельный по внешней команде, а также выполнения ряда

I г з

Рис. 4. Исполнительное устройство в комплекте с датчиком положения:

1 - датчик положения дозирующего органа;

2 - корпус датчика положения; 3 - плита для подсоединения к ТНВД; 4 - выходной вал исполнительного устройства; 5 - корпус исполнительного устройства; 6 - катушка; 7 - полюс; 8 - якорь; 9 - рычаг; 10 - поводок; 11 - хвостовик для подсоединения к рейке ТНВД; 12 - серьга; 13 - штепсельный разъем; 14 - возвратная пружина

Рис. 5. Электрогазовые клапаны 2ЭГК.02 (а) и 4ЭГК.01 (б) а: 1 - трубка для отвода газа; 2 - корпус; 3 - седло; 4 - затвор; 5 - опорное кольцо; 6 - распорное кольцо; 7 - распорная втулка; 8 - установочная шайба; 9 - накидная гайка; 10 - якорь; 11 - катушка; 12 - корпус электромагнита; 13 - выводные провода; 14 - штуцер для подвода газа;

б: 1 - колпак; 2 - сердечник; 3 - катушка; 4 - якорь; 5 - распорная втулка; 6 - распорное кольцо; 7 - упор; 8 - затвор; 9 - седло; 10 - корпус; 11 - штуцер; 12 - кольцевая пружина; 13 - установочное кольцо; 14 - крышка; 15 - выводные клеммы

условий - при нагрузке на газодизель выше значений, для которых требуется запальная доза ДТ; при частоте вращения выше заданной, при которой разрешен переход на газодизельный цикл; при давлении газа и температуре охлаждающей жидкости выше заданных величин;

• автоматического перехода на дизельный цикл и блокировки перехода на газодизельный цикл при ряде ограничений - при нагрузке на газодизель ниже значений, для которых требуется запальная доза ДТ; при пониженных частоте вращения и давлении газа; при температуре охлаждающей жидкости выше заданной величины; при отключении (невключении) ограничителя запальной дозы ДТ; при отсутствии сигнала о заданной частоте вращения; при цифровом индициро-вании ряда параметров.

Усилитель мощности предназначен для усиления сигналов, поступающих на исполнительное устройство (рис. 4) дозирующего органа ТНВД и электромагнитный отсечной газовый клапан.

Конструкция электроуправляемо-го газового клапана, предназначенного для дозирования подачи газа в каждый цилиндр, первоначально разрабатывалась для двигателей боль-

шей мощности. Проведенные расчеты, исследования и испытания позволили выбрать оптимальный вариант клапана, на который был получен патент Российской Федерации № 2211878.

Для автотракторной техники на основе данной конструкции была разработана модификация электрогазового клапана, предназначенного для трактора К-700 (рис. 5а). Циклограмма работы электрогазового клапана представлена на рис. 6.

Электрогазовый клапан 2ЭГК.02 имеет следующие характеристики:

• период времени с момента подачи напряжения питания на электромагнит клапана до его открытия t(=3 мс;

• период времени с момента прекращения подачи напряжения питания на электромагнит клапана до его закрытия Гп=3 мс;

• цикловая подача составляет 0,810-4 м3/цикл при давлении газа на входе в электрогазовый клапан р1=0,3 МПа, при противодавлении на выходе из клапана р2=0,16 МПа и длительности открытия клапана Го=10 мс.

Зависимость цикловой подачи от продолжительности полного открытия клапана линейная.

Системы топливоподачи газодизелей большой мощности (более 1000 кВт)

т

IT-технологии

комплектуются электрогазовыми клапанами 4ЭГК.01 (рис. 5б). Электрогазовый клапан 4ЭГК.01 имеет следующие характеристики:

• период времени с момента подачи напряжения питания на электромагнит клапана до его открытия Гс=6 мс;

• период времени с момента прекращения подачи напряжения питания на электромагнит клапана до его закрытия Гп=4 мс ;

• цикловая подача составляет 0,75^10-3 м3/цикл при давлении газа на входе в электрогазовый клапан р1=0,29 МПа, при противодавлении на выходе из клапана р2=0,16 МПа и продолжительности его открытия {о=13,5 мс;

• цикловая подача составляет 0,20^10-3 м3/цикл при давлении газа на входе в электрогазовый клапан р1=0,31 МПа, при противодавлении на выходе из клапана р2=0,01 МПА и длительности открытия клапана {о=3,5 мс.

Зависимость цикловой подачи от продолжительности полного открытия клапана линейная.

Опытные образцы модификации электрогазового клапана (4ЭГК.01) прошли испытания на ОАО «Коломенский завод» в лаборатории на безмоторном стенде, а также на стенде с одноцилиндровой газодизельной установкой в моторной лаборатории, где были подтверждены все заявленные изготовителем параметры.

Испытания на полноразмерном газодизель-генераторе ГД-1000 на ОАО «Турбомоторный завод» (г. Екатеринбург) системы электронного управления с регулированием запальной

дозы ДТ электрогазовыми клапанами 4ЭГК.01 показали, что параметры регулирования частоты вращения газодизель-генератора ГД-1000 с системой электронного регулирования и импульсной подачи газа соответствуют первому классу точности по ГОСТ 10511-83. В ходе этих испытаний из-за отсутствия охлаждаемых форсунок не удалось минимизировать запальную дозу ДТ.

С аналогичными клапанами была разработана система электронного управления с импульсной подачей газа на газовых двигателях с искровым зажиганием. В настоящее время такая система внедрена на газовом двигателе с искровым зажиганием, выполненном на базе дизеля 12 ЧН 26/26, при его работе в составе двигатель-генератора в общую сеть. Система обеспечивала устойчивую работу даже при

пропуске вспышек. Параметры переходного процесса по забросу частоты вращения с данной системой соответствуют первому классу точности регулирования по ГОСТ 10511-83.

Для этой системы разработана новая модификация электрогазового клапана 4ЭГК.03 повышенной цикловой подачи и со сниженной потребляемой мощностью. При этом основные характеристики электрогазового клапана 4ЭГК.03 следующие:

• период времени с момента подачи напряжения питания на электромагнит клапана до его открытия {=4,5 мс;

с ' '

• период времени с момента прекращения подачи напряжения питания на электромагнит клапана до его закрытия {п=2,5 мс;

• цикловая подача составляет 1,89/10-3 м3/цикл при давлении газа на входе в электрогазовый клапан р1=0,28 МПа, при противодавлении на выходе из клапана р2=0,13 МПа и продолжительности открытия клапана { =24 мс;

о

• цикловая подача составляет 0,157^10-3 м3/цикл при давлении газа на входе в электрогазовый клапан р1=0,04 МПа, при противодавлении на выходе из клапана р2=0 и длительности открытия клапана Го=6 мс.

Проведенные экспериментальные исследования разработанных систем электронного управления топливопо-дачей, включающие как испытания на безмоторных стендах, так и моторные испытания, подтвердили эффективность этих САУ для газовых и газодизельных двигателей.

Литература

1. Гайворонский А.И., Марков В.А., Илатовский Ю.В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 480 с.

2. Марков В.А., Гайворонский А.И., Грехов Л.В., Иващенко Н.А. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учебное пособие. - М.: Легион-Автодата, 2008. - 464 с.

3. Пронин Е.Н. Мировой рынок: наступила эпоха метана // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 6. - С. 9.

4. Gettel L.E., Perry G.C., Boisvert J. et al. Dual Fuel Engine Control Systems for Transportation Applications // Transactions of the ASME. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 1987. - Vol. 109. № 4. - P. 435-438.

5. Kubesh J.T., Podnar D.J., Guglielmo K.H. et al. Development of an Electronically-Controlled Natural Gas-Fueled John Deere Power Tech 8.1 L Engine // SAE Technical Paper Series. - 1995. - № 951940. - P. 71-78.

6. Савельев Г. Применение природного газа в качестве моторного топлива на сельскохозяйственных тракторах // АГЗК+АТ. - 2005. - № 1. - С. 45-51. - № 2. - С. 36-39.