CC BY
21Влияние конструктивных факторов на образование вредных веществ в газовом двигателе КАМАЗ
Д.Х. Валеев,
главный конструктор ОАО «КАМАЗ», к.т.н., Н.А. Гатауллин,
главный конструктор по двигателям ОАО «КАМАЗ», к.т.н.,
A.Г. Малюга,
зам. главного конструктора ОАО «КАМАЗ»,
B.В. Фурзиков,
начальник КИБ газовых двигателей НТЦ ОАО «КАМАЗ»
Представлены результаты исследований влияния конструктивных факторов камеры сгорания газового двигателя на его экологические характеристики. По результатам исследований сделаны выводы об оптимальных конструктивных параметрах камеры сгорания для газового двигателя КАМАЗ.
Ключевые слова: газовый двигатель, камера сгорания, момент вихря, угол опережения зажигания.
Influence of structural factors
on the formation of harmful substances
in a gas engine KAMAZ
D.H. Valeev, N.A. Gataullin, A.G. Maljuga, V.V. Furzikov
Results of researches of influence of efficiency factors of the chamber of combustion of the gas engine on its ecological characteristics. By results of researches conclusions about optimum parameters design data of the chamber of combustion for gas engine KAMAZ are made. 5 figures, 3 sources of the literature.
Keywords: the gas engine, the chamber of combustion, the moment of a whirlwind, a corner of an advancing of ignition.
Топливно-энергетическая и экологическая ситуация в мире приводит к необходимости перевода двигателей внутреннего сгорания на альтернативные виды топлива. Важной особенностью этого процесса является возможность достижения требуемых эксплуатационно-технических показателей без изменения конструкции двигателя или при ее незначительных изменениях.
Двигатели, разработанные на базе дизельного двигателя КАМАЗ модели
740.50-360 (турбонаддувный, с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха), в конструкцию которого введен ряд изменений, имеют следующие особенности:
■ поршни с цилиндрической камерой сгорания со степенью сжатия 12,0;
■ головки цилиндров, доработанные под установку свечей зажигания, газовых электромагнитных дозаторов;
■ газовый фильтр с системой подвода газа к газовым дозаторам;
■ бесконтактная система зажигания;
■ дроссельная заслонка с электроприводом и датчиком ее положения.
Поршень с цилиндрической камерой сгорания и головка цилиндра с вихревым впускным каналом - это конструктивные факторы, непосредственно влияющие на рабочий процесс. Вихревое движение воздуха в камере сгорания необходимо для организации распыливания струи топлива в дизельном двигателе, на базе которого создан газовый. Влияние вихря в камере сгорания на рабочий процесс газового двигателя показано на рис. 1.
Анализ результатов испытаний показал, что при использовании головок цилиндров с увеличенной интенсивностью вихря выбросы NOx возрастают на всех режимах высокой нагрузки и при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя. При этом ухудшается экономичность двигателя, а температура отработавших газов (ОГ) возрастает. То есть увеличение интенсивности вихревого движения рабочего тела в цилиндре двигателя ведет к более быстрому сгоранию топлива в камере сгорания.
В дальнейшем все представленные испытания проводились на двигателях, укомплектованных головками цилиндров с впускными каналами с моментом вихря 0,2 Н^м, так как вариант двигателя, укомплектованного данными головками, показал приемлемые результаты по экономическим и экологическим параметрам.
Камеры сгорания поршневых двигателей по существу представляют собой химический реактор, выполненный нерационально с точки зрения обеспечения высокой полноты сгорания и однородного состава образующихся продуктов сгорания. Процесс сгорания развивается в нестационарных условиях в течение коротких промежутков времени в небольших замкнутых объемах, окруженных относительно холодными стенками. Следовательно, возникает
Экология и транспорт
Ш)
1500 0
400
350 309. 250
:оа
№ —°
-ч
си
Л
------
1 щь—
-О
730
500
;н,ррп Т500
тООО
04 ОБ ОН Ман««ч »трч 0.12 Н'л
п=1400 мин1
Ре МЛ*
МОх.ррпп 1500
500
0.3
04
се
оо
. СО,ррт гЮОО
1*500
СН ррт Г15Ш
1500
Монеит ви*ря С.32 Н*м Момвиг ви*рч 0.2 Н*м
п=2200 мин1
1
Рь МП*
Рис. 1. Нагрузочные характеристики газового двигателя КАМАЗ модели 820.52-260 с головками с различным моментом вихря на впуске
необходимость исследования влияния формы и расположения камеры сгорания на экологические и экономические показатели двигателя (рис. 2).
В отличие от базового варианта камеры сгорания - центральной цилиндрической - варианты смещенной камеры и с центральным вытеснителем предполагают увеличение уровня турбулизации. В случае смещенной камеры турбулизация
должна увеличиваться в районе кромок камеры сгорания, а при наличии вытеснителя - во всем объеме камеры сгорания (рис. 3). Так как для каждого типа камер сгорания меняются условия протекания рабочего процесса, то при испытаниях параметром, который изменялся для получения оптимального результата по экологическим и экономическим характеристикам, являлся угол опережения зажигания (УОЗ).
а б в
Рис. 2. Поршни с исследуемыми камерами сгорания диаметром 72 мм для газового двигателя: а - с базовым вариантом центральной цилиндрической камеры сгорания; б - со смещенной от оси поршня в сторону свечи зажигания цилиндрической камерой; в - с центральной камерой сгорания с вытеснителем для турбулизации воздушного заряда в объеме камеры сгорания
Представленные характеристики, получены при оптимальных УОЗ. Смещение камеры значительно снижает уровень выбросов СО. Это объясняется образованием локальных зон турбулентности у кромок камеры сгорания. Испытания двигателя, укомплектованного поршнями с камерой сгорания и вытеснителем, показали, что применение такой камеры ведет к увеличению уровня выбросов СН на всех режимах.
Кроме того, смещение камеры относительно свечи зажигания способствует смещению образования очага воспламенения, что приводит к изменению скорости протекания процесса горения. Как уже отмечалось, газовый двигатель КАМАЗ был разработан на базе дизельного двигателя, при этом предполагалась максимальная унификация деталей двигателя, в том числе и головки цилиндра. В газовых и дизельных двигателях КАМАЗ применяются головки цилиндров, выполненные на базе одной отливки, с доработкой в дальнейшем отверстия под свечу зажигания. Свеча зажигания в газовом двигателе смещена относительно центра цилиндра на 10 мм. Поэтому смещение камеры сгорания на 5 мм в сторону свечи зажигания приведет к смещению очага
п=1400 мин
воспламенения ближе к центру камеры сгорания, в которой относительно низкие скорости и уровень турбулентности рабочего тела. В этом случае процесс сгорания более медленный, чем в центральной камере сгорания [1]. Действительно, оптимальный угол опережения зажигания на всех режимах работы для центральной камеры
сгорания составляет 12°, а для смещенной камеры - 15°.
Турбулизация рабочего тела по всему объему камеры сгорания ведет к значительному росту температуры отработавших газов и содержания N0 .
X
При этом обеспечивается более полное сгорания топлива.
Следующим этапом испытаний была оценка влияния диаметра камеры сгорания на рабочий процесс. Во многих исследованиях [1, 2] говорится о влиянии на рабочий процесс газового двигателя так называемого $яш$И-отношения (5д), которое является основным фактором, определяющим уровень турбулентности смеси
п=1400 мин
п=2200 мин-
Рис. 4. Оптимальные по углу опережения зажигания нагрузочные характеристики двигателя модели 820.52-260 с центральными камерами сгорания различного диаметра
Экология и транспорт
при приближении поршня к верхней мертвой точке и последующем его движении.
где, Г - площадь плоской части
т пл ч дн 1 т
днища, мм2; Fцил - площадь днища камеры сгорания, мм2.
Чем выше это отношение, тем больший объем газа должен быть вытеснен из надпоршневой области камеры сгорания при сжатии, то есть тем выше скорости перетекания, и смесь будет более турбулизована. Поэтому для камер с высоким Бц следует ожидать высоких скоростей распространения фронта пламени и скорости тепловыделения.
Так, для исследуемых камер сгорания диаметрами 72 и 80 мм Бц=0,36 и Бц=0,44 соответственно (рис 4). Для камеры сгорания диаметром 72 мм оптимальные углы при п=1400 мин-1 - 12° и при п=2200 мин-1 - 15°, для камеры сгорания диаметром 80 мм соответственно 15° и 18°.
Из анализа результатов можно сделать следующие выводы.
■ Увеличение диаметра камеры сгорания ведет к снижению выбросов N0 при росте нагрузки и частоты
820.60-260
820.61-260
Рис. 5. Газовые двигатели КАМАЗ автомобильной (820.60-260) и автобусной (820.61-260) комплектации
вращения коленчатого вала. Удаленность периферийной части камеры сгорания влияет на значения оптимальных углов опережения зажигания. Так как процесс сгорания растянут по времени, то и значения углов возрастают.
■ У камеры сгорания диаметром 80 мм площадь вытеснителя значительно меньше и, как следствие, снижен уровень выбросов СО и СН. Площадь вытеснителя влияет на уровень турбулентности на такте расширения. С уменьшением площади вытеснителя снижается турбулентность, и соответственно затягивается по времени последняя стадия горения.
■ Наилучшей экономичностью обладает двигатель, укомплектованный поршнями с камерой сгорания диаметром 72 мм. Но так как в настоящее время приоритетным требованием к двигателям является их экономичность, то рекомендуется газовые двигатели КАМАЗ укомплектовывать поршнями с камерой сгорания диаметром 80 мм.
Однако в цилиндрической камере сгорания при вихревом движении заряда основное горение происходит в центральной его части, и в результате рабочего процесса образуется такое количество выбросов продуктов неполного сгорания (СН и СО), уровень которых уже не соответствует
Технические характеристики газовых двигателей КАМАЗ уровня Евро-4
Параметры 820.60-260 820.61-260 820.72-240 820.73-300
Число и расположение цилиндров V8
Диаметр цилиндра х ход поршня, мм 120х 130
Рабочий объем,л 11,76
Степень сжатия 12,0
Система наддува ТКР+ОНВ
Вид топлива Компримированный природный газ по ГОСТ 27577
Номинальная мощность, кВт 191 191 176 221
при частоте вращения коленчатого вала, мин-1 2200 2200 1900 1900
Максимальный крутящий момент, Н^м 1078 931 1078 1372
при частоте вращения коленчатого вала, мин-1 1300...1500 1300.1500 1200.1400 1200.1400
Минимальный удельный расход топлива, г/кВт^ч 209 207
Расход масла на угар, % от расхода топлива 0,2
Выбросы ВВ по результатам сертификационных испытаний (нормы Правил № 49-04В1), г/кВт^ч СО (4,0) ШНС (0,55) СН4 (1,1) N0, (3,5) 0,02 0,26 0,77 2,38 0,02 0,5 0,95 2,97
Нейтрализатор НАМИ 2118.1206010-04 НТЦ МСП 368.1206010-50
ужесточенным экологическим требованиям Евро-4 к двигателю. Для борьбы с указанными выбросами на газовых двигателях КАМАЗ уровня Евро-4 применяется каталитический нейтрализатор окислительного типа.
Исследования камер сгорания проводились на газовом двигателе 820.52-260 уровня Евро-2. С 2004 г. на базе данного двигателя проводились работы по созданию газовых двигателей следующего уровня по экологическому классу, в результате которых были разработаны двигатели КАМАЗ 820.60-260 и 820.61-260 (таблица). Основными отличиями данных двигателей является применение индивидуальных катушек зажигания на каждом цилиндре и нейтрализатора отработавших газов.
В 2007 г. двигатели КАМАЗ 820.60260 и 820.61-260 (рис. 5) прошли приемочные и сертификационные испытания, по результатам которых получены сертификаты на соответствие двигателей экологическому классу Евро-4.
В связи с переходом автомобильной техники КАМАЗ на двигатели с номинальной частотой вращения коленчатого вала 1900 мин-1 с 2007 г. ведутся ОКР по созданию газовых
двигателей уровня Евро-4 мощностью 176-221 кВт, в результате которых были проведены:
■ приемочные испытания;
■ сертификационные испытания;
■ перевод конструкторской документации на подготовку производства.
ОАО «КАМАЗ» совместно с разработчиками систем обработки ОГ адаптировал глушители-нейтрализаторы для газовых двигателей КАМАЗ, позволяющие обеспечить экологические нормы выбросов. Характеристики двигателей КАМАЗ моделей 820.72240, 820.73-300 и нейтрализаторы, применяемые с газовыми двигателями, в соответствии с выполняемыми экологическими нормами представлены в таблице.
В настоящее время ведутся исследовательские работы по созданию двигателей уровня Евро-5. Основным отличием данных двигателей будет применение ЭСУД с обратной связью по сигналу датчика, установленного в ОГ.
Таким образом, были проведены исследования влияния конструктивных факторов на образование вредных веществ (ВВ) в отработавших газах газовых двигателей КАМАЗ.
Образование веществ в процессе горения топлива в цилиндре двигателя обуславливается неоднородностью температурного и концентрационного полей как в объеме камеры сгорания, так и во времени. Указанная неоднородность зависит от газодинамических характеристик топливо-воздушной смеси, процессов тепловыделения и теплоотдачи, а также массообмена в этом объеме.
Изменение геометрических размеров, а также формы камеры сгорания ведут к изменению процессов образования и разложения веществ в ходе рабочего процесса и соответственно к изменению состава отработавших газов.
Литература
1. Воинов А.И. Процессы сгорания в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение. - 1977.
2. 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.
3. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие / Владимир: Владимирский госуниверситет, 2000. - 256 с.
п;
«9
Уважаемые читатели!
/Й^
Национальная газомоторная ассоциация выпустила в свет специальный выпуск Международного научно-технического журнала «Транспорт на альтернативном топливе», в котором полностью опубликован Итоговый доклад Международного газового союза, подготовленный в 2006-2009 гг. Исследовательской группой 5.3 «Транспортные средства на природном газе» Рабочего комитета 5 «Использование газа». Доклад был представлен на Мировом газовом конгрессе МГС, состоявшемся 5-9.10.2009 г. в г. Буэнос-Айрес (Аргентина).
Эксклюзивное право публикации этого доклада предоставлено единственному российскому изданию - редакции журнала «Транспорт на альтернативном топливе».
В Итоговом докладе сделан подробный анализ использования природного газа (метана) в качестве газомоторного топлива, а также других видов альтернативного моторного топлива на транспорте в странах, представляющих различные регионы мира - Европа, Северная и Латинская Америка, Азиатско-Тихоокеанс-
кий регион, Ближний Восток, Россия и страны СНГ. Проанализированы факторы, способствующие развитию национальных газомоторных рынков и сдерживающие его. Представлен обзор современных и перспективных газозаправочных и газоиспользующих технологий в различных странах мира.
Объем специального выпуска журнала «Транспорт на альтернативном топливе» - 96 стр. формата А4. Рассылка спецвыпуска будет производиться только по заявкам читателей с предварительной оплатой. Тираж ограничен, поэтому просьба оперативно присылать заявки на спецвыпуск.
Стоимость 1 экз. бумажного варианта - 1500 руб. + 10% НДС.
В электронном виде доклад не распространяется.
Заявки на получение специального выпуска журнала принимаются по телефонам (495) 363-94-17, 321-50-44, или по электронной почте transport.2@ngvrus.ru
