CC BY
15Возможности систем одновременной подачи газового и жидкого топлив в ДВС с искровым зажиганием
В.А. Шишков,
начальник отдела ООО «Рекар», доцент СГАУ им. С.П. Королева, к.т.н.
В работе рассмотрены возможности систем и алгоритма управления при одновременной подаче газового и жидкого топлив в ДВС с искровым зажиганием. Приведены их достоинства и недостатки, а также условия применимости в зависимости от режима работы ДВС, конструктивной схемы подачи и характеристик элементов топливной системы.
Под одновременной подачей бензина и газа в ДВС понимается то, что оба вида топлива впрыскиваются или во впускной трубопровод, или непосредственно в камеру сгорания цилиндра, в котором происходит рабочий процесс. Одновременная подача бензина и газа может быть синхронизирована по времени и углу положения коленчатого вала или иметь постоянное или переменное фазовое смещение в зависимости от параметров рабочего процесса, нагрузки и внешних условий.
Необходимо учитывать, что при замене существенной части жидкого топлива на газовое снижается мощность ДВС из-за снижения наполнения цилиндров свежим воздухом, так как часть объема занимает газовое топливо. Это снижение, если не установлен какой-либо наддув, составляет замещаемую долю от уровня объемного коэффициента стехиометрии данного газового топлива. Например, для метана и воздуха коэффициент объемной стехиометрии составляет 1=9,53 объема воздуха к одному объему метана. В таком случае, умножая эту величину на массовую долю т газа, замещающего бензин, выраженную в долях от 1, получим минимальное снижение эффективной мощности Ые и крутящего момента Ме ДВС:
Ме , =Ме, •
газ+бензин бензин
(1 - т • L/100). (2)
Эти соотношения в первом приближении применимы к компримированному природному газу (КПГ), сжиженному углеводородному газу (СУГ), светильному газу (СВ), но неприменимы к газообразному водороду при его малых добавках к бензину. Водород, имея малые размеры молекул по сравнению с молекулами веществ, находящихся в воздухе, при малых его количествах замещающего жид-
кого топлива практически не оказывает влияния на наполнение цилиндров воздухом. Это влияние становится существенным для водорода только при большом (более 3-5%) замещении жидкого топлива.
Для более точного определения влияния замещения жидкого топлива газообразным необходимо ввести поправочный коэффициент на изменение температуры и давления в камере сгорания в процессе горения. При одинаковом составе топливовоздушной смеси газовые топлива КПГ, СУГ, СВ горят при более низких температурах, чем пары бензина, а водород наоборот при более высокой температуре. Соответственно эффективное давление в камере сгорания будет зависеть от количества образовавшихся молей газов в продуктах сгорания. Их количество различно для каждого вида применяемого топлива. Поэтому выражения 1 и 2 можно представить в следующем виде:
Ne , = Ne й • (1 - т • L/100) • А(т; Тг; Ре); (3)
газ+бензин бензин
Ме й = Ме й • (1 - т • L/100) • А(т; Тг; Ре), (4)
газ+бензин бензин
где А(т; Тг; Ре) - функция влияния состава топлива на рабочий процесс.
Цели, которые необходимо достигнуть при одновременной подаче двух видов топлива в ДВС с искровым зажиганием:
■ снижение токсичности отработавших газов при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси (при а=1) или при работе на обедненных смесях (при а=2-2,5);
■ снижение стоимости 1 км пробега, то есть повышение экономичности автомобиля;
■ обеспечение требуемой мощности и крутящего момента двигателя при частичных и полной нагрузках;
■ устойчивая работа двигателя на режиме холостого хода;
■ обеспечение требуемой динамики разгона;
■ обеспечение бездетонационной работы двигателя;
■ обеспечение пуска двигателя в диапазоне температур от -30°С до +45°С и его прогрева до рабочей температуры.
В зависимости от поставленной цели можно выбрать вид газового топлива. Для снижения токсичности наиболее целесообразно применение водорода или метана. Водород наиболее активен и поэтому важен для начала воспламенения топливовоздушной смеси, так как реакция окисления водорода кислородом протекает по цеп-
Ме = Ne й • (1 - т • L/100); (1)
бензин
ной реакции с разветвленными цепями с увеличением скорости горения в геометрической прогрессии с коэффициентом, равным 3. То есть каждая отдельная цепочка в реакции окисления создает три свободных положительно заряженных радикала водорода, которые активно вступают в реакцию. Поэтому использование в качестве газового топлива водорода увеличивает полноту сгорания углеводородного топлива. В этом случае достаточно впрыскивать малую дозу водорода от 0,1 до 3-5% от общего необходимого расхода топлива. Если необходимо снизить выбросы углеводородов СН, окислов углерода СО и двуокиси углерода СО2 в отработавших газах на максимальную величину, то можно увеличить долю впрыскиваемого водорода от 5 до 100% требуемого для двигателя количества топлива. Но в этом случае необходимо учитывать, что в камере сгорания возрастет температура горения, что в свою очередь увеличит выбросы окислов азота N0^ В данном случае, при работе на водороде, необходимо выбрать обеднение топливовоздушной смеси на таком уровне, при котором температура горения снизится за счет разбавления дополнительным воздухом.
Одновременное использование двух видов топлива в ДВС для снижения токсичности отработавших газов потребует конструкторской доработки отдельных его элементов и систем, например, потребуются следующие специальные элементы:
■ нейтрализатор отработавших газов, так как окислительные процессы газовых топлив в нем протекают более вяло, чем углеводородов, оставшихся после горения бензина, то есть потребуется увеличение содержания редкоземельных металлов в нейтрализаторе или увеличение его габаритно-весовых характеристик;
■ датчик кислорода отработавших газов и алгоритм обработки его сигнала, так как, например, средняя линия сигнала в рабочем окне датчика для бензина находится около состава топливовоздушной смеси а = 0,998, а для метана около 0,985. При одновременной подаче двух видов топлива датчик кислорода не сможет определить, какая доля его сигнала приходится на отработавшие газы бензина или газа, поэтому в данном случае необходимо доработать алгоритм обработки сигнала с датчика кислорода в плане его коррекции в зависимости от массовых долей впрыснутых в ДВС бензина и газа;
■ система впуска воздуха в ДВС в плане оптимизации места установки и направления впрыска электромагнитных газовых форсунок для эффективного наполнения цилиндров топливовоздушной смесью;
■ алгоритм управления ДВС и топливоподачей с соответствующим изменением программного обеспечения в электронном блоке управления и изменением его электрической схемы с увеличением числа входных и выходных каналов или установкой дополнительного элект-
ронного блока управления, но в этом случае усложняется программное обеспечение в плане его связи с бензиновым блоком управления.
Метан имеет в своей формуле один атом углерода, и поэтому снижение выбросов СО, СН и СО2 составит до 28% в зависимости от доли замещения жидкого топлива газовым топливом. При полном замещении жидкого топлива метаном получим максимальное снижение токсичности отработавших газов и минимальную стоимость 1 км пробега.
Использование СУГ незначительно снижает токсичность отработавших газов по сравнению с бензином, так как у них практически близкие соотношения атомов водорода к углероду. Если а > 1, то температура горения будет выше, чем при работе на бензине, и произойдет увеличение выбросов оксидов азота. Для снижения стоимости 1 км пробега наиболее целесообразно применение КПГ или СУГ, но выигрыш последнего по сравнению с метаном незначителен из-за большой разницы их стоимости.
Работа двигателя на обедненных смесях (при а = 2-2,5) обеспечивает как минимальную токсичность отработавших газов, так и высокую экономичность, но реализовать ее проблематично, так как большинство существующих двигателей имеет высокие механические потери. В этом случае практически требуется разработка нового двигателя.
При работе на газовом топливе происходит снижение мощности и крутящего момента двигателя. Поэтому для обеспечения тяговых характеристик автомобиля можно на высоких частичных режимах и на максимальной нагрузке кратковременно автоматически по команде с электронного блока управления переключаться на бензин или увеличивать долю бензина, а на стационарных менее нагруженных режимах снова возвращаться на работу на газовом топливе или увеличивать долю газа. Это автоматическое переключение можно выполнять по таблице коэффициента к, записанного в электронном блоке управления ДВС, в зависимости от доли т газового топлива в определенной зоне нагрузок (расхода воздуха через двигатель) и частоты вращения коленчатого вала двигателя, то есть:
к = «т; Gв0зд; п), (5)
где Gвоsд - массовый расход воздуха через ДВС; п - частота вращения коленчатого вала двигателя.
Зависимость (5) можно представить в виде формулы переключения (6) и формулы изменения долей бензина и газа (7), например:
к = ^ / G ) • (п/п ), (6)
возд возд.макс макс
где ^ , - максимальное значение массового рас" возд.макс ~
хода воздуха через конкретный ДВС; пмакс - максимальная частота вращения коленчатого вала конкретного ДВС.
При к > ккр происходит переход на работу на бензине и наоборот при к < ккр происходит переключение на газ, где ккр - некоторое значение коэффициента переключения, которое можно определить в процессе испытания конкретного ДВС, диапазон его изменения от 0 до 1.
Изменение доли бензина:
(1-т) = №в0ЗД; п). (7)
В этом случае двухтопливный автомобиль практически будет иметь тяговые характеристики, как у однотоп-ливного бензинового варианта, но потребуется достаточное количество бензина и газа на борту автомобиля.
Обеспечение устойчивой работы двигателя на режиме холостого хода зависит от выбора временных и расходных характеристик электромагнитных газовых и бензиновых форсунок. Принципы подбора этих характеристик описаны ниже в следующем разделе данной работы.
Обеспечения требуемой динамики разгона автомобиля можно достичь путем изменения соотношения подачи бензина и газа в процессе разгона, применяя логику работы по формулам (5-7). При нажатии на педаль акселератора можно полностью переключиться на работу на бензине или увеличить его массовую долю при одновременной подаче газа и бензина. Эта функция легко реализуема в электронной системе управления двигателем. Кроме этого, функцию увеличения массовой доли бензина (1-т) можно изменять в зависимости от скорости У нажатия на педаль акселератора или ее ускорения (У/!), например, по формуле:
(1-т) = «V; Gв0зд; п). " (8)
Например, при плавном нажатии на педаль акселератора соотношение впрыскиваемого бензина и газа можно не изменять или изменять незначительно, а при резком нажатии, когда требуется большая динамика ускорения, увеличивать массовую долю бензина или полностью переключиться на работу на бензине. Это позволит сохранить динамические показатели автомобиля на высоком уровне. В этом случае также необходимо правильно выбрать расходные характеристики бензиновых и газовых форсунок в плане их совместной работы.
Обеспечение бездетонационной работы двигателя при одновременной подаче газового и бензинового топлив также решается программным путем изменения соотношения впрыскиваемого бензина и газа. Для снижения вероятности возникновения детонации долю впрыскиваемого газа можно увеличивать до максимального значения, так как детонационное число пропан-бутана (примерно 105), так и метана (примерно 120) значительно превышает детонационное число бензинов (от 92 до 98). Соответственно при увеличении доли впрыскиваемого газа запас по бездетонационной работе двигателя по углу опережения зажиганием можно уменьшить, при
этом отодвинуть саму границу детонации для получения оптимальных по максимальным значениям эффективную мощность и крутящий момент.
В целях получения максимальных значений эффективной мощности и крутящего момента при одновременной работе на двух видах топлива (бензине и газе) становится целесообразным изменение конструкции двигателя в плане изменения степени сжатия п в зависимости от доли впрыскиваемого газа:
п = Пт). (9)
Чем больше доля впрыскиваемого газа, тем выше требуется степень сжатия топливовоздушной смеси в цилиндрах.
Обеспечение пуска двигателя в диапазоне температур от -30°С до +45°С и его прогрева до рабочей температуры с помощью алгоритма можно связать с долями жидкого и газового топлив при одновременной их подаче в ДВС. Пуск двигателя на СУГ возможен только на прогретом ДВС, в остальных случаях необходимо выполнить пуск на бензине, прогреть редуктор-испаритель, как минимум, до +20...+30°С и затем переключиться на совместную работу на двух видах топлива. Это можно осуществить в автоматическом режиме в зависимости от температуры ДВС. В случаях, когда в качестве впрыскиваемого газа используется водород или КПГ, пуск двигателя лучше всего выполнять с максимальной долей этих газов, так как они в вышеуказанном диапазоне температур находятся в газообразном состоянии и хорошо смешиваются с воздухом в процессе приготовления топливовоздушной смеси. Далее, после пуска при прогреве в зависимости от режима ДВС, его параметров и параметров окружающей температуры, можно изменять соотношение долей жидкого и газового топлив, впрыскиваемых одновременно.
В процессе выбора схемы алгоритма одновременной топливоподачи бензина и газа в ДВС необходимо учитывать, что все вышеназванные цели должны быть связаны математически в соответствующем программном обеспечении электронного блока управления для получения оптимальных характеристик двигателя на всех режимах его работы при различных внешних условиях.
Влияние характеристик элементов топливной системы на возможность одновременной подачи газа и бензина
Рассмотрим влияние времени открытия и закрытия клапана бензиновой и газовой электромагнитных форсунок, а также влияния перепада давления газа и бензина на клапанах соответствующих форсунок на примере впрыска топлива во впускную трубу двигателя.
При одновременной подаче двух видов топлива цикловая подача Q складывается из двух частей:
Q = Q б + Q ,
ц ц бенз ц газ'
(10)
то есть часть топлива впрыскивается через бензиновую форсунку, а другая часть через газовую форсунку. Электромагнитные форсунки имеют характеристики в соответствии со стандартом SAE Л 832. Для подбора требуемых для двигателя электромагнитных форсунок необходимо правильно выбрать эти характеристики, например, минимальное время открытия и минимальное время закрытия клапана (для бензиновых и газовых мембранных форсунок время открытия обычно составляет от 1 до 1,4 мс, а время закрытия от 0,7 до 0,85 мс; для газовых форсунок с металлическим клапаном время открытия составляет от 2 до 4,5 мс, а время закрытия от 1 до 1,5 мс [1]). Кроме этого, допуск на величину расхода при минимальном времени открытия не определен из-за большого разброса данных (разброс расходной характеристики может составлять ±20% и более). Поэтому принято понятие линейного диапазона расходной характеристики, определяющего диапазон скважности, где допуск на расходную характеристику не превышает для бензиновых форсунок ±2%, а для газовых форсунок ±5% (для бензиновых форсунок и для газовых мембранных он обычно составляет от 1,7 до 9,2 мс при периоде 10 мс, а для газовых с металлическим клапаном от 4 до 16 мс при периоде 20 мс). Минимальное значение скважности импульса открытия, соответствующего линейному диапазону, для электромагнитных форсунок различных конструкций превышает минимальное время ее открытия примерно на 0,2-0,5 мс.
Далее необходимо учитывать тип впрыска топлива для конкретного двигателя, который может быть одновременным, попарно-параллельным или фазированным. Первый и второй тип использовались для выполнения норм по токсичности до «Евро-2», поэтому рассматривать их не имеет смысла. При фазированном впрыске для выполнения норм токсичности «Евро-3» и выше время впрыска одного вида топлива при работе на бензине на холостом ходу для различных двигателей составляет от 1,8 до 3,3 мс. Большие величины относятся к двигателям большого литража и наоборот. В этом случае при попытке впрыснуть газ в одинаковом количестве с бензином потребуется уменьшить скважность впрыска как бензина, так и газа в соответствии с их массовыми долями в цикловой подаче. Например, массовые доли газа и бензина равны, в этом случае скважность окажется практически на 30-40% меньше, чем минималь-
ное время открытия бензиновой или газовой форсунок, что неприемлемо, так как топливоподача в двигатель прекратится или будет недостаточна для устойчивой работы ДВС на режиме холостого хода.
Для реализации данного варианта потребуется подобрать форсунки с вдвое меньшими расходными характеристиками, чем исходные, которые использовались для впрыска одного вида топлива. Эта задача не всегда выполнима для двигателей с малым литражом цилиндров, так как уменьшение диаметра жиклера (который составляет для различных форсунок от 0,1 до 0,3 мм) бензиновой электромагнитной форсунки приведет к снижению надежности ее работы из-за повышения вероятности загрязнения отверстий. В данном случае возможен переход от жиклеров 2-6-дырчатых к жиклерам однодырчатым. Для газовых форсунок проблема с загрязнением при снижении диаметра жиклера не стоит, так как уменьшение диаметра, например, с 2 до 1 мм некритично для его загрязнения. Как видим, в первую очередь для одновременного впрыска газа и бензина необходимо правильно подобрать расходные характеристики электромагнитных форсунок.
Кроме этого, при выборе форсунок необходимо учитывать долю бензина, которую необходимо заменить на газ. Если доля замещения значительна, например, более 50%, то становится целесообразным применение таких бензиновых и газовых форсунок, которые могли бы обеспечить работу двигателя с полной нагрузкой на одном из этих топлив. Это дает преимущество в том, что при отсутствии одного из топлив на борту автомобиля его двигатель будет работать на имеющемся топливе. Но в этом случае становится сложным подбор как бензиновых, так и газовых форсунок с точки зре-
Рис. 1. График фазы впрыска бензина и газа во впускной трубопровод относительно фазы открытия впускного клапана: И - высота подъема клапанов бензиновой и газовой форсунок и впускного клапана; 16енз - время впрыска бензина; 1газ - время впрыска газа; 1вп(л - время открытого состояния впускного клапана двигателя; 1о - время одновременного отрытого состояния выпускного и впускного клапанов от начала открытия впускного клапана, эквивалентное 0-40 градусам положения коленчатого вала
Рис. 2. График фазы впрыска газа во впускной трубопровод и непосредственного впрыска бензина в камеру сгорания относительно фазы открытия впускного клапана
ния обеспечения двигателя обоими топливами при работе на холостом ходу из-за уменьшения расхода пропорционально доле замещения одного топлива другим.
Для обеспечения топливоподачи двух видов топлива на режиме холостого хода можно изменить перепад давления на клапанах газовых и бензиновых форсунок, так как расход топлива прямо пропорционален корню квадратному из перепада давления. Для этого потребуются специально настроенный регулятор давления бензина, имеющий наклонную расходную характеристику в зависимости от разряжения во впускном трубопроводе двигателя с большим углом наклона, чем при обычной подаче бензина в двигатель, а также газовый редуктор, имеющий расходную характеристику в зависимости от разряжения во впускном трубопроводе двигателя с большим наклоном, чем редуктор в обычном исполнении.
Логика впрыска бензина и газа по углу положения коленчатого вала двигателя различна. Так, обычно бензин впрыскивается на закрытый впускной клапан, то есть конец впрыска бензина совпадает с моментом начала открытия впускного клапана. Газовое топливо обычно впрыскивается на открытый впускной клапан, то есть начало впрыска может быть от момента начала открытия впускного клапана примерно до 20-40 градусов по положению коленчатого вала двигателя (величина зависит от конструкции конкретного ДВС, то есть от величины угла одновременно открытого состояния выпускного и впускного клапанов) до момента полного закрытия впускного клапана. Эта логика хороша тем, что впрыски бензина и газа смещены
по фазе вращения коленчатого вала двигателя и фактически вторую дозу, а именно газового топлива, можно скорректировать при динамическом изменении режима работы двигателя, то есть при ускорении или замедлении (рис. 1).
Данная коррекция повысит точность дозирования топлива в динамическом режиме работы. Это похоже на попарно-параллельный впрыск, когда вторая порция топлива корректировалась в зависимости от изменения динамической составляющей. Но имеются и отличия, которые заключаются в следующем: ■ при попарно-параллельном впрыске первая доза бензина впрыскивалась с опережением на один оборот коленчатого вала двигателя, а при впрыске бензина и газа практически последовательно за бензином впрыскивается газовое топливо;
■ впрыскивать газовое топливо во впускную трубу с опережением на один оборот коленчатого вала двигателя, как при попарно-параллельном впрыске, нельзя, так как во впускном трубопроводе образуется горючая смесь, которая при неисправности системы зажигания или при негерметичности впускных клапанов может привести к «хлопку» во впускном трубопроводе и его разрушению;
■ в отличие от попарно-параллельного впрыска, меньшее время на корректировку величины скважности газового впрыска при фазированном впрыске вслед за дозой бензина требует применение электронного блока управления ДВС с высокой тактовой частотой.
Для улучшения компоновки двигателя для впрыска бензина и газа можно применить двухтопливные форсунки с одновременной подачей обоих видов топлива. В этом слу-
чае требуется разработка новых конструкций двухтопливных форсунок и изменение фазы впрыска по углу положения коленчатого вала в целях безопасной работы двигателя с отсутствием хлопковых эффектов в его системе впуска с выполнением требований по токсичности отработавших газов. Этот вариант менее привлекателен из-за того, что в процессе доводки и работы двигателя практически нельзя изменить ранее выбранное в конструкции двухтопливной форсунки массовое соотношение впрыскиваемых долей обоих видов топлива, если только не сделать конструкцию форсунки с двумя отдельно управляемыми клапанами
Все вышеприведенное относится к системам одновременного впрыска топлива во впускную трубу ДВС с искровым зажиганием.
Одновременная подача газа и бензина при непосредственном их впрыске в камеру сгорания ДВС с искровым зажиганием
Рассмотрим следующие три варианта непосредственного впрыска топлива:
■ газ впрыскивается во впускную трубу ДВС с момента начала открытия впускного клапана (или плюс 20-40 градусов по положению коленчатого вала двигателя в зависимости от конкретного одновременно открытого состояния выпускного и впускного клапанов) до момента его закрытия, а начало впрыска бензина непосредственно в камеру сгорания в период от момента закрытия впускного клапана в процессе сжатия топливовоздушной смеси;
■ бензин впрыскивается во впускную трубу ДВС до момента начала открытия впускного клапана, а начало впрыска газа непосредственно в камеру сгорания в период от момента закрытия впускного клапана (или плюс 2040 градусов по положению коленчатого вала двигателя в зависимости от конкретного одновременно открытого состояния выпускного и впускного клапанов) в процессе сжатия топливовоздушной смеси;
■ бензин и газ впрыскиваются одновременно в камеру сгорания ДВС в период от момента закрытия впускного клапана (или плюс 20-40 градусов по положению коленчатого вала в зависимости от конкретного одновременно открытого состояния выпускного и впускного клапанов) в процессе сжатия топливовоздушной смеси.
Первый вариант (рис. 2) приемлем для подачи малой дозы водорода (от 0,01 до 4% объемной доли) для улучшения экологических показателей двигателя, так как в данном случае не требуются высокое давление газового
А
«Ч ^вп.кл л 1газ ь 1 *
^бенз
Рис. 4. График фазы непосредственного одновременного впрыска бензина и газа в камеру сгорания относительно фазы открытия впускного клапана
топлива и сложная топливная аппаратура для его впрыска, при этом вероятность воспламенения топливовоздушной смеси во впускном трубопроводе невелика из-за низкого содержания водорода (меньше, чем нижний предел воспламенения водорода в смеси с воздухом от 4 до 75%) и его начала впрыска в момент начала открытия впускного клапана. При больших массовых долях при впрыске замещающего газового топлива возникнут все недостатки, связанные с ухудшением наполнения цилиндров топливовоздушной смесью с соответствующими потерями эффективной мощности и крутящего момента. Пути решения этих проблем такие же, как и при одновременном впрыске бензина и газа во впускной трубопровод ДВС.
Второй вариант (рис. 3) имеет свои преимущества и недостатки. Преимущество заключается в том, что в данном варианте не ухудшается степень наполнения цилиндров топливовоздушной смесью при любой массовой доле замещения бензина газом. Впрыск бензина во впускной трубопровод незначительно ухудшает степень наполнения цилиндров, так как объемная доля капелек и паров бензина в смеси не более 0,1-0,5%, а впрыск газа под давлением непосредственно в камеру сгорания происходит под повышенным перепадом давления, при этом он не вытесняет из цилиндра воздух (впускной клапан закрыт) и тем самым не ухудшает степень наполнения цилиндров топливовоздушной смесью.
Недостаток данной схемы в том, что требуется высокий перепад давления газа на форсунках, а это означает, что снизится выработка газа из баллона, так как остаточное давление в нем должно быть достаточным для непосредственного впрыска газа в камеру сгорания. Для снижения влияния данного эффекта необходимо впрыск газа производить в начальный период процесса сжатия, когда в камере сгорания давление еще невелико. В этом случае потребуются газовые форсунки для непосредственного впрыска газа с малым временем впрыска (не более 1-3 мс), то есть
максимальный расход при минимальной ширине импульса впрыска. Это означает, что расходная характеристика такой форсунки будет иметь большой угол наклона в зависимости от ширины импульса впрыска, что в свою очередь может привести к ухудшению точности дозирования газового топлива в зависимости от режима работы ДВС.
Третий вариант фазы непосредственного одновременного впрыска бензина и газа представлен на рис. 4. Преимущества данного варианта заключаются в том, что улучшается процесс смешения топлив с воздухом и соответственно повышается полнота сгорания, что в свою очередь приводит к снижению расхода топлива. Недостаток в том, что требуется высокий перепад давления топлив как на бензиновой, так и на газовой форсунках, что усложняет конструкцию всей топливной аппаратуры ДВС. Для непосредственного впрыска бензина лучше применять пьезофорсунки, но для непосредственного впрыска газа их применение проблематично из-за малого хода клапана (10-30 мкм). Этого значения хода клапана для пропускания достаточной массовой доли газового топлива недостаточно, если эта доля превышает 3-5% от суммарного количества в цикловой подаче. Как для второго, так и третьего вариантов схем для большой (более 3-5%) доли непосредственного впрыска газового топлива требуется разработка специальных форсунок.
Необходимо учитывать то, что при частоте вращения коленчатого вала двигателя 6000 мин-1 период одного оборота составляет 10 мс, а время процесса сжатия составляет 5 мс. То есть время впрыска бензиновой и газовой форсунок должно быть меньше этого значения и в лучшем случае не превышать 3 мс, при этом они должны обеспечивать максимальную цикловую подачу топлива для обеспечения работы ДВС на полной нагрузке.
Влияние схемы электронного управления
на одновременную подачу газа и бензина в ДВС с искровым зажиганием
Варианты системы электронного управления ДВС:
■ два независимых электронных блока управления топливоподачей бензина и газа с независимым программным обеспечением; сигналы основных датчиков контроля параметров ДВС используются в обоих блоках;
■ один электронный блок управления топливоподачей бензина и газа с общими алгоритмом и программой управления.
Первый вариант представляет собой жесткую схему управления, где заложены две независимые программы управления с определенным соотношением впрыска бензина и газа, которые невозможно скорректировать без внешнего вмешательства в программное обеспечение обоих блоков управления. Этот вариант наиболее приемлем для предварительных работ по системам с двухтоп-
ливной одновременной подачей бензина и газа, а также для работ по переоборудованию серийных автомобилей в условиях специализированных станций [2].
Второй вариант системы позволяет более мягче управлять соотношением долей впрыскиваемого бензина и газа в зависимости от режимных параметров ДВС и внешних факторов, так как алгоритм управления как бензиновым, так и газовым контурами взаимосвязан единым программным обеспечением, которое можно выполнить самообучающимся в зависимости от долей жидкого и газового топлив [3]. Этот вариант приемлем только для разработчиков и изготовителей двигателей и автомобилей в серийном производстве [2].
Выводы и предложения
1. Одновременное использование двух видов топлива в ДВС как при впрыске во впускной трубопровод, так и при непосредственном впрыске в камеру сгорания позволяет при соответствующих доработках получить все преимущества как бензинового варианта двигателя, так и газового, а именно - высоких экологических требований при сохранении или улучшении его эксплуатационных характеристик и экономичности.
2. Одновременная подача бензина и газа в ДВС с искровым зажиганием требует иметь две механически независимые топливные системы с единой электронной системой управления, что ведет к усложнению и удорожанию двигателя.
3. В зависимости от целей, которые необходимо достигнуть при работе ДВС на бензине и газе, требуется решить различные конструкторские задачи, связанные с доработками:
■ топливной системы;
■ конструкции двигателя;
■ электронной системы управления двигателем и его системами;
■ алгоритма управления ДВС на двух видах топлива, основы которого кратко описаны в данной работе.
Литература
1. Шишков В.А. Алгоритм управления и диагностики состояния электромагнитных газовых форсунок ДВС с искровым зажиганием. - АГЗК+АТ, № 6 (30), 2006. - С. 46-48.
2. Шишков В.А., Терентьев Б.А., Пашин Ю.М. Проблемы организации производства и преимущества сборки автомобилей, работающих на компримированном природном газе, на главном конвейере сборочного автозавода. - АГЗК+АТ, № 5 (23), 2005. - С. 46-49.
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.
