«ТИХОМИРОВ СТАНИСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧ РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПУСКА И ПРОГРЕВА КОНВЕРТИРОВАННОГО АВТОМОБИЛЬНОГО ГАЗОВОГО ДВС С ДИСКРЕТНЫМ ДОЗИРОВАНИЕМ ТОПЛИВОПОДАЧИ Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели Диссертация на ...»

На правах рукописи

ТИХОМИРОВ СТАНИСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПУСКА И ПРОГРЕВА

КОНВЕРТИРОВАННОГО АВТОМОБИЛЬНОГО ГАЗОВОГО ДВС

С ДИСКРЕТНЫМ ДОЗИРОВАНИЕМ ТОПЛИВОПОДАЧИ

Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор В.Л. Химич Нижний Новгород 2013 2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 1.1 Анализ существующих систем топливоподачи газовых двигателей 1.1.1 Системы газоподачи с эжекционным смесителем 1.1.1.1 Эжекционные системы с электронным управлением 1.1.2 Системы подачи газа под избыточным давлением 1.1.2.1 Системы непрерывной подачи газа 1.1.2.2 Дискретные системы подачи газа 1.2 Обоснование выбора объекта исследования и методика исследования 1.2.1 Двигатель как объект управления 1.2.2 Оценка потенциальных возможностей традиционных принципов дозирования и схема объекта исследования 1.2.3 Цели и задачи исследования

2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ

2.1 Особенности работы дискретной системы газоподачи 2.2 Система дискретной газоподачи с корректором пуска 2.3 Математическая модель течения газа 2.3.1 Выбор параметров пускового ограничителя давлений 2.3.2 Определение передаточной функции ограничителя давлений 2.3.3 Анализ герметичности редуцирующей системы и расходные характеристики редуктора 2.4 Выводы

3 МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Общие методы исследования 3.2 Изыскания смесеобразующей части системы 3.3 Макетный образец системы газоподачи 3.4 Экспериментальная установка и методика исследования

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛНОРАЗМЕРНОГО

ДВИГАТЕЛЯ

4.1 Сравнительные характеристики на бензине и газе 4.2 Действительные нагрузочные и скоростные характеристики 4.3 Пусковые характеристики 4.4 Выводы 5 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Автомобильный транспорт относится к числу наиболее крупных потребителей энергетических ресурсов. На его долю приходится 73% потребляемого топлива, из которого две трети сжигается бензиновыми двигателями. Независимо от способа внешнего смесеобразования (карбюратор, центральный или распределенный впрыск бензина) существуют особые режимы работы двигателя, при которых образование топливовоздушной смеси затруднено.

Имеется в виду в первую очередь холодный пуск и прогрев, где ухудшение испарения топлива приводит к тому, что к моменту подачи искры испаряется лишь незначительная его часть, составляющая по разным оценкам от 3 до 10%. Поэтому для обеспечения надежного пуска бензинового двигателя необходимо обеспечить составы смеси = 0,2…0,5. По мере прогрева двигателя вплоть до достижения им нормального температурного режима работы также требуется обеспечение обогащенных смесей, значительная часть которых не сгорает в цилиндре полностью и выбрасывается с ОГ в окружающую среду в виде окиси углерода и несгоревших углеводородов.

На современном этапе развития главными проблемами бензиновых ДВС остаются снижение токсичных выбросов с отработавшими газами и улучшение топливной экономичности. Режимы холодного пуска и прогрева в этом плане являются самыми неблагоприятными. При испытаниях по Европейскому ездовому циклу около 80% всех токсичных компонентов выбрасывается за первый километр пути – шестую часть по времени от общей длительности.

В этом свете объясним повышенный интерес к альтернативным видам топлива, как в нашей стране, так и за рубежом, где в большинстве разработаны национальные программы их реализации. Потенциальными заменителями нефтяного топлива чаще всего выступают спирты, эфиры, масла растительного происхождения. Однако исторически наибольшее распространение в этом качестве получили сжиженный нефтяной (СНГ) и компримированный природный (КПГ) газ. Как моторное топливо, СНГ и КПГ превосходят жидкие нефтяные топлива, прежде всего в силу своего агрегатного состояния.

Признавая экологическую чистоту газовых топлив, для реализации их потенциальных преимуществ необходимо решить целый комплекс задач, которые в разной степени решены для бензиновых двигателей. Прежде всего, это относится к топливной аппаратуре газовых ДВС, которая остается вторичной по отношению к бензиновой. В результате закрепления за ними вспомогательной роли, газам не удается проявить свои свойства именно там, где преимущества очевиднее всего – при пуске и прогреве холодного двигателя.

Несмотря на достаточно широкий спектр предлагаемых на рынке газовых систем, среди конструкций, заслуживающих внимания, нет вариантов организующих самостоятельный пуск на газе.

Однотопливные (моновалентные) газовые автомобили гарантируют и высокие энергетические показатели, и низкие выбросы в эксплуатации. В эпоху механических систем они осуществляли и холодный пуск в том числе. Сегодня под маркой однотопливного газового автомобиля выпускаются автомобили, имеющие небольшой бензиновый бак и бензиновую систему топливоподачи для пуска.

';

Но даже с дополнительной бензиновой системой моновалентных автомобилей выпускается действительно очень мало. Наиболее распространенным способом газификации транспорта в мире остается конвертация на газ серийного бензинового автомобиля. Такой перевод неизбежно связан с некоторым снижением эксплуатационных показателей двигателя на газе, однако позволяет реализовать весь комплекс экологических требований на прогретом двигателе: обеспечивает регулирование с обратной связью по кислородному датчику, имеет быстродействие достаточное для обработки переходных режимов. Организация пуска и прогрева двигателя здесь полностью остается на бензине, притом, что количество холодных дней в нашей стране очень велико.

Поэтому проблемы организации дозирования, смесеобразования, распределения и воспламенения газовоздушной смеси на непрогретом двигателе сохраняют актуальность, особенно в свете экологических требований сегодняшнего дня. Соответственно разработка и исследование системы газоподачи, способной обеспечить пуск, прогрев и последующую работу автомобильного двигателя непосредственно на газе, актуально сегодня как никогда.

Разработка и исследование дискретной системы газоподачи для конвертирования современных искровых автомобильных двигателей на питание газовым топливом, в том числе на режимах холодного пуска и прогрева.

Объект исследований.

Двигатель ВАЗ-21114 с системой дискретной распределенной подачи газа, дополненной корректором пуска.

Общая методика исследований.

При проведении теоретических исследований использованы общие законы газовой динамики, аналитической механики, теория рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. Экспериментальные исследования проводились на моторном стенде с двигателем ВАЗ-21114.

Научная новизна работы:

- обоснована необходимость, при сохранении в целом дискретного регулирования, организации для газовых двигателей на режимах холодного пуска и прогрева непрерывной подачи газа;

- разработан метод пусковой коррекции подачи газа для двигателей, конвертированных с сохранением бензиновых алгоритмов;

- аналитически определена передаточная функция ограничителя давления, обеспечивающая соответствующую коррекцию на пуске;

- разработан конструктивный комплекс системы газоподачи на основе известных дискретных систем впрыска, позволяющий обеспечить оптимальные характеристики газоподачи на всех режимах, в том числе и пуске.

Основные положения, выносимые на защиту:

в теоретической части - математические модели системы и элементов системы газоподачи;

в конструкторской части – конструкция аппаратов газоподачи для систем питания газовых двигателей;

в экспериментальной части – рабочие характеристики двигателя с экспериментальной системой газоподачи.

Достоверность результатов.

Проведенный комплекс экспериментальных исследований на полноразмерном двигателе подтверждает основные теоретические положения, взятые за основу разработанной системы подачи газа.

Практическая ценность работы:

- создана конструкция системы газоподачи для конвертации автомобильных бензиновых двигателей, обеспечивающая без существенного усложнения конструкции управление расходом газа, в том числе и на пусковых режимах;

- предложена схема корректора пуска, встраиваемого в общую систему без искажения характеристик последней;

- разработаны методы конструирования ограничителя давления с позиций достижения плавности переходных режимов.

Реализация работы.

исследований используются для конструкторской проработки газовых систем при конвертировании двигателей на газ в ООО «Арго» (г.Н.Новгород).

Теоретические исследования внедрены в Центре безопасности дорожного движения и технической экспертизы (ЦБДДТЭ, г. Н.Новгород) и ООО ФинансЭксперт (г. Нижний Новгород) для проведения технической экспертизы газобаллонных автомобилей и выдачи заключений на переоборудованные транспортные средства. На кафедре «Энергетические установки и тепловые двигатели» используются при подготовке инженеров по специальности по курсам «Системы ДВС», «Газовые двигатели».

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались и были одобрены на:

- 79 международной научно-технической конференции «Безопасность транспортных средств в эксплуатации», Н.Новгород: НГТУ, 2012 г;

- всероссийских научно-технической конференциях «Будущее технической науки», НГТУ Н.Новгород, 2010…2013 гг;

Публикации. Всего опубликовано 9 научных трудов, и по теме диссертации 6, среди них 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений.

Диссертация содержит 115 страниц, 53 рисунка, список литературы из наименований.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности — все это требует затрат энергии. Просчеты в этой области имеют самые серьезные последствия. При этом человечество крайне нерационально расходует имеющиеся в его распоряжении источники. Удовлетворение непрерывно возрастающих энергетических потребностей в мире осуществляется, прежде всего, за счет потребления нефти. Лишь отдельные государства, например, США, на уровне своих правительств рассматривают и геополитический императив – сокращение зависимости экономики от импортной нефти и замещение ее собственным природным газом.

В настоящее время кроме экономических аспектов использования сырьевых ресурсов все большее значение приобретает экологическая составляющая. Наиболее остро проблема проявляется в мегаполисах и крупных автотранспорта. На сегодня в Российской Федерации в эксплуатации находится более 35 млн. автотранспортных средств, при этом их доля среди всех техногенных источников по выбросам загрязняющих веществ в атмосферу достигает 45%. Ситуация обостряется низкой средней скоростью движения транспорта в городах. В таких условиях автомобильные двигатели вынуждены работать в зоне самых малых нагрузок, где средний КПД не превышает 15%.

[68]. На этом фоне закономерен рост числа гибридных автомобилей, способных накапливать часть энергии торможения, и обеспечивающих работу ДВС только в зоне высоких КПД.

Как бы экономичны не были гибридные автомобили, огромную роль в результирующем загрязнении играет топливо первичных двигателей внутреннего сгорания. В результате по многим направлениям ведутся поиски видов и способов использования топлива, при сгорании которых образуются малотоксичные выбросы.

Одна из самых популярных тем – получение моторных топлив из возобновляемых источников энергии. Однако в публикациях прослеживается неоднозначная оценка реальных стоимости и возможностей альтернативных источников энергии, особенно связанных с биологическим воспроизводством.

Использование спиртов, метилового и этилового, требует развитого специализированного производства. Использовать пищевые растительные продукты для производства биотоплив нецелесообразно из гуманных соображений, когда в мире недоедают более двух миллионов человек, а вовторых, менее эффективно, чем из целлюлозы.

Постепенно ученые приходят к мнению, что нас не спасет и водородная энергетика. Затраты энергии для производства водорода многократно превышают таковые для обеспечения традиционного жидкого топлива.

Экономически целесообразными признаны только способы получения водорода или метанола из органического топлива. Например, способом каталитической конверсии метана.

Рисунок 1.1 Относительные доли топлива, используемого на транспорте [36] В результате на транспорте в качестве топлива доминирует нефть в форме легких (бензин) или тяжелых (дизельное топливо) углеводородов. На третьем-четвертом месте газообразные топлива, являющиеся либо продуктом переработки той же нефти (сжиженный нефтяной газ СНГ), либо продуктом, добытым в недрах (компримированный природный газ КПГ). Биотоплива сегодня применяются только как добавки к основным топливам. К бензинам может быть добавлен спирт (этиловый или метиловый), к дизельным топливам добавляются масла растительного происхождения (рапс…).

В [111] приводятся результаты исследования наиболее распространенных автомобилей, работающих на четырех известных топливах. В таблице представлено несколько токсичных компонентов из отработавших газов, распределенных по группам воздействия – здоровье человека, влияние на экологию планеты, долгосрочное воздействие на климат.

Таблица 1. Сравнительные выбросы токсичных веществ от автомобилей, работающих на различных топливах компонент водоемов) * ЕС-ОС – разность количества выброшенного элементарного углерода (сажи) и органического углерода. Органический углерод способствует глобальному похолоданию, потому что он состоит из аэрозольных частиц, которые отражают солнечный свет обратно в космос.

Чем больше «плюсов» и меньше «минусов» в таблице, тем выше экологическое качество топлива в целом. Видно, что дизельные двигатели «…не смогут приблизиться к другим топливам, несмотря ни на какие темпы развития технологий». При этом в таблице есть результаты, полученные на газовых автомобилях, которые выглядят убедительно. Подтверждением тому могут стать независимые испытания легковых автомобилей, проводимые автомобильным клубом ADAC (рис. 1.2) [102].

Рисунок 1.2 Результаты экологического теста автомобилей ADAC Традиционные бензиновые автомобили занимают нишу в интервале от до 75 баллов (из максимальных 90), дизельные в среднем еще хуже. Лидером стал гибридный автомобиль, в котором соединены все известные технологии снижения выбросов – TOYOTA PRIUS – 89 баллов. Но на наш взгляд интереснее участник «номер два», получивший 87 баллов. Это VOLVO V70 BiFuel (CNG), относительно большой серийный бензиновый автомобиль, конвертированный на питание природным газом.

Масштабное использование газовых топлив на автотранспорте начинается с сороковых годов прошлого века. Сегодня парк газобаллонных автомобилей в мире насчитывает в общей сложности около 15 миллионов машин, или 1,5 процента всего автопарка.

Рисунок 1.3 Рост парка газовых автомобилей 1999…2010 по странам мира Горючие газы, применяемые в качестве топлива для транспортных газобаллонных установок, должны образовывать смеси с воздухом, имеющие большую теплотворность (для достижения высоких мощностей двигателей), иметь высокую теплоту сгорания (для повышения экономичности и запаса хода) при незначительном весе и габаритах баллонов. Для обеспечения последнего условия газы на борту автомобилей должны храниться с максимальной плотностью. Это достигается сжатием их до высоких давлений или переводом в жидкое состояние. Перевод в жидкое состояние возможен для любого газа, но для некоторых это достигается относительно невысоким сжатием, а для других возможно только после глубокого охлаждения. К числу первых, легко сжижаемых газов, относятся хорошо известные пропан С3Н8 и бутан С4Н10. Другой известный газ – природный, основу которого составляет метан СН4 – сжижается только при температурах ниже минус 820, а чтобы давление было около атмосферного, ниже минус 1600. Поэтому пока хранить природный газ на борту автомобилей приходится в сжатом до высокого давления состоянии. Отсюда деление горючих газов на два основных класса – сжиженный нефтяной газ (СНГ) и компримированный (сжатый) природный газ (КПГ).

Для сравнения в одинаковых по объему 50 литровых баллонах можно при полной заправке разместить 21 кг СНГ при давлении не более 16 бар (плотность жидкой фазы 520 кг/м3), и 7 кг КПГ при давлении 200 бар (плотность газа при этом давлении 140 кг/м3).

Рабочий процесс искрового двигателя с внешним смесеобразованием, работающего на газе, протекает практически так же, как и рабочий процесс бензинового двигателя. Эффективная мощность, развиваемая четырехтактным двигателем, выражается формулой:

где k – коэффициент пропорциональности; Vh – рабочий объем цилиндров;

n – частота вращения; hu - теплотворность горючей смеси, Дж/м3;

t - термический к.п.д.; v - коэффициент наполнения двигателя:

g - относительный к.п.д; м - механический к.п.д.

теплотворность смеси hu, коэффициент наполнения v, термический к.п.д. t, относительный к.п.д. g i/t (i - индикаторный к.п.д.), а также механический к.п.д. м.

Теплотворность смеси hсм зависит от физико-химических свойств топлива и коэффициента избытка воздуха. Теплотворность газовоздушных смесей (в Дж/м3) при внешнем смесеобразовании определяют по формуле:

Hu - низшая теплотворность газа, Дж/м3;

где Hu - потери тепла вследствие неполноты сгорания, Дж/м3;

L0 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания, м3/м3;

- коэффициент избытка воздуха.

Значения плотности паров, теплотворности стехиометрической смеси hсм, объемного стехиометрического коэффициента L0, температуры кипения, октанового числа для сравниваемых топлив приведены в таблице 2 [90].

Таблица 2. Основные свойства традиционных моторных топлив Теплотворность смесей сжиженного газа и особенно метана с воздухом ниже, чем для бензина, что неизбежно должно отразиться на величине мощности, развиваемой двигателем на этих газах. Однако снижение мощности только за счет меньшей теплотворности смеси относительно невелико – около 3% для СНГ и 10% для КПГ.

Коэффициент наполнения v показывает степень совершенства процессов газообмена в цилиндре двигателя. Большое значение, в плане перехода на газообразные топлива, имеет степень подогрева смеси при движении по впускной трубе. С ростом подогрева смеси снижается плотность заряда и, соответственно, массовое наполнение. В конструкциях карбюраторных двигателей, где подогрев впускной трубы, необходимый для испарения бензина, выполнялся от отработавших газов (ЗМЗ-402, ГАЗ-52, ЗИЛ-120) снижение наполнения и мощности при работе на газе было очень существенным. В современных двигателях с впрыском бензина подогрев трубы не организуется. Однако при работе на бензине температура смеси оказывается все же меньше за счет отбора тепла на испарение жидких углеводородов [101].

Изменение термического к.п.д. t при переводе ДВС с жидкого топлива на различные виды горючих газов можно оценить с помощью выражения, составленного для теоретического цикла. В нем учитываются физикохимические свойства топлива и связанные с их особенностями неизбежные термодинамические потери, имеющие место при сгорании топлива [90]. Кроме степени сжатия и переменной теплоемкости, термический к.п.д. теоретического цикла учитывает также нагрузку двигателя и коэффициент молекулярного изменения.

где c/v - средняя теплоемкость на линии отвода тепла, Дж/кгК;

c//v - средняя теплоемкость на линии подвода тепла, Дж/кгК;

k1 - средний показатель адиабаты на линии сжатия;

k2 - средний показатель адиабаты на линии расширения;

- степень сжатия двигателя;

- степень повышения давления;

- коэффициент молекулярного изменения рабочего тела при сгорании.

Для углеводородов парафинового ряда, входящих в состав сжиженных нефтяных газов, значение коэффициента молекулярного изменения меньше, чем для бензина. Кроме того, теплоемкость газов существенно отличается от теплоемкости воздуха, а степень повышения давления не достигает тех величин, что на бензине. Поэтому с уменьшением числа атомов углерода в молекуле термический к.п.д. снижается.

действительного рабочего процесса двигателя к теоретическому, обеспечивающему для данной термодинамической схемы цикла максимально возможное использование энергии топлива. Здесь отличия при переходе от бензина к газу наблюдаются в изменении динамики сгорания и физической неполноты сгорания.

Принято считать, что при неизменной степени сжатия скорость сгорания газовоздушной смеси ниже скорости сгорания бензовоздушной смеси. Это вызывает бльшие потери тепла в стенки камеры сгорания. С другой стороны, в результате более совершенного смесеобразования при работе на газе и большой однородности топлива имеет место более полное сгорание и лучшее использование тепла топлива. Изменение относительного к.п.д. с переходом от жидкого топлива к газообразному зависит от того, какой из двух перечисленных факторов оказывает преобладающее влияние.

Что касается экологической чистоты, то сам рабочий процесс отрегулированного двигателя работающего на газе обеспечивает некоторое снижение выбросов основных токсичных компонентов при испытаниях на моторных стендах. Далее минимизировать исходные выбросы на горячем двигателе позволяют системы нейтрализации, которые стали обязательными, начиная с введения норм EURO 2.

Для легковых автомобилей испытания проводят на барабанах по специальному ездовому циклу. В Европе он состоит из четырех повторяющихся циклов «городского» движения по 198 секунд и скоростного «загородного»

цикла движения – так называемый Новый Европейский ездовой цикл (NEDC).

В течение всего заезда записываются выбросы трех токсичных компонентов – СО, CH, NOx. Результат испытания выражается в суммарном выбросе по каждому из трех компонентов на километр пути. Испытание начинают после выдержки автомобиля не менее 6 часов при температуре называется «холодный старт».

Все бензиновые двигатели на начальном этапе требуют характерного обогащения для компенсации недостаточной испаряемости топлива. Это отражается в масштабных выбросах продуктов неполного сгорания СО и СН.

Интегральный выброс продуктов неполного сгорания за первую четверть городского цикла составляет у них около 80%. Если на прогретых режимах основная нагрузка ложится на нейтрализатор отработавших газов, то на пуске и прогреве выполнять жесткие требования можно только за счет конструктивных особенностей самого двигателя.

Различия в агрегатном состоянии дают газовому топливу серьезные преимущества. Отсутствие дополнительного обогащения позволяет за то же время (первые 198 секунд) по сравнению с бензином уменьшить выбросы продуктов неполного сгорания в несколько раз (см. рисунок 1.4) [104].

Рисунок 1.4 Сравнение выбросов по NEDC для бензинового (сверху) и газового (внизу) двигателей [104].

Скоро Россия вводит в обращение нормы токсичности EURO 5. По подсчетам специалистов это позволит снизить экологический ущерб от среднего легкового автомобиля за пробег в 300 тыс. км дополнительно на рубля (с оценкой по российским санитарным нормам) [3]. На фоне этого выброс, в частности полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) бензиновыми ДВС при отрицательных температурах окружающего воздуха увеличивается в 6…10 раз. При том, что, например, бенз(а)пирен имеет удельную величину «степени вредности» – 108, а окись углерода по этой шкале – только 0,33.

Таблица 3. Предотвращенный ущерб от легковых автомобилей за 300 тыс. км Переход по этапам нормирования Предотвращенный ущерб, руб.

Реализовать огромный потенциал, заложенный в газовых автомобилях, можно только в специально спроектированном двигателе, оптимизированном под конкретное топливо (например, метан). Запас по детонационной стойкости дает возможность поднять степень сжатия примерно на две единицы [109].

Изменятся многие параметры, о которых шла речь выше. Здесь и рост термического к.п.д. и снижение доли остаточных газов, и повышение коэффициента наполнения, динамики сгорания.

энергетические показатели, и низкие выбросы. В них используется специальный нейтрализатор отработавших газов, специальная система газоподачи. Электронная система управления разработана под данный вид газа, и даже амортизаторы могут быть изменены под большую нагрузку, связанную с массой баллонов.

Однако выпуск автопроизводителями однотопливных газовых авто чрезвычайно мал. До того момента, когда полноценные альтернативные автомобили станут доступны на рынке, удовлетворение потребностей индивидуальных владельцев или целых автопарков происходит за счет конвертирования на газ стандартных авто.

Первоначально спроектированные для работы на бензине или дизельном топливе автомобили при конвертировании дооснащаются системой альтернативной газоподачи. Конверсионные комплекты разных фирм несколько различаются между собой, но основные подходы и реализация остаются одни и те же. Стандартный комплект включает в себя газовые баллоны, газопроводы, газовый редуктор (редукторы), смеситель или систему впрыска газа. В последнем случае обязателен электронный блок управления газом для согласования газовой системы и сохраняющихся на автомобиле антитоксичных устройств.

После конвертирования автомобиль (двухтопливный) может работать либо на альтернативном (газе), либо на исходном топливе. Переключение на бензин или на газ производится по команде водителя. 1.1. Анализ существующих систем топливоподачи газовых двигателей Сегодня в качестве критериев оптимальности выступает, прежде всего, токсичность отработавших газов. Действенным средством борьбы с токсичностью автомобильных искровых двигателей стало использование трехкомпонентного нейтрализатора отработавших газов. Оптимальное регулирование, с точки зрения его работоспособности, достигается при непрерывной коррекции состава топливовоздушной смеси по сигналу Разновидность двухтопливных автомобилей – газодизели. Они работают на обоих видах топлива одновременно, причем дизельное топливо используется только как запальное, а основную энергию получают из подаваемого в цилиндры газа. Такие системы нашли применение, прежде всего, в тяжелых дизельных грузовиках.

кислородного датчика (-зонда). В такой системе требования к точности дозирования газа столь высоки, что без электронного управления обойтись невозможно.

В стационарных двигателях требования пока не столь жесткие, что позволяет использовать простые механические системы газоподачи без электронной коррекции. Однако следует предположить, что такое состояние скоро будет смещено в сторону введения антитоксичных устройств и на стационарных двигателях. Следовательно, внедрение электронных корректоров с обратной связью по датчику кислорода придет и в эту сферу.

Электронная коррекция всегда накладывается на некую базовую характеристику, предварительно задающую расход в зависимости от режима работы двигателя. Базовая характеристика обязана лежать максимально близко к оптимальной как из соображений простоты электронной коррекции, так и из соображений функционирования системы при отказах электроники или на режимах, где электроника не работоспособна. В течение многих десятилетий в качестве оптимальной рассматривалась «характеристика идеального карбюратора».

Организация базовой характеристики является важнейшей задачей при создании системы топливоподачи. Ее организация при количественном регулировании нагрузки основана на подаче топлива в заданной пропорции от замеренного расхода воздуха. При наличии информации о расходе воздуха, полученной механическими или электронными средствами, управление топливом может осуществляться по-разному.

определяется, прежде всего, перепадом давлений на каком-либо участке и приведенной площадью сечения этого участка [74]. Соответственно, дозирование топлива может быть организовано перепадом давлений (разрежений) при постоянном сечении, или переменной площадью сечения при постоянном перепаде, или при использовании переменных значений и перепада давлений и сечений.

Существует четыре возможных варианта организации подачи газа, и все они находят свое применение. Рассмотрим их применительно к наиболее распространенному сегодня бензиновому автомобильному двигателю, имеющему систему распределенного впрыска бензина во впускную трубу и конвертированного на питание газовым топливом.

1.1.1. Системы газоподачи с эжекционным смесителем Отличительной чертой и главным преимуществом системы газоподачи с эжекционным смесителем является простота конструкции. Основными элементами служат диффузор постоянного сечения в воздушном тракте, газовый жиклер постоянного сечения и редуктор-стабилизатор, призванный поддерживать постоянное давление газа перед жиклером. Это так называемые системы газоподачи первого поколения.

Схема такого смесителя полностью аналогична схеме элементарного бензинового карбюратора, где функцию поплавковой камеры выполняет редуктор, а главного топливного жиклера – газовый жиклер. Переменной величиной, определяющей расход газа, служит разрежение в диффузоре Gг = f(pд). При условии, что давление в редукторе равно атмосферному рр = ро такой смеситель поддерживает состав смеси постоянным во всем диапазоне расходов, поэтому приближение к оптимальной характеристике при неизменном сечении жиклеров возможно только за счет соответствующего изменения перепада давлений в газовой магистрали. Такие способы корректирования широко использовались в эпоху двухкамерных карбюраторов (рис. 1.5).

Рисунок 1.5. Общий вид и схема двухкамерного газового смесителя При появлении двигателей с распределенным впрыском бензина на первом этапе на них устанавливались перед дроссельной заслонкой эжекционные смесители такого же рода (рис. 1.6). При отсутствии требований по токсичности такая схема работала на уровне карбюраторных систем. При грамотной организации проточной части эжекционный смеситель позволяет сформировать базовую характеристику регулирования достаточно близко к оптимальной, в пределах требований «карбюраторной» эпохи. С точки зрения возрастающих экологических требований возможности таких систем были крайне ограничены.

В то же время нельзя не признать, что это единственный тип газоподающей системы, который позволял осуществлять холодный пуск двигателя, его прогрев и движение автомобиля сразу после пуска. Именно по этой схеме в мире выпускались серийные автомобили, на которых не было иной системы питания, кроме газовой.

Рисунок 1.6. Установка эжекционного смесителя во впускной тракт двигателя с впрыском бензина.

В случаях конвертации на газ стандартного бензинового двигателя, пуск на газе никогда не был официально разрешен при температурах ниже –5оС.

Ограничениями часто служили некоторая примитивность газодозирующих элементов и недостаточная испаряемость газа при низких температурах. Первое ограничение имело место там, где разработчики не имели возможности полностью реализовать свои решения, второе – где недооценивалось значение конструкции газового редуктора, прежде всего испарителя (особенно для сжиженных газов).

При включении электромагнитного клапана газ из баллона в жидкой фазе броском попадает в полости редуктора. На свое испарение он расходует тепло, «запасенное» в массе корпуса редуктора и объеме жидкости системы охлаждения. Если газ подавался малыми расходами, указанного тепла может оказаться достаточно для испарения. Многие автовладельцы вопреки инструкциям пускали двигатели своих автомобилей на газе практически круглогодично.

Понятно, что дозирование при низких температурах проходило нестабильно. Системы имели склонность к срыву при резком изменении нагрузки (жидкая фаза заливала полностью полости редуктора). Однако, при суммарной оценке экологической эффективности газового и бензинового двигателей даже разрегулированный пуск на газе дает многократный выигрыш перед пуском на бензине.

1.1.1.1.Эжекционные системы с электронным управлением ликвидировало применение простых эжекционных смесителей. Стало необходимым вводить в них электронные дозаторы, способные корректировать состав смеси по сигналам кислородного датчика. Появились системы так называемого второго поколения.

Электронноуправляемый дозатор устанавливается в газовой магистрали перед смесителем вместо фиксированного газового жиклера и по сигналам от электронного блока управляет расходом газа, изменяя площадь дозирующего сечения. По такому принципу выполнялись системы практически всех мировых фирм – Lovato, Landi Renzo, Vialle.

совместимости новых, электронно-управляемых систем со старыми, чисто механическими. При разработке новой системы можно оставить без изменения такие узлы, как редуктор, смеситель, запорные газовые и бензиновые клапаны.

Понятно, что вступление в работу электронных корректоров и эффективная работа нейтрализаторов начнется после их прогрева. Но и на непрогретом двигателе такие системы оставались работоспособны. Электронный дозатор, оставаясь неподвижным, не вмешивается в регулирование, которое шло по внутренним законам газодинамики. К системам второго поколения в полной мере относится все, что сказано про холодный пуск для механических эжекционных систем.

1.1.2. Системы подачи газа под избыточным давлением Исторически появление систем подачи газа под избыточным давлением совпадает с широким внедрением на автомобилях электроники, в том числе электронноуправляемого впрыска бензина и трехкомпонентных нейтрализаторов отработавших газов. Использование электронного управления было вызвано необходимостью точного корректирования состава смеси, в том числе и на газе. В отличие от массовых тогда смесителей, ввод газа организовывался во впускную трубу с целью минимизации объемов готовой газовоздушной смеси. В противном случае при возникновении непредвиденного обеднения смеси процесс сгорания мог затягиваться, открытое пламя могло проникнуть во впускную трубу и поджечь имеющийся там заряд. Взрыв большого объема готовой газовоздушной смеси приводил к серьезным разрушениям впускной системы.

Исполнительными органами сначала служили достаточно изученные и надежные пневмомеханические узлы, и шаговые двигатели. Ввод газа при этом оставался непрерывным. В последующем были разработаны специальные электромагнитные форсунки для работы на газе, которые сейчас являются наиболее пропагандируемыми. С их помощью подача газа производится также во впускную трубу, но уже дискретно.

1.1.2.1. Системы непрерывной подачи газа Системы с непрерывной подачей газа во впускную трубу в мировой практике выпускались относительно короткое время. Это так называемые системы третьего поколения и их можно рассматривать как промежуточное решение между смесителями и электромагнитными форсунками.

исполнительным элементом систем является конический клапан-дозатор, на который подается газ под давлением, чаще всего постоянным, обеспечивающим надкритическое течение.

Рисунок 1.7. Система непрерывной газоподачи Lovato Logic:

1 – -зонд; 2– запорный клапан; 3–фильтр; 4 – переключатель, индикатор уровня топлива;

5 – датчик температуры; 6 – клапан; 7 – редуктор-испаритель; 8 – магистральный клапан;

9 – микропроцессорный блок Logic; 10 – распределитель газа; 11 – распылитель; 12 – датчик положения дроссельной заслонки; 13 – датчик давления воздуха; 14 – датчик частоты вращения коленчатого вала.

Расход газа регулируется шаговым мотором изменением проходного сечения исполнительного элемента ориентировочно в пределах от 0,5 мм2 до мм2. После такого дозатора топливо поступает в распределитель газа, откуда по подводящим магистралям к распылителям, установленным в коленах вблизи впускных клапанов каждого из цилиндров.

Шаговый мотор выступает и как основной дозатор, задающий базовую характеристику, и как корректор состава смеси. На него же подается корректирующее воздействие от блока управления для обслуживания нейтрализатора по сигналу датчика кислорода. Недостатком шагового двигателя при регулировании проходного сечения является дискретность его работы, зависящая от числа шагов. Изменение числа шагов в сторону увеличения скажется на быстродействии системы, что тоже недопустимо.

С целью компенсации пониженной точности регулирования, в системе Lovato использован второй шаговый мотор, вносящий поправку в работу основного дозирующего элемента.

В системе газоподачи фирмы Mazda, с той же целью компенсации пониженной точности регулирования использован вариант с переменным перепадом давлений на дозирующем сечении в зависимости от нагрузки двигателя. Перепад давлений на дозирующем сечении изменяется в зависимости от нагрузки газовым редуктором.

Системы третьего поколения являлись автономными, и теоретически могли работать во всем диапазоне режимов. В то же время, на пуске дозатор должен быть в положении минимальных расходов, что проблематично при недостаточной точности его управления. Более того, конструкции газовых редукторов были неспособны к работе в условиях низких температур из-за малых размеров испарителя.

Рисунок 1.8. Система непрерывной газоподачи MEGA фирмы Mazda:

1-ЭБУ; 2– диагностический разъем; 3– переключатель вида топлива; 4–распылители; 5– реле; 6–дозатор с шаговым приводом; 7–датчик абсолютного давления; 8–редукторрегулятор; 9– магистральный газовый клапан; 10– дозатор-распределитель; 11– датчик положения дросселя; 12– датчик частоты вращения; 13– датчик кислорода.

1.1.2.2. Дискретные системы подачи газа К дискретным системам относятся системы с электромагнитными форсунками, которые в бензиновых двигателях сегодняшнего дня стали идеальным исполнительным элементом с высоким уровнем быстродействия, точности дозирования топлива и обеспечения идентичности состава смеси по цилиндрам на всех режимах работы двигателя. Применение электронноуправляемых систем впрыска бензина с подачей топлива через электромагнитные форсунки (ЭМФ) позволяет контролировать текущий состав смеси в широких пределах с высокой точностью и практически мгновенно.

Цикловой расход топлива через форсунку в зависимости от длительности ее открытого состояния изменяется в 4…5 раз. Срабатывание форсунки синхронизировано с процессами работы ДВС. Как правило, каждая форсунка срабатывает один раз за цикл работы соответствующего цилиндра (фазированный впрыск). На те же форсунки подается корректирующее воздействие по сигналам датчика кислорода. Длительность управляющего импульса становится чуть больше, если необходимо обогатить смесь, и меньше – если обеднить.

Достоинства этого подхода применительно к подаче газообразного топлива – в достаточной степени изученные алгоритмы управления (рис. 1.9).

Количество топлива, подаваемого через форсунку, определяется только временем ее открытого состояния при постоянных значениях перепада давлений и проходного сечения канала форсунки. При максимальных частотах вращения (n 6000 мин-1) период открытия форсунки составляет максимум ms. За этот период должны осуществиться цикловая подача топлива и закрытие форсунки хотя бы на незначительное время.

Для газовых топлив массовый расход должен оставаться примерно в тех же пределах, что и бензина. Но плотность бензина более 700 кг/м3, а газов:

нефтяного сжиженного при давлении в 3 бара – 7 кг/ м3; природного сжатого при давлении 5 бар – 3,5 кг/м3, что соответственно в 100 и 200 раз меньше.

Необходимо увеличивать либо проходное сечение форсунки и ее рабочий ход либо изменять давление на входе. Однако резервы увеличения этих параметров ограничены.

В настоящее время, несмотря на трудности, разработаны различные электромагнитные форсунки для подачи газообразного топлива. Большинство из них имеют время срабатывания больше, чем бензиновые. Для быстроходных двигателей (n 6000 мин-1) производительность их в результате достаточна только до определенного рабочего объема цилиндра (примерно 0,4 дм3). При больших размерах недостаток производительности компенсируется увеличением времени открытого состояния, что возможно только при одновременном снижении частоты вращения.

Рисунок 1.9. Система газоподачи с электромагнитными форсунками Для двигателя, конвертированного из бензинового, и сохраняющего полноценную двухтопливность, т.е. уже имеющем бензиновые форсунки, геометрически разместить форсунки газовые сложно, и это вынуждает конструкторов прибегать к половинчатым решениям, типа того, который представлен на рисунке 1.10. Видно, что форсунки расположены отдельно, а на впускной трубе установлены небольшие распылители, соединенные с форсунками шлангами.

Что касается программ управления, то для однотопливного газового двигателя, можно разработать программы, в которых прописано управление форсунками не только на основных рабочих режимах, но и на пуске и прогреве.

Рисунок 1.10. Система газоподачи с электромагнитными форсунками ROMANO:

1 – газовый клапан; 2 – блок управления; 3– рампа с газовыми форсунками; 4 – переключатель вида топлива; 5 – впускная труба с ресивером; 6 – отбор разрежения для редуктора; 7 - газовый редуктор; 8– система охлаждения двигателя.

многообразие вариантов не позволяет разрабатывать блоки индивидуально под каждый из них. Более того, вмешательство в управление должно проводиться так, чтобы минимально искажать базовую бензиновую программу. В противном случае это расценивается блоком управления как ошибка.

В результате во всем мире распространился единый подход (рис. 1.11).

Электронный блок управления подачей бензина (ЭБУ), анализирующий все датчики, и формирующий выходные сигналы, остается. Более того, блок продолжает «управлять» топливоподачей, посылая на бензиновые форсунки соответствующие импульсы. При этом устанавливается дополнительный блок управления газом – ЭБУ-ГАЗ – который перехватывает эти импульсы с бензиновых форсунок, увеличивает их длительность на величину поправочных коэффициентов, если необходимо изменяет уровень подаваемых электрических токов и перенаправляет на форсунки газовые. Форсунки бензиновые своих импульсов не получают и остаются закрытыми.

Работа двигателя происходит на газе, но по программе, подготовленной штатным бензиновым блоком управления. Обработка информации с кислородных датчиков для обслуживания каталитического нейтрализатора (КАТ) сохраняется за ЭБУ.

Рисунок 1.11. Схема врезки газовой системы при конвертации бензиновых ДВС Задача тех, кто настраивает работу двигателя на газе, правильно выставить поправочные коэффициенты в программе ЭБУ-ГАЗ, на которые домножаются величины длительностей бензиновых импульсов.

На пуске и прогреве использовать такой подход невозможно. Импульсы, подаваемые на бензиновые форсунки на непрогретом двигателе, многократно увеличены. Бензин подается в бльших количествах для компенсации его недостаточной испаряемости. Если по описанному алгоритму управлять на пуске подачей газа, расход газа также будет многократно увеличен. Поскольку газ испарен всегда, смесь становится чрезмерно богатой, а двигатель неработоспособен. До момента, пока двигатель не прогреется до температуры охлаждения 35…40оС, работа производится на бензине. Соответственно, все, что сказано про экологические преимущества газового топлива на непрогретых режимах, остается нереализованным.

1.2. Обоснование выбора объекта исследования и методика исследований 1.2.1. Двигатель как объект управления При управлении автомобилем водитель изменяет положение акселератора для того, чтобы изменять скорость транспортного средства. Поэтому целью управления замкнутой системы «водитель-автомобиль» является стабилизация желаемой скорости транспортного средства V*.

Можно считать, что водитель на основании разницы между желаемой V* и реальной V скоростью определяет требуемый момент двигателя М*. Однако данный процесс не является непосредственным, т.к. изменение положения акселератора вызывает сначала изменение момента, развиваемого двигателем.

Разница между ним и моментом внешней нагрузки определяет ускорение и, в итоге, скорость автомобиля. Таким образом, положение акселератора может интерпретироваться как желаемая величина момента двигателя М*. Исходя из этого, в системе управления двигателем (рис. 1.12) можно выделить следующие контуры управления.

1. Контур с обратной связью по моменту (главная обратная связь). Для данного контура целью управления является стабилизация желаемой величины момента двигателя М*, определяемого положением акселератора. Сигналом управления в этом контуре является угол поворота дроссельной заслонки, а сигналом задания – положение акселератора.

2. Контур с обратной связью по соотношению воздух/топливо (подчиненная обратная связь). Для данного контура целью управления является стабилизация желаемой величины соотношения воздух/топливо. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно для корректной работы каталитического нейтрализатора отработавших газов. Максимальная степень преобразования токсичных веществ достигается у стехиометрических смесей, примерно при = 0,998. Сигнал управления для данного контура – количество подаваемого топлива.

Рисунок 1.12. Система управления автомобильным двигателем.

(оптимизирующая обратная связь). Для данного контура целью управления является оптимизация некоторых характеристик работы двигателя. Сигналом управления в данном случае является угол опережения зажигания.

Необходимо отметить, что объект управления является существенно нелинейным, а отсутствие возможности прямых измерений величины крутящего момента, вызывает необходимость применения алгоритмов оценки величины момента.

Поддержание оптимального соотношения воздух/топливо представляет стабилизируемой величиной является соотношение воздух/топливо, а возмущающими воздействиями – переменный поток воздуха, изменения в котором вызваны нажатием на педаль акселератора, температурой воздуха, его неравномерной плотностью, а также, изменениями атмосферного давления.

ориентированные на обеспечение работы двигателя в специальных режимах.

Пример – режим принудительного холостого хода. Дроссельная заслонка полностью закрыта, а частота вращения достаточно высока. Наблюдается несгоревших углеводородов. Для кардинального решения повсеместно организуется отключение подачи топлива на этом режиме.

При синтезе алгоритмов управления двигателями внутреннего сгорания встает задача разработки системы управления, функционирующей в условиях неопределенности, подвергающейся непрерывному воздействию внешних Существующие на сегодняшний день математические модели имеют большое осуществляемых в двигателе внутреннего сгорания, производятся с помощью динамических датчиков, которые, не являясь безинерционными звеньями, вносят в спектр входного сигнала существенные амплитудные и фазовые рассогласования. Поэтому конечный результат приходится достигать, в том числе за счет множества экспериментальных калибровок под конкретный двигатель. Позволить себе такой объем испытаний ни один из производителей газового оборудования не в состоянии. При попытках перевода на газ двигателей, не имевших полного набора необходимых датчиков, от систем с электронноуправляемым впрыском газа приходится отказаться сразу.

Результатом стало повсеместное распространение газоподающих систем IV поколения с газовыми электромагнитными форсунками, управляемыми описанным выше ЭБУ-ГАЗ. В качестве базового инструмента для построения корректировочной матрицы используется имеющийся датчик кислорода, а именно коэффициенты долговременной и кратковременной коррекции, запоминаемые основным блоком. Однако окончательно она должна быть создана вручную квалифицированным оператором.

1.2.2. Оценка потенциальных возможностей традиционных принципов дозирования и схема объекта исследования.

Так называемая «идеальная характеристика карбюратора» традиционно представляет собой зависимость состава смеси от нагрузки, обеспечивающую двигателю соответствие определенным критериям. Долгое время таким критерием была экономичность (рис. 1.13). Введение антитоксичных систем заставило видоизменить подходы к формированию расходных характеристик.

Основным критерием стала токсичность, и «идеальная» характеристика топливоподачи приобрела вид ровной линии, т.е. состав смеси на всех нагрузках поддерживается стехиометрическим для наиболее эффективного преобразования токсичных веществ в нейтрализаторе.

Рисунок 1.13. «Идеальная» характеристика системы топливоподачи В статических режимах такую характеристику можно выполнить и на карбюраторных системах. Однако реализовать гибкое управление на полных нагрузках, обеспечить эффективную нейтрализацию на переходных режимах, на принудительном холостом ходу можно только в дискретных системах впрыска, где коррекция состава смеси производится в каждом цикле.

Следовательно, системы подачи газа с электромагнитными форсунками можно считать единственно допустимыми на сегодня.

Основной минус – использование таких алгоритмов полностью исключает работу на газе на непрогретом двигателе. Каждое открытие форсунки организует через нее максимальный расход топлива на время, определяемое длительностью импульса. При высокой плотности жидкого топлива доля его, прошедшая через форсунку, по отношению к количеству, заключенному в топливных магистралях, мало. Для газов это отношение существенно выше. Расход газа при каждом открытии форсунок превращается в «удар» для всех элементов газового тракта. Резкий бросок газа вызывает мощные пульсации давлений в газовых редукторах. Если на прогретом двигателе (и редукторе) это переносится относительно безболезненно, то для «холодных» механизмов может стать катастрофичным.

В бльшей степени это справедливо для сжиженных газов, которые могут полностью залить полости редукторов если не получают достаточно тепла для испарения газа (рис. 1.14). Для сжатых природных газов испарение не требуется, поэтому задача холодного пуска решается проще. Но даже в этом случае охлаждение газа при дросселировании в клапанном узле редуктора может привести к выпадению льда, если в топливе находилась вода, или образованию гидратов, блокирующих перемещение клапанов.

На всех однотопливных газовых автомобилях первых поколений пуск организовывался средствами самих механических смесителей. Здесь мог быть смеситель более высокого класса (например, IMPCO), или специальные пусковые системы. Для современных автомобилей с электромагнитными газовыми форсунками это не так.

Рисунок 1.14. Обмерзание газового редуктора на автомобиле Так в руководстве по эксплуатации на однотопливный газовый автомобиль HONDA Civic GX CNG написано предупреждение «…уникальный дизайн газового двигателя делает более сложным или невозможным пуск при температурах ниже минус 16оС». Далее следует инструкция для водителя – как следует нажимать на педаль акселератора при пуске холодного двигателя, что предпринять, если пуск не произошел… Civic GX – единственный легковой автомобиль продаваемый частным лицам, прежде всего в южных штатах США (широта Барселоны, Рима, Ташкента). Эксплуатация автомобиля в северных регионах, где может быть низкая температура воздуха, рекомендуется только с внешними подогревателями.

Пример иного решения – экспериментальный автобус ПАЗ на природном газе. Для надежного холодного пуска в заднем свесе кузова установлен автономный газовый подогреватель, включаемый перед стартом, и подогревающий жидкость в системе охлаждения. Пуск самого ДВС только теплый.

Сегодня под маркой однотопливного (моновалентного) газового автомобиля выпускаются автомобили, имеющие небольшой бензиновый бак и бензиновую систему топливоподачи для пуска. Так было на отечественных автомобилях, выпускавшихся в 40-е…80-е годы – ГАЗ-АА, ГАЗ 51Б, ГАЗ 24ГАЗ 53-07, ЗИЛ 137. Выпуск таких автомобилей сегодня ведут практически все известные автомобильные заводы – Fiat Multipla, Opel Zafira, Ford Crown Victoria, Volkswagen Caddy. В таких автомобилях потенциал газовых топлив использован действительно полностью. Система газоподачи использует специально созданные алгоритмы и конструкции для обеспечения всех эксплуатационных режимов прогретого двигателя. Проблема холодного пуска на газе не решается, поскольку пуск только теплый [85, 86, 87].

автомобилей выпускается действительно очень мало. Наиболее распространенным способом газификации остается конвертация на газ серийного бензинового автомобиля. Такой перевод неизбежно связан с некоторым снижением эксплуатационных показателей двигателя на газе, однако позволяет реализовать весь комплекс экологических требований на прогретом двигателе: обеспечивает регулирование с обратной связью по кислородному датчику, имеет быстродействие достаточное для обработки переходных режимов. Организация пуска и прогрева двигателя здесь полностью возлагается на бензин.

Статистика показывает, что за день типичный автомобиль совершает две поездки дальностью около 7 км с промежуточным «выстуживанием»

автомобиля. Задаваясь средними величинами эксплуатационного расхода топлива, можно приблизительно рассчитать затраты на топливо за год при разных режимах движения, различающихся наличием или отсутствием прогрева двигателя.

1. Первый режим движения – «лето» без прогрева. Автомобиль пускается на бензине и сразу начинает движение. Примерно через 500 метров двигатель прогревается и переходит на газ. Движение на газе занимает 6,5 км.

2. Второй режим – «зима» без прогрева. После пуска автомобиль на бензине проедет около 2 км, затем переключится, и оставшиеся 5 км проедет на газе.

3. Третий режим – «зима» с прогревом. После пуска автомобиль стоит на месте и прогревается до 40оС. На газе пробег составит 7 км.

В течение года наблюдается три очень холодных месяца, в которые автомобиль эксплуатируется по варианту №3, три холодных месяца по варианту №2 и шесть теплых месяцев с эксплуатацией по варианту №1. Общие затраты на топливо для газобаллонного автомобиля показывают, что двухтопливный автомобиль является газовым только на 80%. Причем остальные 20% топлива (бензин) сгорают в неблагоприятных условиях.

Учитывая массовость конвертированных автомобилей, решение задачи холодного пуска для них может оказать существенное влияние на экологию.

Все известные варианты двигателей, которые пускались на газе (это были двигатели с механическими газовыми смесителями) имели непрерывную подачу газа. В целом, расход газа на пуске-прогреве невелик. Только такая комбинация непрерывной подачи с небольшим абсолютным расходом давала возможность элементам газоредуцирующей системы безболезненно обеспечивать пуск.

Понимая, что системы подачи газа с электромагнитными форсунками следует считать единственно допустимыми на сегодня, необходимо скомбинировать свойства старых и новых систем. На непрогретых режимах следует считать целесообразным полное игнорирование дискретной подачи газа и ориентирование только на гидравлические свойства самой газоподающей системы. В этой зоне экологическое преимущество газовых двигателей будет достигаться за счет свойств газа, а не нейтрализаторов, которые здесь неработоспособны. Во всем диапазоне «горячих» режимов с активным нейтрализатором применение электромагнитных форсунок для газа проявит преимущества дискретного управления – в каждом последующем цикле свои составы смеси.

Соответственно, система газоподачи должна объединять в себе дискретное электронное управление на подавляющем большинстве режимов, и механический модуль, выполняющий функцию корректора на режимах пуска и прогрева. Необходимо разработать механический узел, способный понизить средний расход газа, поступающий в двигатель. Кроме того, этот узел должен превращать подачу газа в непрерывную.

После прогрева двигателя и перехода его на нормальное регулирование с обратной связью, корректор должен быть легко отключен.

1.2.3. Цели и задачи исследования Целью работы является создание для конвертированных искровых автомобильных двигателей системы подачи газа с электромагнитными форсунками, способной осуществлять холодный пуск на газе. Достижение этой цели осуществляется путем создания оригинальной конструкции аппаратов газоподачи. Система газоподачи, оставаясь дискретной, дополняется механическим корректором для пуска и прогрева. При этом технологическая сложность повышается незначительно по сравнению с существующими конструкциями газовых систем. Поскольку базовая часть системы остается традиционной, основной упор сделан на узел корректора.

Для реализации поставленных целей в работе решены следующие задачи:

- выбор принципа дозирования газа на пуске-прогреве применительно к конвертированным двигателям, имеющим здесь избыточные длительности бензиновых импульсов;

приготовляемой смеси при использовании принятого принципа дозирования;

- разработка элементов системы коррекции и аналитическая оценка их возможностей по обеспечению регулирования;

- разработка общей схемы газоподачи с элементами коррекции, способной переключаться при смене режимов без утраты своих свойств;

- экспериментальные исследования мощностных, экономических, экологических, пусковых качеств двигателей с макетным образцом исследуемой системы подачи газа.

2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ

2.1. Особенности работы дискретной системы газоподачи При дискретном управлении топливоподачей (бензиновой или газовой) частота следования импульсов на топливных форсунках синхронизирована с частотой рабочих циклов самого двигателя. На сегодня большинство двигателей имеет фазированный впрыск, подача импульсов в котором происходит один раз за цикл (два оборота), и практически исчезли варианты с подачей топлива за оборот или такт.

Дроссельная заслонка задает расход воздуха, поступающего в ДВС.

Кратность изменения расхода воздуха по нагрузке примерно одинакова для всех дросселируемых двигателей и равна 4…5. С такой же кратностью изменяется длительность управляющего импульса на форсунках, оставаясь пропорциональна коэффициенту наполнения v. Эта пропорция справедлива при постоянном составе приготовляемой смеси. На подавляющем большинстве режимов сегодня этот состав строго поддерживается на уровне стехиометрии с помощью кислородных датчиков и обратной связи в блоке управления. Это необходимо для эффективной работы нейтрализатора.

Отклонения от стехиометрии на прогретом бензиновом двигателе можно обнаружить на режимах полных нагрузок. На внешней скоростной характеристике имеются две характерные зоны обогащения (рисунок 2.1). В зоне высоких частот вращения (зона I на рис. 2.1) обогащение вызвано не только необходимостью перехода на мощностные смеси (коэффициент избытка воздуха 0,9), но и стремлением снизить температуру свежего заряда за счет затрат тепла на испарение бензина. В зоне малых частот (зона II на рис. 2.1) обогащение призвано снизить склонность к возникновению детонации.

Обогащение в указанных зонах хотя и велико, однако не чрезмерно. Значения коэффициента избытка воздуха опускаются примерно до величин 0,8.

Рисунок 2.1. Зоны обогащения на ВСХ двигателя ВАЗ 21114.

В случае конвертированного двигателя указанное обогащение соответственно реализуется и на газе. При копировании импульсов бензиновых форсунок увеличенные длительности автоматически переносятся в ЭБУ-ГАЗ и поступают на газовые форсунки. Видно, что данное обогащение не актуально для газообразного топлива. На испарение газа (в случае сжиженных газов) отбирается тепло системы охлаждения еще в редукторе. Внутри цилиндров газ всегда испарен. Поскольку при конвертации степень сжатия остается, то детонационная стойкость любых газов всегда достаточна, и не требует переобогащения смесей. Более того, при работе на газе в зоне II можно было бы оставить смеси стехиометрическими, что позволило получить дополнительный выигрыш по экономичности.

В целом расход газа с учетом всех скопированных обогащений увеличивается примерно на 20%, однако не выводит смеси за пределы воспламенения. Более того, эти режимы не оказывают никакого влияния на результаты экологического тестирования, поскольку на испытаниях по ездовому циклу двигатель не попадает в зону полных нагрузок.

Иначе обстоит дело на пуске и в начале прогрева бензиновых двигателей.

Для компенсации недостаточной испаряемости бензина его приходится подавать во впускную трубу в существенно бльших количествах.

На рисунке 2.2 представлена зависимость поправочного температурного коэффициента от времени (здесь числа циклов после пуска). Стандартная длительность импульса впрыска, рассчитанная для прогретого мотора, умножается на величину этого коэффициента. Во столько же раз увеличивается расход бензина. Он, не успев испариться, попадает в цилиндры жидким, и выбрасывается во многом в виде продуктов неполного сгорания.

Рисунок 2.2. Температурный коэффициент обогащения На рисунке 2.3 сделаны сечения «поверхности» коэффициентов для двух исходных температур. Видно, что количество циклов, после которого двигатель возвращается на работу с обратной связью, существенно зависит от температуры окружающего воздуха. При температуре +80оС через 150 циклов обогащение снимается. Это для типичных стартовых частот вращения примерно 15 секунд. При температуре -10оС обогащение снимается через циклов, это около трех минут.

При попытках копирования бензиновых импульсов для газа работа двигателя становится невозможной – высокие степени обогащения притом, что газ полностью испарен, выводят смеси за пределы воспламенения. В любом случае режимы холодного пуска в отличие от полных нагрузок напрямую определяют результаты экологического тестирования, и серьезно влияют на экологическую обстановку.

коэффициент 2.2. Схема дискретной системы газоподачи с корректором пуска Ключевым элементом системы газоподачи остаются электромагнитные форсунки, питаемые газом определенного избыточного давления от газового редуктора. Не важно, управляются ли форсунки ЭБУ-ГАЗ или получают сигналы от иного устройства. Расход в любом случае определяется двумя основными параметрами – перепадом давлений на форсунке и длительностью управляющего импульса форсунки.

На рисунке 2.4 схематично показан такой единичный импульс. При прогретом двигателе количество топлива, поданное за цикл, условно определяется площадью прямоугольника (сплошные линии) длина которого (длительность импульса, скопированного у бензинового блока), а высота – р (перепад давления на форсунке).

Рисунок 2.4. Схема одиночного импульса при нормальной работе (сплошные) При холодном пуске для бензина длительности увеличены до величины s. Цикловой заряд пропорционально увеличивается, причем увеличение может быть двукратным. Но если для бензинов при холодном пуске снижение коэффициента избытка воздуха до 0,5 допустимо и оправдано низкой испаряемостью, то для газа выводит газовоздушную (испаренную) смесь за пределы воспламенения.

Для реализации поставленной цели – организации холодного пуска – система газоподачи должна быть изменена:

- необходимо ввести корректор, способный понизить расход газа;

- до момента перехода двигателя на нормальное регулирование с обратной связью, превратить подачу газа в непрерывную;

- по истечении числа циклов, достаточных для прогрева, корректор должен быть легко отключен.

Корректировать расход электронным способом за счет снижения длительности импульсов нерационально по причине сложности разработки алгоритмов для всего многообразия двигателей. Кроме того, при этом сохранится пульсирующий режим подачи газа.

Исходное давление р1 определяется регулировкой газового редуктора, воздействие на который технически сложно ввиду разнообразия конструкций, и, опять же не ликвидирует пульсирующей природы потока.

Рисунок 2.5. Схема системы газоподачи с пусковым ограничителем магистраль дополнительного механического устройства – корректора пуска – дросселирующего поток после редуктора. На пуске двигателя он должен активироваться, а по истечении времени прогрева отключаться так, чтобы не оказывать влияния на работу оставшейся части системы (рис. 2.5).

Весь механизм ограничителя оказывает на газовый поток демпфирующее действие. Тем самым выполняется условие по переводу потока газа в более статичное состояние.

Одновременно корректор понижает давление газа после себя, выступает в роли ограничителя давлений. Понижением перепада давлений на форсунке до ps, убирается излишнее обогащение, копируемое в конвертированных двигателях с бензинового блока.

Можно предложить несколько схем пневматических ограничителей давления. Наиболее удачным для поставленной цели следует признать вариант, рассмотренный далее и представленный на рисунке 2.9. Как будет определено ниже, на соответствующем подборе площадей и сечений основано правильное функционирование системы понижения давлений в целом.

Демпфирующие свойства корректора могут регулироваться выбором сечения канала управления, что также требует дополнительного анализа для исключения перерегулирования.

Элементы, отвечающие за включение и выключение устройства пуска из работы, можно временно не рассматривать.

2.3. Математическая модель течения газа Для исследования предлагаемого варианта системы пуска составим его теоретическую модель. Основным элементом системы становится двухкамерный мембранный узел – ограничитель давления – понижающий давление на выходе ps пропорционально управляющему pу (см. рис. 2.9).

Клапанная часть, в принципе, может быть такая же, как в обычных газовых редукторах.

Постоянное давление после газового редуктора р1, передается в ограничитель под мембрану. Внутренняя часть мембраны воспринимает сверху и снизу одинаковое давление, а внешняя – разность входного и выходного давлений. Ограниченное давление рs, поступает дальше в рампу газовых форсунок. Оно зависит от величины давления управления ру в надмембранной полости и от функции передачи ограничителя. Последняя будет определена ниже исходя из усилий на мембране, вызываемых перепадом давления рs – р1 и соотношением активных площадей S1 и S2 на мембране ограничителя.

Массовый расход газа (кг/с) из условий неразрывности движения газового потока имеет вид:

где G - секундный расход газа, кг/с; v - удельный объем газа, проходящего через дозирующий элемент, м3/кг; Sс - площадь проходного сечения, м2; скорость истечения газовой среды, м/с.

При замене 2 на выражение 1·(р2/р1)-1/к:

где с - коэффициент расхода сопла; р1 и р2 - давление газа соответственно до соответственно, давление на выходе из редуктора р1 (рис.2.5) и в рампе газовых форсунок рs.

Максимальный расход газа определяется, преимущественно, величиной соотношения р2/р1, именуемой критической, а скорость истечения газа в этом случае – критической скоростью кр:

дросселирующего звена, К.

Максимальный (критический) расход газа:

Если обозначить символом W выражение, то максимальный расход газа будет иметь следующий вид:

Критический перепад давлений определяется показателем адиабаты:

Для пропан-бутановой смеси состоящей из 75% пропана и 25% бутана, показатель адиабаты равен k = 1,128; а Хкр = 0,579. Для воздуха, k = 1,4; а Хкр = 0,528.

Следует различать три типичных случая истечения газовой среды:

В первом и втором случае секундный расход газа не зависит от величины перепада давлений между ступенями, а только от абсолютной величины давления р1, секундный расход газа достигает максимальных значений и может быть определен по формуле 2.5.

В третьем случае (2.8) расход газа:

Расход газа при докритическом режиме истечения газового потока зависит от величины соотношения параметров р2/р1. Принимая во внимание уравнение состояния газа, формула (2.2) представится в виде:

По аналогии с (2.5) обозначим через W выражение:

расход газа Gдкр в этом случае рассматривается в виде следующей зависимости:

Целесообразно объединить зависимости параметра W (2.5) и (2.11) от величины соотношения р2/р1. Результат представлен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6. Зависимость параметра W от соотношения р2/р Кривая состоит из двух участков плавно сопряженных между собой. На первом из них (р2/р1) < 0,579 присутствует закритическое истечение, далее оно переходит в докритическое. Применительно к газовым системам работа отдельных звеньев происходит часто на стыке этих характерных режимов.

2.3.1. Выбор параметров пускового ограничителя давлений Все сказанное выше становится актуальным при выборе степени понижения давления после ограничителя. Типичные уровни избыточных давлений в рампе форсунок для современных систем газоподачи составляют 120 кПа, что обеспечивает на самой форсунке закритические перепады (p2/p1=0,555; W=0,7). Расход газа при прочих равных условиях определяется произведением параметра W на величину абсолютного давления перед форсунками p1.

Для двигателей, спроектированных изначально для работы на газе, корректор пуска должен выполнять только задачу стабилизации потока. В случаях конвертирования с копированием бензиновых сигналов корректор пуска должен дополнительно понизить перепад на газовой форсунке. Однако при простом снижении давления газа ps расход снизится не только за счет собственно давления, но и за счет перехода в докритическое истечение (снижения параметра W). Соответственно, встает задача выбора такой степени понижения давления при прохождении газом ограничителя, которая даст желаемое обеднение смеси с учетом всех изменений потока.

разветвленного алгоритма, следует признать, что коэффициент избытка воздуха при включении корректора увеличится в определенное постоянное число раз. В первые моменты пуска обеднение может оказаться меньше желаемого, по окончании прогрева (при выключении корректора) обеднение может стать избыточным.

Анализ процессов пуска бензиновых двигателей и температурных коэффициентов обогащения позволяет выделить три основных фазы пуска.

Первая начинается с момента включения стартера, и длится несколько циклов.

Обогащение в этот период максимально – длительности импульсов увеличены до 60…80 ms против 4 ms на холостом ходу; организуется асинхронная подача бензина (один раз за оборот), т.е. дополнительно вдвое больше подача. Все это призвано в кратчайшие сроки организовать на стенках впускной трубы топливную пленку, с поверхности которой должно начаться испарение.

Во второй фазе пуска обогащение поддерживается на уровне ~ 0,3…0, относительно малое время – несколько десятков циклов. Далее третья фаза – по мере прогрева стенок камеры сгорания смесь постепенно обедняется, и долгое время, несколько сотен циклов, находится в диапазоне ~ 0,6…0,8.

При работе на газе ЭБУ-ГАЗ будет копировать импульсы всех трех фаз. В силу кратковременности огромное обогащение первой фазы может пройти для газа незамеченным. Избыточный газ заполнит все объемы магистралей (чего нет на бензине), и не попадет в цилиндры.

Вторая фаза для газообразного топлива переводит смеси к нижнему пределу воспламенения. Здесь действие корректора обязательно. Третья фаза угрозы воспламенению не представляет, но неблагоприятна с точки зрения токсичности, экономичности и потенциально опасна в случае нештатных отклонений состава смеси в богатую сторону (например, колебаниях давления в редукторе).

Степень обеднения смеси (понижение давления газа) при пуске становится зависящей от времени включения корректора. При значительной степени обеднения и длительной выдержке включенного корректора есть риск на третьей фазе пуска-прогрева вывести смеси в зону бедных смесей. Это снизит скорость сгорания, повысит неидентичность циклов, повысит риск пропусков воспламенения. При малой степени обеднения во второй фазе смесь останется чрезмерно богатой, но в целом выдержка может быть увеличена.

В качестве безразмерной величины для оценки времени прогрева целесообразно принять момент включения блоком управления регулирования по кислородному датчику. Это не означает, что двигатель прогрет, температура охлаждающей жидкости может быть около 30оС. Но производитель считает, что в статических режимах по истечении этого времени (обозначим его T) двигатель сможет самостоятельно работать на стехиометрической смеси.

Рисунок 2.7. Схема изменения состава смеси при пуске-прогреве.

без корректора (нижняя линия), с корректором пуска (верхняя линия).

Все производители принимают меры к тому, чтобы сократить это время до минимума. Для этого реализован целый комплекс решений – конструкция блока цилиндров с минимальным рассеиванием тепла, уменьшение объема жидкости в системе охлаждения, полная герметизация «малого круга» системы охлаждения, коррекция углов опережения зажигания в позднюю сторону, обязательный подогрев датчика кислорода. В случае отказа любого из звеньев алгоритм сбивается, и система переходит в неоптимальные режимы с повышенными выбросами токсичных компонентов.

К моменту T корректор пуска должен быть однозначно выключен.

Принимая экспоненциальную зависимость коэффициента избытка воздуха от времени прогрева, принимая предельное обеднение смеси с включенным корректором =1,1, принимая максимальное обогащение во второй фазе =0, (исключить возможность окисления до чистого углерода) можно назначить степень обеднения с помощью ограничителя давлений 20% при времени включенного состояния корректора T=0,6 T (рисунок 2.7).

Методом последовательных приближений можно найти такое новое состояние газового потока, при котором обеспечивается требуемое понижение давления (рисунок 2.8). Для снижения расхода на 20% избыточное давление в рампе форсунок следует понизить с 0,8 бара до 0,5 бар. При этом отношение p2/p1 становится равным 0,665, параметр W =0,66, а произведение W·p1=0,99.

Рисунок 2.8. Зависимость произведения W p1 от величины соотношения р2/р Таковыми параметры газового потока окажутся в самой форсунке.

авторегулирования проходного сечения пары "седло-клапан", образующих щель для прохода газа. Образовавшаяся щель между клапаном и его седлом будет регулировать газовый поток до тех пор, пока проходное ее сечение Sщ не станет равным площади отверстия седла клапана Sс, связанных между собой следующим соотношением:

На практике ход клапана hкл принимают на 10..15% меньше максимально возможного (теоретически обоснованного) его хода, равного Преобразовав исходное уравнение (2.4), можно получить расчетную формулу для определения расхода газа в ограничителе давления:

Gг - секундный расход газа через пару "седло-клапан", кг/с; 1 – где температурный коэффициент газа, равный 1= 293/(273+tг).

Упростив уравнение, можно получить обобщенную формулу для расчета проходного сечения.

Если принять необходимое снижение давления в рампе форсунок до величины ps= 0,5 бар, то на самом ограничителе перепад давлений при его работе на пуске должен сохраниться, и отношение давлений должно составить те же ps/p1=0,665, что соответствует докритическому истечению газа при W = 0,66.

После прогрева двигателя и выхода ограничителя из работы падение давления на нем не должно сколько-нибудь заметно сказываться на общем расходе газа. Полностью исключить влияние ограничителя на поток газа невозможно, но можно принять, что величина ps/p1 не должна падать ниже 0,97.

Отсюда можно определить диаметр проходного сечения седла dc следующим уравнением:

При ps/p1=0,97 параметр W составит 0,13, что в целом даст величину минимального диаметра седла ограничителя при полностью поднятой мембране. Например, при ходе мембраны 4 мм и расходах, соответствующих рабочему объему двигателя 1,6 дм3, минимальный диаметр седла составит dc=16 мм.

Основной задачей статического расчета мембранного ограничителя давлений является определение усилий, действующих в его редуцирующей системе. Уравнения равновесия сил целесообразно составлять с учетом направления их действия. Силы, действующие в сторону открытия клапана, будем считать положительными, а в сторону его закрытия – отрицательными (рис. 2.9).

В случае применения упругой мембраны, снабженной жестким центром, применяют параметр приведенной площади мембраны, равный Коэффициент активности мембраны (ам) представлен в работе [63], и учитывает подъем и прогиб мембраны, значения которых не превышают 10% и могут быть учтены в расчетах соответствующей поправкой. В нашем случае общую площадь мембраны условно разделим на две: S2 – площадь седла клапана, на которую опирается мембрана, и S1 – внешняя площадь мембраны вокруг седла.

Сила, возникающая от разности давлений на внешнюю часть мембраны S1, может быть представлена выражением:

где: р1 - давление газа после газового редуктора, Па; ру – управляющее давление в надмембранной полости, Па; ам - коэффициент активности мембраны; S1 – активная площадь внешней части мембраны, м2.

Аналогично для внутренней части мембраны:

где: рs - пониженное давление газа после ограничителя, Па; ру – управляющее давление в надмембранной полости, Па; ам - коэффициент активности мембраны; S2 – активная площадь внутренней части мембраны, м2.

В сторону закрытия клапана действует сила пружины, равная N - сила давления пружины, способствующая закрытию клапана, Nпс - сила предварительного сжатия пружины, Н; i – передаточное отношение рычажной системы, которое в нашем случае равно единице (рычаг отсутствует).

Выражение (2.21) представляет собой разницу величины усилий пружины, препятствующей закрытию клапана, и предварительного ее сжатия:

где спр - жесткость пружины, Н/м; hкл - величина подъема клапана.

Для простоты окончательного выражения обозначим силу пружины как П, поскольку перемещения клапана при высоких перепадах на нем очень малы, и текущее усилие пружины не намного отличается от усилия предварительного ее сжатия.

Условие равновесия всех сил, действующих на клапан при любом его положении, может быть представлено выражением:

С учетом принятых допущений, а также пренебрегая пока жесткостью мембран, выражение (2.22) примет следующий вид:

Введем коэффициент К – отношение площадей частей мембраны:

тогда:

Решая уравнение относительно рs, получим следующее выражение Полученное выражение представляет собой зависимость величины давления газа на выходе из ограничителе в зависимости от входного давления р1 и конструктивных параметров при статическом состоянии рs = ру.

Однако в динамике следует предположить, что равенство рs = ру будет нарушаться, вызывая дополнительные силы в механизме. В работах C.А.

Горшкова [30] показано, что работа подобных пневмоповторителей в динамике значительно зависит от сечения канала управления Sу. Чтобы проанализировать поведение механизма представим выражение (2.23) в форме:

где Р – результирующая сила на мембране.

Преобразования приводят к следующей зависимости:

где А = (р1 – )K и В = (К + 1) константы, С – величина, пропорциональная суммарному усилию на мембране.

При С = 0 несбалансированных усилий на мембране нет, как и в статике давление рs уменьшается на некоторую величину относительно давления редуктора р1 (см. выражение 2.18).

При С > 0 присутствует сила, направленная вверх, что вызывает резкий подъем тарелки мембраны и соответствующее увеличение сечения. Работа в таком режиме сопровождается существенным перерегулированием.

При С < 0 аналогичная сила направлена вниз, и прижимает тарелку к седлу. Это означает кратковременное блокирование подачи газа при изменении режимов.

Соответственно, необходимо провести поиск рациональных сечений и объемов полостей в ограничителе, при которых протекание процесса газоподачи на переходных режимах будет максимально близко к статическому.

Рисунок 2.10. К вопросу графического способа оценки параметров ограничителя импульс, что в данном случае будет выражаться скачкообразным увеличением расхода газа через форсунку Ф (рис. 2.10). Расход через форсунку можно записать следующим образом: dminj Ginj dt ;

Расход через управляющий жиклер: dm у G у dt.

Для сжиженных газов R = 186 Дж/(кг К), холодный пуск будем рассматривать в рамках Европейской процедуры оценки токсичности, т.е. при температуре –7оС (266 К), коэффициент расхода примем =0,8. Тогда:

Очевидно, что при резком изменении расхода газа через ограничитель наступает кратковременное падение давлений как после него рs, так и в камере управления ру. Причем падение управляющего давления протекает медленнее (рис. 2.11).

Рисунок 2.11. Изменение давлений в ограничителе при воздействии единичного импульса Поскольку изменения давлений максимально значимы именно на первом отрезке времени, можно заменить реальную экспоненциальную зависимость падения давления на первом малом отрезке времени dt линейной зависимостью.

Рассмотрим при этом изменение величин давлений и сил в ограничителе, пользуясь стилизованным уравнением (2.20). Результаты отразим на графике (рис. 2.12).

Слева на графике до ключевого момента t0 представлено статическое состояние с двумя характерными уровнями давлений – редуктора p1 и выходного ps. Они отличаются в соответствии с 2.18 на величину, определяемую усилием пружины П. От момента воздействия единичного импульса t0 давления ps и pу начинают линейно снижаться. Более информативной является линия эквидистантная ps на величину коэффициента Управляющее давление pу может снижаться с различным темпом, зависящим от объема надмембранной камеры ограничителя Vу и сечения канала Sу. Эти вариации представлены тремя линиями pу1, pу2, pу3, отражающими разный темп изменения pу.

Условно продлевая любую линию pу до абсолютного нуля можно определить точку, в которую придет вторая линия Вpу (см. 2.20). В зависимости от того, совпадет ли она с линией ps + А, пройдет выше или ниже, будет зависеть величина параметра С, т.е. результирующей силы.

В качестве оптимума следует рассматривать случай, где С = 0 и отсутствуют несбалансированные силы в механизме. Такой случай изображен на рисунке 2.13.

Для выбора конструктивных параметров ограничителя можно решить следующую систему уравнений. Как и раньше принимаем, что определяющим является первый малый отрезок времени dt, следовательно, можно принять изменение давлений линейным. Давление после ограничителя при прохождении единичного импульса снижается со скоростью, в то время как падение управляющего давления для достижения желаемого уровня сил должно отставать, идти со скоростью (рисунок 2.13).

Рисунок 2.12. Графический способ оценки параметров ограничителя Введем коэффициент. За период времени Т, за который давление условно упадет до нуля, справедливо следующее:

Рисунок 2.13. Оптимальное изменение параметров ограничителя при единичном импульсе В развитие (2.26) можно записать:

Поскольку Ginj S inj p s W 0.0376, а параметр W будет различаться управляющий жиклер с докритическим, можно записать:

или Для конкретных исполнений ограничителя, рассматриваемых в данной работе, следует ожидать, что Winj = 0,7, а Wу = 0,07. Соотношение Winj/ Wу = 10. Тогда:

Из последнего уравнения можно выбрать сечение управляющего жиклера Sу и объем управляющей камеры Vу достаточные для того, чтобы в динамике система находилась максимально близко к равновесию.

Таким образом, выявлены основные элементы, определяющие расходные достигается выбором, прежде всего, коэффициента К – соотношения доли площади мембраны ограничителя – задающего основные коэффициенты А и В (см. 2.25).

Усилие пружины П задает желаемое снижение давления в рампе газовых форсунок исходя из принятой в базовом двигателе степени обогащения, которую надо убрать на газе.

Окончательный выбор производится для объема камеры управления и сбалансированность сил на тарелке мембраны при резких скачках расхода, вызванных открытием газовых форсунок.

2.3.3. Анализ герметичности редуцирующей системы и расходные Оценка герметичности редуцирующей системы может быть проведена путем анализа уравнений статики. Типичная зависимость величины рабочего давления на выходе из газового редуктора от его расхода представлена на рис.

2.14.

Точке Б соответствует минимальный расход газа. При дальнейшем уменьшении отбора газа клапан соприкасается с седлом и появляется его реакция Rс. При полном прекращении отбора газа (точка А), реакция достигает величины, необходимой для обеспечения герметичности соединения клапанной пары. Обеспечение сопровождается повышением давления в рабочей полости на величину рпер.

При дискретном отборе газа редуктор может регулярно переходить из точки А полностью закрытого клапана в точку В, соответствующую определенному расходу. Такая работа сопровождается быстрым выходом клапана из строя ввиду его истирания. Исключить касание при дискретной газоподаче можно использованием фазированной подачи, когда цикловые дозы подаваемые форсунками разнесены по времени, и увеличением объемов газовых полостей после редуктора так, чтобы истечение одной цикловой дозы не приводило к запиранию клапана.

Основным является участок характеристики 2, который близок к прямолинейному, и определяет основную зависимость величины рабочего давления от количества отбираемого газа. Величина угла наклона линии на участке 2 характеризуется жесткостью пружины выходной ступени. С увеличением жесткости пружины угол наклона возрастает.

Такая падающая характеристика газовых редукторов типична для рычажно-мембранных механизмов. Попытки устранить «наклон» привели к разработке электронноуправляемых редуцирующих механизмов, которые, однако, не нашли пока широкого применения.

Рисунок 2.14. Зависимость рабочего давления от величины расхода газа В свете данной работы, применение электронноуправляемых редукторов, имеющих в своей основе дискретное управление сечением, на режимах пуска совершенно неоправданно. Наложение двух дискретных систем – редукторарегулятора и форсунки – усугубит проблемы истечения газа из непрогретых механизмов.

положение клапана определяется значением давления рвх и р2. Величина (рвх – р2)Sкак = Fкл представляет собой разность усилий до и после запорного клапана и является характеристикой газового редуктора. Большему значению давления на выходе соответствует перепад Fкл = (0,25…0,5)р2, а меньшему – Fкл = (2…10)р2. Перепад давлений рпер зависит от применяемого материала, конструкции и качества изготовления клапанной пары. При расчетах значением рпер задаются исходя из особенностей работы редуцирующей системы. При этом традиционно считается, что клапан установлен «нормально» по потоку газа, т.е. воздействие входного давления открывает его. В тоже время в рамках данного исследования была проведена работа по модернизации типичного газового двухступенчатого редуктора для «выравнивания» характеристики.

Рисунок 2.15. Схема изменения выходного давления редукторов с традиционным Если клапан развернуть «обратно» по потоку, то усилие на клапаннорычажном механизме изменяется таким образом, что вся характеристика становится менее зависимой от расхода. При правильном подборе геометрических размеров элементов можно сформировать характеристику производительностью.

В данной работе посвященной холодному пуску параметры газового редуктора на больших расходах незначимы, поэтому большого внимания этому вопросу не уделено.

2.4. Выводы 1. Предлагаемый вариант системы газоподачи с корректором пуска предполагает неизменным дискретное управление цикловыми дозами с помощью форсунок, но с введением дополнительных ограничений на пуске двигателя.

2. Для обеспечения пуска подача газа должна стать непрерывной на участке газового редуктора и проходить под пониженным перепадом давлений на газовых форсунках.

3. Основным элементом системы пуска становится мембранный ограничитель давления, выполняющий обе указанные задачи. По истечении некоторого числа циклов после пуска этот узел должен быть легко выведен из работы.

4. Выявлены основные элементы ограничителя, определяющие расходные характеристики представленной схемы. Наиболее значимым из них определен параметр К – соотношения долей площади мембраны ограничителя.

5. Установлено, что для обеспечения плавности работы ограничителя в условиях пульсирующей среды необходим правильный выбор объема камеры управления и сечения управляющего жиклера. В качестве критерия выступает сбалансированность сил на тарелке мембраны при резких скачках расхода, вызванных открытием газовых форсунок.

3. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Общие методы исследования Проведенное аналитическое исследование возможностей организации пуска двигателя непосредственно на газе, показало богатые возможности по организации составов смеси для системы с ограничителем давления. В ходе экспериментального исследования главное внимание было уделено подбору основных элементов системы.

электромагнитные форсунки, вопрос равномерности распределения смеси по отдельным цилиндрам кажется излишним. Однако, в попытках увеличить производительность форсунок изготовители часто идут по пути увеличения хода якоря и соответствующего увеличения проходного сечения. При этом автоматически снижается быстродействие форсунок и растет межцикловая нестабильность заряда.

быстродействия использованных газовых электромагнитных форсунок, а также влияния точек ввода газа во впускную трубу. Экспериментальные исследования разных систем газоподачи с разветвленной системой, проводимые ранее в лаборатории ДВС НГТУ, выявили значительный разброс состава смеси по цилиндрам (до 30% на режиме холостого хода и малых расходов газа).

Типизированные характеристики (нагрузочные, скоростные) снимались в соответствии с принятыми стандартами с ограничениями, которые в некоторых случаях накладывала конструкция моторного стенда.

экспериментальным корректором пуска в условиях отрицательных температур в лабораторных условиях была разработана методика приближения к условиям холодного пуска прямо на моторном стенде.

3.2. Изыскания смесеобразующей части системы.

Как уже отмечалось, для повышения выходных показателей двигателя недостаточно обеспечить точное дозирование газа на всех режимах.

Непременным условием выступает организация высокой однородности смеси при равномерном распределении ее по отдельным цилиндрам. В настоящей работе не ставилась цель специального изучения вопросов смешения, однако опыт создания газосмесительных устройств в нашей стране и исследования других авторов [75, 85] позволяет выделить некоторые предпосылки к организации смесеобразующей части системы.

Во всех традиционных механических системах газоподачи с центральным смесителем горючая смесь образуется в газосмесительных устройствах за счет инжекции, молекулярной диффузии и турбулентного перемешивания пассивной газовой струи в спутном активном потоке воздуха. Такой способ внешнего смесеобразования не использует в полной мере всех свойств и состояний горючей смеси для получения еще большей однородности. Заметное увеличение удельных показателей работы двигателя достигается за счет развития сечений впускного тракта, подбора элементов для использования инерционных явлений в газовоздушных потоках, выбора рациональной конструкции каналов.

Ввод газа во впускной трубопровод через форсунку под избыточным давлением способствует качественному улучшению смесеобразования за счет гомогенизации смеси. В отличие от центральных смесителей установка топливных форсунок на каждый цилиндр (при условии равенства подач через них) исключает возможные различия в составе смеси отдельных цилиндров.

Отличительной особенностью системы ввода газа под избыточным давлением, по сравнению с инжекционной, является более полное использование потенциальной энергии газа в зоне смесеобразования. Эта энергия преобразуется в кинетическую энергию струи [85]. Скорость движения газа через распылители превосходит скоростной поток воздуха в 5…6 раз.

Газовая струя, имея переменную плотность при различных давлениях, становится активной и эффективно воздействует на поток воздуха. Все это вызывает более глубокую турбулизацию воздушного потока, обеспечивает повышенную объемную однородность горючей смеси и улучшает условия сгорания.

Для максимальной реализации эффектов, упомянутых выше, необходимо газовые форсунки устанавливать непосредственно на впускной трубе, как это делается в системах, монтируемых непосредственно на заводе. Например, в двигателе автомобиля Fiat Multipla, спроектированного для работы на природном газе, форсунки установлены на впускной трубе по касательной к воздушному потоку (рисунок 3.1).

ЭМФ-газ Рисунок 3.1. Схема расположения газовых форсунок на впускной трубе В случае монтажа газового оборудования вне завода блок форсунок устанавливается отдельно, а в каналы впускной трубы максимально близко к цилиндрам ввернуты распылители, соединенные с форсунками шлангами.

Соблюдать здесь направление струи зачастую не представляется возможным.