WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |

«МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ЦИКЛОМ ДВУХТОПЛИВНЫХ И ОДНОТОПЛИВНЫХ ПОРШНЕВЫХ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Самарский государственный аэрокосмический университет им.

академика С.П. Королёва (национальный исследовательский

университет)

На правах рукописи

ШИШКОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ЦИКЛОМ ДВУХТОПЛИВНЫХ

И ОДНОТОПЛИВНЫХ ПОРШНЕВЫХ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

Специальность 05.04.02 – «Тепловые двигатели».

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор В.В. Бирюк Самара Содержание Введение. Постановка задачи исследования ………………………………………. Глава 1 Особенности работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием на газовом виде топлива…………………………….. 1.1 Газовые топлива для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием..……………..…………………………………….. 1.1.1 Обзор применяемых топлив для двигателей внутреннего сгорания…………………………………………………. 1.1.2 Перспективные топлива для транспортных средств....…………… 1.1.3 Изменения экологических требований, предъявляемых к автомобилям...…………………………………………………….…. 1.1.4 Топливо для двигателей современных автомобилей..…………….. 1.1.5 Природный газ как топливо для транспортных средств …………. 1.1.6 Экономическая обоснованность перехода на природный газ.…… 1.2 Схемы газовой подачи и схемы впрыска газового топлива..………….. 1.2.1 Системы первого поколения ………………………………………... 1.2.2 Системы второго поколения ………………………………………... 1.2.3 Системы третьего поколения ……………………………………….. 1.2.4 Системы четвертого поколения …………………………………….. 1.2.5 Преимущества и недостатки топливных систем для выполнения экологических требований ……….………..………….. 1.3 Проблемы, возникающие при создании газовых автомобилей …….….. 1.3.1 Определение циклового наполнения цилиндров воздухом....……. 1.3.2 Метод выбора расходной характеристики форсунки...…………… 1.3.2.1 Метод выбора статического и динамического расходов топлива электромагнитной форсунки ……………. 1.3.2.2 Метод сравнения расходных характеристик форсунок различных производителей ……………………… 1.3.2.3 Метод задания расходной характеристики электромагнитной форсунки в электронном блоке управления двигателем.……………………………………..… 1.3.3 Влияние газового топлива на мощность и крутящий момент двигателя ….………………….……………………………………..…. 1.3.4 Загрязнение атмосферы при использовании природного газа на транспорте…………………………………………...…………….. 1.3.4.1 Состав выбросов отработавших газов из автомобилей на природном газе..………………………………………….. 1.3.4.2 Природный газ с точки зрения системы управления..……... 1.3.4.3 Загрязнение атмосферы природным газом с транспортных средств …...……………………...…………….. 1.3.4.4 Возможности контроля предельных параметров газобаллонного оборудования и его утилизации с транспортного средства после выработки ресурса..……….. 1.3.5 Изменение угла опережения зажигания при переходе с бензина на газ…………………………………………….…………………….. 1.3.6 Диагностика элементов газобаллонного оборудования ……..……. 1.3.7 Фазы впрыска газового топлива во впускную трубу и при непосредственном впрыске в цилиндр……………..………….. 1.3.8 Одновременная работа на двух видах топлива газе и бензине …… 1.3.8.1 Цели при одновременной подаче двух видов топлив в двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием..... 1.3.8.2 Влияние схемы электронного управления на одновременную подачу газа и бензина в двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием……………... 1.3.9 Устойчивость процессов и точность дозирования при впрыске газового топлива …………………………………………… Выводы по главе 1.…………………………………………………………………... Глава 2 Элементы газобаллонного оборудования……………………………. 2.1 Анализ электронных схем управления двухтопливным двигателем….. 2.1.1 Схема с двумя электронными блоками управления без датчика кислорода …………………………………………………... 2.1.2 Схема с двумя электронными блоками управления с датчиком кислорода ………………………………………………… 2.1.3 Схема с двумя контроллерами ……………………………………… 2.1.4 Схема с одним контроллером.……………………………………… 2.1.5 Схема с одним контроллером, в котором часть программы управления двигателем общая, а часть, касающаяся топливоподачи разная………………………... 2.2 Требования к элементам газобаллонного оборудования.…………….... 2.3 Расчёт расходных характеристик форсунки и редуктора ………..…….. 2.3.1 Метод расчёта электромагнитной форсунки для газового двигателя с искровым зажиганием..………………………………... 2.3.2 Расчёт газового редуктора ………………………………………….. 2.4 Методика обработки параметров электромагнитных форсунок после испытаний на безмоторном стенде ………………………………. 2.5 Совместная работа узлов и характеристик газобаллонного оборудования...……………………………………………………………. 2.5.1 Совместная работа элементов газобаллонного оборудования ….. 2.5.2 Алгоритм управления при совместной работе узлов и характеристик газобаллонного оборудования и двигателя …… 2.5.3 Гидравлическое сопротивление трубопроводов от редуктора до рампы форсунок ………………………………………………… 2.5.4 Характеристика газового редуктора.……………………………… 2.5.5 Характеристика магистрали от баллона и параметры газа на её выходе ……………………………………………………………. 2.6 Свечи зажигания для газовых двигателей внутреннего сгорания…….. 2.6.1 Скорость горения ……………………………….………………….. 2.6.2 Температура горения углеводородных смесей с воздухом ……… 2.6.3 Состав отработавших газов ………………………………………... 2.6.4 Выбор калильного числа.………………………………………….. 2.6.5 Свечи зажигания …………………………………………………… Выводы по главе 2.…………………………………………………………………. Глава 3 Фазы впрыска газового топлива и процесс наполнения цилиндров газовоздушной смесью…………………………….. 3.1 Фазы впрыска газа во впускную трубу двигателя внутреннего сгорания..…….……………….………………………………………….. 3.2 Фазы впрыска при одновременной работе на газе и бензине.………... 3.2.1 Влияние характеристик элементов топливной системы на возможность одновременной подачи газа и бензина …………. 3.2.2 Логика одновременного впрыска бензина и газа ………………… 3.3 Фазы непосредственного впрыска газа в цилиндр двигателя внутреннего сгорания ………………………………………………….... 3.4 Одновременная подача газа и бензина при непосредственном впрыске в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием …………………………………………………. 3.5 Метод использования энергии перепада давления газа на форсунке для улучшения наполнения цилиндров газовоздушной смесью ……... Выводы по главе 3 ………………………………………………………………….. Глава 4 Алгоритм управления газовым двигателем………………………. 4.1 Требования к алгоритму управления рабочим процессом двигателя внутреннего сгорания на газовом топливе ………………… 4.2 Метод управления пуском и прогревом двигателя на газовом топливе ……………………………………………………..…..………… 4.2.1 Особенности алгоритма по пуску двигателя на природном газе.. 4.2.2 Прогрев двигателя при работе на газе ……………………………. 4.2.3 Алгоритм пуска двигателя внутреннего сгорания на газовом топливе ……………………………………………………. 4.2.4 Развитие алгоритма управления при пуске двигателя внутреннего сгорания на газовом топливе ……………………….. 4.3 Метод управления газовой подачей на стационарных режимах.……. 4.4 Метод управления газовой подачей на переходных режимах.………. 4.5 Метод управления углом опережения зажигания при работе на одном и двух видах топлива..….……………………………………….. 4.6 Методы управления при пропусках воспламенения..………….……... 4.7 Метод коррекции цикловой подачи в зависимости от пульсаций давления в газовой рампе форсунок……………………………………... 4.8 Метод адаптации к различным составам газового топлива …………... 4.8.1 Химический состав и низшая теплота сгорания природного газа с различных месторождений и производств ………………… 4.8.2 Датчики для адаптации к составу газового топлива ……………... 4.8.3 Алгоритм адаптации пуска двигателя для различного состава природного газа …………………………………………… 4.8.4 Алгоритм адаптации для стационарных режимов работы двигателя внутреннего сгорания ………………………………….. 4.8.5 Определение погрешности метода адаптации алгоритма управления двигателя внутреннего сгорания к химическому составу газового топлива …………………………………………… 4.9 Методы диагностики элементов газобаллонного оборудования в период эксплуатации транспортного средства ………………………… 4.9.1 Методы диагностики измерительных устройств газобаллонного оборудования ………………………………….….. 4.9.2 Методы диагностики исполнительных устройств газобаллонного оборудования ……………………………………….. 4.10 Методы управления работой двигателя на резервных режимах при отказе элементов газобаллонного оборудования…….………….. 4.10.1 Алгоритм работы двигателя внутреннего сгорания на резервном режиме при отказе одного или более элементов газобаллонного оборудования ………………………. 4.10.2 Критические резервные режимы ………………………………… 4.10.3 Отказ датчика давления газа перед электромагнитными форсунками ………………………………….. 4.11 Алгоритм управления при заправке газовых баллонов транспортного средства ………………………………………………. 4.12 Алгоритм управления при опорожнении баллонов транспортного средства перед проведением регламентных работ … 4.13 Алгоритм управления для обеспечения максимальной мощности и крутящего момента двигателя ……………………………………… 4.14 Алгоритм управления при переходе с бензина на газ и обратно ………………………………………………………….…….... 4.15 Алгоритм управления при прогреве нейтрализатора для обеспечения требований экологии …………………………………… 4.16 Алгоритм управления при определении утечек газового топлива…………………………………………………………….….…. 4.17 Алгоритм управления диспетчера режимов работы двигателя ….…. Выводы по главе 4 ………………………………………………………………….. Глава 5 Методики адаптации системы управления газовым двигателем………………………………………………………………. 5.1 Адаптация и калибровка электронной системы управления двигателем на газовом топливе………..………………………………... 5.1.1 Газовая система с электронным управлением с отдельным контроллером с получением управляющих сигналов от бензинового контроллера ………………………………………….. 5.1.2 Автономная система электронного управления двигателем для однотопливных газовых автомобилей.………………………. 5.1.3 Независимые бензиновая и газовая системы электронного управления двигателя внутреннего сгорания с возможностью подачи только одного вида топлива……………. 5.1.4 Зависимые бензиновая и газовая системы электронного управления ДВС с возможность одновременной подачи двух видов топлив ………………………………………………………... 5.2 Рекомендации по адаптации газобаллонного оборудования и проведению калибровки контроллеров электронных систем управления двигателем, работающего на газовом топливе ….. 5.3 Методы снижения расхода топлива при работе на газовом топливе.... Выводы по главе 5..…………………………………………………………….

..…. Глава 6 Организация производства газовых автомобилей………………. 6.1 Описание схемы системы подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания …………………………………………………… 6.2 Результаты доводки автомобиля при работе на природном газе……... 6.3 Проблемы хранения газового топлива на борту транспортного средства …………………………………………………………………… 6.4 Проблемы организации производства автомобилей, работающих на природном газе......…………………………………………………… Выводы по главе 6 ………………………………………………………...………... Основные результаты и выводы …………..……………………………………..... Список сокращений ……………………………..…………………………... Список литературы …………...……………………………………………... Актуальность темы исследования Снижение выбросов парниковых газов, к которым относится двуокись углерода СО2, а также возрастающие требования по ограничениям выбросов токсичных веществ СО, СН, NOx в отработавших газах современных двигателей внутреннего сгорания, является актуальной задачей для современного и перспективного транспорта. По выбросам СО2 в Европе пока разработаны рекомендательные нормы. Выбросы токсичных компонентов и СО2 практически прямо пропорциональны расходу углеводородного топлива. Кроме этого выбросы СО, СО2 и СН зависят от вида топлива и соотношения количества атомов водорода к углероду в топливе. Соответственно становятся привлекательными газовые виды топлив на основе природного газа. С 1 января 2013 года в России действуют нормы токсичности Евро-4, а в Европе находятся в стадии согласования нормы Евро-6.

Выполнение требований новых законодательных норм по выбросам токсичных компонентов, в процессе эксплуатации транспортного средства, невозможно без соответствующими алгоритмами управления: рабочим циклом ДВС, его топливоподачей, наполнением цилиндров воздушнотопливной смесью, зажиганием и соответствующей диагностикой.

микропроцессорных систем электронного управления циклом двухтопливных и однотопливных автомобилей с двигателями, работающими как на бензине, так и газовом виде топлива, методов диагностики газобаллонного оборудования и двигателя в целом, а также физически и математически обоснованных алгоритмов для электронной системы управления, является важнейшей и наиболее актуальной задачей для современных и перспективных отечественных автомобилей, отвечающих современным законодательным требованиям.

Степень разработанности проблемы В конце прошлого века была создана микропроцессорная система управления ДВС для жидких видов топлив. Этим вопросом занимались все основные ведущие производители электронных систем управления фирмы: Bosch, Siemens, Delphai, General Motors, Toyota, ООО «ЭЛКАР», ПО РИА, ООО «НПФ «Авангард», ООО «Ителма»

однотопливными газовыми ДВС практически не было. Эта тема стала актуальна для снижения токсичности отработавших газов ДВС и снижения выбросов СО2 в последнее десятилетие. В настоящее время работы ведутся в двух направлениях – это создание гибридных силовых установок и использование газовых видов топлив.

Начиная с 2002 года, для управления газовой системой топливоподачи ДВС использовался простой пересчёт сигнала с бензиновых форсунок на сигнал управления газовыми форсунками без учёта специфики газовой динамики газового топлива и факторов, влияющих на газовую топливоподачу. Этими работами занимались следующие организации: TNO (Netherlands), AutoGas Sistem (Netherlands), Tartarini (Italy), Sagem and Dgonson Controls (France), ООО «НПФ и др. Эти системы имеют высокую стоимость из-за идентичных «Авангард», элементов, выполняющих одинаковые функции, как для бензина, так и для газа.

Кроме этого возникла необходимость создания как двухтопливного (при неразвитой инфраструктуре газозаправочных станций), так и однотопливного газового автомобиля. В настоящее время на всю территорию России насчитывается АГНКС, когда на всю территорию Германии их более 900.

В настоящее время разработаны все основные элементы газовой подачи для систем электронного управления ДВС. Но алгоритмы процесса наполнения цилиндров газовоздушной смесью, а также цикловая подача газового топлива с учётом коррекции по всем влияющим факторам были применимы только для конкретно выбранных двигателей и систем их топливоподачи. Не учитывая специфику газовой динамики газовых видов топлив, невозможно выполнить требования по токсичности Евро-4 и выше.

Создание алгоритмов управления ДВС, являются секретами производителей.

Открытых публикаций по этой тематике незначительное количество.

Кроме этого, появляются варианты одновременной подачи в камеру сгорания двух видов топлив бензина и газа, а также варианты с непосредственным впрыском газового вида топлива.

Цель работы. Основной целью диссертационной работы является разработка методов улучшения эффективности и экологической безопасности двухтопливных и однотопливных газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания с электронным микропроцессорным управлением рабочим циклом.

Основные задачи

работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи, которые тесно связаны между собой:

1. Разработка комплексного метода в виде математических моделей рабочего цикла по питанию двигателя воздухом и газовым топливом, реализация которых предусматривает применение современных энергетических технологий, использование эффективного математического и программного обеспечения САР ДВС.

2. Разработка алгоритмов питания и коррекции циклового газового топлива рабочей камеры цилиндра для электронного микропроцессорного управления.

3. Разработка метода расчёта в виде математической модели определения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газовое топливо для двухтопливных газ-бензин и однотопливных газовых поршневых ДВС.

4. Разработка метода расчёта по оптимизации элементов газобаллонного оборудования для двигателя на основе совместной работы элементов системы питания двигателя и энергетического баланса при подаче газового топлива через электромагнитные форсунки.

5. Разработка алгоритмов диагностики газобаллонного оборудования для микропроцессорных систем управления и алгоритмов при работе двигателя на резервных режимах, которые позволяют определить неисправности в процессе эксплуатации транспортного средства и обеспечить безопасную его работу в период жизненного цикла.

6. Разработка методов проведения адаптации газобаллонного оборудования и калибровки микропроцессорной системы управления газовым двигателем в процессе доводочных работ.

7. Разработка методов подачи газового топлива при непосредственном впрыске в цилиндр и при одновременной подаче двух видов топлив жидкого и газообразного для поршневых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

Поставленные задачи в совокупности составляют крупную научнотехническую проблему, имеющую важное промышленное и экономическое значение.

Работы по достижению поставленной цели проводились коллективами ОАО «АВТОВАЗ», ООО «НПФ «Авангард», Поволжского Отделения Российской Инженерной Академии, ООО «Элкар», ООО «Ителма» совместно с НГТУ им. Р.Е.

Алексеева, ОАО «ЗМЗ», ОАО «ГАЗ», ООО «ГазОйл» и СГАУ им. академика С.П.

Королёва под руководством и при непосредственном участии автора, которому принадлежат основные теоретические разработки, изложенные в его трудах [3, 11, 41-49, 58, 64, 77, 80, 84-101, 107, 108, 111-114, 119, 120, 130-149, 151-174, 176].

Научная новизна работы заключается в том, что:

- разработаны научные основы и осуществлён комплекс мероприятий для однотопливного и двухтопливного питания рабочей камеры цилиндра поршневого газового двигателя с искровым зажиганием при одновременном улучшении его эффективности и экологических характеристик, являющихся базой для электронного микропроцессорного управления его рабочим циклом;

- разработан алгоритм питания и коррекции циклового газового топлива рабочей камеры цилиндра для электронного микропроцессорного управления с распределённым фазированным впрыском;

- разработан метод расчёта для определения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газовое топливо;

- разработан метод по оптимизации элементов газобаллонного оборудования;

- разработаны алгоритмы диагностики газобаллонного оборудования и алгоритмы работы двигателя на резервных режимах;

- разработаны методы адаптации газобаллонного оборудования и калибровки микропроцессорной системы управления газовым двигателем.

- разработаны основные требования для систем управления газовых двигателей с непосредственным впрыском газового топлива и двухтопливных с одновременной подачей газа и бензина для обеспечения улучшения ездовых качеств автомобиля.

Теоретическая и практическая значимость работы Практическая ценность работы заключается в том, что алгоритм управления газовым автомобилем внедрен в электронную систему управления двигателем при испытаниях и доводке в период с 2000 по 2006г.г. 12 двухтопливных (газ-бензин) автомобилей ВАЗ-21102 на ОАО «АВТОВАЗ» и 1-го автомобиля в ООО «НПФ «Авангард», а также на автомобилях ОАО «ГАЗ» с двигателями ОАО «ЗМЗ».

Методики калибровки электронной системы управления двигателем двухтопливного газ-бензин автомобиля использованы при доводочных и контрольных испытаниях, а также при доводке, диагностике и приёмочных испытаниях газобаллонной аппаратуры на ОАО «АВТОВАЗ» и ООО «НПФ «Авангард».

Методики испытаний электромагнитных форсунок, регуляторов давления топлива и топливных рамп, разработанные в процессе работы над данной темой, используются на ОАО «АВТОВАЗ», ООО «НПФ «Авангард», ПО РИА, ООО «Гидроприбор», ОАО «ДААЗ» при проведении приёмочных испытаний изделий топливной системы.

Часть элементов, разработанного алгоритма для двухтопливных автомобилей, использовано в ООО «Ителма» при разработке электронной системы управления для автомобилей ОАО «ГАЗ» с двигателями ОАО «ЗМЗ».

Теоретические методы, изложенные в данной работе, и методики расчёта элементов газовой подачи для электронной системы управления двигателем на газовом топливе, использованы в учебном процессе в Самарском государственном аэрокосмическом университете им. академика С.П. Королёва (Национальный исследовательский университет).

Методология и методы исследования Разработка теории на базе математических моделей: топливной газовой системы, систем впуска и зажигания, управления газовой подачей по внешним сигналам датчиков параметров двигателя и окружающей среды, а также разработка алгоритма управления, проводились с учётом газовой динамики, теории горения топлива, энергетического баланса и известных энергетических преобразователей применительно к двухтопливным газовым двигателям с электронной микропроцессорной системой управления.

Экспериментальные исследования электромагнитных форсунок проводились на аттестованных метрологами стендах SCANS-2000 (изготовитель Бельгия) и СТЭФ-2 (изготовитель ПО РИА, г. Самара). Экспериментальные исследования проводились на автомобилях отечественного и импортного производства, на которых было установлено газобаллонное оборудование для распределённого впрыска газового топлива с электронной системой управления двигателем.

Калибровка электронных блоков управления двигателем проводилась на автомобиле, оборудованном стандартной аттестованной измерительной аппаратурой, а также на стенде с газоаналитической аппаратурой фирмы Horiba (изготовитель Япония) и климатической камере, оборудованной динамометрической установкой, по методикам, разработанным автором.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Метод расчёта в виде математических моделей рабочего цикла по питанию двигателя воздухом и газовым топливом, реализация которых предусматривает применение современных энергетических технологий, использование эффективного математического и программного обеспечения САР ДВС.

2. Алгоритмы питания и коррекции циклового газового топлива рабочей камеры цилиндра для электронного микропроцессорного управления двигателем.

3. Метод расчёта в виде математической модели определения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газовое топливо для двухтопливных газбензин и однотопливных газовых поршневых ДВС.

4. Метод расчёта по оптимизации элементов газобаллонного оборудования для конкретного двигателя на основе совместной работы элементов системы питания и энергетического баланса при подаче газового топлива через электромагнитные форсунки.

микропроцессорных систем управления и алгоритмы при работе двигателя на резервных режимах, которые позволяют определить неисправности в процессе эксплуатации транспортного средства и обеспечить его безопасную работу в период жизненного цикла.

6. Методы проведения адаптации газобаллонного оборудования и калибровки микропроцессорной системы управления газовым двигателем в процессе доводочных работ.

7. Методы подачи газового топлива при непосредственном впрыске в цилиндр и при одновременной подаче двух видов топлив, жидкого и газообразного, для поршневых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

8. Результаты экспериментальных исследований элементов газобаллонного оборудования, разработанных алгоритмов для газовых транспортных средств с электронной системой управления двигателем, подтверждающие его работоспособность для получения нормативных показателей двигателя и автомобиля по ездовым качествам, токсичности отработавших газов, выбросам диоксида углерода.

Степень достоверности и апробация результатов работы Достоверность результатов подтверждена как расчётными данными погрешностей вычислений и измерений параметров, так и применением аттестованных средств измерений при проведении экспериментальных работ на автомобилях, оборудованных газобаллонной аппаратурой с электронной системой управления двигателем, в которую были внедрены результаты данной работы.

Результаты настоящей работы были обсуждены и одобрены на конференциях и научно-технических советах, в том числе Всероссийских и 9-и международных конференциях в период с 1993 по 2012 годы.

Публикации Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в монографии, 70 научных статьях и технических отчётах (из них 23 в журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией), 12 тезисах и опубликованных докладов на конференциях, 3 изобретениях. Суммарный объём принадлежащего автору опубликованного материала 85,2 п.л.

Глава 1 Особенности работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием на газовом виде топлива 1.1 Газовые топлива для двигателей внутреннего сгорания с искровым Техническое развитие общества приводит к увеличению количества транспортных средств для перемещения населения и товаров. С ростом мирового парка транспортных средств увеличивается количество выбросов в атмосферу вредных веществ. Для сдерживания этого увеличения многие страны вводят нормы токсичности отработавших газов двигателей транспортных средств. От технического и экономического уровней развития зависят пределы в нормах токсичности, которые принимает та или иная страна. Наиболее развитые страны имеют более жесткие требования по токсичности отработавших газов. Так за последние 10 лет Европейское экономическое сообщество стремительно шагнуло в области снижения выбросов автомобильных двигателей. С 1993 года в Европе были приняты нормы Евро-1, с 2000г. нормы Евро-2, с 2002г. нормы Евро-3, с января 2006г. нормы Евро-4, а c 1 января 2011г. нормы Евро-5, ведётся согласование норм Евро-6 для введения с 1 ноября 2014г. Каждые последующие нормы снижают количество выбросов на один автомобиль примерно в два раза.

Т.е. стоит задача, чтобы увеличение количества новых автомобилей не увеличивало суммарное количество выбросов. Данное правило должно соблюдаться всеми странами, т.к. мы жители одной планеты. В Российской Федерации нормы Евро-1 были внедрены для новых автомобилей с 1999г., нормы Евро-2 с середины 2006г., с 1 января 2008г. введены нормы Евро-3, с 1 января 2013г. введены нормы Евро-4, а с 1 января 2014г. планируется ввести Евро-5.

Кроме введения норм по выбросам СО, СН, NOx, вводятся нормы по выбросам СО2, который непосредственно зависит от вида применяемого топлива и его расхода. Так Европейские страны рекомендуют снижать СО2 для новых легковых автомобилей массой не более 1250 кг: с 2005г. ниже 170 г/км, с 2008г.

ниже 140 г/км, а с 2012г. ниже 120 г/км.

1.1.1 Обзор применяемых топлив для двигателей внутреннего сгорания автомобильных двигателей, описывают многие авторы: Ерохов В.И [32], Хачиян А.С. [123], Чернышова Н.Д. [126], John Stepherson [192] и т.д.:

- дизельное топливо, произведенное из нефти; синтетическое дизельное топливо, произведенное из минеральных масел; полусинтетическое вышеназванных топлив;

- бензин с различным октановым числом;

- топливо на основе спиртов (древесного, картофельного, кукурузного и т.д.), в основном применяется в Китае, Бразилии и Аргентине;

- газовое топливо на основе различных смесей пропана и бутана, производимое из нефти;

- топливо на основе природного газа с содержанием метана от 80 до 99 %, как в жидком, так и в газообразном состоянии [13, 124, 190];

- топливо на основе синтезгаза СН3(ОН);

- водородное топливо [8, 123, 129, 187];

Кроме топлив, используется электрическая энергия от аккумуляторных батарей, солнечная энергия от элементов, механическая энергия маховиков.

Данные энергии в данной работе не рассматриваются, т.к. для автомобилей с ДВС они применяются только для гибридных силовых агрегатов.

1.1.2 Перспективные топлива для транспортных средств Наиболее перспективными топливами с точки зрения экологических требований, например, по данным Ерохова В.И. [32], Чернышовой Н.Д.[126] и др., являются: природный газ [13], химическая формула СН4; синтез газ, химическая формула СН3(ОН); водород, химическая формула Н2.

Для получения нулевой токсичности автомобиля окисление водорода производят в специальном устройстве, называемом «топливный элемент», с получением электрической энергии, используемой в электродвигателях.

электродвигателями в плане нулевой токсичности [192], т.к. даже при сжигании водорода в воздухе при высокой температуре в камере сгорания, кроме воды, будут образовываться окислы азота NOx. Отсутствие выбросов NOx, при сжигании водорода в ДВС, возможны только при использовании в качестве окислителя чистого кислорода, что в настоящее время не приемлемо из-за невозможности хранения на борту автомобиля достаточного количества кислорода. Применение водорода в автомобильном транспорте в широком масштабе требует значительных материальных затрат и новых технологий, которые в последнее время получили перспективу дальнейшего развития.

Использование синтезгаза связано с затратами на его получение из природного газа и требует материальных затрат, как на разработку таких установок, так и на развитие сети заправочных станций, что будет сдерживать его дальнейшее применение.

Наиболее перспективным как с точки зрения экономики, так и по экологическим характеристикам является природный газ. Из природного газа можно получать, как синтез газ, так и водород. Т.е., на современном этапе, природный газ является очередной ступенью к достижению наименьших выбросов отравляющих веществ из двигателей внутреннего сгорания.

1.1.3 Изменения экологических требований, предъявляемых к автомобилям С каждым годом стремительно растёт парк автомобильной техники [14].

Соответственно растёт и количество выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания. Для сохранения баланса атмосферы земли вредные выбросы не должны превышать способности природных явлений их нейтрализовать. При этом основная масса выбросов должна участвовать в круговороте химических компонентов в живой природе.

Так вся выделившееся из автомобильных двигателей СО2 должна поглощаться растениями, которые с помощью фотохимических процессов разлагают его на углерод и кислород. При этом углерод участвует в процессе построения живых организмов природы, а кислород выделяется в атмосферу. Такие вещества, как СО, СН, NOx проходят окислительно-восстановительные процессы на борту транспортных средств для их преобразования в естественные в природе вещества (СО2, Н2О, N2). Эти вещества, находящиеся в атмосфере земли, не должны увеличиваться в ней в абсолютном и относительном количестве. Процесс ужесточения норм токсичности отработавших газов носит естественный характер [22, 179].

Снижение выбросов загрязняющих веществ можно добиться различными техническими средствами [193], применяемыми, как для снижения общего потребления углеводородных топлив, так и для окислительно-восстановительных процессов на борту транспортного средства. Снижение потребления углеводородных топлив может быть осуществлено:

- путём перехода на новый вид экологически чистого топлива или энергии;

- совершенствование процессов преобразования энергий в двигателях внутреннего сгорания;

- переходом на гибридные схемы преобразования энергии.

Окислительно-восстановительные процессы на борту транспортного средства обычно осуществляются с помощью:

- многокомпонентных нейтрализаторов и катколлекторов;

- химических фильтров;

- электрических плазменных преобразователей.

Каждое изменение экологических требований в сторону ужесточения приводит к усложнению конструкции, как самого двигателя, так и его систем:

топливоподачи, подачи воздуха, отвода отработавших газов, масляной, охлаждения, нейтрализации и управления. Всё это в совокупности приводит к удорожанию транспортного средства.

1.1.4 Топливо для двигателей современных автомобилей В таблицах 1.1 и 1.2 приведены основные характеристики жидких и газообразных топлив.

Таблица 1.1 Физические свойства изооктана, моторного бензина, дизельного топлива и сжиженного пропана, как топлив для транспорта [32, 65, 192, 196].

Низшая теплота сгорания Hu, 44411,848 42912,076 40610,1 46411, кДж/кг Энергетическая плотность, 30,653981 32,035581 35,767346 26, МДж/м воздух/топливо (массовое число) Энергия стехиометрической смеси Температура испарения, К 398,15 302,6…477,6 458,1…610,9 230, Пределы воспламенения Энергия стехиометрической смеси, кДж/кг стехиометрической смеси:

E = Hu / (1+ L0) Или в кДж/м стехиометрической смеси:

Ev= E, где – плотность в кг/м.

1. Критическая температура пропана – 369,817 К, критическое давление – 4247,2 кПа.

Важными параметрами бензина, как топлива, являются: количество энергии (низшая теплота сгорания) на единицу массы и единицу объёма, испаряемость и октановое число [192, 202]. Масса и объем показывают способность топлива, которое будет удобно размещено на борту транспортного средства.

Испаряемость топлива важна в транспортном средстве при холодном пуске двигателя при получении необходимого состава воздушнотопливной смеси. В настоящее время, испаряемость топлива критична для эмиссии выхлопных газов и испарения топлива из баков при теплой погоде.

Октановое число показательно для способности топлива предотвратить топливной смеси в цилиндрах двигателя при сжатии смеси в цилиндрах двигателя и, следовательно, на его эффективность.

Таблица 1.2 Физические свойства этанола, метанола, метана и водорода, как альтернативных топлив для транспорта [32, 65, 66, 192, 196].

Низшая теплота сгорания Нu, 26707,564 19903,948 50108,655 120028, кДж/кг МДж/м воздух/топливо (массовое число) Энергия стехиометрической смеси Пределы воспламенения Этанол может использоваться непосредственно как моторное топливо тремя способами:

- от 5 до 15% этанола в смеси с бензином;

- гидроэтанол, состоящий из 95 % этанола и 5% воды.

Прямое использование этанола, вышеупомянутыми тремя способами, как моторного топлива имеет как преимущества, так и недостатки. Поскольку высокая скрытая теплота испарения этанола приводит к более низкой температуре горения в цилиндре двигателя.

Необходимо отметить, что спирты метанол и этанол не желательно использовать как добавки в бензин, потому что они увеличивают давление насыщенного пара смеси больше, чем у чистого бензина. Это увеличивает эмиссию газов в атмосферу. Однако, достижения сокращения токсичности отработавших газов, которые могут быть достигнуты с этими альтернативными смесями бензина и спиртов, очень маленькие в сравнении с теми, которые могут быть достигнуты с использованием водорода или природного газа [194].

1.1.5 Природный газ как топливо для транспортных средств Природный газ [13, 32, 65, 184, 185, 186] - газообразная смесь лёгких углеводородов, главным образом метана и этана, и других газов, встречающихся в атмосфере нашей планеты. На начальных стадиях развития нефтегазовой промышленности, природный газ получали, как побочный продукт от производства жидких топлив и углеводородов для химической промышленности из нефти. В настоящее время от 3 до 5% природного газа получают в вышеназванных производствах, остальная часть складывается примерно от 10 до 20% полученного из нефтяных скважин и от 75 до 87 % из отдельных скважин.

Природный газ, найденный с нефтью, может содержать пентаны и составляющие бензина, а также пропаны и бутаны. Этот газ классифицируется как «влажный»

газ, содержащий тяжёлые углеводороды. В процессе переработки из него отделяют газоконденсатную часть и получают «сухой» газ. Состав природного газа значительно отличается в зависимости от месторождения.

В состав природного газа входят: пропан, бутан, пентан, тяжёлые углеводороды, водород, кислород, диоксид углерода, азот и гелий (редко встречается и в малых количествах). Пропан и бутан известен как сжиженный нефтяной газ (СНГ или LPG), а пентан и тяжёлые углеводороды известны, как естественный бензин. Диоксид углерода, азот и гелий - инертные газы необходимо удалить, чтобы улучшить энергетическую ценность природного газа.

Водород, при воспламенении топлива в цилиндре, создаёт активные центры, которые улучшают процесс сгорания. Поэтому содержание водорода, по данным Брызгалова А.А., Смоленского В.В. и Шайкина А.П. [8, 129], в природном газе должно быть оптимальным от 6 до 8%. Природный газ, являющийся газом без запаха, перед распределением потребителю одорируют, чтобы обеспечить отличительный аромат, который предупреждает клиентов при возможных утечках. При нормальном атмосферном давлении плотность природного газа слишком низкая, и поэтому запас энергии в этом случае будет не достаточным на борту транспортного средства. Для обеспечения необходимого запаса природный газ на борту транспортного средства необходимо либо сжать (компримировать) до 20 Мпа или до 80 МПа и поместить в сосуд высокого давления, либо охладить до жидкого состояния и залить в криогенный бак.

Одна из положительных характеристик природного газа как моторного топлива – высокое октановое число от 125 до 130, которое зависит от химического состава природного газа. Это позволяет использовать его в двигателях с высокой степенью сжатия от 11,5:1 до 15:1. За счёт этого улучшается эффективность сгорания с получением максимальной работы, при этом мощностные показатели двигателя могут быть даже выше, чем при работе на бензине от 3 до 5%. Главные преимущества природного газа и метана, как моторных топлив [70]:

- уменьшение износа шатунно-поршневой группы двигателя увеличивает ресурс двигателя;

- увеличение межремонтного пробега двигателя;

- увеличение ресурса свечей зажигания;

- увеличение срока службы моторного масла;

- отсутствие детонации;

- снижение выбросов диоксида углерода и токсичных компонентов в отработавших газах;

- снижение вибрационной составляющей двигателя из-за снижения скорости горения метана и соответственно снижения скорости нарастания давления в камере сгорания.

Проблемы, препятствующие быстрому внедрению природного газа на современном транспорте в отличие от бензина и дизельного топлива:

возможности замены существующих моторных топлив (недостаточное количество АГНКС);

- недостаточный запас природного газа на борту транспортного средства;

газобаллонного оборудования, отвечающего современным требованиям по безопасности, испарениям газового топлива и токсичности отработавших газов;

- отсутствие массового серийного производства транспортных средств, работающих на природном газе;

использовании природного газа;

- экономические аспекты природного газа, как топлива.

1.1.6. Экономическая обоснованность перехода на природный газ Экономическая эффективность природного газа показана во многих работах Ерохова В.И. [32, 35], Капустина А.А. [50], Малышева В.В. [66], Пасечника Д.В.

[81], Певнева Н.Г. [82, 83], Ровнер Г. [102], Теремякина П.Г. [117], Хачиян А.С.

[124], Чернышовой Н.Д. [126] и др., но это пока не стало толчком к массовому его внедрению на транспорте. Экономическая эффективность определяется ценой природного газа и её ограничениями со стороны государственных органов. Цена на газ складывается из затрат: на поиски месторождения, его оценку, бурение скважины, строительство компрессорных станций для перекачки газа, строительства трубопроводов для транспортировки и распределения газа и т.д.

Эти затраты значительно ниже затрат на добычу нефти и её переработку в моторные топлива.

транспорте в качестве моторного топлива является дороговизна компонентов для его хранения на борту. К этим компонентам относятся баллоны высокого давления и криогенные баки. Цена остальной топливной аппаратуры соизмерима с ценой аппаратуры на другие виды топлив и не оказывает существенного влияния на использование природного газа.

В настоящее время, при ограничении цены на природный газ в половину стоимости бензина с октановым числом 76, позволяет достичь экономии у потребителя от 3 до 3,5 раз на 1 км пробега транспортного средства. При такой разнице, даже при высокой стоимости баллонов, сроки окупаемости легкового транспорта составляют от 25 до 30 тыс. км, а грузового и автобусов около одного года.

Преимущества природного газа по отношению к другим видам топлива на современном этапе развития:

- плотность меньше, чем у воздуха, это обеспечивает безопасность его применения из-за ухода в верхние слои атмосферы;

- соотношение атомов водорода к атомам углерода 4:1, что в сравнении с бензином, снижает выбросы СО2 и СО в отработавших газах до 28%;

- высокое значение низшей теплоты сгорания обеспечивает, по сравнению с бензином и дизельным топливом, сохранение, а в некоторых случаях и увеличение мощности и крутящего момента двигателя (при оптимальной степени сжатия, высокой степени наполнения цилиндров топливной смесью, оптимальных параметрах зажигания);

- низкая скорость горения, по сравнению с бензином, обеспечивает плавность работы двигателя и соответственно увеличивает его ресурс;

- высокое значение детонационного числа от 125 до 130 обеспечивает надёжную работу двигателя на всех режимах с высоким к.п.д.;

- является экологичным, возобновляемым топливом при использовании растительных останков для его производства;

- при использовании в сжатом состоянии (КПГ) для подачи в камеру сгорания ДВС не требуется насос и испаритель. При использовании влажного газа необходим минимальный подогрев клапанной пары редуктора для понижения давления.

минимизации:

- хранение на борту транспортного средства под высоким давлением или при криогенных температурах, или в адсорбенте увеличивает вес баллонов, или баков, топливной аппаратуры и элементов её крепления;

- низкая температура горения, по сравнению с бензином, увеличивает время прогрева катколлектора или нейтрализатора;

- вызывает парниковый эффект в атмосфере земли, для чего требуется минимизировать его утечки из топливных систем и выброс из камеры сгорания во время пуска двигателя внутреннего сгорания;

- при использовании в сжиженном состоянии в криогенных баллонах требуется дренаж в атмосферу для исключения повышения давления в криогенном баллоне выше рабочего.

Для снижения веса баллонов топливной аппаратуры в последнее время используются новые материалы: алюминиевые сплавы, волокнистые синтетические материалы с пропиткой смолой, нержавеющие стали и сверхпрочные стали, титановые сплавы – для получения необходимого запаса прочности. Кроме этого, использование одного баллона того же объёма, вместо нескольких на транспортном средстве, также снижает их общий вес.

Для ускорения прогрева катализатора в настоящее время используется несколько приёмов, это:

- уменьшение расстояния между катализатором и выпускными клапанами двигателя;

- прогрев двигателя после пуска осуществляется на бедных смесях для повышения температуры догорания природного газа (чрезмерное обеднение на режиме прогрева может привести к значительному росту выбросов NOx в отработавших газах);

- увеличение содержания молекул водорода в природном газе, что увеличивает число активных центров воспламенения, а значит и увеличивает скорость горения и температуру отработавших газов;

- разложение молекул метана на радикалы водорода и углерода, а молекул кислорода на радикалы атомов кислорода перед воспламенением, что также увеличивает скорость горения топливной смеси и её температуру;

- повышение давления в камере сгорания перед воспламенением, путём увеличения степени сжатия, приводит к увеличению начальной температуры воспламенения и соответственно температуры горения.

Для минимизации выбросов метана в атмосферу применяются следующие мероприятия:

- специальные уплотнения соединений трубопроводов и арматуры, снижающие вероятность разгерметизации;

- использование системы контроля утечек газа, которая сигнализирует о неисправностях и автоматически даёт команду на перекрытие газовой арматуры для прекращения утечек газового топлива;

- использование катализаторов для окисления метана до СО2 и Н2О и исключения его попадания в атмосферу;

- оптимизация расхода газа на пуске двигателя и обеднение смеси во время его прогрева снижает выбросы метана через выпускные клапана для двигателей с одновременно открытым впускным клапаном;

- непосредственный впрыск газа в камеру сгорания в процессе сжатия, когда оба клапана (впускной и выпускной) закрыты;

- повышение полноты сгорания природного газа с помощью: различных конструктивных мероприятий по камере сгорания, по системе приготовления топливной смеси и по системе зажигания;

- снижение пропусков воспламенения и не эффективного горения в камерах сгорания путём увеличения энергии отдаваемой катушками системы зажигания.

Для снижения количества метана, выбрасываемого через дренаж криогенного баллона необходимо:

- в дренаже устанавливают катализатор для окисления метана до СО2 и Н2О и исключения его попадания в атмосферу;

- увеличивают степень вакуумирования объёма изоляции криогенного баллона;

- повышают степень теплоизоляции внутреннего сосуда с помощью теплопроводностью, зеркальная многослойная фольга и т.д.);

- повышают прочность стенок внутреннего сосуда для увеличения рабочего давления и увеличения времени без дренажного хранения.

1.2 Схемы газовой подачи и схемы впрыска газового топлива Различают 4 поколения ГБО. К 1-му поколению относятся механические системы, например, САГА-7 разработка Щербинина В.А. [175], включающие газовый баллон, редуктор, смеситель, устанавливаемый перед карбюратором Регулирование подачи газа на разных режимах работы двигателя происходит за счет изменения разрежения, создаваемого двигателем.

Оборудование 2-го поколения, например описанной Гжегож Я. [19] и голландской фирмы Vialle [201] и др., включает ряд датчиков режима работы двигателя, электронное устройство управления и центральное электромеханическое дозирующее устройство, представляющее собой клапан с переменной пропускной способностью. Такие системы обеспечивают центральную непрерывную подачу газа с регулированием состава рабочей смеси.

Системы 3-го поколения, например система голландской фирмы KoltecNecam [2] и др., отличаются от систем 2-го поколения тем, что обеспечивают распределенную подачу газа через так называемые пассивные форсунки, или форсунки нулевого давления, устанавливаемые на впускном коллекторе как можно ближе к впускному клапану каждого из цилиндров двигателя.

Системы 4-го поколения, например, описанные в работах Ахтырского С.А.

[5], Банковского А.К. [6], Бурцева Н.В. [9], Гжегож Я. и Панова Ю.В. [20, 21], Григоровича Д.Н. [23], Громыко П. [24], Ерохова В.И. [33, 35], Злотина Г.Н. [39], Капустин А.А. [50], Коростышевского И.М. [55], Daniel Mandineau [199], Roger Sierens и Event Rosseel [200] и др. [57, 73, 110, 181, 182] обеспечивают циклическую распределенную подачу газа через электромагнитные газовые форсунки.

Системы третьего и четвертого поколения обеспечивают безопасную работу двигателя в плане отсутствия «хлопкового» эффекта, т.к. при корректной фазе впрыска газ, поступающий через форсунки во впускную трубу, полностью всасывается через впускные клапаны в цилиндры.

Системы первого поколения – это системы эжекционного типа, когда топливный газ поступает в камеру сгорания в момент всасывания, под действием сил разрежения воздуха во впускном коллекторе двигателя. Смешение газа с воздухом происходит в специальном устройстве – смесителе. Элементарным смесителем может являться газовая трубка, выведенная в поток впускного воздуха. Более сложные смесители могут быть выполнены, как в виде щелей, так и виде вихревых газовых каналов, обычно адаптируемых к конкретным конструкциям ДВС.

Данная система не может обеспечить оптимального состава смеси в цилиндрах двигателя на всех режимах его работы, как стационарных, так и переходных. На этих системах достигнуты нормы не выше Евро-1.

Системы второго поколения делятся на системы подачи газа в жидкой фазе и в газообразной фазе во впускной трубопровод двигателя. Системы для подачи газа обычно выполнялись по схеме дозирования через шаговый электропривод, описаны в работе Ерохова В.И. [34]. Данная схема дозирования не позволяет точно поддерживать соотношение воздух топливо на всех режимах работы двигателя, что не позволяет выполнить высокие требования по токсичности отработавших газов выше, чем Евро-2.

По данным института TNO и фирмы Vialle (Netherlands), для выполнения норм Евро-2 экономически целесообразно использовать систему LPG 2-го поколения [201].

Система LPG впрыска сжиженного газа в жидкой фазе содержит:

- комплект, включающий баллон с установленным в нем погружным топливным насосом, а также датчик уровня газа и заправочное устройство, помещенные в герметичный контейнер, установленный на баллоне;

- линию подачи;

- магистральный клапан;

- индуктивный датчик абсолютного давления от 0 до 3200 кПа на сливе с форсунок;

- регулятор давления, поддерживающий перепад на форсунке 500 кПа по отношению к давлению в баллоне;

- переключатель режима бензин-газ;

- «газовый» контроллер.

Абсолютное давление газа в баке изменяется в зависимости от степени наполнения, температурных условий и процентного содержания пропан/бутан от 200 до 2500 кПа, а давление перед форсунками, соответственно, от 700 до кПа. Используются модифицированные форсунки DEKA-2 фирмы Siemens с сопротивлением катушки 2 Ом. Драйвер форсунки формирует импульс типа «форсаж-удержание».

соединены в системе подачи-слива последовательно.

При переключении двигателя на режим газового питания сигнал с «бензинового» контроллера поступает на «газовый» контроллер, который пересчитывает его длительность во время открытия газовых форсунок с учетом давления абсолютного газа на их входе. Управление зажиганием и остальными исполнительными устройствами системы управления двигателем осуществляется «бензиновым» контроллером одинаково для обоих режимов питания.

Топливный газовый насос работает в 5-скоростном режиме. Управление двигателем насоса осуществляет «газовый» контроллер, формируя шаговоимпульсный сигнал (ШИМ). Силовая электроника управления асинхронным без щёточным электродвигателем насоса смонтирована на крышке насоса. Схема осуществляет декодирование ШИМ сигнала, формирование импульсов управления электродвигателем и диагностику двигателя с выдачей диагностического сигнала в контроллер.

«Газовый» контроллер содержит силовые драйверы газовых форсунок и эмуляторы бензиновых форсунок в режиме питания «газ», кроме того, контроллер выдает питание на переключатель режима и управляет двумя интегрированными в переключатель светодиодными сигнализаторами.

Кроме функций формирования сигнала запроса на переключение режима питания газ-бензин и индикации режима, переключатель индицирует уровень сжиженного газа в баллоне. Переключатель имеет сегментный индикатор уровня и электронную схему управления этим индикатором, осуществляющую прием и преобразование аналогового сигнала уровня напряжения от датчика уровня газа в баллоне. Переключатель имеет также встроенный фотоэлемент, по сигналу которого яркость свечения индикатора и сигнализаторов, встроенных в переключатель, регулируется в зависимости от освещенности.

Преимущества этой системы:

- калибровка системы впрыска газа выполняется от 2 до 5 дней, т.к.

основная программа управления топливоподачей, включая лямбда-регулирование, выполняется «бензиновым» контроллером;

- отсутствует потеря мощности на режиме газового питания по сравнению с бензиновым питанием;

- отсутствует возможность воспламенения смеси во впускном коллекторе (обратные вспышки);

- система может быть применена на любых современных двигателях (от Fiat Punto 1,2 литра до Ford F150 5,4 литра V8).

Фирма Koltec (Netherlands) создала систему MEGA (Multipoint Electronic Gas Injection) распределенного впрыска LPG 3-го поколения [2], которая имела следующие преимущества перед системами 1 и 2 поколения: устранена возможность хлопка; повторяемость системы; не требуется регулировки;

самообучение; обеспечиваются нормы токсичности Евро-3; программно решены вопросы по переходу с бензина на газ и обратно.

В системе MEGA использованы пассивные форсунки, установленные перед впускными клапанами, центральный дозатор-распределитель, редуктор, запорный и отсечной клапаны, контроллер, переключатель режима питания, датчики абсолютного давления, положения коленчатого вала, дроссельной заслонки, кислорода в отработавших газах.

Пассивные форсунки для менее нагретых двигателей имеют пластмассовый корпус и работают при перепаде давления 100 кПа. Форсунки для более нагретых двигателей имеют алюминиевый корпус и работают при перепаде давления кПа. Форсунки рассчитаны на предельное давление 500 кПа.

Дозатор-распределитель газа на 6 цилиндров имеет шаговый мотор для привода поршня, перекрывающего профилированные каналы распределителя.

При использовании на двигателях с числом цилиндров меньше 6, лишние каналы заглушаются. Дозатор-распределитель имеет встроенный отсечной электромагнитный клапан.

Редуктор-испаритель относительно давления во впускном тракте двигателя. При возрастании нагрузки на двигатель давление газа возрастает до 196 кПа. Имеется пневматическая связь за дроссельного пространства с регулятором давления для увеличения давления за редуктором при увеличении нагрузки на двигатель.

Контроллер системы MEGA управляет только подачей газа. Все остальные функции, включая бортовую диагностику второго уровня, выполняет «бензиновый» контроллер. Фирма проводит свои разработки с контроллерами Delco Electronics Europe (EFI-4, ITMS-6U).

По утверждению фирмы, потери мощности двигателя при работе на LPG составляют 2% по сравнению при работе на бензине.

Для выполнения норм Евро-3 и Евро-4 фирмой Koltec разработана система SGI (Sequential Gas Injection) 4-го поколения с электромагнитными газовыми форсунками.

(Нидерланды):

- электромагнитная форсунка мембранного типа (мембрана из материала Viton, профильная, со встроенной металлической пластиной из магнитного материала); серийно выпускается фирмой «Sagem» в последствии «Djonson Controls» во Франции; статический расход определяется проходным отверстием (статический расход LPG – 28,3/37,7/47,1 мг/впрыск); динамическая настройка отсутствует, т.к. нет пружины (это требует высокой точности изготовления мембран); форсунка сертифицирована для работы на природном газе и на пропанбутане; гарантированный ресурс 250 тыс. км;

- редуктор двухступенчатый, с подогревом охлаждающей жидкостью, со встроенным датчиком абсолютного давления газа на выходе;

- рампа газовая изготавливается из полиамида РА66, максимальное давление 270 кПа;

- переключатель режима питания – индикатор уровня (давления) газа содержит кнопку-включатель сигнала запроса на переключение режима питания светодиодный индикатор уровня (давления) газа; переключатель содержит фотодатчик и встроенную электронику, обеспечивающую регулирование яркости свечения индикаторов в зависимости от внешнего освещения;

- звуковой зуммер для сообщения водителю о состоянии системы (переход с одного режима питания на другой, снижение уровня газа ниже минимального значения, снижение давления газа на выходе из редуктора, разрыв трубопровода);

- блок управления подачей газа изготавливается французской фирмой «Sagem», он принимает и обрабатывает сигналы датчиков кислорода в отработавших газах, положения коленчатого вала, нагрузки на двигатель, температуры охлаждающей жидкости, давления газа на выходе из редуктора, он также принимает сигнал управления бензиновыми форсунками и выдает сигнал управления газовыми форсунками на интерфейсный блок;

- интерфейсный блок в режиме газового питания управляет газовыми форсунками, а также включает балластные резисторы в цепи управления бензиновыми форсунками для исключения срабатывания последних и управления бензиновыми форсунками.

1.2.5. Преимущества и недостатки топливных систем для выполнения С целью удешевления работ по адаптации своих систем ГБО на автомобили различных производителей, выполняющих нормы токсичности Евро-3 и Евро-4, голландская фирма «AutoGas» ввела в систему управления дополнительный электронный блок управления. Это позволило унифицировать комплект ГБО и выполнять калибровку подачи газа в двигатель любого автомобиля, не имея доступа к программному обеспечению конкретной системы управления.

«Газовый» контроллер принимает сигналы управления бензиновыми форсунками от контроллера серийной системы управления подачей бензина. Весь процесс калибровки подачи газа заключается в подборе статического коэффициента топливоподачи и коррекции по устранению влияния параметра топливной пленки.

При выбранном водителем режиме газового питания пуск и прогрев двигателя выполняется на бензине. Переход на питание двигателя газом осуществляется автоматически на прогретом двигателе. Это позволяет:

- исключить необходимость калибровки подачи газа на этих режимах;

- обеспечить нормальный температурный режим работы редуктора;

- исключить эффект закоксовывания бензиновых форсунок.

Фирма «AutoGas» рекомендует выполнять пуск двигателя на бензине ввиду необходимости периодического включения в работу бензиновых форсунок. При постоянной эксплуатации автомобиля на газе бензин, оставшийся в форсунках, под действием температуры может закоксовывать отверстия в жиклёре. В результате этого бензиновые форсунки выходят из строя. Фирма «AutoGas» не исключает возможность пуска на газе, но рекомендует периодически (по меньшей мере, один раз за поездку) переходить на бензин (в ручном или автоматическом режиме) для очистки бензиновых форсунок.

При работе на LPG управление зажиганием обеспечивается «бензиновым»

контроллером так же, как и при работе на бензине, поскольку «скорость горения LPG незначительно отличается от скорости горения бензина»;

Такой подход позволяет быстро добиться выполнения заданных требований к ездовым качествам и токсичности отработавших газов, включая Евро-4. Весь процесс калибровки подачи газа занимает несколько дней. Запись программы в газовый электронный блок управления двигателем автомобиля, находящегося в любой точке мира у дилера, осуществляется с использованием телефонной связи через модем с персонального компьютера, находящегося на «AutoGas»

(Нидерланды).

1.3 Проблемы, возникающие при создании газовых автомобилей 1.3.1 Определение циклового наполнения цилиндров воздухом Логика электронного управления двигателем внутреннего сгорания построена на определении циклового расхода воздуха, поступившего в конкретный цилиндр по измеренному интегральному значению массового расхода воздуха или измеренным интегральным значениям давления и температуры воздуха на впуске, описанных в работах Гирявца А.К. [17, 18], Теремякина П.Г. [116], фирмы ГИГ-Инжиниринг [57] и др. По данной величине циклового расхода воздуха контроллер производит вычисление требуемого количества циклового расхода топлива.

Необходимо отметить, что логика вычисления требуемого циклового расхода топлива может быть построена на других принципах:

- величинах изменения абсолютного значения, изменения скорости и ускорению ионных токов, протекающих через датчик ионных токов или свечу зажигания в процессе сгорания воздушнотопливной смеси в конкретном цилиндре двигателя;

- по значениям скорости и ускорения изменения давления в процессе сгорания воздушнотопливной смеси в конкретном цилиндре двигателя.

Все вышеназванные методы управления двигателем имеют свои недостатки, заключающиеся в том, что вычисление циклового расхода топлива производится по устаревшим данным для конкретного цилиндра, т.е. по прошедшему рабочему циклу. В этом случае необходим алгоритм прогноза работы данного цилиндра двигателя, как по параметрам соседних цилиндров, так и по сигналам от внешнего управления и сигналов параметров состояния двигателя и окружающей среды.

Для систем впрыска топлива, как во впускную трубу, так и при непосредственном впрыске в цилиндр, актуален метод управления по цикловому наполнению цилиндров воздухом. Для газовых видов топлив имеются свои особенности определения циклового наполнения связанные с большим значением абсолютного значения объёма занимаемого газовым топливом.

1.3.2 Метод выбора расходной характеристики форсунки В работе В.Э. Коганера [52] приведён предварительный метод выбора производительности электромагнитных форсунок в статической и динамической точках в зависимости от расхода воздуха. Данный метод не учитывает особенностей конкретных двигателей и конкретных конструкций форсунок, а также точности поддержания перепада давления топлива на клапанной паре форсунки с помощью регулятора давления [188]. Постоянное ужесточение норм по токсичности приводит к необходимости постоянного совершенствования конструкции форсунок и двигателей. При этом требуется ужесточать технические требования к форсункам, что, в свою очередь, приводит к их удорожанию. Для каждого типа двигателя в зависимости от литрового объёма или назначения, например, для спортивного автомобиля, требуется индивидуальная подборка форсунок, как по расходным, так и по временным характеристикам [43, 99].

Необходимо отметить, что форсунки для двигателей с разным литровым объёмом работают в разных диапазонах линейной характеристики (рис.1.1) и разной логике включений (одинарный, двойной и т.д. впрыск). Это не обеспечивает необходимой точности дозирования топлива, а значит и оптимальных параметров двигателя. Оптимальный подбор форсунок [142] к конкретным двигателям позволит при той же их стоимости обеспечить требуемые параметры, как по мощности, так и по токсичности.

Одним из примеров являются двигатели для спортивных автомобилей [99], которые вместе с требованиями по токсичности должны обладать и специальными требованиями и характеристиками (обеспечение мощностных характеристик при повышенной частоте вращения коленчатого вала).

При выборе форсунок необходимо рассмотреть три вопроса:

- метод выбора статического и динамического расходов топлива;

метод сравнения расходных характеристик форсунок различных производителей;

- методы задания расходной характеристики форсунок в электронном блоке управления двигателем.

Цель - снизить затраты на подбор форсунок к конкретным двигателям, а также снизить затраты при проведении калибровочных работ.

Рис. 1.1 Отклонения расхода 4 форсунок фирмы «Bosch» EV-1.3 от линейной зависимости полученной методом наименьших квадратов в зависимости от ширины импульса впрыска:

- область менее 2,5 мс имеет высокие отклонения;

- рекомендуемая область работы форсунок от 2.5 мс до 9 мс;

- область более 9 мс имеет высокие отклонения.

1.3.2.1. Метод выбора статического и динамического расходов топлива Период впрыска топлива представляет собой обратную зависимость от частоты вращения коленчатого вала двигателя (рис. 1.2): = 1/n. Поэтому минимальный период впрыска будет наблюдаться на максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Минимальный период впрыска:

- для спортивного поршневого двигателя при n = 7000 мин-1 – мин = 8,57 мс;

- для спортивного поршневого с повышенной частотой вращения - для роторного и газотурбинного с пульсирующими камерами сгорания двигателей при n = 10000 мин-1 – мин = 6,0 мс.

Это обстоятельство накладывает ограничение на максимальное время впрыска, которое зависит ещё и от времени закрытия форсунки.

Рис. 1.2 Минимальный период впрыска мин и максимальная ширина импульса tмакс в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя n.

Время закрытия форсунок выпускаемых различными производителями находится в пределах: от 0,75 до 0,83 мс (в примере примем tзакр = 0,8 мс). Тогда получим (рис. 1.2):

- для спортивного с повышенной частотой вращения коленчатого вала – tмакс = 6,1 мс;

Эти значения максимального времени впрыска и определяют верхнее значение линейности расходной характеристики форсунки. Т.е. для спортивных двигателей не требуются качественно дорогие форсунки с линейным диапазоном до 9,2 мс, а достаточно в зависимости от nмакс – 7,77 мс или 6,1 мс.

Зная значение максимального времени впрыска топлива и зная расходную характеристику форсунок можно определить её применимость к конкретному двигателю. При постоянном значении коэффициента избытка воздуха новое значение статического расхода топлива форсунки для двигателя с повышенной частотой вращения коленчатого вала оцениваем следующим образом (рис. 1.3).

Определяем расход топлива для обеспечения повышенной частоты вращения коленчатого вала по следующему выражению:

Gn макс новое = Gn макс исход Gвозд новое / Gвозд исход = Gn макс исход Кв nмакс новое / nмакс исход, где Кв – коэффициент изменения наполнения цилиндров воздухом из работы [17].

Рис. 1.3. Выбор статического расхода топлива через электромагнитную форсунку при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя с 6000 до 7000 мин-1.

– линия для пересчета статического расхода форсунки;

Пример: Необходимо увеличить частоту вращения коленчатого вала двигателя с 6000 мин-1 до 7000 мин-1.

Примем Кв = 1,036 из [17] стр.75 тогда получим:

Gn макс новое = 1,583 1.036 7000 / 6000= 1,913 г/с.

Gстатика = (Gn макс новое - Gдинамич) (tстат - tдинам) / (tnмакс - tдинам) + Gдинамич = (1,913 - 0,346) (10-2,5) / (7,77 - 2,5) + 0,346 = 2,576 г/c.

Находим точку В с координатами (Gn макс новое, tмакс новое) на рис. 1.3, где tмакс.новое – максимальное значение ширины импульса впрыска для обеспечения повышенной частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Выбираем значение расхода в точке динамической настройки для обеспечения режима работы двигателя на холостом ходу (рис. 1.3, точка «Х»). И далее, соединив эти точки «В» и «Х» и, продлив прямую до пересечения с линией сетки координат, проходящей через t = 10 мс, получаем новое значение статического расхода при повышенной частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Завышение статического расхода форсунок приведёт к сложности получения требуемой токсичности из-за увеличения градиента наклона расходной характеристики форсунки, т.е. малая погрешность расчёта времени впрыска в контроллере приведёт к большой погрешности цикловой подачи топлива.

Занижение статического расхода ведёт к недобору мощности и максимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя.

По значению максимального времени впрыска определяем потребный коленчатого вала двигателя требует или увеличения числа одновременно впрыскивающих форсунок, или увеличения статического расхода. Увеличение статического расхода приводит к увеличению наклона характеристики форсунки.

При этом, во первых, требуется корректировка калибровочных таблиц по динамическим характеристикам двигателя, т.к. это отразится при разгоне автомобиля. Во вторых, увеличение наклона расходной характеристики ухудшит точность дозирования топлива, т.к. малое изменение расчётной величины импульса открытого состояния форсунки ведёт к значительному изменению расхода (dG/dt).

Выбор значения расхода в точке динамической настройки осуществляется в зависимости от потребной частоты вращения коленчатого вала двигателя на режиме холостой ход.

1.3.2.2 Метод сравнения расходных характеристик форсунок Из-за различных возможностей фирмы, производящие и применяющие электромагнитные форсунки, используют разные испытательные жидкости: nгептан, Stoddard, минеральные спирты, ЖТК-3, фольгол или газы: воздух, азот, гелий, метан и т.д. [41, 42, 58, 84, 85, 86, 141], а также разные испытательные стенды. Поэтому численные значения расходных характеристик форсунок различных фирм могут в значительной степени отличаться друг от друга [97].

Приведение расходов форсунок по физическим параметрам испытательных сред даёт высокое рассеивание полученных результатов, т.к. кроме плотности оказывает влияние её вязкость, учесть влияние которой расчётным путём практически сложно. Наиболее приемлем способ приведения параметров по характеристикам эталонных форсунок:

где К1 = 1 + [dGi/(100 i)] – коэффициент отклонения значения расхода конкретных эталонных форсунок от номинального по техническим условиям;

– отклонения расходов в процентах, полученные у производителя форсунок на его испытательной жидкости;

– число эталонных форсунок (обычно больше или равно 4);

К2 = Gi/(i·Gсредн) – коэффициент отклонения конкретных эталонных форсунок (4 шт.) от среднего значения, полученного в испытаниях, более или равного 24 форсунок на новой испытательной жидкости отличной от производителя;

Gсредн = (Gк)/24 – среднее значение расхода;

3 – дисперсия нормального распределения.

Для уменьшения объёма производимых испытаний приведение расходов обычно делают только в точках настройки и контроля. Для определения ширины линейного диапазона приведения параметров не требуется, т.к. смещение линейной зависимости относительно осей не влияет на ширину линейного диапазона. На рис. 1.4 показаны расходы через форсунку на разных испытательных средах.

электромагнитных форсунок состоит в следующем:

- получение от изготовителя партии форсунок более или равно 24 шт. со значениями расхода определённого производителем на своей испытательной жидкости или газе;

- проведение испытаний партии форсунок (24 шт.) на новой испытательной среде, отличной от среды производителя по всем основным параметрам;

- вычисление средних значений расходов и определение дисперсии нормального распределения.

Рис. 1.4. Расходная характеристика электромагнитных форсунок на разных испытательных жидкостях G1 – характеристика эталонных форсунок полученная у производителя методом наименьших квадратов, например по 24 форсункам;

G2 – средняя характеристика 4 эталонных форсунок используемых для сравнения;

G3 – характеристика эталонных форсунок полученная у потребителя методом наименьших квадратов, по тем же 24 форсункам;

G4 – средняя характеристика 4 эталонных форсунок, используемых для сравнения (получена у потребителя).

1.3.2.3 Метод задания расходной характеристики электромагнитной форсунки в электронном блоке управления двигателем Погрешность вычисления расхода в контроллере управления двигателем связана со свободным членом уравнения идеальной линейной зависимости и наклоном рабочей характеристики.

Рассмотрим, например, уравнение идеальной линейной зависимости форсунок для двигателей автомобилей Lada, полученное на испытательной жидкости ЖТК-3:

Построим дополнительно линейные расходные характеристики (рис. 1.5):

G2 = 0,168 t – проходит через точку статического расхода;

Смещение характеристики вниз на значение свободного члена уравнения связано с предварительным натягом пружины клапанной пары форсунки.

Рис. 1.5. Варианты задания расхода топлива в электронном блоке управления:

В ЭБУ расходная характеристика задаётся только одной точкой или углом её наклона G1. Поэтому и начальная погрешность вычисления расхода топлива и ширина импульса, подаваемого на ЭМФ в этих, вышеназванных 4 случаях различна. При проведении калибровочных работ для повышения точности дозирования корректируют угол наклона рабочей характеристики форсунки, т.к.

отклонения имеют значительную величину (рис. 1.6 – dG1, %). При ширине импульса 2,5 мс погрешность составляет около 21%, а при ширине 9,2 мс около 5%.

Если линия расхода задана функцией G2 (G2 рис. 1.5 и dG2 рис. 1.6), которая проходит через точку статического расхода, то погрешность вычисления расхода топлива по сравнению с первым вариантом меньше, но также имеет значительную величину: при 2,5 мс – около 15,8%, при 9,2 мс – около 0,4%.

Третий вариант задания расходной характеристики это линия, проходящая через координаты (0,0) и точку расхода при ширине импульса 2,5 мс. Тогда отклонение в точке 2,5 мс будет 0%, а в точке 9,2 мс около 13,3%.

Рис. 1.6. Отклонения расхода топлива от G0= 0,1752 t – 0,076 при различных вариантах задания функции: G1 = 0,175168 t; G2 = 0,1675458 t; G3 = 0,144679 t Если задание линии будет реальным G0 (G0 на рис. 1.5), то погрешность вычисления расхода будет минимальна, при этом потребуется меньший объём калибровочных работ, связанных с корректировкой подачи топлива из-за грубого начального задания характеристики электромагнитной форсунки.

Форсунки фирмы “Bosch” имеют в линейном диапазоне 3 участка с разным наклоном расходной характеристики. Это связано с конструктивными особенность форсунок фирмы “Bosch” также можно учесть, задав в алгоритме вычисления 3 уравнения. Влияние напряжения питания электромагнитных форсунок показано в работе [114].

Развитие данного направления позволит снизить требования к производителю форсунок по точности дозирования топлива, что, в свою очередь, снизит их стоимость.

1.3.3 Влияние газового топлива на мощность и крутящий момент Проблема обеспечения соответствия современных двигателей перспективным нормам по токсичности отработавших газов привела к работам по использованию альтернативных газовых топлив (метан, пропан-бутан, синтез газ и т.д.) и разработке систем их подачи. Использование газовых топлив при неизменной конструкции двигателя приводит к снижению его мощности и крутящего момента. Это обусловлено объективными причинами. Так, например, метан в смеси с воздухом горит только при его содержании от 5 до 15% объёмных долей. Т.е. для оптимального горения и выполнения норм по токсичности отработавших газов необходимо поддерживать стехиометрическое соотношение топливной смеси. Для метана стехиометрический коэффициент составляет 9,53 для объёмных долей горючего и воздуха. Этот коэффициент показывает, что почти 10% объёма поступающей в цилиндр двигателя смеси составляет метан, который не позволяет получить достаточного наполнения цилиндров воздухом. Бензин поступает в цилиндры частично в жидком состоянии, частично в паровом состоянии, поэтому его объёмная доля в смеси с воздухом не превышает от 0,5 до 1% в зависимости от температурного состояния двигателя, окружающей среды и его физических свойств.

На современных, без конструктивных доработок двигателях, потери мощности и крутящего момента при работе на природном газе составляют от до 25% по сравнению с работой на бензиновом топливе. По ГОСТ Р допустимые потери составляют 20%. В период перехода к новому газовому топливу предполагается выпуск двухтопливных автомобилей, работающих как на бензине, так и на природном газе. Это обстоятельство сужает рамки возможных доработок конструкции двигателя.

Формулирование проблемы Существуют различные способы получения требуемой мощности и момента двигателя работающего на природном газе. Природный газ имеет большую низшую теплоту сгорания по сравнению с бензином (бензин: Hu 42912 кДж/кг, природный газ: Hu 50108 кДж/кг). Использовать возможность большего значения низшей теплоты сгорания природного газа для повышения мощности необходимо путём увеличения степени сжатия в двигателе до 12,5…15 [174]. Это приемлемо для однотопливного газового двигателя или двигателя с переменной степенью сжатия воздушнотопливной смеси. Для двухтопливного варианта потребуется использование высокооктанового бензина (октановое число более или равно 98). Это необходимо для без детонационной работы двигателя с высокой степенью сжатия 12,5 на бензине. Например, фирма Опель выпустила серийный газовый однотопливный автомобиль Опель Астра Караван [95] с двигателем со степенью сжатия 12,5, который может работать на бензине с октановым числом 95. Этот автомобиль имеет резервный 14 литровый бензиновый бак для докатки автомобиля до газовой заправки.

Другим путём увеличения мощности двигателя при работе на природном газе является установка турбо или электронагнетателя воздуха [174], т.е.

принудительный наддув для повышения коэффициента наполнения цилиндров.

Третьим путём является использование более мощного, например, вместо 1,6 литрового применение 1,8 литрового двигателя, имеющего мощность и крутящий момент при работе на газе такие же, как на бензине у 1,6 литрового двигателя.

Кроме этих вариантов имеются конструктивные способы увеличения мощности двигателя на газовом топливе. Для улучшения наполнения цилиндров воздухом необходимо: снижать гидравлические сопротивления системы впуска;

оптимизировать места подвода газового топлива; обеспечивать фазированный впрыск газа; снижать температуру воздушного заряда на впуске и иметь наиболее низкую оптимальную температуру впрыскиваемого газового топлива.

Снизить гидравлические сопротивления системы впуска можно путём использования пластиковых труб, имеющих хорошую чистоту внутренней поверхности воздушных каналов, а также оптимизация их длин и местных сопротивлений. Кроме этого можно снизить сопротивление воздушного фильтра путём развития его поверхности. Эти мероприятия можно реализовать на этапе проектирования нового двигателя и не всегда можно реализовать, когда двигатель уже серийно выпускается с конвейера завода.

Понижение температуры воздушного заряда проблематично из-за сложности и дороговизны системы кондиционирования воздуха. Понижение температуры газового топлива до оптимального значения возможно путём снижения подогрева газа в газовом редукторе. Подогрев газа в редукторе необходим только для влажного природного газа для того, чтобы не примерзала клапанная пара. Поэтому необходимо организовать местный подогрев клапанной пары редуктора до температуры выше точки росы. Это осуществляют или использованием охлаждающей жидкости из рубашки двигателя, или применением электрических нагревательных элементов – позисторов. Второй случай более привлекателен тем, что в летний период в зависимости от температуры двигателя (окружающей среды) подогрев можно отключать с помощью электронного блока управления двигателем. Отключение охлаждающей жидкости от редуктора в летний период возможен путём использования специального термостата, например, установленного на входе жидкости в газовый редуктор. Работы по созданию автомобильных редукторов для природного газа с использованием электроподогрева ведутся несколькими фирмами, например ООО «САГА-В» под руководством В.А. Щербинина.

Фазированный впрыск природного газа необходим для того, чтобы газовые форсунки с высоким перепадом давления работали как эжекторные компрессоры при впуске воздушного заряда в цилиндры двигателя.

Одна из целей данной работы: снижение потерь мощности и крутящего момента двигателя с двухтопливным питанием с ЭСУД при работе на природном газе путём оптимизации места и направления подвода газового топлива через электромагнитные газовые форсунки.

Описание экспериментальной модели Для экспериментального исследования были изготовлены два варианта подвода природного газа. В первом варианте рампа с газовыми форсунками была изготовлена в теле воздушного впускного ресивера. В этом случае, впрыск газа осуществлялся через газовые электромагнитные форсунки с перепадом давления 300 кПа перпендикулярно воздушному потоку во впускные каналы в 50 мм от выхода из ресивера и в 300 мм от впускных клапанов двигателя. Во втором варианте газовая рампа с форсунками была изготовлена отдельно и установлена над рампой бензиновых форсунок. Выходные штуцера газовых форсунок через смонтированными в воздушном впускном трубопроводе примерно за 100 мм до впускных клапанов двигателя. Направление выхода впрыскиваемого газа во впускной трубопровод по потоку воздуха составляло с его осью движения угол использовалась на эжекцию впускаемого воздуха для улучшения наполнения цилиндров. Измерения мощности и крутящего момента проводилось при стехиометрическом составе смеси.

Результаты экспериментальных исследований График изменения потерь мощности и крутящего момента двигателя с электронной системой управления при работе на газовом топливе с двумя вариантами подвода газа во впускную трубу представлен на рис.1.7. Достигнутые значения снижения потерь мощности и крутящего момента при оптимизации места впрыска газового топлива составили: среднее интегральное значение 4% (N и M2) по внешне скоростной характеристике (ВСХ).

Различие в поведении характеристики можно объяснить следующими причинами:

1. Из-за колебательных процессов воздушного заряда во впускной системе двигателя возникают неблагоприятные условия по наполнению цилиндров воздухом в диапазонах от 2100 до 2500 и от 5000 до 5400 мин-1, где наблюдается минимальный прирост мощности и крутящего момента двигателя (до 2%) и благоприятные условия при частоте вращения коленчатого вала выше 5400 мин-1, где прирост мощности и крутящего момента двигателя максимальны (до 13%).

Рис. 1.7. Потери мощности dN двигателя на природном газе в двух вариантах подвода газа. 1 - подвод газа перпендикулярно потоку воздуха, 2 – подвод газа по потоку 2. Расходная характеристика газовых форсунок обеспечивала оптимальный впрыск газа на открытый клапан с существенным влиянием эффекта эжекции воздуха на впуске от 850 до 4500 мин-1, при этом эффект эжекции стал вносить меньшее влияние, начиная с 3500 мин-1, т.к. газовая форсунка открывалась до момента начала открытия впускного клапана. Теоретически снижение доли влияния эжекции, в рассматриваемой конструкции, должно начинаться с частоты 3000 мин-1, т.к. при этом достигалось значение равенства времён открытого положения впускного клапана и времени впрыска через форсунку газового топлива, необходимого для стехиометрического состава смеси. Смещение в сторону большей частоты вращения коленчатого вала (с 3000 до 3500 мин-1) объясняется длительным временем открытия газовой форсунки (4,2 мс).

В диапазоне частот вращения коленчатого вала от 4500 до 5400 мин-1 доля впрыскиваемого газа через форсунки на закрытый впускной клапан существенна, по сравнению с долей газа впрыскиваемого на открытый клапан, поэтому повышение мощности и крутящего момента не велико и составляет около 2%.

Представленные результаты экспериментальных исследований показывают важность выбора места и направления подвода газового топлива от газовых форсунок во впускной трубопровод двигателя для получения максимальных мощности и крутящего момента.

1.3.4 Загрязнение атмосферы при использовании природного газа Режим работы двигателя определяется выбранными параметрами его управления, включающих: сочетание командных параметров; параметров характеризующих состояние двигателя; параметров, определяющих состояние трансмиссии автомобиля, а также параметров, характеризующих работу системы подачи газового топлива, объединённых единой целью в стратегии управления эффективности рабочего процесса, описанных в работах Крутова В.И. [59], Кульчитчкий А.Р. [61], Клементьев А.С. [62], Морозова В.А. и Мельникова А.Н.

[69], Daniel Mandineau [195] и др. Для систем управления под нормы токсичности Евро-1 не требовалось для обеспечения двигателем требуемой эффективной мощности добиваться снижения токсичности отработавших газов на переходных режимах работы и на максимальных нагрузках. Требования норм Евро-2 и выше по токсичности отработавших газов уже невозможно выполнить при таком подходе к системе управления двигателем. Необходимо точно управлять топливоподачей с учётом прогноза его изменения на переходных режимах работы двигателя и показаний датчика кислорода в отработавших газах, например показанных в работе Akio Mizutani, Teppei Okawa и Hiroshi Matsuzaki [198] и др.

авторов. Для бензиновых двигателей это осложняется наличием топливной плёнки на стенках впускной трубы и цилиндрах двигателя, которая переменна во времени в зависимости от многих факторов, например, температуры стенок, воздуха и топлива, описанных в работе Чикишева Е.М. и Анисимова И.А. [128];

динамики движения воздушного заряда; наличия команды на ускорение, замедление или наличия принудительного холостого хода.

1.3.4.1 Состав выбросов отработавших газов из автомобилей на природном Состав выбросов отработавших газов при работе на природном газе [3, 170] практически мало отличается от состава ОГ при работе на бензине (для бензинов химическая формула СmНn, отношение n/m = 2…2,7). Основное отличие, при одинаковых оптимальных условиях сгорания топлив с соответствующей конструкцией двигателя как для бензина, так и для природного газа, заключается в количественном содержании оксида (СО) и диоксида углерода (СО2), которых меньше от 23 до 28% (разброс обусловлен химическим составом бензина и природного газа, наличием в нём более тяжёлых, чем метан, углеводородов) из-за малого содержания углерода в химической формуле метана СН4. Под оптимальной конструкцией двигателя для природного газа понимается повышенная степень сжатия от 12,5 до 15 по сравнению с бензиновым двигателем, где степень сжатия от 9 до 11,5. Под оптимальными условиями сгорания понимается сгорание стехиометрической смеси топлива с воздухом (средние значения: для бензина в массовых долях Lo 14,6, для природного газа в массовых долях Lo 16,15 и в объёмных долях lv 9,53). В связи с тем, что отношение атомов водорода к атомам углерода в летнем бензине может составлять 2 единиц, то и максимальное значение, которое можно достичь по снижению выбросов СО и СО2 при переходе с бензина на метан до 28%. Далее для снижения выбросов СО и СО2 [179] необходимо снижать расход топлива и использовать другие виды топлив (например, чистый водород) и энергий (например, электроэнергию).

Количество выбросов СН для природного газа, по тем же обстоятельствам, так же как и выбросов оксидов и диоксидов углерода меньше на от 23 до 28%, чем при работе на бензине, это показано в работе голландского института TNO [183].



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 


Похожие работы:

«Чигиринский Юлий Львович ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ МНОГОПЕРЕХОДНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРОЕКТИРУЮЩЕЙ ПОДСИСТЕМЫ САПР ТП 05.02.08 – Технология машиностроения 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении) диссертация на...»

«Сидоров Михаил Михайлович Влияние ультразвуковой ударной обработки на механические свойства и перераспределение остаточных напряжений сварных соединений трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки...»

«Кикин Андрей Борисович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДЛЯ СТРУКТУРНОКИНЕМАТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность) Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук V ;г, 7 Г.^ТЗ ~ \ Научный консультант ^' '^-^•'-^зн(-,1\^/1\. 1 и1'^А, 5 д.т.н. проф. Э.Е. Пейсах „, Наук Санкт-Петербург...»

«КАНАТНИКОВ НИКИТА ВЛАДИМИРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЗУБОСТРОГАНИЯ ПРЯМОЗУБЫХ КОНИЧЕСКИХ КОЛЕС Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических...»

«УДК 533.695, 629.7.015.3.036 Кажан Егор Вячеславович Комбинированный метод численного решения стационарных уравнений Рейнольдса и его применение к моделированию работы воздухозаборника вспомогательной силовой установки в компоновке с фюзеляжем летательного аппарата Специальность 05.07.01 Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов Диссертация на соискание учной степени кандидата...»

«Карапузова Марина Владимировна УДК 621.65 ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ПОДВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Специальность 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук Научный руководитель Евтушенко Анатолий Александрович канд. техн. наук, профессор Сумы – СОДЕРЖАНИЕ ПЕРЕЧЕНЬ...»

«ГОРЕЛКИН Иван Михайлович РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОМПЛЕКСОВ ШАХТНОГО ВОДООТЛИВА Специальность 05.05.06 – Горные машины Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель...»














 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.