Screenshot from 2020-05-23 18-05-07

Система контроля соотношения «воздух/топливо» для газодизельных двигателей.

Исторически сложилось, что газодизельные решения должны быть максимально простыми и дешевыми. Такой подход диктовался прежде всего экономическими соображениями так, как конверсии подвергались восновном бывшие в употребление машины с маленьким остаточным сроком службы. И он безусловно оправдан. Не стоит забывать и о надежности, по настоящему надежны только простые решения.

Каждое новшество и усложнение систем с большим трудом пробивало себе дорогу в жизнь. Первое поколение газодиельных систем не имело даже средств контроля подачи дизельного топлива ( эмуляция педали или упраление давлением для топливной аппаратуры common rail ). Однако, производителям и клиентам достаточно быстро стало понятно, что без уменьшения количества подаваемого топлива практически не возможно добится замещения выше 40%. И системы эмуляции нажатия на педаль газа стали использоваться в газодизельных комплектах повсеместно.

 Очередным претендентом на новый стандарт «де факто» для газодизельных систем является воздушная заслонка.  

Для понимания причины важность регулирования количества подаваемого воздуха придется немного углубится в теорию.

Понятие о регулировании ДВС ( качественное и количественное регулирование ). [1]

Первый способ регулирования ДВС — изменение массы свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя. В этом случае для понижения мощности двигателя уменьшают массу свежего заряда без изменения состава горючей смеси. Такой способ регулирования называется количественным регулированием и практически осуществляется путем установки дополнительного сопротивления в виде дроссельной заслонки во впускном трубопроводе. В результате дросселирования свежего заряда давление его уменьшается. Чем больше прикрыто проходное сечение, тем выше сопротивление впуска и меньше наполнение цилиндра, а следовательно, развиваемая двигателем мощность.
Существенным недостатком количественного регулирования является увеличение насосных потерь вследствие дросселирования и значительное снижение давления в конце сжатия при работе на малых нагрузках. К преимуществу этогоспособа регулирования следует отнести то, что при этом можно выбрать рациональный коэффициент избытка воздуха, обеспечивающий хорошее сгорание топлива на всех режимах работы двигателя.

При втором способе регулирования — остается постоянным количество воздуха,поступающего в цилиндр, но меняется расходвпрыскиваемого через форсунку топлива, что приводит к изменению качества горючей смеси, а следовательно, теплоты сгорания горючей смесии развиваемой двигателем мощности. Этот способ регулирования называется качественным регулированием. Ввиду того, что расход воздуха, поступающего в цилиндр, с изменением нагрузки остается постоянным, при качественном регулировании давление ра в цилиндре в конце впуска, давление рс в конце сжатия и температура Тс в конце сжатия при одной и той же частоте вращения не меняются.
Значительное изменение состава горючей смеси при качественном регулировании обусловливает невозможность его применения в двигателях с внешним смесеобразованием: при увеличении коэффициента избытка воздуха обедняется горючая смесь, что приводит к понижению скорости сгорания, мощности и ухудшениюэкономичности двигателя. При слишком обедненной смеси появляются пропуски зажигания, работа двигателя становится неустойчивой и возможна его остановка.Специфические особенности образования рабочей смеси и процесса сгоранияв дизелях определяют возможность быстрого воспламенения и полного сгорания топлива при больших коэффициентах избытка воздуха.
Третьим способом является способ регулирования, применяемый в газовых двигателях — так называемое смешанное регулирование.При смешанном регулировании увеличения или уменьшения мощности в области больших нагрузок достигают путем изменения состава смеси в пределах допустимых значений а, в области малых нагрузок — путем изменения расхода смеси.

Понятие о стехеометрическом соотношении. Процессы сгорания дизельного топлива

Стехиометрическая горючая смесь — смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего.[3]

Стехиометрическая смесь обеспечивает полное сгорание топлива без остатка избыточного окислителя в продуктах горения. Исходя из содержнания C и H2 в ДТ можно вычислить, что для сгорания 1 кг дизельного топлива требуется 14,5 кг воздуха, а для сгорания 1 кг чистого метана 17,2 кг воздуха.

Практически же для полного сгорания в цилиндры дизеля подается воздуха СУЩЕСТВЕННО больше, чем теоретически необходимо. Это вызывается тем, что дизельное топливо даже при самых современных технологиях распыления, остается каплей, но не молекулой ( см. иллюстрацию ниже [2]).
Съемка высокоскоростной камерой струи дизельного топлива
Горение этой капли осуществляется только в очень маленьклм «шарике» воздуха вокруг этой капли. Дизелю всегда нехватает воздуха, по этому на дизелях и нет воздушных залонок ( на самом деле иногда бывают, для исключения белого дымления при запуске или для обеспечения каких-то экзотических режимов, связанных с экологическими требованиями.) Собственно из этой вечной нехватки и вытекает качественное регулирование дизельных двигателей.

Для количественного измерения качества горючей смеси используется соотношение воздух-топливо (air fuel ratio, AFR). AFR = масска в кг воздуха/масса в кг толива.

На режимах малой нагрузке AFR высокооборотных транспортных дизелей может доходить до значений 100 и выше. По мере увеличения нагрузки на двигатель AFR стремится приблизится к стехимометрическому, но все равно превышает его. Занчения AFR соответсвующие подлинной стехиометрии можно увидеть на дизелельном двигатели только в короткие моменты, когда подача топлива резко возрасла, а турбонагнетатель не успел еще раскрутится и подать достаточное количество воздуха.

Процессы сгорания композитного топлива в газодизельном двигателе.

При реализации класического газодизельного цикла без возможности регулирования количества подаваемого воздуха в режимах малых нагрузок сгорание газзообразного топлива проходит в условиях сверхобедненной смеси. По причинам снижения температуры сгорания и скорости сгорания такой смеси наблюдается существенное недогорание газового топлива с последующем выбрасывания его излишков через выхлопной коллектор.

Потери тепла вследствии недогорания топлива в двигателе ГД100 [4]

Screenshot from 2020-06-09 07-43-30

Кроме яления недогорания, при определенных режимах работы ДВС может возникать явление срыва процесса сгорания сильно обедненной газо-воздушной смеси, что выражается в неприятных звуках и скачкообразному изменению тяги.

Реализация системы управления количеством подаваемого воздуха для газодизельных двигателей.

На практике возможно 2 варианта.

Вариант 1. Воздушная заслонка может быть установлена непосредствено перед входным коллектором, реализуя классическую схему количественного регулирования. Преиимуществом данного подхода является возможность работать на смесях благоприятного состава во всем диапазоне рабочих характеристик газодизельного двигателя. Миниусы такого подхода заключаются в резком снижении топливной эффективности двигателя на малых нагрузках.

Вариант 2. Воздушная заслонка установлена в обход турбины для организации сброса избыточного давления с выхода на вход турбонагнетателя. Реализуется специфический вариант смешанного регулирования с элементами количественного и качественного регулирования в зависимости от режима работы газодизельного двигателя.

Сравнительные результаты применения Врианта 1 и Варианта 2 для дизельного двигателя CUMMINS ISF 2.8 на режиме хлостого хода:

Режимы Потребление ДТ Потребление газа
Дизель 1.5 0
Вариант 1 0.5 3
Вариант 2 1 1
Вариант 1 ( без подачи газа) 1.7 0
Вариант 2 ( без подачи газа) 1.5 0

Выводы и практические рекомендации.

Система контроля подаваемого топлива для газодизельных двигателей позволяет снизить количество потребляемого газа необходимого для замещения 1 л ДТ примерно на 20% с 1.2 нм3 на 1 ДТ, до 1 нм3 на 1 л ДТ, что позволяет при сохранении замещения увеличить пробег ТС на одной заправке. Улучшение словий сгорания природит к росту замещещения дизельного топлива газовым на 10-15% по сравнению с обычными газодизельными системами.

Для практического применения в газодизельных двигателях предпочтительным представляется Вариант2, по следующим соображениям:

  • Несмотря на невозможность обагащения смеси на режимах с малым давлением наддува, общая топливная эффективность газодизельного двигателя не ухудшается.
  • Подача газа перед турбиной создает идеальную гомогенную смесь, что улучшает условия сгорания.
  • Конструктивная простота исполнения.
  • Большая взрывопожаро безопасность.

Июнь 2020 года. Абакумов А.М.

Список использованной литературы
[1] А. С. Орлин, Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. 1990. сс. 38–40.
[2] L. Bravo, C. Ivey, D. Kim, и S. Bose, «High-fidelity simulation of atomization in diesel engine sprays», 2014, сс. 89–98.
[3] https://ru.wikipedia.org/wiki/Стехиометрическая_горючая_смесь
[4] К. И. Генкин, Газовые двигатели. Машиностроение, 1977. c. 142