Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе и система его управления

INTERNAL COMBUSTION ENGINE ON GAS FUEL AND ITS CONTROL SYSTEM

Mutay Mutayev

Post-graduate student Samara State Transport University (SSTU), Russia, Samara

Yanina  Voronova

Post-graduate student Samara State Transport University (SSTU), Russia, Samara 

Аннотация. В данной статье приведен анализ преимуществ ДВС на газовом топливе. Рассмотрены возможности повышения КПД двигателя. Представлена схема «ДВС на газовом топливе и система его управления» позволяющая расширить функциональные возможности двигателя и снизить удельный расход топлива на 7 – 10 %.

Abstract. In this article the analysis of shortcomings of the internal combustion engine is given in gas fuel. The possibilities of increase in efficiency of the engine are considered. The scheme "the internal combustion engine on gas fuel and the system of his management" allowing to expand functionality of the engine and to cut specific fuel consumption for 7 – 10 % is submitted.

Ключевые слова: ДВС на газовом топливе; удельный расход топлива; КПД двигателя

Keywords: the internal combustion engine on gas fuel; specific fuel consumption; engine efficiency.

В настоящее время существует проблема с двигателями, рабо­тающими на бензине, у которого имеется ряд недостатков. Несмотря на то, что законодательно вводятся всё большие ограничения на допустимые концентрации в продуктах сгорания поршневых двигателей таких вредных компонентов, как оксиды азота NOx, оксиды углерода CO, углеводороды CH, твёрдые частицы сажи PM, экологическое состояние планеты постепенно ухудшается. Это обусловлено неуклон­ным ростом мощности и количества транспортных двигателей.

На данный момент количество автомобилей [1], ежедневно загряз­няющих окружающую среду, достигает в мире приблизительно 900 млн., а к 2050 г. их количество может возрасти в 3 раза, прежде всего за счёт Китая, Индии и других развивающихся стран. Учитывая, что 97 % топлива для транспорта получают из нефти, то очевидно, что необходимо сократить объём его потребления в целях снижения выбросов таких соединений углерода как, как CH, сажа, диоксид углерода CO₂. Человечество способно выпустить в атмосферу такое количество CO₂, что климатические условия могут подвергнуться непредсказуемым изменениям. По сопоставлению с XVII в. Степень выброса CO2 сейчас возрос практически в два раза, 25 % общего крупного выброса CO2 попадает в атмосферу в итоге сжигания транспортного горючего нефтяного происхождения. Очевидно, что для современного двигателестроения актуальной является проблема перевода (конвертирования) поршневых двигателей на альтернативные топлива, не содержащие или содержащие в относительно малом количестве углерод.

У бензиновых двигателей имеется ряд недостатков:

·      высокая себестоимость;

·      бензин содержит серу, которая вызывает коррозию металлов и их изнашивание;

·      накапливаются смолистые отложения на деталях и приборах системы питания;

·      довольно высокая токсичность отработавших газов.

Переход на газовое топливо позволит решить данную проблему, в результате которого появится ряд преимуществ:

·      на 150-180 % снизится себестоимость;

·      срок службы двигателя увеличится на 150 %;

·      практически не содержит серу;

·      снизится токсичность отработавших газов (СО на 200 %, СН на 50…100 %, NOx на 20…30 %);

·      более однородный состав.

Для решения данной проблемы были проведены литературный и патентный поиски. Рассматривался двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе, работающий в частности на метане или водороде, имеющий такие недостатки как:

·      ограниченные функциональные возможности.

·      низкая эффективность работы двигателя на запуске, прогреве и переходных режимах.

На основании проведенного анализа была разработана и подана заявка на «Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе и система его управления» (рис. 1).

Установка второй топливной форсунки, второго топливного насоса, второго клапана подачи газового топлива в цилиндр, второй топливной магистрали, расходомеров воздуха, электронных блоков контроля подъема и опускания впускного и выпускного клапанов, блока управляющих программ, датчиков давления и температуры позволяют расширить функциональные возможности двигателя внутреннего сгорания, работающего на газовом топливе по увеличению располагаемой мощности и эффективности работы на запуске, прогреве двигателя, переходных и установившихся режимах.

Рисунок 1. «Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе и система его управления»

Примечание: 1 – воздушный фильтр, 2 – расходомер воздуха, 3 – дрос­сельная заслонка, 4 – впускной патрубок, 5, 6, 7 – датчики давления,
8 – впускной клапан, 9 – выпускной клапан, 10 – камера сгорания, 11 – поршень, 12 – датчик угла поворота коленчатого вала, 13 – блок цилиндров, 14 – датчик детонации, 15, 16, 17 – датчики температуры, 18,19 – клапаны подачи газового топлива, 20 – устройство зажигания, 21, 22 – топливные магистрали, 23, 24 – топливные форсунки, 25, 26 – топливные насосы, 27, 28 – расходомеры газового топлива, 29 - топливный бак, 30 – головка блока цилиндров, 31, 32 – электронные блоки контроля поднятия/опускания впускных и выпускных клапанов, 33 – выпускной патрубок, 34 – датчик кислорода, 35 – каталитический нейтрализатор, 36 – блок управляющих программ, 37 – блок управления.

Работа двигателя внутреннего сгорания на газовом топливе происходит следующим образом. На запуске и прогреве двигателя внутреннего сгорания воздух из окружающей среды на такте впуска поступает в камеру сгорания 10 по впускному патрубку 4 через воздушный фильтр 1, расходомер воздуха 2, дроссельную заслонку 3, открытый впускной клапан 8 на головке 30 блока цилиндров 13. Впускной клапан 8 открывается через электронный блок контроля подъема и опускания клапанов 31. На такте сжатия при движении поршня 11 вверх открывается клапан подачи газового топлива 18 и газовое топливо из топливного бака 29, через расходомер газового топлива 27, топливный насос 25, по топливной магистрали 21, через топливную форсунку 23 поступает в камеру сгорания 10, где переме­шивается с воздухом. Расход воздуха контролируется расходомером 2, расход газового топлива контролируется расходомером газового топлива 27, и устанавливается в зависимости от расхода воздуха, для последовательного изменения коэффициента избытка воздуха от α=1,3 до α_opt на режиме холостого хода. За несколько градусов до верхней мертвой точки устройство зажигания 20 воспламеняет газо-воздушную смесь. Давление и температура в камере сгорания повышаются. На такте расширения поршень 11 перемещается вниз, температура и давление понижаются, работа расширения газа передается на коленчатый вал. Угол поворота коленчатого вала контролируется датчиком 12. На такте выпуска при открытом выпускном клапане 9 отработавшие газы по выпускному патрубку 33 с датчиком кислорода 34, через каталити­ческий нейтрализатор 35 удаляются в окружающую среду. Выпускной клапан 9 открывается через электронный блок контроля подъема и опускания клапанов 32. Режим прогрева двигателя контролируется по показаниям датчиков давления 5,6,7, температуры 15,16,17 и датчика кислорода 34. После стабилизации показаний этих датчиков, что соответствует окончанию прогрева, режим работы двигателя внутреннего сгорания регулируется по частоте вращения коленчатого вала и мощ­ности положением дроссельной заслонки 3 и расходом газового топлива из топливного бака 29. В переходном процессе набора мощности увеличивается расхода топлива через топливную форсунку 23, для последовательного увеличения коэффициента избытка воздуха от α=1,3 до α_opt. При выходе на установившийся режим блок управления 37 поддерживает величину коэффициента избытка воздуха на уровне α_opt для соответствующего режима. При достижении двигателя внутреннего сгорания уровня 40-45 % от номинальной мощности блок управления подает команду на включение в работу второй топливной форсунки 24. При этом газовое топливо через расходомер газового топлива 28, топливный насос, топливную магистраль 22, клапан подачи газового топлива 19 поступает в топливную форсунку 24. Потребный расход газового топлива распределяется поровну между топливными фор­сунками 23 и 24. Такая последовательность работы форсунок 23 и 24 обеспечивает улучшение смесеобразования и горения за счет повышения перепада давления газового топлива в форсунках 23 и 24 на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания. Для обеспечения одинаковых условий работы форсунок 23 и 24 периодически изменяется последовательность включения форсунок 23 и 24 в работу. На всех режимах двигатель внутреннего сгорания управляется программами, заложенными в блок управляющих программ 36 по команде от блока управления 37.

Предложенная полезная модель двигателя внутреннего сгорания на газовом топливе позволяет расширить функциональные возможности, повысить КПД двигателя, за счет повышения эффективности работы двигателя и снизить удельный расход топлива на 7‑10 %.