Совершенствование внутрицилиндровых процессов автомобильного газового двигателя с высоким турбонаддувом обедненной смеси
Транспортное дело России №04 (2008)А.В. Боровиков, д.т.н., проф., Р.Т. Хакимов, к.т.н., доц.
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ)
Двигатели, в том числе и с искровым воспламенением топлива имеют две системы управления рабочим процессом: систему управления составом топливной смеси, то есть регулировки соотношения газ-воздух и систему управления моментом зажигания. В современных двигателях для управления системой зажигания и системой смесеобразования используются отдельные микропроцессоры. Современная концепция электронной системы управления двигателем основана на применении микропроцессора для управления системой зажигания и впрыска газообразного топлива. При этом определяются зависимости показателей работы двигателя от скорости вращения коленчатого вала, угла открытия дроссельной заслонки, угла опережения зажигания, состава рабочей смеси, температуры охлаждающей жидкости, степени наддува на впуске, а также температуры воздуха подаваемого после компрессора. В системах управления зажиганием и смесеобразованием используются датчики для контроля работы и управления двигателя с обратной связью, в которой осуществляется контроль фактических параметров двигателя при работе на обедненной смеси.
При рассмотрении [4] различных схем электронных систем управления газовым двигателем с турбонаддувом применяются традиционные технические средства сигнализирующие о характере протекании рабочего процесса в главный блок управления с помощью которого происходит оптимизация параметров регулирования соотношения газа и воздуха. Как известно точное описание условий протекания рабочего процесса в частности процесса горения и тепловыделения в цилиндре двигателя получить достаточно сложно. Следует отметить, что комплексные количественные значения, а также зависимости, полученные в ходе исследований описывают характер протекания рабочего процесса, при котором можно судить об эффективности работы газового двигателя. В данном случае оно выражается поддержанием эффективного КПД двигателя на заданном уровне, при котором важным значением является изменение скорости потока воздуха после компрессора и скорости распространения фронта пламени внутри цилиндра.
В существующих источниках [3] приводятся данные о предельном и целесообразном увеличении коэффициента избытка воздуха при работе двигателя на метановом газе, при котором индикаторное КПД i растет до =1,23. Можно определить фазы сгорания: индуктивный период инд, на протяжении которого линия сжатия индикаторной диаграммы не нарушается, и период видимого сгорания вид, сопровождающийся резким подъемом давления, при этом особую роль играет регулирование газо-воздушной смеси на впуске.
Для автомобильных газовых двигателей применение смешанного регулирования является особенно эффективным, так как газ допускает значительно большее, чем бензин, обеднение рабочей смеси и повышение КПД двигателя на частичных нагрузках. Испытания [4] показали, что при работе на газе смешанное регулирование по сравнению с количественным дает среднюю эксплуатационную экономию топлива 12—18%;
Одним из основных направлений, позволяющих форсировать автомобильные двигатели работающие на природном газе, увеличить их эффективные показатели, обеспечить комплексное повышение показателей технического уровня (топливная экономичность, компактность, надежность, экологические качества) является высокоэффективный турбонаддув. Ранее наддув двигателя выполнялся механическими нагнетателями (варианты с промежуточным охлаждением воздуха), что позволяло значительно увеличить мощность и максимальный крутящий момент агрегата в 1,5...2 раза (нагнетатели Roots, ZFS и др.). Во второй половине XX века, в период интенсивного внедрения турбонаддува в конструкцию транспортного двигателя рост степени повышения давления ограничивался значениями менее 2,7 из-за опасности снижения индикаторного КПД двигателя, либо чрезмерного увеличения максимального давления цикла с ухудшением приемистости на нерасчетных режимах.
Турбонаддув используется для бензиновых и дизельных автомобильных двигателях: четырехцилиндровых с рабочим объемом менее двух литров, шестицилиндровых с рабочим объемом более двух литров и восьмицилиндровых более трех с половиной литров. В бензиновых двигателях используется наддув такими фирмами как Subaru, Suzuki, Alfa Romeo, Volkswagen, Chrysler, Plymouth и др. Однако в данных конструкциях наддув ограничивается возникновением дистанционного сгорания, т.к. в процессе увеличивается давление и температура в конце сжатия. В конструкциях дизельных автомобильных двигателей практически на всех моделях применяется турбонаддув: MAN, Renault, Scania, Volvo, Nissan, Audi, Opel, Mitsubishi, Ford и др. В последние годы произошла значительная диверсификация конструктивных и технологических решений, способствующих совершенствованию рабочего процесса в самом двигателе. Современные автомобильные двигатели при высоком турбонаддуве имеют высокий индикаторный КПД, хорошую приемистость на нерасчетных режимах. Максимальное давление цикла возросло. Время выхода двигателя на рабочий режим сократилось с 2,8с до 1,3с. Используется высокий турбонаддув (степень повышения давления более 2,2) с промежуточным охлаждением, регулируемый турбонаддув с целью создания постоянной мощности двигателя при снижении частоты вращения коленчатого вала. В данной конструкции выполняется изменение угла поворота лопаток соплового аппарата турбины. При этом, достигнув соответствующего сочетания скоростной характеристики топливоподачи (коррекцией топливоподачи) и характеристик агрегатов наддува (компрессор, турбина) можно получить достаточно высокое теплоиспользование и необходимый прирост крутящего момента при постоянной мощности в условиях внешней скоростной характеристики [3]. Например, новинка BMW - трехлитровый шестицилиндровый рядный бензиновый двигатель оснащен двумя малогабаритными турбокомпрессорами по одному на каждые три цилиндра. При этом, использование турбонаддува позволяет получить мощность более
Как указано выше в основном турбонаддув используется на стандартных видах двигателей (дизельные и бензиновые), конструктивные решения использования турбонаддува на автомобильных газовых двигателях в мире ограничено, а в отношении отечественного автомобилестроения использование газовых двигателей в эксплуатации на автомобилях разного класса с высоким турбонаддувом фактически единицы. Следовательно эффективность использования высокого турбонаддува в газовых автомобильных двигателях имеет особую актуальность.
Сегодня, при гармоничности работы всех агрегатов газового двигателя, остро обозначена проблема повышения экономичности турбокомпрессора (прежде всего повышение эффективности работы компрессора) при одновременных требованиях к снижению массогабаритных параметров, повышению надежности и экологической безопасности. Под повышением эффективности работы компрессора следует понимать, прежде всего, повышение его КПД, пологость протекания нагрузочных характеристик и равномерность подачи рабочего тела в цилиндры двигателя.
Известно, что снижение КПД компрессора приводит к необходимости повышения давления перед турбиной, а это ухудшает продувку камер сгорания цилиндров двигателя и ведет к снижению коэффициента наполнения, что приводит к уменьшению скорости распространения фронта пламени в камере сгорания газового двигателя. КПД компрессора во многом определяет топливную экономичность двигателя. Повышение КПД турбокомпрессора, определяет положительный перепад давлений, снижение температуры воздуха на выходе компрессора и снижение в результате температуры выпускных газов. Это позволяет значительно повысить надежность всей цилиндропоршневой группы и продлить работу каталитических нейтрализаторов отработавших газов.
Другим важным требованием для современного турбокомпрессора, кроме высокого КПД, является пологость нагрузочной характеристики и малая чувствительность к числу Маха, т.к. эффективность работы газового двигателя во многом зависит от того, в какой мере турбокомпрессор обеспечивает воздухом двигатель на низких скоростных и нерасчетных режимах работы. Данный процесс обеспечивается слаженной работой нескольких агрегатов двигателя. Прежде всего, приспособляемость автомобильного двигателя на нерасчетных режимах осуществляется регулированием турбины турбокомпрессора и оптимизацией цикловой подачи газо-воздушной смеси с использование электромагнитных газовых дозаторов. Высокоэффективная работа компрессора на нерасчетных режимах обеспечивается оптимизацией лопаточных решеток элементов проточной части, взаимодействием элементов между собою и оптимизацией контура самой проточной части.
Высокоэффективная работа автомобильного газового двигателя во многом зависит от равномерности подачи рабочего тела в цилиндры двигателя. Известно, что аэродинамические процессы в системе компрессор-двигатель формируются в условиях интенсивного подвода энергии возмущений потока. В широко распространенных, особенно в России, восьмицилиндровых автомобильных газовых и газодизельных двигателях возмущения отбора воздуха в цилиндры имеют «аритмичный характер». Современные исследования ведущих НИИ показывают, что неравномерность зарядов по цилиндрам может достигать 10%. Среди негативных последствий данной неравномерности наряду со снижением топливной экономичности могут быть отмечены следующие факторы:
- частичное расслоение газо-воздушной смеси от источника смесеобразования до источника воспламенения;
- теплонапряженности деталей отдельных цилиндров;
- повышение токсичности, связанное с ростом температур рабочего тела в них увеличение содержания углерода;
В конструкциях отечественных автомобильных двигателей используют турбокомпрессоры типа ТКР с радиальной турбиной (в крупных агрегатах -ТК с осевой турбиной). Частота вращения ротора турбокомпрессора на номинальном режиме работы двигателя 40000...80000 мин -1. При этом в высокооборотных конструкциях для лучшей приемистости применяют малогабаритные рабочие колеса компрессора с небольшими моментами инерции. Эти условия определяют высокий до 0,1...0,12 условный коэффициент расхода компрессора, увеличивают пространственность течения на выходе рабочего колеса и потери в неподвижных элементах. В работе автора [1,2] проведены исследования влияния условного коэффициента расхода и коэффициента теоретического напора на эффективность работы компрессора и газового двигателя в целом. Лучшие результаты получены для условного коэффициента расхода 0,1 коэффициента теоретического напора 0,7...0,9 и потоковой диффузорности 1,2...1,4. В результате оптимизации газодинамических, геометрических и режимных параметров турбокомпрессора наддува значительно улучшены эксплуатационные показатели двигателя в условиях работы на номинальных и долевых режимах, в том числе при высоких значениях наддува с учетом нестационарности подачи воздуха в цилиндры. КПД компрессора турбонаддува повышен на 4...6% по сравнению с существующими отечественными аналогами. Удельный расход топлива снижен на 3...4 г/(кВт-ч), повышена его надежность и экологическая безопасность.
Эксплуатация автомобильного двигателя, в том числе работающего на природном газе характеризуется значительным временем работы на нерасчетных режимах. В этих условиях может ухудшиться приемистость двигателя и равномерность подачи воздуха в цилиндры, это связанно с изменением расхода воздуха через компрессор по сравнению с расчетной величиной, так как радиальная составляющая скорости воздуха уменьшается, при этом увеличивается угол атаки на входе в лопаточный диффузор. И наоборот, увеличение расхода приводит к появлению отрицательного угла атаки. Если углы, становятся слишком большими, наступает отрыв потока и рост потерь, что приводит не регулируемой работе турбокомпрессора и двигателя. В целях достижения эффективной работы газового двигателя с турбонаддувом в работе [2] авторами разработана модель течения в лопаточном диффузоре, позволяющая оценить нагрузку на лопатки диффузора при различных углах атаки с учетом влияния вязкости на загромождение каналов пограничными слоями. Разработка и исследование лопаточных диффузоров проводились с помощью комплекса расчетных моделей, включающих в себя расчет невязкого обтекания решетки, расчет параметров пограничного слоя на лопатках и ограничивающих поверхностях, определения положения точки отрыва на лопатках, построение отрывного течения по схеме «струя-след» и расчет потерь.
Исследование проточной части турбокомпрессора наддува двигателя показало, что общие потери в рабочем колесе компрессора минимальны в окрестности условных коэффициентов расхода 0,08...0,09. С учетом баланса между различными видами потерь можно принять коэффициент напора 0,78...0,8. При выполнении вышеперечисленных условий возможно получение КПД колеса 0,93...0,94. Высокое КПД колеса турбокомпрессора используемое при оптимизации рабочего процесса в частности сгорания газовоздушной смеси в камере рабочего цилиндра важно, т.к. высокий наддув увеличивает турбулентную скорость, а это в свою очередь повышает эффективность работы газового двигателя и создает благоприятные условия по улучшению основных показателей.
В настоящее время проводятся научные исследования [2] позволяющие распространить с учетом критериев подобия результаты работ на турбокомпрессоры типа ТКР, используемые широко в легковых автомобилях, работающих на природном газе.
Литература:
1. Боровиков, А. В. Компрессоры турбонаддува транспортных дизелей. Оптимизация и проектирование проточных частей. / А. В. Боровиков. -СПб. : СПбГАУ, 2004. - 159 с.
2. Боровиков, А. В. Влияние гидравлических потерь в компрессоре турбонаддува на характеристики транспортного дизеля. / А. В. Боровиков, А. М. Симонов, С. М. Гнездилов // Двигателестроение. - СПб., 2006. - № 3.-С. 16-19.
3. Николаенко, А. В. Энергетические машины и установки. Двигатели внутреннего сгорания : Учеб. пособие. / А. В. Николаенко, В. С. Шкрабак. - СПб. : СПбГАУ, 2005. - 438с.
4. Хакимов Р.Т. Регулирование мощности газового двигателя путем оптимизации состава газовоздушной смеси / Р.Т. Хакимов. - СПб. : СПбГАУ, 2007. – С. 203 – 210.
| Вернуться к разделу | Транспортное дело России №04 (2008) |