Газовый двигатель априори имеет меньшую мощность и худшую топливную экономичность по сравнению с базовым дизелем. Снижение мощности газового двигателя объясняется уменьшением наполнения цилиндров топливовоздушной смесью за счет замещения части воздуха газом, имеющим больший объем по сравнению с жидким топливом. Для компенсации снижения мощности применяют наддув, что требует дополнительного снижения степени сжатия. При этом уменьшается индикаторный КПД двигателя, сопровождающийся ухудшением топливной экономичности.
В качестве базового двигателя для конвертации на газ был выбран дизель семейства ЯМЗ-536 (6ЧН10,5/12,8) с геометрической степенью сжатия ε=17,5 и номинальной мощностью 180 кВт при частоте вращения коленчатого вала 2300 мин-1.
Рис.1. Зависимость максимальной мощности газового двигателя от степени сжатия (граница детонации).
На рисунке 1 приведена зависимость максимальной мощности газового двигателя от степени сжатия (граница детонации). В конвертированном двигателе при стандартных фазах газораспределения заданная номинальная мощность 180 кВт без детонации может быть обеспечена только при значительном снижении геометрической степени сжатия с 17,5 до 10, вызывающем ощутимое уменьшение индикаторного КПД.
Избежать детонации без снижения или при минимальном снижении геометрической степени сжатия, а значит и минимальном уменьшении индикаторного КПД позволяет реализация цикла с ранним закрытием впускного клапана. В этом цикле впускной клапан закрывается до прихода поршня к НМТ. После закрытия впускного клапана при движении поршня к НМТ газовоздушная смесь сначала расширяется и охлаждается и только после прохождения поршнем НМТ и его движения к ВМТ начинает сжиматься. Потери наполнения цилиндров компенсируются за счет повышения давления наддува.
Основными задачами исследований являлось выявление возможности конвертации современного дизеля в газовый двигатель с внешним смесеобразованием и количественным регулированием с сохранением высоких мощности и топливной экономичности базового дизеля. Рассмотрим некоторые ключевые моменты подходов к решению поставленных задач.
Геометрическая и фактическая степени сжатия
Начало процесса сжатия совпадает с моментом закрытия впускного клапана φa. Если это происходит в НМТ, то фактическая степень сжатия εф равна геометрической степени сжатия ε. При традиционной организации рабочего процесса впускной клапан с целью улучшения наполнения за счет дозарядки закрывается через 20-40° после НМТ. При реализации цикла с укороченным впуском впускной клапан закрывается до НМТ. Поэтому в реальных двигателях фактическая степень сжатия всегда меньше геометрической степени сжатия.Закрытие впускного клапана на одинаковую величину либо до, либо после НМТ вызывает одинаковое уменьшение фактической степени сжатия по сравнению с геометрической степенью сжатия. Так, например, при изменении φa на 30° до или после НМТ фактическая степень сжатия уменьшается приблизительно на 5% [4].
Изменение параметров рабочего тела в процессе наполнения
При проведении исследований были сохранены стандартные фазы выпуска, а фазы впуска менялись за счет вариации угла закрытия впускного клапана φa. В этом случае при раннем закрытии впускного клапана (до НМТ) и сохранении стандартной продолжительности впуска (Δφвп =230°) впускной клапан пришлось бы открывать задолго до ВМТ, что вследствие большого перекрытия клапанов неизбежно привело бы к чрезмерному росту коэффициента остаточных газов и нарушениям в протекании рабочего процесса. Поэтому раннее закрытие впускного клапана потребовало значительного уменьшения продолжительности впуска до 180°.
На рисунке 2 приведена диаграмма давления заряда в процессе наполнения в зависимости от угла закрытия впускного клапана до НМТ. Давление в конце наполнения pa ниже давления во впускном трубопроводе, причем понижение давления тем больше, чем раньше до НМТ закрывается впускной клапан.
При закрытии впускного клапана в ВМТ температура заряда в конце наполнения Ta несколько выше температуры во впускном трубопроводе Tk. При более раннем закрытии впускного клапана температуры сближаются, и при φa>35...40° ПКВ заряд в ходе наполнения не нагревается, а охлаждается.
1 - φa=0°; 2 - φa=30°; 3 - φa=60°.
Рис.2.Влияние угла закрытия впускного клапана на изменение давления в процессе наполнения.
Оптимизация фазы впуска на режиме номинальной мощности
При прочих равных условиях наддув или повышение степени сжатия в двигателях с внешним смесеобразованием ограничиваются одним и тем же явлением - возникновением детонации. Очевидно, что при одинаковом коэффициенте избытка воздуха и одинаковых углах опережения зажигания условия возникновения детонации соответствуют определенным значениям давления pc и температуры Tc заряда в конце сжатия, зависящим от фактической степени сжатия [5].
При одинаковой геометрической степени сжатия и, следовательно, одинаковом объеме сжатия отношение pc/Tc однозначно определяет количество свежего заряда в цилиндре. Отношение давления рабочего тела к его температуре пропорционально плотности. Поэтому фактическая степень сжатия показывает, на сколько увеличивается плотность рабочего тела в процессе сжатия. На параметры рабочего тела в конце сжатия, кроме фактической степени сжатия, существенное влияние оказывают давление и температура заряда в конце наполнения, определяемые протеканием процессов газообмена, в первую очередь процесса наполнения.
Рассмотрим варианты двигателя с одинаковой геометрической степенью сжатия и одинаковой величиной среднего индикаторного давления, один из которых имеет стандартную продолжительность впуска (Δφвп=230°), а в другом впуск укорочен (Δφвп=180°), параметры которых представлены в таблице 1. В первом варианте впускной клапан закрывается через 30° после ВМТ, а во втором варианте впускной клапан закрывается за 30° до ВМТ. Поэтому фактическая степень сжатия εф у двух вариантов с поздним и ранним закрытием впускного клапана одинакова.
Таблица 1
Параметры рабочего тела в конце наполнения для стандартного и укороченного впуска
|
Δφвп,° |
φa, ° |
Pk, МПа |
Tk, K |
Pa, МПа |
Ta, K |
ρa, кг/м3 |
|
230 |
30 за НМТ |
0,2 |
313 |
0,216 |
366 |
2,05 |
|
180 |
30 до НМТ |
0,3 |
313 |
0,191 |
325 |
2,05 |
Среднее индикаторное давление при неизменной величине коэффициента избытка воздуха пропорционально произведению индикаторного КПД на количество заряда в конце наполнения. Индикаторный КПД при прочих равных условиях определяется геометрической степенью сжатия, которая в рассматриваемых вариантах одинакова. Поэтому индикаторный КПД также может быть принят одинаковым [5].
Количество заряда в конце наполнения определяется произведением плотности заряда на впуске на коэффициент наполнения ρkηv. Использование эффективных охладителей наддувочного воздуха позволяет поддерживать температуру заряда во впускном трубопроводе примерно постоянной независимо от степени повышения давления в компрессоре. Поэтому примем в первом приближении, что плотность заряда во впускном трубопроводе прямо пропорциональна давлению наддува.
В варианте со стандартной продолжительностью впуска и закрытием впускного клапана после НМТ коэффициент наполнения на 50% выше, чем в варианте с укороченным впуском и закрытием впускного клапана до НМТ.
При уменьшении коэффициента наполнения для поддержания среднего индикаторного давления на заданном уровне необходимо пропорционально, т.е. на те же 50%, увеличить давление наддува. При этом в варианте с ранним закрытием впускного клапана и давление, и температура заряда в конце наполнения будут на 12% ниже, чем соответствующие давление и температура в варианте с закрытием впускного клапана после НМТ. В связи с тем что в рассматриваемых вариантах фактическая степень сжатия одинакова, давление и температура конца сжатия в варианте с ранним закрытием впускного клапана также будут на 12% ниже, чем при закрытии впускного клапана после НМТ.
Таким образом, в двигателе с укороченным впуском и закрытием впускного клапана до НМТ при сохранении неизменным среднего индикаторного давления можно ощутимо снизить вероятность возникновения детонации по сравнению с двигателем, имеющим стандартную продолжительность впуска и закрытие впускного клапана после НМТ.
В таблице 2 дано сравнение параметров вариантов газового двигателя при работе на номинальном режиме.
Таблица 2
Параметры вариантов газового двигателя
|
№ варианта |
1 |
2 |
3 |
|
Степень сжатия ε |
10,0 |
15,0 |
15,0 |
|
Открытие впускного клапана φs, ° ПКВ |
21 |
30 |
60 |
|
Закрытие впускного клапана φa, ° ПКВ |
37 |
30 до НМТ |
60 до НМТ |
|
Степень повышения давления в компрессоре pk |
1,65 |
2,41 |
3,44 |
|
Давление насосных потерь pнп, МПа |
0,024 |
0,019 |
0,054 |
|
Давление механических потерь pм, МПа |
0,177 |
0,172 |
0,205 |
|
Коэффициент наполнения ηv |
0,907 |
0,611 |
0,418 |
|
Индикаторный КПД ηi |
0,397 |
0,426 |
0,426 |
|
Механический КПД ηм |
0,889 |
0,891 |
0,872 |
|
Эффективный КПД ηe |
0,353 |
0,380 |
0,373 |
|
Давление начала сжатия pa, МПа |
0,174 |
0,147 |
0,155 |
|
Температура начала сжатия Ta, K |
368 |
326 |
312 |
На рисунке 3 представлены диаграммы газообмена при различных углах закрытия впускного клапана и одинаковой продолжительности наполнения, а на рисунке 4 даны диаграммы газообмена при одинаковой фактической степени сжатия и разной продолжительности наполнения.
На режиме номинальной мощности угол закрытия впускного клапана φa=30° до НМТ фактическая степень сжатия εф =14,2 и степень повышения давления в компрессоре πk=2,41. При этом обеспечивается минимальный уровень насосных потерь. При более раннем закрытии впускного клапана в связи со снижением коэффициента наполнения требуется существенно увеличить давление наддува на 43% (πk=3,44), что сопровождается значительным ростом давления насосных потерь.
При раннем закрытии впускного клапана температура заряда в начале такта сжатия Та, вследствие его предварительного расширения, на 42 К ниже по сравнению с двигателем со стандартными фазами впуска.
Внутреннее охлаждение рабочего тела, сопровождающееся отбором части теплоты от наиболее горячих элементов камеры сгорания, снижает риск детонации и калильного зажигания. Коэффициент наполнения уменьшается на треть. Появляется возможность работать без детонации со степенью сжатия 15, против 10 при стандартной продолжительности впуска.
1 - φa=0°; 2 - φa=30°; 3 - φa=60°.
Рис. 3. Диаграммы газообмена при различных углах закрытия впускного клапана.
1 -φa=30°до ВМТ; 2 -φa=30° за ВМТ.
Рис.4. Диаграммы газообмена при одинаковой фактической степени сжатия.
Время-сечение впускных клапанов двигателя можно изменять, регулируя высоту их подъема. Одним из возможных технических решений является разработанный в ГНЦ НАМИ механизм управления высотой подъема впускного клапана [2]. Большой перспективой обладают разработки гидроприводных устройств независимого электронного управления открытием и закрытием клапанов, основанные на принципах, промышленно реализованных в аккумуляторных топливных системах дизелей [6].
Несмотря на повышение давления наддува и более высокую степень сжатия в двигателе с укороченным впуском ввиду раннего закрытия впускного клапана и, следовательно, более низкого давления начала сжатия, среднее давление в цилиндре не увеличивается. Поэтому также не увеличивается и давление трения. С другой стороны, при укороченном впуске ощутимо (на 21%) уменьшается давление насосных потерь, что приводит к росту механического КПД.
Реализация более высокой степени сжатия в двигателе с укороченным впуском вызывает рост индикаторного КПД и в сочетании с некоторым увеличением механического КПД сопровождается повышением эффективного КПД на 8%.
Заключение
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что раннее закрытие впускного клапана позволяет в широких пределах манипулировать коэффициентом наполнения и фактической степенью сжатия, снижая порог детонации без уменьшения индикаторного КПД. Укороченный впуск обеспечивает рост механического КПД за счет снижения давления насосных потерь.
Рецензенты:
Каменев В.Ф., д.т.н., профессор, ведущий эксперт, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», г. Москва.
Сайкин А.М., д.т.н., начальник управления, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», г. Москва.