автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Методы управления рабочим циклом двухтопливных и однотопливных поршневых газовых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием

ШИШКОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

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

Специальность: 05. 04. 02 - «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

9 ЯНВ 2014

Самара - 2013

005544278

005544278

ШИШКОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

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

Специальность: 05. 04. 02 - «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара-2013

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете им. академика С.П. Королёва (Национальный исследовательский университет) на кафедре «Теплотехника и тепловые двигатели».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Бирюк Владимир Васильевич.

Официальные оппоненты:

Носырев Дмитрий Яковлевич доктор технических наук, профессор, Самарский государственный университет путей сообщения, профессор кафедры «Локомотивы».

Ерохов Виктор Иванович доктор технических наук, профессор, Московский государственный технический университет «МАМИ», заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели».

Федянов Евгений Алексеевич доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, заведующий кафедрой «Теплотехника и гидравлика».

Ведущая организация: Самарский государственный технический университет

Защита состоится 11 февраля 2014 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 при Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева, расположенном по адресу: г. Нижний Новгород, ул. Минина 24, корпус 1, аудитория 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью организации, просим направлять на имя учёного секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 25 декабря 2013 г. Учёный секретарь диссертационного совета,

доетор технических наук, профессор JI.H. Орлов

Общая характеристика работы

Актуальность темы: Снижение выбросов парниковых газов, к которым относится двуокись углерода СОг, а также возрастающие требования по ограничениям выбросов токсичных веществ СО, СН, 1ЧОх в отработавших газах современных двигателей внутреннего сгорания, является актуальной задачей для современного и перспективного транспорта. Выбросы СО, С02 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 законодательных норм по выбросам токсичных компонентов в процессе эксплуатации транспортного средства невозможно без применения электронных микропроцессорных систем управления, с соответствующими алгоритмами управления рабочим циклом ДВС, топливоподачей, наполнением цилиндров воздушнотопливной смесью, зажиганием и диагностикой. 13 мая 2013 года принято распоряжение №767-р Правительства РФ и утверждён комплекс мер по стимулированию использования природного газа в качестве моторного топлива, которое поддержал Президент РФ.

В настоящее время разработаны все основные элементы газовой подачи для систем электронного управления ДВС. Но алгоритмы управления процессом наполнения цилиндров газовоздушной смесью, а также цикловой подачей газового топлива с учётом коррекции по всем влияющим факторам применимы только для конкретно выбранных двигателей и систем их топливоподачи. Не учитывая специфику газовой динамики газовых видов топлив, невозможно на всех режимах работы двигателя выполнить требования по токсичности Евро-5 и выше.

Разработка алгоритмов управления ДВС является секретом производителей. Открытых публикации по этой тематике незначительное количество.

Всё это показывает, что разработка методов управления для 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.

Цель работы. 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 тонлив жидкого и газообразного для поршневых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

Поставленные задачи в совокупности составляют крупную научно-техническую проблему, имеющую важное промышленное и экономическое значение.

Работы по достижению поставленной цели проводились коллективами ОАО "АВТОВАЗ", ООО «НПФ «Авангард», Поволжского Отделения РИА, ООО «Элкар», ООО «Итэлма» совместно с НГТУ им. P.E. 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 [1-50].

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, являющиеся 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 принципы для систем управления газовых двигателей с непосредственным впрыском газового топлива и двухтопливных с одновременной подачей газа и бензина для улучшения ездовых качеств автомобиля.

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 на ОАО «АВТОВАЗ» и 1-го автомобиля в ООО «НПФ «Авангард».

Методики калибровки электронной системы управления двигателем двухтопливного газ-бензин автомобиля использованы при доводочных и контрольных испытаниях, а также при доводке 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», ОАО «ДААЗ».

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

Теоретические методы 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).

Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы ГК № 14.В37.21.0152 и ГК №14.В37.21.0308.

Методология и методы исследования

Разработка теории, на базе математических моделей топливной газовой системы, системы впуска и системы 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 топлив, 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 БСАК8-2000 (изготовитель Бельгия) и СТЭФ-2 (изготовитель ПО РИА, г. Самара). Калибровка электронной системы управления двигателем проводилась на автомобилях, оборудованных специальной и стандартной измерительной аппаратурой, а также на роликовом стенде в лаборатории токсичности с газоаналитической аппаратурой фирмы НопЬа 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 газ-бензин 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.

5. Алгоритмы диагностики газобаллонного оборудования для 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.

Достоверность

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

Апробация результатов работы

Результаты настоящей работы были обсуждены и одобрены на 12 конференциях и научно-технических советах, в том числе всероссийских и 9 международных конференциях в период с 1993 по 2012 годы: международный научно-практический семинар «Современный автомобиль: управление и материалы» (Тольятти, ПО РИА -ОАО «АВТОВАЗ», 14-18 июня 1995); международная научно-практическая конференция «Проблемы развития автомобилестроения в России» (Тольятти, ОАО «АВТОВАЗ», 23-24 октября 1996); международная научно-практическая конференция «Проблемы развития автомобилестроения в России» (Тольятти, ОАО «АВТОВАЗ», 1-3 октября 1997); 4-я международная научно-практическая конференция «Проблемы развития автомобилестроения в России» (Тольятти, ПО РИА - ОАО «АВТОВАЗ», 13-15 октября 1998); НТК АЛИ «Экология и топливная экономичность автотранспортных средств (Дмитров, ААИ НИЦИАМТ, 8-9 июня 1999); 6-я МК М1М8 «Двигатели для российских автомобилей» (Москва, 26 августа 2004); 50-я М1ГГК ААИ «Автомобиль и окружающая среда» (Дмитров, ААИ НИЦИАМТ, 15-16 июня 2005); МНТК посвящённой 70-летию кафедры «Автомобили и тракторы» (Нижний Новгород, НГТУ, 17-19 ноября 2005); научно-техническом совете «Распределение и использование газа» (Санкт Петербург, ОАО «Газпром» - ООО «Лентрансгаз», 7-8 декабря 2005); СНТК (Самара, СГАУ им, академика С.П. Королёва, апрель 2007); МК «Проблемы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 28-30 июня 2011); МНТ форум, посвящённый 100-летию ОАО «КУЗНЕЦОВ» и 70-летию СГАУ, 5-7 сентября 2012г.

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

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Работа изложена на 395 страницах, включает 75 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 203 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы исследования микропроцессорных систем управления двигателем с искровым зажиганием с электронной системой управления, работающего на газовом виде топлива. Также даётся краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения, вынесенные на защиту.

В конце прошлого века была создана микропроцессорная система управления ДВС для жидких видов тогшив. 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 «Итэлма» и т.д. Систем электронного управления двухтопливными и однотопливными газовыми ДВС практически не было. 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 TNO (Netherlands), AutoGas Sistem (Netherlands), Tartarini (Italy), Sagem and Dgonson Controls (France), ООО «НПФ «Авангард», и др. Эти системы имеют высокую стоимость из-за идентичных 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 однотопливно-го газового автомобиля.

В первой главе проведён анализ опубликованных работ по данной теме работы. Вопросами наполнения цилиндров воздушнотопливной смесью занимались Гирявец А.К., Панов Ю.В., Круглов М.Г., Орлин А.С., Иващенко Н.А., Луканин В.Н., Химич В.Л., Хачиян А.С., Ерохов В.И., Зорин В.Д., Злотин Г.Н., Коросты-шевский И.М., Кульчицкий А.Р., Теремякин П.Г. и др. авторы. Но эти работы в основном посвящены наполнению цилиндров при впрыске жидких видов топлив. Особенности наполнения цилиндров при впрыске газового топлива рассматриваются в работах Генкина К.И. и Самоль Г.И. без привязки к алгоритму управления двигателем. Применением эжекторных насосов и компрессоров для улучшения характеристик тепловых двигателей занимались Бирюк В.В., Фалалеев С.В. и др. авторы, но для поршневых двигателей они не рассматривались. Вопрос снижения мощности и крутящего момента двигателя с искровым зажиганием при переходе с бензина на газовые виды топлив констатировался вышеназванными авторами, но не были проведены работы по снижению этих потерь с помощью различных методов: конструктивных и программных. Про необходимость изменения угла опережения зажигания при переходе с бензина на газовые виды топлив говорят все производители газовой аппаратуры и многие авторы, занимающиеся данной те-

мой: Ерохов В.И., Химия B.JL, Панов Ю.В., Хачиян А.С., Коростышевский И.М., Федянов Е.А. и т.д. Но алгоритма его вычисления для контроллеров электронной системы управления двигателем никто не приводит. Вопросами подбора характеристик электромагнитных форсунок к конкретным двигателям занимались фирмы Bosch, Siemens, Rochester и др., в нашей стране в ОАО «Пекар» Коганер В.Э., в НПФ «Авангард» Коростышевский И.М.,в СамГУПС Носырев Д.Я. в НГТУ им. Р.Е. Алексеева Тихомирова О.Б. и др. авторы, но не были решены задачи по корректному выбору и сравнению их расходных характеристик на различном испытательном оборудовании и в различных испытательных средах. Комплексный подход к алгоритму управления двигателем с учётом всех возможных режимов работы, включая диагностику, был выполнен для бензиновых двигателей в НПФ «Элкар» и НПФ «Итэлма» Гирявец А.К. и Теремякиным П.Г., в ООО НПФ «Авангард» Коростышевским И.М., в ПО РИА под руководством Тёмкина JI.C. и Михе-ева Ю.В., коллективом ДТР ОАО «АВТОВАЗ» под руководством Терентьева Б.А., Сергеева Г.И, Ямолова Ю.И., Байборина Е.П., Миронова Ю.В. и другими организациями и авторами. Особенностям процессов, протекающих в газовой топливной системе, и особенностям алгоритма управления газовой подачи и диагностике элементов газобаллонного оборудования уделялось незначительное время или вообще не рассматривалось.

В данной работе разработана методика испытаний электромагнитных форсунок на различном оборудовании и при различных условиях и испытательных средах.

Приведение расходов форсунок по физическим параметрам испытательных жидкостей даёт высокое рассеивание полученных результатов, т.к. кроме плотности испытательной жидкости оказывает влияние её вязкость. На рис. 1 показана необходимость приведения расходов на разных испытательных средах.

Рис. 1. Расходная характеристика электромагнитных форсунок на разных испытательных жидкостях

Со - характеристика эталонных форсунок, полученная у производителя методом наименьших квадратов

- средняя характеристика 4 эталонных форсунок, используемых для сравнения (¡2 - характеристика эталонных форсунок, полученная у потребителя методом наименьших квадратов

Сгз - средняя характеристика 4 эталонных форсунок, полученная у потребителя.

На рис. 2 приведены отклонения расхода топлива при различных вариантах задания функции в электронном блоке управления двигателем.

Рис. 2. Отклонения расхода топлива через форсунку от С0 при различных вариантах задания функции: = 0,1752 I - 0,076 - совпадает с координатной осью времени; 0\ = 0,175168 Г, Сп = 0,1675458 Г, С3 = 0,144679 I

В ЭБУ расходная характеристика задаётся только одной точкой для вариантов <5Ь С2, С3. Начальная погрешность вычисления расхода топлива и ширина импульса, подаваемого на электромагнитную форсунку в этих случаях различна. Поэтому необходимо характеристику задавать в виде С0.

При проведении калибровочных работ для повышения точности дозирования корректируют угол наклона рабочей характеристики форсунки, т.к. отклонения имеют значительную величину (рис. 2 - <Юи %). При ширине импульса 2,5 мс погрешность составляет около 21%, а при ширине 9,2 мс около 5%.

Наиболее приемлем способ приведения параметров по характеристикам эталонных форсунок: С/истана= 6"иадер • К, ■ К2 ± 3 • ст, где К, = 1 +1 [с!С, /(100 /)] -коэффициент отклонения конкретных эталонных форсунок от номинального значения для выбранной конструкции и производителя; (Кг, - отклонения расходов в процентах полученные у производителя форсунок на его испытательной жидкости; /' - число эталонных форсунок; К2 = I С, /(/ (7срелк) - коэффициент отклонения конкретных эталонных форсунок от среднего значения, полученного в испытаниях 24 форсунок на новой испытательной жидкости отличной от производителя; (^средн = 2 (Ск)/24 - среднее значение расхода; Зс - дисперсия нормального распределения.

Достигнутые значения снижения потерь мощности и крутящего момента при оптимизации места впрыска газового топлива составили от 4 до 8% (]Уе2) по внешне скоростной характеристике рис. 3.

Замена существенной части жидкого топлива на газовое снижается мощность ДВС из-за снижения наполнения цилиндров свежим воздухом, т.к. часть объёма занимает газовое топливо.

Например, для метана и воздуха коэффициент объёмной стехиометрии составляет /„=9,53. Умножим эту величину на массовую долю т газа, замещающего бензин, выраженную в долях от 1, получим минимальное снижение эффективной мощности Ые и крутящего момента Ме ДВС:

¡ООО 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5200 5400 5600 л, мин-1 —•—ёЛ'е,, %

Рис. 3. Потери мощности (Ше двигателя на природном газе в двух вариантах подвода газа 1 - подвод газа перпендикулярно потоку воздуха, 2 - подвод газа по потоку воздуха.

К газ+бензин = К бензин ' (1 -Ш ' /у/1 00) ' А(т\ ТТ\ ре), (1)

Ме газ+бензин = Ме бензин " (1 ~ « ' К /100) ' А(>П\ Тт\ ре), (2)

где А(т; Тг; ре) - функция влияния состава топлива на рабочий процесс.

Во второй главе выполнен анализ электронных схем управления газовым двигателем с искровым зажиганием.

Разработана методика расчёта расходных характеристик электромагнитных газовых форсунок для ДВС с искровым зажиганием. Теоретически и экспериментально (рис.4) показано влияние перепада давления на клапане и влияние сопротивления катушки форсунки на время её открытия.

200 250 300 350 Р, кПа -Ш-Я=7,7 Ом —#=11 Ом

Рис. 4. Влияние перепада давления на клапане и сопротивления катушки форсунки на время её открытия

Разработана методика и программное обеспечение для обработки параметров электромагнитных форсунок после испытаний на безмоторном стенде при различных внешних условиях и различных испытательных средах с помощью корреляционных коэффициентов.

Цикловой расход воздуха как при впрыске газа во впускной трубопровод, так и при его непосредственном впрыске в камеру сгорания с учётом возможности одновременной подачи в двигатель газообразного и жидкого видов топлив определяется при минимальной и максимальной температуре воздуха на входе:

с™ = (Рц/О рв Пи(1 -(1 - чы'чи) (1 - <72/<?ц) /К) О - -и К (3)

где: Уи - рабочий объём всех цилиндров; / - количество цилиндров; рв - плотность воздуха на впуске; ql^ = ^ + = <7г+ Чъ ~ цикловая подача топлива; - доля газа при его впрыске во впускной трубопровод до момента закрытия впускного клапана; </2 - доля газа при непосредственном впрыске газа в цилиндр после закрытия впускного клапана; </г - доля газового топлива в цикловой подаче; — доля бензина (жидкого топлива) в цикловой подаче; I,- - объёмное количество воз-

духа, теоретически необходимое для сгорания 1 м3 газового топлива; кв„ — объёмная доля водяного пара в воздухе, выраженная в долях от 1; кв =/(«, Тт р„, Тт) -коэффициент коррекции наполнения цилиндров воздухом, где п - частота вращения коленчатого вала, Гдв - температура двигателя; т|„ - коэффициент наполнения цилиндров воздухом.

Статический расход через газовую форсунку: = 1000 <7Ц (имакс) /

где /макс - максимальное время открытия клапана газовой форсунки при фазированном распределённом впрыске газа. Максимальный статический расход с учётом всех издержек производства и допусков:

<3с,макс= {1+ [(0,09...0,11)2 + (0,05...0,065)2 + (0,1...0,2)2]'/2} Сстми„, (4) где (0,09...0,11) - коэффициент увеличения максимального статического расхода в зависимости от качества сборки двигателя; (0,05...0,065) — коэффициент увеличения максимального статического расхода из-за ширины поля допуска рабочей характеристики и величины повторяемости; (0,1.. .0,2) - коэффициент увеличения максимального статического расхода для обогащения газовоздушной смеси для охлаждения нейтрализатора или катколлектора на максимальных мощностных режимах работы.

Расход газа при сверхкритическом истечении равен:

О = рт Язв (5)

где азв - скорость звука в газе при рв>_ и Твх.

Расход газа при докритическом перепаде равен:

1

1

*-и

(6)

\ ж II я1 я'

где р. — коэффициент истечения; Р — площадь минимального сечения сопла форсунки; к - показатель адиабаты; Я = Я, /М, где /?г ~ газовая постоянная, М- молекулярная масса газа, для метана 16.

Например, для двигателя с искровым зажиганием объёмом 1,5 л, суммарное влияние перепада давления на газовой форсунке и циклового расхода воздуха через двигатель внутреннего сгорания на коэффициент расхода газа представляет собой сложную функцию в виде поверхности, представленной на рис. 5.

58

254 С, мг/имп

р/100, кПа

Рис. 5. Влияние перепада давления на форсунке и циклового расхода воздуха в цилиндре двигателя на коэффициент расхода газового топлива

Цикловая подача для сверхкритического истечения газа соответственно без учёта и с учётом расходной характеристики форсунки в периоды открытия и закрытия её клапана:

*вп ¿ВП /вп

9ц = 4п 1 <ЮШ = гвп Г азв} = гвп азв \ ё(р Р) /с1/. (7)

о 0 0

Цикловая подача для докритического истечения газа без учёта расходной характеристики форсунки в периоды открытия и закрытия её клапана:

¿вп ¿вп íвп

Чп = 1т1 ц гф)-1/2 (2Л / (¿-1))-ш [({лм)** - (1 ая/Угу(Ж)'*] 1 Ф^/А. (8)

ООО

Для статических режимов работы двигателя значения интегралов в обеих формулах определяют по непрерывной записи давления и температуры газа в рампе форсунок и давления во впускном коллекторе двигателя из предыдущего рабочего цикла. Для сверхкритического истечения дополнительно определяют плотность газа и скорость звука в нём.

Для динамических режимов работы двигателя (при ускорениях и при замедлениях) точность вычисления цикловой подачи газового топлива по вышеприведенным формулам снижается из-за динамического влияния характеристик элементов газовой системы питания на давление газа в рампе перед форсунками в период цикловой подачи. В этом случае требуется введение дополнительных коэффициентов влияния: диХ = цп К] К2 К3 К4 К5,

где Ка = азв / а:,в0 — коэффициент влияния изменения скорости звука в газе при изменении температуры газа во время прогрева двигателя и его топливной системы, а,ео - скорость звука в газе для нормальных атмосферных условий;

К.2 = Ргр / Ргро - средне-интегральный коэффициент влияния изменения плотности газа в период цикловой подачи, р^ - плотность газа при нормальных условиях (постоянных давлении и температуре газа);

[цп ¿вл

- коэффициент влияния на среднеинтеграль-

0 0

ное давление длительности цикловой подачи;

К4 = f (Кр) = 2 - (Ур - Уи) / Ур - коэффициент влияния объёма Ур газовой рампы (чем меньше объём, тем больше провал давления газа перед форсунками во время цикловой подачи из-за увеличения времени ответной реакции редуктора и требуемого времени на наполнение рампы в динамическом режиме работы), У;, - объёмная цикловая подача газа;

К5 = [7ВП - (¿рр/^рр)] / - коэффициент влияния реакции редуктора на провал давления в рампе форсунок во время цикловой подачи газа, Жрр - скорость движения волны разрежения от рампы до выхода из редуктора;

По отношению перепада давления газа на клапане форсунки определяют тип истечения топлива из сопла форсунки докритическое или сверхкритическое (рис. 6). Если л =рТ/рт< якр, то истечение докритическое, а если больше, то сверхкритическое. Для природного газа с высоким содержанием метана в диапазоне температур от 243 до 363К якр= 1,79... 1,81.

Рис. 6. Зависимость расхода метана через сопло газовой форсунки диаметром 2 мм от давления и температуры газа на её входе для режима при полностью открытой дроссельной заслонке ДВС (давление во впускном трубопроводе двигателя равно атмосферному)

На рис. 7 представлен пример осциллограммы изменения давления газа в рампе перед форсункой в период открытого состояний её клапана.

/ Л

0 ----- 1

<0 1аткр 'з Ь I

Рис. 7. Подъем клапана форсунки и изменение давления на ее входе

/кл - высота подъёма клапана газовой форсунки; /а - время начала подъёма клапана газовой форсунки; ¿опф - время окончания посадки клапана газовой форсунки на упор открытого состояния; г3 - время начала движения клапана форсунки в положение закрыто; <1 — время окончания посадки клапана в седло в закрытом состоянии

Среднее интегральное давление определяют по записи осциллограммы давления (кривая 0-1 на рис. 7) в рампе в стендовых условиях при различных временах впрыска газовой форсунки.

В третьей главе разработана концепция по оптимальным фазам расчёта в электронном блоке управления цикловой подачи и фаз впрыска газового топлива для различных логик его подачи.

На рис. 8 приведён пример циклограммы вычислений расходов в контроллере управления двигателем и управления последним при впрыске газа во впускной трубопровод.

При впрыске во впускной трубопровод наиболее целесообразно впрыск газового топлива осуществлять в период открытого состояния впускного клапана. Для снижения выбросов СО и СН необходимо учесть период продувки цилиндра, когда одновременно открыты выпускной и впускной клапана. Поэтому впрыск газового топлива необходимо начинать в момент закрытия выпускного клапана. Конец впрыска газового топлива зависит от времени прохождения газом расстояния от места впрыска до впускного клапана.

1

2 3 4 5 б

ш

п Н Н и 15 ¡6 Ь Н /

Рис. 8. Циклограмма расчёта расходов воздуха и топлива и работы системы управления ДВС при впрыске газа во впускной трубопровод при прямом управлении = { где С -выполняемая операция

и - ¡2 - период измерения расхода воздуха С= 1, например при впуске в 1 цилиндр;

Н-Н- период вычисления циклового расхода воздуха С=2, например для 3-го цилиндра;

1з-и~ период вычисления циклового расхода газа С=3, например для 3-го цилиндра;

Ц-и — период времени до начала впрыска газа С=4 во впускной трубопровод 3-го цилиндра;

/б - /7 - период времени впрыска газа С=5 во впускной трубопровод 3-го цилиндра;

/5 - ¡в — период задержки впрыска газа равный перекрытию выпускного и впускного клапанов 3-го цилиндра;

и - Н — период равный времени движения газа от сопла газовой форсунки до впускного клапана 3-го цилиндра;

Н-Н-период отрытого состояния впускного клапана 3-го цилиндра С=6

На рис. 9 представлена циклограмма вычисления расходов воздуха и газа при управлении двигателем с непосредственным впрыском в такте сжатия. Точность определения циклового расхода газового топлива по величине циклового расхода воздуха в данном случае значительно выше, чем при впрыске во впускной трубопровод, т.к. это выполняется для конкретного цилиндра и непосредственно перед рабочим тактом.

/1 /2 /3 к /5 /

Рис. 9. Циклограмма расчёта расходов воздуха и топлива и работы системы управления ДВС при непосредственном впрыске газа в цилиндр в процессе такта сжатия, где С - выполняемая операция

¿1 - Ь - период открытого состояпия впускного клапана и измерения расхода воздуха с помощью специальных датчиков С= 1;

¡г-Н- период вычисления циклового расхода воздуха С=2;

Н-и — период вычисления циклового расхода газового топлива С=3;

и-Н — период впрыска газового топлива в такте сжатия С=4;

Преимущество впрыска газа в камеру сгорания под высоким давлением в такте сжатия заключается в повышении степени турбулентности внутреннего вихря, за счёт которого увеличивается скорость сгорания газовоздушной смеси. Степень относительного увеличения турбулентности можно оценить расчётным путём.

Для вычисления относительной величины изменения импульса (Ы-£)ИВ движения воздушного вихря в камере сгорания за счёт впрыска газа запишем закон сохранение импульса движения:

те Гв + тГУГ = (тв + тг) К1В, (9)

где тв,тт> (тв + тТ) - масса воздуха, газа и смеси воздуха с газом соответственно;

X, уТ, КГ - скорость воздуха, газа при его впрыске в камеру сгорания и газовоздушной смеси после их смешения являются средними интегральными векторными величинами.

Или в относительных величинах изменения импульса движения:

(Л/у)//в = 1 + шгТГ/ тпв (тн + тТ) ТС/ тв Ув, (10)

где тв / тТ = Ь0 - коэффициент стехиометрии газового топлива в смеси с воздухом, для оценки влияния примем равным 16 кг воздуха / кг газового топлива, (Д/г) = /г + /„ - суммарный импульс движения газовоздушной смеси равный сумме импульсов движения газа и воздуха.

Тогда относительная в^ли^рна изменения импульса движения:

(ДШ. = 1 + (1/1о) (К / К,). (11)

Если принять допущения об отсутствии внешних и внутренних потерь энергии при впрыске газа в камеру сгорания, то можно допустить, что величина изменения относительного импульса движения пропорциональна относительной величине увеличения турбулентности (АЕ^)/ЕВ движения газовоздушной смеси, т.е.: (Д/£)//„ ~ (АЕ^/Е*

Скорость горения газовоздушной смеси: иг~ио + и\ где С/0, £/' - нормальная скорость горения и турбулентная составляющая скорости горения соответственно.

Расчётная турбулентная составляющая возрастёт от 6,1 до 1,6 раза от режима холостого хода до максимальной частоты вращения коленчатого вала. Соответственно скорость сгорания газовоздушной смеси в процентном отношении увеличится больше на холостом ходу, чем при максимальной частоте вращения коленчатого вала. Относительное снижение токсичности отработавших газов по выбросам СО и СН более значительно на малых режимах, чем при максимальной частоте вращения коленчатого вала.

Снижение выбросов СО и СН при непосредственном впрыске газового топлива обусловлено тремя факторами: увеличением скорости горения воздушнотоп-ливной смеси за счёт повышения турбулентности в камере сгорания, повышением её начальной температуры за счёт возможности увеличения степени сжатия в цилиндре, а также повышения температуры горения за счёт возможности работы на бедных смесях.

Оптимизация впрыска газового топлива во впускной трубопровод. Результаты испытаний автомобилей, работающих на КПГ, показали значительное повышение эффективной мощности и крутящего момента (от 2 до 10% в зависимости от частоты вращения коленчатого вала) при установке штуцеров впуска газового топлива по потоку воздуха во впускном коллекторе двигателя. Для теоретического обоснования данного факта была разработана модель расчёта (рис. 10).

Порядок расчёта эжекторного компрессора для заданной его геометрии и степени эжекции и различных перепадах давления на газовых форсунках.

Вся интегральная составляющая массы, поступившей воздушнотопливной смеси в цилиндр, в процессе всасывания (по времени или по углу положения коленчатого вала), распределяется по закону синуса, начиная с ВМТ.

Рис. 10. Расчётная схема впускной системы при впрыске газового топлива Рф — давление за клапаном газовой форсунки;

Рр—давление газа на выходе из трубки подачи газа во впускную трубу ДВС; Р„ - давление воздуха во впускной трубе двигателя; Рс — давление топливной смеси во впускном трубопроводе за эжектором; Рк — давление в камере сгорания в процессе всасывания топливной смеси; U - длина трубки от сопла газовой форсунки до входа во впускной трубопровод; d - внутренний диаметр газовой трубки перед входом во впускной трубопровод; D — внутренний диаметр впускного воздушного трубопровода.

Масса воздушнотопливной смеси, поступившей в цилиндр М = V к ртвс, где V- объём цилиндра; к — коэффициент наполнения цилиндра в зависимости от частоты вращения коленчатого вала; р^ — плотность воздушнотопливной смеси. Мгновенный расход воздушнотопливной газовой смеси по времени: dGB = (dM/dt) sin а (1 - (cos а)/10). (12)

Мгновенная скорость движения в сечении впускного клапана fVK: àWK = dGJ(npncFK), (13)

где FK — площадь проходного сечения впускного клапана.

Определение эффективности эжектора-компрессора газового топлива для увеличения циклового расхода воздуха выполняют по газодинамическим функциям по методике, изложенной в: Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. 4.1 — СПб.: AHO НПО «Профессионал», 2004. — 848 е., и доработанной с учётом переменных значений проходных сечений, скоростей движения рабочего тела, для различных перепадов давления газового топлива на клапане форсунки, различных режимов работы ДВС, т.е. от частоты вращения коленчатого вала и его положения.

Степень сжатия при заданном коэффициенте эжекции U= 9,53: (р</рХр2 = C/qc3, (14)

где qcз = q(Ki) — газодинамическая функция смеси газового топлива с воздухом перед входом во впускной клапан камеры сгорания при коэффициенте скорости Ks',

с=(1+ и V©; / (ря /(рр 4ps)+u V©), (15)

где © = Тн /7р = а2,, / а^; Тн, ая — температура и местная скорость звука соответственно воздушного потока перед смешением его с газовым топливом;

Тр, Яр - температура и местная скорость звука соответственно газового топлива перед его смешением с воздушным потоком; дрз= £/ — газодинамическая функция на выходе газа во впускную трубу двигателя при коэффициенте скорости

^ре-

Значение (рУрнУ.

ЫРп) = № Хр„+ Фз а+ и<®{к2 Х^+фз Ь) - (1+СЛV©) Кз) / (<р3 Пс3 (а+ С/л/0 с», (16) где а = ЯрДДф к дрн); Ъ = П^/Щ^ к ^рн); с = 1 / к ?„2);Прн= П(Ар„), ярн2= Ч(^рнг) и П„2= ГТ(Хн2), Яя2= Я(^нг) — газодинамические функции для газа и воздуха соответственно перед их смешением, показатель адиабаты принимают в первом приближении к\= кг= к =1,4; ф3 = ф(Хсз)=1/(Хс3)2+21п(Хс3) - функция влияния трения при смешении газа с воздухом; Пс3 - газодинамические функции для смеси газа и воздуха перед впускным клапаном камеры сгорания.

Уточняем значение р</ра по соотношению, приведенному выше.

Если (р/р„)> (Р</Рн)пр2, то принимаем (р/ря)= 0</р„)пР2.

В противном случае задаём новое значение (р/р„У= (р/ри) и повторяем расчёт до тех пор, пока не будет достигнуто: (р/р„)'- (р/р„) < 10 .

Строим характеристики (р</рн)' = %гла положения коленчатого вала; частоты вращения коленчатого вала; перепада давления на клапане газовой форсунки).

Интегральное значение эффективности эжектора (р</ри)' по углу положения коленчатого вала на нескольких выбранных частотах вращения коленчатого вала (от холостого хода до максимальной частоты): 220

(Р</Р„) 'интегр = I (Р,/Ри) ' (17)

0

где а — угол положения коленчатого вала по отношению к верхней мёртвой точке поршня.

Результаты расчётов показали, что максимальные значения (рс/р„) для получения максимальной мощности при степени эжекции 9,53 и при перепаде давления газового топлива на форсунках от 100 кПа до 300 кПа составляют соответственно от 1,015 до 1,0754, а при 700 кПа - до 1,0891. На эту величину улучшается наполнение цилиндров воздушнотопливной смесью, а значит и возрастает мощность и крутящий момент по сравнению с вариантом, не использующим энергию давления газа для эжекции воздуха в цилиндр двигателя. Наиболее оптимальный перепад давления газа на электромагнитной форсунке, с точки зрения получения максимальной мощности двигателя и полной выработки газа из баллона, лежит в диапазоне 250...400 кПа.

В четвёртой главе разработаны основные требования к алгоритму управления ДВС с газовой топливоподачей, а также разработаны основы этого алгоритма на всех режимах работы, начиная от пуска до останова.

Разработан и описан алгоритм пуска двигателя на газовом топливе. Даны предложения по развитию алгоритма управления при пусках и прогреве ДВС на газовом топливе.

Обеднение на прогреве повышает температуру догорания газовоздушной смеси. При этом время прогрева катколлектора становится таким же, как и при работе на бензине.

На рис. 11 показан пример изменения состава воздушнотопливной смеси в зависимости от температуры ДВС при пуске и прогреве на природном газе.

а ■

1,2

1

-30 90 fC

Рис. 11. Изменение состава воздушнотопливной смеси в зависимости от температуры двигателя при пуске и прогреве па природном газе

Разработан алгоритм цикловой газовой подачи на стационарных и переходных режимах работы двигателя с искровым зажиганием.

Для двухтопливных или однотопливных газовых с резервной бензиновой системой расчет времени впрыска газовых форсунок должен производиться следующим образом:

INJ = TNJsem™-KFOR-TKFOR(NTR; NTA) + TKFU(JNUACC; NDP) + TKFDB(NDP; GBC) - TKWAT(TWAT;GBC) + TKPN(FREQ; GBC; TWOP) + TOB(X; FREQ; GBC), (18)

где: ENGgeram, — время впрыска бензиновой форсунки; KFOR - отношение производительности газовой форсунки KFOR^ к производительности бензиновой форсунки KFOReeHSHH умноженное на отношение стехиометрического соотношения газа к воздуху STEHra, и стехиометрического соотношения бензина к воздуху STEHse™,,; KFOR = (KFOR^/KFORíe«^) • (STEH^STEH^^«); TKFOR(NTR; NTA) — таблица, определяющая влияние параметров газа на производительность форсунки, изменяется в диапазоне от 0,2 до 2,0, при известном изменении давления перед форсунками и известном составе природного газа имеет расчетные значения, которые можно корректировать в процессе калибровки; NTR — квантованное TR; NT А - квантованное ТА; TR=T(PMETN; TMETN) - таблица определяющая зависимость KFOR от давления и температуры в газовой рампе. Изменяется в диапазоне от 0.7 до 4.4 с дискретностью 0.02; NTRO — квантованное TRO; TRO(NPMETN; NTMETN) - относительная величина плотности газа в рампе изменяется в диапазоне от 0,1 до 5,2 с дискретностью 0,02; NPMETN - квантованное PMETN; PMETN - физическая величина давления газа в рампе изменяется в диапазоне от 0 до 520 кПа с дискретностью 2 кГГа; NTMETN - квантованное TMETN; TMETN - физическая величина температуры газа в рампе изменяется в диапазоне минус 40 до 125 с дискретностью 5°С; NDP — квантованное DP; DP — физическая величина разности давлений в газовой рампе и впускном коллекторе изменяется в диапазоне от 0 до 520 кПа с дискретностью 2 кПа; DP - PMETN-TNMAP; TNMAP=T(NFREQ; NGBC) - таблица, определяющая зависимость давления во впускном коллекторе от частоты вращения коленчатого вала и циклового расхода воздуха. Изменяется в диапазоне от 10 до 110 кПа с дискретностью 1 кПа; NFREQ - квантованная FREQ частота вращения коленчатого вала; NGBC -квантованное GBC расход воздуха; TA(NTRO; NDP) таблица, определяющая зависимость KFOR от скорости протекания газа через газовую форсунку. Изменяет-

ся в диапазоне от 0,1 до 2 с дискретностью 0,005; TKFU(JNUACC; NDP) - таблица влияния напряжения питания и перепада давления на форсунке на время открытия газовой форсунки, равна разности времен открытия газовой (таблица TKFUM(JNUACC; NDP)) и бензиновой форсунок, изменяется в диапазоне от 0 до 10 мс; JNUACC - напряжение в бортовой сети автомобиля; TKFDB(NDP; GBC) — таблица влияния давления газа на форсунках и расхода воздуха через двигатель на наполнение цилиндров воздухом, изменяется в диапазоне от 0 до 10 мс; GBC -расход воздуха через двигатель; TKWAT(TWAT; GBC) - таблица коррекции времени впрыска газа по температуре двигателя и расходу воздуха через него, изменяется в диапазоне от 0 до 10 мс; TVVAT - температура двигателя; TKPN(FREQ; GBC; TWOP) — таблица коррекции топливоподачи при перегреве нейтрализатора, таблица включается в работу при превышении времени TWOP работы на опасных режимах, где TWOP(FREQ; GBC) - таблица времён опасных режимов работы нейтрализатора, диапазон изменения от 0 до 10000 с; ТОВ(Х; FREQ; GBC) - таблица обучения в зависимости от показаний датчика кислорода до нейтрализатора, частоты вращения коленчатого вала и расхода воздуха через двигатель.

Угол зажигания в режиме питания двигателя газом: UOZ = UOZexmi,„+ TKUOZ (FREQ; GBC) + TKUOZTWAT (FREQ; TWAT), (19) где TKUOZ (FREQ; GBC) - таблица коррекции угла опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя и расхода воздуха; TKUOZTWAT (FREQ; TWAT) - таблица коррекции угла опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и температуры двигателя.

Разработан метод определения угла опережения зажигания при работе на газовом топливе с учетом влияния основных физических факторов. Угол опережения зажигания для различных частот вращения коленчатого вала ДВС:

Озгаз = Из бензин • где Kw = (Wfmp 6 / IV/[ap r). (20)

Примем в первом приближении следующие условия: функции fa влияния состава смеси на скорость горения одинаковы для паров бензина и газа; начальная концентрация молекул водорода в бензине и газовом топливах одинакова; функции концентрации fK топлива и кислорода в смеси в процессе горения от времени одинаковы; давление р в конце процесса сжатия на всех видах топлива одинаково; турбулентную составляющую скорости Vдля известной конструкции камеры сгорания и системы впуска воздушнотопливной смеси при работе на бензине и газе считаем одинаковой.

(/W6eH,-WrJ [(Лбенз • еЩК Т) + И,ур6)-(Ä"va- 1п( Ккс+^ь))]бснз

Ку,=р ■ -----------------------------------, (21)

[(4„ ■ eFJiR14v^) •(tfva'ln(KKC+A-vt))]™ где /«бенз — показатель степени влияния давления при работе двигателя на бензине при турбулентном горении = -0,1-М),4);

wra3 - показатель степени влияния давления при работе двигателя на газовом топливе примем из условия его пропорциональности детонационному числу топлива. Тогда для СНГ он будет равен снг = -0,2 • 95/105 =-0,18095, для КПГтя^ к,,, = -0,2 • 95/120 = -0,15833. В данном расчете принято детонационное число бензина — 95, СНГ — 105, КПГ — 120. Например, давление в конце процесса сжатия 1200 кПа, тогда коэффициент влияния давления на угол опережения зажигания при работе на КПГ составит 0,744, а при работе на СНГ 0,874, т.е. угол опереже-

ния зажигания при переходе с бензина на газовое топливо из-за различного влияния давления уменьшится на 25,57% для КПГ и на 12,63% при работе на СНГ;

Ебет, £газ кпг, ¿таз снг - энергия активации для паров бензина, КПГ, СНГ с воздухом;

Диапазон изменения коэффициента влияния температуры, энергии активации и масштабной функции составляет при ТГ£} = 770К, 820К, 845К соответственно для КПГ 1,467; 1,712; 1,671, а для СНГ 1,1395; 1,223; 1,189. Функция данного влияния имеет экстремум из-за различного влияния температуры и энергии активации. Как видим, увеличение угла опережения зажигания при переходе с бензина на газовое топливо в зависимости от температуры, энергии активации топлива и масштабного коэффициента составит для КПГ от 46,7 до 71,2%, а для СНГ от 13,95 до 22,3%.

Тогда суммарное влияние всех параметров, а именно давления и коэффициента на изменение угла опережения зажигания составит для КПГ К„- = 1,092... 1,274, а для СНГ = 0,996... 1,068. Например, угол опережения зажигания на бензине был 25°, тогда на КПГ он увеличится от 9,2 до 27,4% и составит от 27,3 до 31,8°, т.е. фактическое увеличение составит от 2,3 до 6,8° по углу положения коленчатого вала двигателя. Аналогично для СНГ он увеличится от 0 до 6,8% и составит от 25 до 26,7°, т.е. фактическое увеличение составит от 0 до 1,7° по углу положения коленчатого вала двигателя.

Выполнен анализ методов и предложены алгоритмы обнаружения пропусков воспламенения или вялого неполного сгорания воздушнотопливной смеси в камере сгорания в процессе работы на газовом топливе. Предложены алгоритмы на основе обработки сигналов с датчиков: детонации; давления в камере сгорания; ионных токов при сгорании воздушнотопливной смеси; температуры газов в камере сгорания. Например, на рис. 12 показано изменение давления в камере сгорания ДВС при нормальном горении и при пропуске воспламенения или вялом не полном сгорании воздушнотопливной смеси.

Рис. 12. Изменение давления в камере сгорания в процессе горения воздушнотопливной смеси по углу положения коленчатого вала относительно верхней мертвой точки поршня.

1 — изменение давления при нормальном горепии воздушнотопливной смеси;

2 — изменение давления при вялом не полном сгорании;

3 - изменение давления при пропуске воспламенения;

Ргр - граничное минимальное значение давления для сравнения в процессе сгорания.

При наличии датчика давления в камере сгорания пропуск воспламенения определяем по отсутствию или недостаточному росту давления рс в процессе

20

горения воздушнотопливной смеси в цилиндре, если был осуществлён впрыск топлива в этот цилиндр и соответственно подано зажигание. Условия пропуска воспламенения: рЦ)>ре, где р^ = f (е; у; Гэтл(; 7^; раш; Л; Хт; т^) - некоторая граничная функция, зависящая от степени сжатия е, угла положения коленчатого вала у, температуры атмосферы Т^, температуры двигателя Гдвс, атмосферного давления р^, влажности атмосферного воздуха А, коэффициента наполнения цилиндров воздушнотопливной смесью г|, химического состава топлива и продуктов сгорания Хт, полноты сгорания воздушнотопливной смеси т)сг. В первом приближении принимаем ртр = 2/3 ре.

Для улучшения достоверности определения или пропуска воспламенения или вялого горения необходимо сравнить значение величины скорости увеличения давления в камере сгорания в процессе горения воздушнотопливной смеси с некоторой граничной функцией.

Р1 > фе/У/ или р1 > ф/с1у, (22)

где (1у — изменение угла положения коленчатого вала в процессе горения воздушнотопливной смеси в цилиндре;

Рг = f (б; у; Татм» Л™; А; л; X) - некоторая граничная функция, зависящая от степени сжатия £, угла положения коленчатого вала у, температуры атмосферы температуры двигателя Гдвс, атмосферного давления ршм, влажности атмосферного воздуха А, коэффициента наполнения цилиндров воздушнотопливной смесью г|, химического состава топлива и продуктов сгорания Хт. В первом приближении принимаем />, = 2/3 йр/ё/.

Метод коррекции цикловой подачи в зависимости от пульсаций давления в газовой рампе форсунок. В полости газовой рампы возникают вынужденные колебания (пульсации) давления с частотой открытия газовых форсунок и модулированной частотой большего порядка.

По результатам проведённых испытаний (рис.13) максимальная разность расходов через форсунки составила от 4 до 10%.

800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 5200 5600 6000

п, 1/мин

Рис. 13. Зависимость максимальной разности расхода топлива при максимальном перепаде давления 380 кПа по четырём форсункам, установленным в одной рампе в зависимости от частоты вращения коленчатого вала

<Юч — для рампы с внутренним диаметром 16 мм и длиной 400 мм (1С2 — дан рампы с внутренним диаметром 12 мм и длиной 360 мм

Поэтому для корректировки газовой цикловой подачи для различной частоты вращения коленчатого вала важно определить длину волны и максимальную амплитуду изменения давления газа в рампе форсунок с учётом расположения её максимального и минимального значений по длине рампы.

Расположение экстремумов амплитуды по длине рампы влияет на разность расходов газового топлива через форсунки для разных цилиндров двигателя, т.е. на неравномерность топливоподачи по цилиндрам.

В зависимости от длительности открытия и перепада давления газа на клапане Ар форсунка выдаёт объёмный цикловой расход Ущ в результате чего происходит провал давления газа в рампе форсунок на величину др.

Волна разрежения фрр движется от рампы форсунок в сторону выхода из редуктора (рис. 14).

Впускной трубопро- 1 Электромагнитная 2 Рампа форсу- 5 Газовый редуктор 7 Баллон

вод две з газовая форсунка нок 4 -* 6

Рис. 14. Схема воздействийэлементов газовой системы

1 — Кц объёмная цикловая подача газа во впускной трубопровод двигателя

2 -6р провал давления газа в рампе форсунок во время цикловой подачи газа

3 — Ар перепад давления на клапане газовой форсунки

4 — фрр волна разрежения в направлении от рампы к редуктору

5 - Ггр увеличение объёмного расхода газа через редуктор в период цикловой подачи газа

6 — фрб волна разрежения от входа в редуктор до выхода газа из баллона

7 - Кбр увеличение объёмного расхода газа из баллона на вход в редуктор

При достижении перепада давления равного перепаду, достаточному для страгивания клапана редуктора, последний приоткрывается и увеличивает объёмный расход газа через редуктор У^. Увеличение расхода через редуктор вызывает волну разрежения на его входе ёррв- Волна разрежения от входа в редуктор движется в направлении к выходу из баллона, приводя к увеличению объёмного У6р расхода газа из баллона.

Средняя скорость ТУ^ движения волны разрежения при её движении в газовой рампе форсунок за время цикла впрыска (Ь-ЬУ-

н

И'ср=1/(12-Ь)=УарЛк<1(р/2)ШХл ^/4)(/2-Г,)]. (23)

Время реакции на провал давления в газовой рампе в процессе цикловой подачи топлива:

/х = ¿тр/^ср. (24)

Время восстановления давления в рампе равно сумме времени /х движения волны разрежения в обратном направлении, например, от рампы форсунок до выхода из редуктора, и времени движения волны давления в прямом направлении с учётом времени запаздывания реакции редуктора:

4с = 'х + 'д-(0,5/Е-/р), (25)

где /р — время запаздывания реакции редуктора, /в — период волны разрежения.

Для уменьшения времени реакции необходимо: уменьшать длину газовых трубопроводов между элементами газовой системы подачи, увеличивать среднюю скорость движения волны разрежения в процессе цикловой подачи газа и уменьшать время реакции редуктора на волну разрежения. Увеличение средней скоро-

сти движения волны разрежения возможно при увеличении: объёмной цикловой подачи газа; перепада давления на клапане газовой форсунки докритического значения; уменьшения диаметра трубопровода, что, в свою очередь, приводит к обратному эффекту, т.е. к увеличению провала давления газа в процессе цикловой подачи газа. Увеличить среднюю скорость волны разрежения без существенного падения давления перед газовой форсункой можно только за счёт уменьшения периода цикловой подачи, а это значит необходимо увеличить наклон расходной характеристики газовой форсунки. Уменьшить время движения волны давления от редуктора к рампе можно увеличением перепада давления на клапане редуктора, что, в свою очередь, приведёт к росту скорости истечения газа. Но это увеличит время реакции редуктора, что увеличит время восстановления давления в рампе форсунок.

Энергия колебаний газа в рампе форсунок складывается из Е^ кинетической и Е„р потенциальной, т.е. £р = Etrp + £ир, где соответственно Екр = т ■ WH и Епр = /ф- т, т - масса газа, участвующего в движении в рампе форсунок, W— скорость газа в рампе, i,v - энтальпия массы газа, участвующего в движении в рампе форсунок. Во время цикловой подачи газа часть внутренней энергии преобразуется в кинетическую энергию истечения газа через сопло форсунки.

Рассмотрим два варианта подачи топлива: 1 вариант — время ta цикловой подачи меньше или равно сумме времени движения волны разрежения до выхода из редуктора плюс время реакции редуктора и плюс время движения волны давления от выхода из редуктора до рампы форсунок; 2-ой вариант - время tn цикловой подачи больше вышеназванной суммы времён.

Для 1-го варианта энергия Ер для поддержания колебательного процесса топлива в рампе форсунок соизмерима с кинетической энергией Е^ истечения топлива из сопла форсунки Ер = Екф.

Средняя скорость истечения газа из сопла форсунки W = (2g • А/Ур)'2. Массовая цикловая подача газа q4=Vnp=m, где Кц - объёмная цикловая подача газовой форсунки зависит от режима работы конкретного двигателя, g - ускорение свободного падения, Ар - перепад давления газа на клапане газовой форсунки, р -плотность газа в рампе форсунок. Подставим эти выражения в формулу кинетической энергии, сделаем преобразования и запишем в малых отклонениях во времени, тогда получим: d£K(j/d/ = Vu g dp/dt. Суммарная кинетическая энергия истечения газа за время цикловой подачи:

tB 1ц

Es.ф = J (d£K(j/d/) =VagS dp/dt. (26)

О О

Для первого случая вся кинетическая энергия истечения газа из сопла форсунки во время цикловой подачи расходуется на поддержание вынужденных колебаний давления газа в топливной рампе:

Еы, = т (/'о - /цр), (27)

где /о - энтальпия газа в рампе форсунок до начала цикловой подачи газа, /„р - энтальпия газа в рампе форсунок после завершения цикловой подачи газа.

Приравниваем последние два выражения и после преобразований получим выражение для 1-го варианта для максимального среднего интегрального значе-

ния провала давления в рампе во время цикловой подачи газового топлива через одну из форсунок при фазированном впрыске топлива:

/ц 1а

К„ g \ фМ/ = т О'о - /цр), или 1 дрШ = (р0 г0 - р,ф г'„РУя, (28)

О О

где р о - плотность газа в рампе форсунок до начала цикловой подачи газа, рц, -плотность газа в рампе форсунок после завершения цикловой подачи газа.

На рис. 15 показано влияние объёма рампы форсунок, цикловой подачи и температуры газа на среднюю интегральную величину провала давления в процессе цикловой подачи топлива.

Гр=50смэ —»-Т1=243 К —Т1=295 К-*-Т1=355 К Гр= 100см3 -*-Т1=243 К —*-Т1=295 К -»-Т1=355 К

Рис. 15. Влияние величины цикловой подачи да газового топлива, температуры Т\ газа до начала впрыска и внутреннего объёма рампы на максимальную среднюю интегральную величину провала давления Дри газа в рампе форсунок за время цикловой подачи

Давление в рампе форсунок после завершения цикловой подачи:

р2^(Ч^)Т2/Ти (29)

где рир2~ давление газа в рампе до и после завершения цикловой подачи соответственно при отсутствии реакции газового редуктора на провал давления; Сф масса газа в рампе до начала цикловой подачи газа; Ти Т2 - температура газа в рампе до и после завершения цикловой подачи соответственно при отсутствии реакции газового редуктора на провал давления.

Для 2-го варианта начало процесса изменения давления в рампе перед форсунками в период цикловой подачи соответствует 1-му варианту, а в конце процесса происходит практически полное восстановление давления в рампе до рабочего значения.

Разработаны основы алгоритма адаптации электронной системы управления двигателем к различным химическим составам газообразного топлива и показаны некоторые направления возможного его развития и совершенствования.

Разработан алгоритм диагностики элементов ГБО с ЭСУД для норм токсичности Евро-4 и выше. На рис. 16, например, для природного газа показан график изменения температур в газовой рампе и в газовом баллоне после пуска ДВС.

После прогрева двигателя разность температур газа между рампой форсунок и баллоном стабилизируется и будет постоянной, т.е. можно принять А Г, ~ const. Значение величины А Г, также необходимо использовать для диагностики датчика температуры газа в рампе в процессе работы двигателя.

Рис. 16. Изменение температуры газа в рампе форсунок и в баллоне после пуска ДВС в процессе его прогрева.

Тнгр, 7'гр - начальная и текущая температуры газа в рампе форсунок; Г„6, Гб — начальная и текущая температуры газа в баллоне; Т0 — температура окружающей среды; ¡а — начало пуска двигателя.

На рис. 17 приведена зависимость изменения расхода газа А С через форсунку от температуры газа на её входе при погрешности её измерения в 5 К.

* сверхкрнтнчесное истечение газа(лр»180...700 кПа)

Рис. 17. Изменения расхода газа через форсунку от температуры газа на еб входе при погрешности измерения температуры в 5 К.

На рис. 18 приведена зависимость изменения расхода газа через форсунку при впрыске во впускной трубопровод в зависимости от перепада давления газа.

На каждые 10 кПа при погрешности измерения давления газа в рампе форсунок для докритического истечения газа (при Ар = 100... 180 кПа) из сопла форсунки изменение расхода составит от 9 до 5,5%, а для сверхкритического истечения газа (при Ар = 180...700 кПа) — от 5 до 1,4%.

5

о

110 130 150 170 200 300 500Д»",кГи

Рис. 18. Изменепия расхода газа через форсунку в зависимости от перепада давления на её клапане при изменении показаний датчика давления газа на каждые 10 кПа.

Разработаны рекомендации по калибровке системы диагностики элементов ГБО с ЭСУД при работе на газовом топливе. Определены требования к критическим и некритическим резервным режимам при отказе элементов ГБО с системой электронного управления ДВС с искровым зажиганием. Разработан алгоритм работы двигателя на резервных режимах при отказе элементов ГБО с ЭСУД для норм токсичности Евро-4 и выше (рис. 19).

Рис. 19. Блок-схема алгоритма управления работой ДВС на резервных режимах

В пятой главе выполнен анализ требований и даны рекомендации по выполнению калибровочных работ ЭСУД на газовом виде топлива 4-х вариантов систем электронного управления ДВС с искровым зажиганием с газобаллонным оборудованием: 1) газовая система с электронным управлением с отдельным контроллером с получением управляющих сигналов от бензинового контроллера; 2) автономная система электронного управления двигателем для однотопливных газовых автомобилей; 3) независимые бензиновая и газовая системы подачи и электронного управления двигателем с одним контроллером, в котором реализованы два независимых алгоритма управления с возможностью подачи только одного вида топлива; 4) зависимые бензиновая и газовая системы подачи и электронного управления двигателем с одним контроллером, в котором реализованы два взаимозависимых алгоритма управления с возможностью одновременной подачи двух видов топлив.

В шестой главе представлен проект газобаллонного автомобиля, пригодного для заводского изготовления. Разработана система четвёртого поколения газобаллонного оборудования с распределенным фазированным впрыском газа во

впускные каналы каждого цилиндра с изменением цикловой подачи бензиновыми или газовыми форсунками.

На рис. 20 показана внешняя скоростная характеристика автомобиля при

-О-Кбенз, кВт -А-ГЛаз, кВт -Ф-Мбевз, Нм/10 -»-Мгаз, НмЛО

Рис. 20. Внешне скоростная характеристика двигателя с 8 клапанным 1,5 л. двигателем при работе на бензине и сжатом природном газе

Управление работой газобаллонного оборудования осуществляется всей периферией ЭСУД и контроллером базового бензинового двигателя, который дополнительно обеспечивает: обработку сигналов дополнительных газовых датчиков (датчика высокого давления газа, датчика низкого давления газа, датчика температуры газа перед форсунками, датчика наличия пробки в заправочном устройстве, датчиков утечки газа); управление дополнительными газовыми клапанами; управление газовыми форсунками; управление углами опережения зажигания при работе на газе; управление пуском и прогревом холодного двигателя; корректировка угла опережения зажигания на режиме прогрева для ускорения прогрева нейтрализатора и выхода его на рабочий режим; отключение подачи газа на режимах торможения двигателем; управление процессом перевода работы двигателя с бензина на газ (с отключением бензиновых форсунок и бензонасоса) и с газа на бензин с опережающим включением бензонасоса; диагностику элементов ГБО и работу на резервных режимах при неисправностях элементов ГБО; индикацию наличия газа и режима работы; блокировку запуска и работы двигателя при заправке и возникновении утечек в системе подачи газа; работу системы обнаружения утечек и их индикацию.

Основпые результаты и выводы:

1. Разработан комплексный метод в виде математических моделей рабочего цикла по питанию двухтопливных и однотопливных газовых двигателей с искровым зажиганием, включающий модели:

- циклового наполнения цилиндров газовоздушной смесью как при одновременной работе на бензине и газе, так и на газе с впрыском во впускную трубу и при непосредственном впрыске газового топлива;

27

- процесса циклового впрыска топлива с коррекцией по основным влияющим параметрам, как во впускную трубу, так и при непосредственном впрыске газа в цилиндр двигателя;

- определения угла опережения зажигания при работе на газовом топливе;

- диагностики элементов газобаллонного оборудования и топливной газовой системы для выполнения законодательных требований и норм безопасности в процессе эксплуатации транспортного средства.

2. Разработана методика и программное обеспечение для обработки параметров электромагнитных форсунок после испытаний на стенде при различных внешних условиях и различных испытательных средах.

3. На основе совместной работы поршневого двигателя и элементов газовой топливной системы разработан алгоритм коррекции циклового расхода газа через электромагнитную форсунку, как в статическом, так и динамическом режимах работы двигателя.

4. Разработан метод расчёта эжектора с переменными значениями расхода, поступающего в цилиндр воздуха при его цикловой подаче в цилиндр, выполнены расчёты, которые показывают, что наибольшая эффективность эжектора проявляется при перепадах давления газа на клапане форсунки от 250 до 350 кПа, проведены натурные испытания на поршневом двигателе, которые согласуются с результатами расчётов.

5. Разработаны алгоритмы для электронной микропроцессорной системы управления поршневого газового двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием:

- пуска и прогрева на обеднённой смеси для ускорения прогрева катколлек-тора и снижения токсичности отработавших газов;

- цикловой подачи газа на стационарных и переходных режимах работы двигателя с учётом коррекции в зависимости от уровня пульсаций давления в рампе;

- определения угла опережения зажигания при работе на газовом топливе;

- обнаружения пропусков воспламенения по сигналам датчиков давления и температуры газов в цилиндре, ионных токов;

- адаптации электронной системы управления двигателем к различном химическим составам газообразного топлива;

- диагностики элементов ГБО и работы двигателя на резервных режимах;

- управления топливной аппаратурой при заправке и опорожнении газовых баллонов.

6. На основе энергетического баланса при впрыске газового топлива через электромагнитную форсунку во впускной трубопровод поршневого двигателя разработан метод оптимизации элементов системы газовой подачи.

7. Разработаны методы проведения калибровки электронной системы управления поршневым газовым двигателем для улучшения его мощности, снижения токсичности отработавших газов и улучшения ездовых качеств автомобиля.

8. Разработана и апробирована система подачи газового топлива и микропроцессорная система электронного управления автомобильным газовым двигателем, которая обеспечила следующие результаты:

- потери мощности и крутящего момента двигателя при работе на природном газе, с предложенными изменениями, уменьшились от 2 до 8%;

- ездовые качества автомобиля при средней загрузке при движении на газовом виде топлива практически не хуже, чем при работе на бензине;

- стабильный пуск на природном газе как при отрицательных до минус 30°С, так и при положительных до +45°С температурах окружающего воздуха;

- выполнение норм по токсичности отработавших газов Евро-4;

Основное содержание работы опубликовано в следующих трудах:

Монография

]. Шишков, В.А. Теория управления двигателем с искровым зажиганием при работе на газовом топливе / В.А. Шишков. - Самара: AHO «Издательство СНЦ РАН», 2012.-312 с.

Статьи в рекомендованных ВАК РФ журналах:

2. Шишков, В.А. Особенности разработки алгоритма управления двигателем внутреннего сгорания для работы на газообразном топливе / В.А. Шишков // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. Международный научно-технический журнал. - 2010. - № 1 (49). - 3 с.

3. Шишков, В.А. Причины повышенного расхода газового топлива в процессе эксплуатации автомобиля с электронной системой управления двигателем с искровым зажиганием, методы его снижения / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. — 2010. - № 2.-С. 14-19.

4. Шишков, В.А. Свечи зажигания для газовых ДВС / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. - 2010.-№ 4. - С. 58-61.

5. Шишков, В.А. Непосредственный впрыск газового топлива в камеру сгорания ДВС с искровым зажиганием / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. — 2010. — № 6. — С. 51-57.

6. Шишков, В.А. Калибровка электронной системы управления двигателем с искровым зажиганием, работающим на газовом топливе / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал.-2011.-№ 1.-Ч. 1.-С. 63...68.-2011.-№ 2.-Ч. 2.-С. 71-73.

7. Шишков, В.А. Алгоритм диагностики элементов ГБО в системе электронного управления ДВС с искровым зажиганием / В.А. Шишков // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. Международный научно-технический журнал. - 2011. -№ 1. - С. 7-15.

8. Шишков, В.А. Резервные режимы работы ДВС с искровым зажиганием с ЭСУД при работе на газовом топливе / В.А. Шишков // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. Международный научно-технический журнал. - 2011. - № 3. - С. 41-48.

9. Шишков, В.А. Расчёт элементов системы газовой подачи для ДВС с искровым зажиганием / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. - 2011. - № 3. - С. 61 -65.

10. Шишков, В.А., Лесных Ю.И. Совместная работа узлов и характеристик элементов ГБО для ДВС с искровым зажиганием / В.А. Шишков // Международ-

ная конференция «Проблемы развития двигателесгроения», СГАУ, 28-30 июня 2011: Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва. - 2011. - № 3(27), ч.З. - С. 377-386.

11. Шишков, В.А. Особенности пуска ДВС с искровым зажигание на газовом топливе / В.А. Шишков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва. — 2011. - № 3(27), ч.З. — С. 387-396.

12. Шишков, В.А. Алгоритм определения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газ для контроллера электронной системы управления двигателем / В.А. Шишков // Известия Самарского научного центра РАН. — 2011. - Т13, № 4(42). - С. 235-240.

13. Шишков, В.А. Использование энергии перепада давления газа на электромагнитных форсунках для улучшения наполнения цилиндров ДВС с воспламенением от искры / В.А. Шишков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королёва. — 2011. — № 1(25). — С. 129-136.

14. Шишков, В.А. Алгоритм адаптации электронной системы управления ДВС к различным химическим составам газового топлива / В. А. Шишков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королёва. -2011.-№ 1(25).-С. 204-213.

15. Шишков, В.А. Пропуски воспламенения в ДВС с искровым зажиганием с ЭСУД при работе на газовом топливе / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. — 2011. — № 5(23). -С. 26-32.

16. Шишков, В.А. Снижение потерь мощности и крутящего момента ДВС с искровым зажиганием с ЭСУД при работе на газовом топливе / В.А. Шишков // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. Международный научно-технический журнал. — 2011. - № 5 - С. 25-31.

17. Шишков, В.А. Одновременная подача газового и жидкого топлив в ДВС с искровым зажиганием / В.А. Шишков // Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - Т13, № 6(44). - С. 211-219.

18. Шишков, В.А. Работа электронной системы управления двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием на газовом топливе при пропусках воспламенения / В.А. Шишков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва. - 2011. — № 6(30). - С. 163173.

19. Шишков, В.А. Особенности пуска двигателя внутреннего сгорания с искровым зажигание на газовом топливе / В.А. Шишков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва. — 2011.-№6(30).-С. 174-185.

20. Шишков, В.А. Особенности доводки ДВС с искровым зажиганием на газовом топливе с электронной системой управления в составе автомобиля по токсичности отработавших газов / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. — 2012. — № 1(25). — С. 7073.

21. Шишков, В.А. Определение угла опережения зажигания при переключении с бензина на газ в зависимости от скорости горения топливной смеси / В.А.

Шишков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королёва. - 2012. -№ 2(33). - С. 214-221.

22. Шишков, В.А. Колебания давления в рампе форсунок двигателей с искровым зажиганием / В.А. Шишков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королёва. - 2012. - № 3(34), ч.2. - С. 88-96.

23. Шишков, В.А. Энергия вынужденных колебаний давления газового топлива в рампе форсунок при работе двигателя с искровым зажиганием / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. - 2013. — № 1(31). - С. 66-70.

24. Шишков, В.А. Подача газового топлива при наддуве цилиндров двигателя с искровым зажиганием / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. — 2013.-№4(34). - С. 66-69.

Изобретения:

25. Система регулирования двигателя: патент СССР, положительное решение от 22.06.1992: МКИ5 F 02 С 7/16 / Шишков В.А., Терехов Г.А., Козьмин Ю.П., Брейво А.Э.; заявитель КНПО «Труд». - № 4916355/06/019632, заявл. 4.03.1991.

26. Парогенератор для криогенных продуктов: патент СССР, положительное решение от 29.06.92: МКИ5 F28 F 13/12, F28 F 13/18 / Антонов А.Н., Козьмин Ю.П., Шишков В.А.; заявитель Куйбышевский моторный завод «НПО» Труд». -№ 4944484/06(0448868), заявл. 13.06.1991.

27. Способ работы двухтопливного ГТД: патент РФ: МПК6 F02 С 9/00 / Орлов В.Н., Шишков В.А., Терехов Г.А., Козьмин Ю.П., Козлов В.А., Косицын И.П., Спивак Ю.В.; заявитель Самарское государственное научно-производственное предприятие «Труд». - № 93006020/06, заявл. 01.02.1993, опубл. 30.04.1995.

Публикации:

29. Калибровка автомобиля ВАЗ-21102-20 (ПТ-2482) для обеспечения пусков и движения при положительных и отрицательных температурах: техническая справка / ОАО «АВТОВАЗ»; исполн.: Шишков В.А. - 2004. - И с. - Инв. № 54869.

30. Калибровка ЭСУД для обеспечения пусков и движения автомобиля ВАЗ-21102-20 ПТ-2481, усл.2308, отработка алгоритма управления топливоподачей при разных температурах и эксплуатационные испытания на природном газе: техническая справка / ОАО «АВТОВАЗ»; исполн.: Шишков В.А. - Тольятти, 2004. - 14 с. - Инв. № 52706.

31. Ляченков, Н.В. Влияние топливной системы с впрыском во впускную трубу на экологические характеристики ДВС / Н.В. Ляченков, В.А. Шишков, Б.И. Явлинский // Ав-тоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. Международный научно-технический журнал. - 2007. - № 3 (33). - С. 74-78.

32. Расчёт теплофизических свойств некоторых веществ на ЭВМ ЕС. Пакет программ: технический отчёт / Куйбышевский моторный завод; исполн.: Шишков В.А. - Куйбышев, 1987. - 84 с. - Инв. № 001.9013.

33. Результаты заводских испытаний опытных образцов электромагнитных форсунок: технический отчет / Поволжское отделение Российской Инженерной Академии; исполн.: Темкин JI.C., Сулинов A.B., Баев В.М., Уткин А.П., Шишков В.А. [и др.]. - Самара, 1995.-(С. 17-46, 54-71,78, 170-173, 186-203, 206-219).-205 с.-Инв.№ 03-135(92)95.

34. Результаты испытаний автомобиля ВАЗ-21102-20 (ПТ-2009) в комплектации по двухтопливной системе питания (бензин - природный газ): техническая справка / ОАО «АВТОВАЗ»; исполн.: Шишков В.А. - Тольятти, 2000. - 27 с. - Инв. № 44674/21102.

35. Результаты испытаний автомобилей ВАЗ-21102-20 (ПТ-2009, ПТ-2313) с двухтопливной системой питания (бензин - природный газ): техническая справка / ОАО «АВТОВАЗ»; исполн.: Шишков В.А. -Тольятти, 2001. - 12 с. - Инв. № 46790/21102-20.

36. Результаты испытаний автомобилей ВАЗ-21102-20 с двухтопливной системой питания (бензин природный газ): техническая справка / ОАО «АВТОВАЗ»; исполн.: Шишков В.А., Кожухов И.Н. - Тольятти, 2002. - 30 с. - Инв. № 49470.

37. Результаты испытаний автомобиля LADA-21102-20 (ПТ-207) по определению мощности и крутящего момента двигателя на бензине и природном газе с различными местами подвода газа: техническая справка / ОАО «АВТОВАЗ»; исполн.: Шишков В.А. - Тольятти, 2005. - 9 с. - Инв. № 55498.

38. Результаты испытаний электромагнитных форсунок фирмы "Авангард": технический отчет / Фирма «Авангард»; исполн.: Соколов В.Е., Шишкин В.И., Шишков В.А. [и др.]. - Саратов, 1995. - (С. 31-43). - 82 с. - Инв. № ФЭ-2/95.

39. Система управления подачей сжиженного нефтяного газа в двигатель ВАЗ-2111 автомобиля ВАЗ-21102-20, ПТ-2345 с двухтопливной системой питания (бензин - сжиженный нефтяной газ): техническая справка / ОАО «АВТОВАЗ»; исполн.: Кожухов И. Н., Шишков В.А., Федоренко Ю.М., Миронов Ю.В., Ямолов Ю.И. - Тольятти, 2003. - 44 с. -Инв. № 50837/21102-20.

40. Шишков, В.А. Алгоритм управления и диагностика состояния электромагнитных газовых форсунок ДВС с искровым зажиганием / В.А. Шишков // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. Международный научно-технический журнал. - 2006. -№6(30).-С. 46-48.

41. Шишков, В.А. Расчёт параметров воздушнотопливной смеси, токсичности отработавших газов и расхода топлива поршневого двигателя внутреннего сгорания: методические указания к курсовой работе / В.А. Шишков - Самара: Изд. Самар. гос. аэрокосм, ун-т им. С.П.Королёва, 2007. - 36 с.

42. Шишков, В.А. Расчёт элементов системы топливоподачи поршневого двигателя внутреннего сгорания: методические указания к курсовой работе / Шишков В.А. - Самара: Изд. Самар. гос. аэрокосм, ун-т им. С.П.Королёва, 2007.-36 с.

43. Шишков, В.А. Анализ электронных схем управления ДВС для работы на газе или бензине / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. - 2008. - № 6. - С. 18-24.

44. Шишков, В.А. Возможности систем одновременной подачи газового и жидкого топлив в ДВС с искровым зажиганием / В.А. Шишков // Транспорт на альтернативном топливе. Международный научно-технический журнал. - 2009. - № 2. - С. 22-28.

45. Шишков, В.А. Процесс адаптации электронной системы управления двигателем к автомобилю / В.А. Шишков, Г.И. Сергеев, Ю.И. Ямолов // Дмитров, ААИ НИЦИАМТ, 2000.-№8.-16 с.

46. Шишков, В.А. Особенности разработки алгоритма управления двигателем внутреннего сгорания для работы на газообразном топливе / В.А. Шишков // Дмитров, ААИ НИЦИАМТ, 2005.-№ 11.-С. 175-180.

47. Шишков, В.А. Особенности алгоритма электронного управления ДВС при минимизации потерь мощности и крутящего момента при работе на сжатом природном газе / В.А. Шишков // Сборник материалов международной НТК, 17-19 ноября 2005. - Нижний Новгород, НГТУ, 2005. - С. 211-213.

48. Шишков, ВА. Минимизация потерь мощности и крутящего момента двигателя с электронной системой управления при работе на сжатом природном газе / В.А. Шишков // Сборник материалов международной НТК, 17-19 ноября 2005. - Нижний Новгород, НГТУ, 2005.-С. 214-216.

0 I,;

1 - ч

Подписано в печать 25.11.2013г. Заказ № 2282. Тираж 100 экз. Формат 60--§4 1/32. Бумага офсетная. Печать оперативная

Типография Ника, ИП Калясанов Сергей Юрьевич, ИНН 632139881314, Юр.аярес:445037, г.Тольятти, б-р Орджоникидзе 7-434, га: (8482) 638-192.

Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королёва (национальный исследовательский

университет)

На правах рукописи

05201450601

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 2013

Содержание

Введение. Постановка задачи исследования..............................................9

Глава 1 Особенности работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием на газовом виде топлива...................................16

1.1 Газовые топлива для двигателей внутреннего сгорания с

искровым зажиганием...............................................................16

1.1.1 Обзор применяемых топлив для двигателей

внутреннего сгорания..........................................................17

1.1.2 Перспективные топлива для транспортных средств...................17

1.1.3 Изменения экологических требований, предъявляемых

к автомобилям....................................................................18

1.1.4 Топливо для двигателей современных автомобилей...................20

1.1.5 Природный газ как топливо для транспортных средств.............22

1.1.6 Экономическая обоснованность перехода на природный газ.......24

1.2 Схемы газовой подачи и схемы впрыска газового топлива................28

1.2.1 Системы первого поколения................................................29

1.2.2 Системы второго поколения................................................29

1.2.3 Системы третьего поколения...............................................32

1.2.4 Системы четвертого поколения............................................33

1.2.5 Преимущества и недостатки топливных систем для выполнения экологических требований...................................34

1.3 Проблемы, возникающие при создании газовых автомобилей............35

1.3.1 Определение циклового наполнения цилиндров воздухом...........35

1.3.2 Метод выбора расходной характеристики форсунки..................36

1.3.2.1 Метод выбора статического и динамического

расходов топлива электромагнитной форсунки................38

1.3.2.2 Метод сравнения расходных характеристик

форсунок различных производителей...........................41

1.3.2.3 Метод задания расходной характеристики

электромагнитной форсунки в электронном блоке управления двигателем................................................43

1.3.3 Влияние газового топлива на мощность и крутящий момент двигателя..........................................................................46

1.3.4 Загрязнение атмосферы при использовании природного газа

на транспорте....................................................................51

1.3.4.1 Состав выбросов отработавших газов из автомобилей

на природном газе....................................................52

1.3.4.2 Природный газ с точки зрения системы управления...........54

1.3.4.3 Загрязнение атмосферы природным газом с транспортных средств..................................................55

1.3.4.4 Возможности контроля предельных параметров газобаллонного оборудования и его утилизации с транспортного средства после выработки ресурса.............56

1.3.5 Изменение угла опережения зажигания при переходе с бензина

на газ..............................................................................57

1.3.6 Диагностика элементов газобаллонного оборудования...............60

1.3.7 Фазы впрыска газового топлива во впускную трубу и

при непосредственном впрыске в цилиндр...............................62

1.3.8 Одновременная работа на двух видах топлива газе и бензине......63

1.3.8.1 Цели при одновременной подаче двух видов топлив в

двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием.....65

1.3.8.2 Влияние схемы электронного управления на

одновременную подачу газа и бензина в двигатель

внутреннего сгорания с искровым зажиганием..................70

1.3.9 Устойчивость процессов и точность дозирования при

впрыске газового топлива...................................................71

Выводы по главе 1...............................................................................73

Глава 2 Элементы газобаллонного оборудования..................................75

2.1 Анализ электронных схем управления двухтопливным двигателем.....75

2.1.1 Схема с двумя электронными блоками управления без

датчика кислорода............................................................75

2.1.2 Схема с двумя электронными блоками управления с

датчиком кислорода.........................................................78

2.1.3 Схема с двумя контроллерами.............................................78

2.1.4 Схема с одним контроллером..............................................79

2.1.5 Схема с одним контроллером, в котором часть программы управления двигателем общая,

а часть, касающаяся топливоподачи разная..............................80

2.2 Требования к элементам газобаллонного оборудования....................83

2.3 Расчёт расходных характеристик форсунки и редуктора...................86

2.3.1 Метод расчёта электромагнитной форсунки для газового двигателя с искровым зажиганием.........................................87

2.3.2 Расчёт газового редуктора..................................................93

2.4 Методика обработки параметров электромагнитных форсунок

после испытаний на безмоторном стенде.....................................96

2.5 Совместная работа узлов и характеристик газобаллонного оборудования.........................................................................99

2.5.1 Совместная работа элементов газобаллонного оборудования.....100

2.5.2 Алгоритм управления при совместной работе узлов

и характеристик газобаллонного оборудования и двигателя......102

2.5.3 Гидравлическое сопротивление трубопроводов от редуктора

до рампы форсунок.........................................................110

2.5.4 Характеристика газового редуктора.....................................113

2.5.5 Характеристика магистрали от баллона и параметры газа на

её выходе......................................................................115

2.6 Свечи зажигания для газовых двигателей внутреннего сгорания........118

2.6.1 Скорость горения............................................................118

2.6.2 Температура горения углеводородных смесей с воздухом.........120

2.6.3 Состав отработавших газов................................................121

2.6.4 Выбор калильного числа...................................................122

2.6.5 Свечи зажигания............................................................123

Выводы по главе 2.............................................................................124

Глава 3 Фазы впрыска газового топлива и процесс

наполнения цилиндров газовоздушной смесью...................................126

3.1 Фазы впрыска газа во впускную трубу двигателя внутреннего сгорания..............................................................................126

3.2 Фазы впрыска при одновременной работе на газе и бензине.............129

3.2.1 Влияние характеристик элементов топливной системы

на возможность одновременной подачи газа и бензина.............129

3.2.2 Логика одновременного впрыска бензина и газа.....................132

3.3 Фазы непосредственного впрыска газа в цилиндр двигателя внутреннего сгорания.............................................................134

3.4 Одновременная подача газа и бензина при непосредственном впрыске в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания

с искровым зажиганием..........................................................147

3.5 Метод использования энергии перепада давления газа на форсунке

для улучшения наполнения цилиндров газовоздушной смесью.........151

Выводы по главе 3.............................................................................163

Глава 4 Алгоритм управления газовым двигателем............................164

4.1 Требования к алгоритму управления рабочим процессом

двигателя внутреннего сгорания на газовом топливе.....................164

4.2 Метод управления пуском и прогревом двигателя на газовом топливе...............................................................................166

4.2.1 Особенности алгоритма по пуску двигателя на природном газе ..166

4.2.2 Прогрев двигателя при работе на газе..................................178

4.2.3 Алгоритм пуска двигателя внутреннего сгорания на

газовом топливе.............................................................180

4.2.4 Развитие алгоритма управления при пуске двигателя

внутреннего сгорания на газовом топливе.............................187

4.3 Метод управления газовой подачей на стационарных режимах........189

4.4 Метод управления газовой подачей на переходных режимах...........192

4.5 Метод управления углом опережения зажигания при работе на

одном и двух видах топлива.....................................................193

4.6 Методы управления при пропусках воспламенения........................202

4.7 Метод коррекции цикловой подачи в зависимости от пульсаций давления в газовой рампе форсунок.............................................216

4.8 Метод адаптации к различным составам газового топлива...............237

4.8.1 Химический состав и низшая теплота сгорания природного

газа с различных месторождений и производств.....................239

4.8.2 Датчики для адаптации к составу газового топлива..................240

4.8.3 Алгоритм адаптации пуска двигателя для различного

состава природного газа...................................................244

4.8.4 Алгоритм адаптации для стационарных режимов работы двигателя внутреннего сгорания.........................................247

4.8.5 Определение погрешности метода адаптации алгоритма управления двигателя внутреннего сгорания к химическому составу газового топлива...................................................250

4.9 Методы диагностики элементов газобаллонного оборудования в период эксплуатации транспортного средства..............................251

4.9.1 Методы диагностики измерительных устройств газобаллонного оборудования.............................................252

4.9.2 Методы диагностики исполнительных устройств газобаллонного оборудования...............................................263

4.10 Методы управления работой двигателя на резервных режимах

при отказе элементов газобаллонного оборудования.....................269

4.10.1 Алгоритм работы двигателя внутреннего сгорания на резервном режиме при отказе одного или более элементов газобаллонного оборудования............................271

4.10.2 Критические резервные режимы.......................................274

4.10.3 Отказ датчика давления газа перед

электромагнитными форсунками.........................................281

4.11 Алгоритм управления при заправке газовых баллонов транспортного средства.......................................................284

4.12 Алгоритм управления при опорожнении баллонов транспортного средства перед проведением регламентных работ ...286

4.13 Алгоритм управления для обеспечения максимальной мощности

и крутящего момента двигателя.............................................287

4.14 Алгоритм управления при переходе с бензина на газ и

обратно.............................................................................294

4.15 Алгоритм управления при прогреве нейтрализатора для обеспечения требований экологии..........................................295

4.16 Алгоритм управления при определении утечек газового

топлива..............................................................................296

4.17 Алгоритм управления диспетчера режимов работы двигателя........297

Выводы по главе 4.............................................................................299

Глава 5 Методики адаптации системы управления газовым

двигателем.........................................................................301

5.1 Адаптация и калибровка электронной системы управления

двигателем на газовом топливе..................................................301

5.1.1 Газовая система с электронным управлением с отдельным контроллером с получением управляющих сигналов от бензинового контроллера..................................................302

5.1.2 Автономная система электронного управления двигателем

для однотопливных газовых автомобилей.............................305

5.1.3 Независимые бензиновая и газовая системы электронного управления двигателя внутреннего сгорания

с возможностью подачи только одного вида топлива................314

5.1.4 Зависимые бензиновая и газовая системы электронного

управления ДВС с возможность одновременной подачи двух видов топлив..................................................................315

5.2 Рекомендации по адаптации газобаллонного оборудования и проведению калибровки контроллеров электронных

систем управления двигателем, работающего на газовом топливе.....318

5.3 Методы снижения расхода топлива при работе на газовом топливе ....331 Выводы по главе 5..............................................................................343

Глава 6 Организация производства газовых автомобилей...................345

6.1 Описание схемы системы подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания............................................................345

6.2 Результаты доводки автомобиля при работе на природном газе.........354

6.3 Проблемы хранения газового топлива на борту транспортного средства..............................................................................356

6.4 Проблемы организации производства автомобилей, работающих

на природном газе..................................................................358

Выводы по главе 6..............................................................................365

Основные результаты и выводы.............................................................366

Список сокращений....................................................................368

Список литературы.....................................................................369

Введение. Постановка задачи исследования

Актуальность темы исследования

Снижение выбросов парниковых газов, к которым относится двуокись углерода СОг, а также возрастающие требования по ограничениям выбросов токсичных веществ СО, СН, Ж)х 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, СОг 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 применения электронных микропроцессорных систем управления с соответствующими алгоритмами управления: рабочим циклом ДВС, его топливоподачей, наполнением цилиндров воздушнотопливной смесью, зажиганием и соответствующей диагностикой.

Всё это показывает, что разработка методов управления для 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 «Итэлма» и т.д. Систем электронного управления двухтопливными и однотопливными газовыми ДВС практически не было. Эта тема стала актуальна для снижения токсичности отработавших газов ДВС и снижения выбросов С02 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 «Авангард», и др. Эти системы имеют высокую стоимость из-за идентичных 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 252 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