Как контролировать соотношение воздуха и топлива в газодизеле?

 газодизель

Ни для кого не секрет, что газодизельные двигатели должны отличаться своей простотой и дешивизной – это обусловлено тем, что изначально в экономических соображениях конвертировали лишь б/у двигатели с небольшим остаточным сроком службы. И этот способ действительно оправдан, более того, не стоит упускать из виду надежность – чем проще механизм, тем он надежнее. С развитием рынка, появлялось множество нововведений и усложнений системы, однако им было тяжело пробить себе путь к популярности – сначала газодизели не имели даже средств для контроля подачи дизельного топлива. Сегодня всем ясно, что без уменьшения подачи топлива невозможно добиться замещения свыше 40 процентов, поэтому стали применяться специальные системы эмуляции нажатия на педаль газа. Так и воздушная заслонка, о которой мы поговорим сегодня, стала очередным претендентом на новый стандарт газодизельных двигателей.

Регулируем воздух

Чтобы полностью разобраться в теме регулировки количества подаваемого воздуха, необходимо рассмотреть немного теоретического материала, а для начала разобрать понятие о регулировании двигателя внутреннего сгорания. Регулирование ДВС может быть как качественным, так и количественным.

  • Количественное регулирование заключается в изменении массы свежего заряда, который поступает в цилиндр. Чтобы снизить мощность двигателя в данном случае, достаточно уменьшить массу свежего заряда – горючую смесь менять не нужно. Чтобы добиться уменьшения массы, достаточно установить дроссельную заслонку во впускном трубопроводе – тогда давление свежего заряда понизится. Чем сильнее вы закроете проходное сечение, тем более высокое сопротивление впуска и меньшее наполнение цилиндра получите. Однако, данный способ имеет существенный недостаток – увеличение насосных потерь при установке дроссельной заслонки, а также снижение давления в конце сжатия на малых нагрузках. Если рассматривать достоинства, то этот способ позволяет более рационально выбирать коэффициент избытка воздуха и обеспечивать хорошее сгорание топлива в любом режиме работы.
  • Качественное регулирование удерживает количество входящего воздуха постоянным, однако меняет количество впрыскиваемого по форсункам топлива – это меняет качество горючей смеси, влияет на теплоту сгорания смеси и на мощность двигателя. При таком способе регулирования давление в цилиндре на конец впуска, а также давление на конец сжатия и температура ТС не меняются при одной и той же частоте вращения. Основным недостатком такого способа является невозможность его применения для двигателей с внешним смесеобразованием – увеличивающийся коэффициент избытка воздуха обедняет горючую смесь, снижает скорость сгорания, мощность и ухудшает экономичность двигателя. Слишком бедная смесь начинает пропускать зажигание, двигатель работает неустойчиво и может заглохнуть.

Но сегодня также широкое распространение получил и третий способ регулировки, который используется для газовых двигателей – это смешанное регулирование. Такой способ регулирования двигателя увеличивает или уменьшает мощность в областях с большими нагрузками за счет изменения состава смеси в пределах нормы. В областях с малыми нагрузками такой способ регулирует мощность за счет изменения расхода смеси.

Что такое стехиометрическое соотношение?

Стехиометрическая горючая смесь состоит из смеси окислителя и горючего – окислителя в данном случае содержится ровно столько, сколько потребуется для полного окисления горючего. Такая смесь позволяет добиться полного сгорания топлива и не оставить избытка окислителя в продуктах горения. Содержание C и H2 в дизельном топливе помогает рассчитать, что для сгорания 1 килограмма ДТ потребуется 14,5 килограммов воздуха; когда при сгорании 1 килограмма метана расходуется 17,2 килограмма воздуха. Если руководствоваться практикой, то мы поймем, что для полного сгорания в дизель подается существенно больше воздуха, чем это описывает теория. Все связано с тем, что ДТ при любых технологиях распыления будет каплей, а не молекулой, а сама эта капля горит лишь внутри мелкой воздушной оболочки. Дизель постоянно «задыхается», поэтому на них и не ставят воздушные заслонки – поэтому они регулируются качественным методом.

Чтобы измерить качество горючей смеси с количественной точки зрения, сегодня используют соотношение воздуха и топлива (AFR). При малой нагрузке на высокооборотных ТС показатель AFR доходит до значения в 100 единиц и выше. Чем интенсивнее нагрузка двигателя, тем сильнее AFR стремится приблизиться к стехиометрическому показателю, однако все равно его превышает. Чтобы увидеть значение AFR, которое будет соответствовать подлинной стехиометрии, нужно рассматривать дизельные двигатели на коротких этапах – когда подача топлива резко возрастает, а турбина еще не успевает достаточно раскрутиться, чтобы подать воздух.

Как сгорает композитное топливо внутри газодизеля?

Классический газодизельный цикл не имеет возможности регулировки количества подаваемого воздуха для режимов малой нагрузки, поэтому сгорание газообразного топлива протекает при сверхобеднённой смеси. Когда температура сгорания снижается, а скорость сгорания уменьшается, то мы можем увидеть недостаточное сгорание газа – его излишки затем выбрасываются выхлопным коллектором. Помимо недостаточного сгорания, определенные режимы работы двигателя вызывают срыв процесса сгорания бедной смеси из газа и воздуха, а это приводит к появлению неприятных звуков и скачкам тяги.

Как управлять количеством подаваемого воздуха в газодизеле?

Чтобы управлять количеством подаваемого внутрь газодизеля воздуха, необходимо реализовать особую систему управления – это можно сделать двумя способами.

  • Первый способ заключается в установке воздушной заслонки прямо перед входным коллектором – классическая схема количественного регулирования. Главным преимуществом такого способа является возможность работы со смесью лучшего состава во всех диапазонах работы. Недостатком данного способа можно назвать резкое снижение эффективности топлива на малых нагрузках.
  • Второй способ – это установка заслонки в обход турбины, чтобы организовать сброс избыточного давления с выхода нагнетателя на его вход. Этот способ является чем-то средним между количественным и качественным регулированием и полностью зависит от режима работы газодизеля.

Чтобы узнать чуть больше об этих вариантах регулирования, приведем сравнительные результаты, полученные на двигателе CUMMINS ISF 2.8 в режиме холостого хода:

Режимы

Потребление ДТ

Потребление газа

Дизель

1.5

0

Первый вариант

0.5

3

Второй вариант

1

1

Первый вариант без газа

1.7

0

Второй вариант без газа

1.5

0

Подведем итог

Благодаря системе контроля подачи топлива в газодизельный двигатель, мы можем снизить количество потребления газа для замещения 1 литра дизеля практически на 20 процентов. Если сохранить замещение, то пробег транспортного средства на одной заправке в таком случае увеличивается. Если улучшить условия сгорания смеси, то мы получим прирост в замещении ДТ газом на 10-15 процентов (по сравнению с обычными газодизелями). Мы уверены, что на практике в газодизельном двигателе предпочтительнее будет второй вариант по целому ряду причин:

  • Невозможность обогащения смеси при малом давлении наддува никак не сказывается на эффективности топлива.
  • Подача газа перед турбиной формирует гомогенную смесь, которая улучшает сгорание.
  • Такая система отличается простотой конструкции.
  • Система отличается отличными показателями по взрыво- и пожаробезопасности.