Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Особенности систем управления ДВС подвижных объектов на альтернативных видах топлива. Монография
.pdf
31
1.3. Преимущества и недостатки существующих методов
управления ДВС при работе на бинарном топливе
В настоящее время использование бинарного топлива еще не получило
широкого распространения. В фазе становления находятся исследования,
проводятся эксперименты по добавлению сжиженного газа как к легким, так
и к тяжелым углеводородным топливам [74-76]. На рынке не представлены
коммерческие образцы систем управления впрыском бинарного топлива,
однако зарегистрированы патенты РФ на устройства подачи таких смесей и
опубликованы научные работы по этой тематике.
Известные методы управления двигателем при работе на бинарной
топливной смеси можно разделить на два класса: класс 1, где основным
топливом является газ, а бензин добавляется постоянно в небольших
количествах [33, 35, 36, 77]; и класс 2, когда количество бензина и
сжиженного газа в смеси варьируется в зависимости от каких-то условий [34,
37, 78, 79].
1.3.1. Анализ методов класса 1
Методы данного класса направлены на повышение экономичности
эксплуатации автомобиля, улучшение экологических показателей работы
ДВС и повышение надежности двигателя. В качестве эталона рассмотрим
метод, предложенный Левашовым М.Г. в его работе по созданию
комбинированной системы впрыска (КСВ) [35].
Основная цель КСВ – повышение эффективности эксплуатации
автомобиля с газобаллонным оборудованием путем увеличения пробега до
обслуживания бензиновых электромеханических форсунок (ЭМФ). КСВ
предполагает, что соотношение бензина и газа в топливовоздушной смеси
определяется блоком управления и комбинированием видов топлива, исходя
из экономических, экологических требований и обеспечения надежности
ДВС. В основу метода управления легли следующие положения:
32
− увеличение интенсивности загрязнения бензиновых ЭМФ при работе
ДВС на газе обусловлено отсутствием циркуляции топлива через них, что
ведет к повышению их температуры и застою в проточной части ЭМФ;
− если при работе ДВС на газе через ЭМФ подавать небольшое
количество бензина, то интенсивность загрязнения бензиновых ЭМФ резко
снизится;
− подаваемое количество бензина через ЭМФ должно быть
постоянным в единицу времени, поскольку условия, в которых находится
ЭМФ, достаточно стабильны по температуре и составу среды;
− количество бензина, подаваемое в цилиндры ДВС, должно быть
достаточно для охлаждения ЭМФ и предотвращения увеличения скорости их
загрязнения;
− количество бензина, подаваемое в цилиндры ДВС, должно быть
минимально возможным, чтобы ощутимо не увеличивались затраты на
топливо.
Для обеспечения указанных условий бензиновая ЭМФ должна работать
с постоянной частотой и длительностью управляющего сигнала, чтобы
обеспечить постоянный расход бензина через ЭМФ, и необходима коррекция
длительности управляющего сигнала газовой ЭМФ в сторону уменьшения,
для достижения требуемого состава топливовоздушной смеси. Для
реализации этого подхода используется специальный алгоритм работы блока
комбинирования топлив. На его вход поступает сигнал со штатного блока
управления впрыском бензина, который характеризуется как чередование
импульсов длительностью τ и частотой υ управляющего напряжения UБ. С
учетом ограничений, накладываемых быстродействием ЭМФ (минимально
возможная продолжительности впрыска топлива), возможны два варианта
работы блока комбинирования топлив, если требуемая длительности
импульса ЭМФ τ (рис. 1.7) меньше 5 мс или превышает 5 мс.
ЭБУ впрыском
τ
Г
комбинирования
бензина
U
33
Б
ЭБУ
топлив
U
Г1
U
τГ = τ
Б1
τБ = τ
τГ = τ,
τБ = τ,
υГ = υ, кроме i-го импульса,
υБ = υ/i, i=[G
БХХ
τ υ / G
τ
UБ – исходный управляющий сигнал
τ – длительность сигнала, мс
υ – частота сигнала, Гц
t
Нет Да
τ < 5 мс
U
Г2
t
U
Б2
БТР τХХ υХХ
t
]
τ
Б
τГ = τ - τБ = τ – 2,
τБ = 2 мс,
υГ = υ,
υБ = υ/i, i=[G
τ
t
t
τ
БХХ
2 υ / G
БТР τХХ υХХ
]
UБ1 U
Г1
U
Г2
U
Б2
UГ UБ
Рис. 1.7. Алгоритм работы блока комбинирования топлив
Если требуемая длительности импульса ЭМФ τ меньше 5 мс (сумма
минимального времени впрыска газовой и бензиновой ЭМФ), то в рамках
34
этого периода невозможно впрыскивать и газ, и бензин, поэтому каждый i-й
импульс необходимо пропускать подачу газа и заменять ее подачей бензина.
Если τ превышает 5 мс, то в рамках этого периода возможен впрыск и газа и
бензина, поэтому каждый i-й импульс необходимо делать составным из двух.
Разработанный Левашовым А.Г. алгоритм комбинированного впрыска
бензина и газа учитывает ограничения по быстродействию бензиновых и
газовых форсунок и обеспечивает заданный постоянный расход топлива
через бензиновые ЭМФ. Это позволяет на практике решить задачу
увеличения пробега до обслуживания бензиновых ЭМФ газобаллонных
автомобилей с 15 до 30 тыс. км и получить экономический эффект для
автомобиля ГАЗ-3110 с двигателем ЗМЗ-4062 в размере 22,5 руб/1000 км.
Таким образом, методы класса 1 позволяют снизить затраты на
эксплуатацию автомобиля и увеличивают надежность ДВС, однако они не
улучшают показатели мощности и крутящего момента двигателя. Сравнение
средних показателей двигателей, работающих на бинарном топливе под
управлением методов класса 1 со средними показателями ДВС, работающих
на бензине и сжиженном газе, представлены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Показатели методов класса 1
Мощность Затраты на
ТО
Затраты на
топливо
Экология*
Сжиженный
≈ < > < Класс 1
газ
Бензин < ≈ < > Класс 1
Примечание – * ущерб окружающей среде от вредных веществ в
отработавших газах
35
1.3.1. Анализ методов класса 2
Методы класса 2 развивались совместно с методами класса 1, однако
акцент их развития был смещен на увеличение мощности и крутящего
момента ДВС. Эти методы предполагают более интенсивное использование
бензина, которое, однако, влечет за собой некоторое увеличение затрат на
топливо и ухудшение экологических показателей.
Зарегистрирован ряд патентов РФ на изобретения, которые используют
методы класса 2 для организации системы впрыска бинарного топлива [34,
37, 78]. Одним из самых характерных среди них является бензогазовая
система питания автомобиля «Бинар-3» Жихарева А.Г и Маркова В.А. [34]
Не отрицая преимуществ перевода автомобиля с жидкого на
газообразное топливо, в том числе существенную экономию жидкого
топлива за счет использования более дешевого сжиженного газа, увеличение
долговечности ДВС, а также уменьшение выброса вредных отработанных
газов автомобиля, авторы отмечают ряд существенных недостатков при
переводе автотранспорта на газообразное топливо, а именно:
− мощность двигателя при использовании газообразного топлива
снижается на 15-20 %;
− возрастает пожароопасность за счет использования газобаллонного
оборудования (перевод газообразного топлива с высокого давления на низкое
при подачи в карбюратор происходит в подкапотном пространстве);
− установка газобаллонного оборудования требует значительного
вмешательства в системы подачи топлива, что усложняет техническое
обслуживание автомобиля и увеличивает стоимость установки
газобаллонного оборудования;
− расход газа при ограниченном объеме газового баллона (50-80
литров) ограничивает дальность поездок на газовом топливе, особенно в
районах, где не развита сеть газовых заправок.
36
Для устранения этих недостатков был предложен способ бензогазовой
подачи топлива, позволяющий, по заявлениям авторов, при сохранении
экономических и экологических характеристик газожидкостного питания
автомобиля значительно расширить возможности и улучшить динамические
характеристик двигателя автомобиля. Особенностью способа является то, что
во время запуска двигателя к бензину добавляют газовоздушную смесь,
которая способствует лучшему запуску холодного двигателя и более
полному сгоранию бензина в непрогретом двигателе. На «бинарной» системе
после прогрева двигателя до +60°С происходит автоматический переход
двигателя на газовоздушную смесь. Подача бензина прекращается. Двигатель
входит в экономичный, экологичный режим, так как при его работе на
холостом ходу потребляется только газ (см. рис. 1.8). Показатель СО в
данном режиме – 0,25-0,3 %, при норме – 3,5 %. После остановки, если
температура двигателя не опустилась ниже +60°С, двигатель легко заводится
на газе.
Газ Бензин
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
800 3000 5000
Рис. 1.8. Схема регулирования состава бинарного топлива
При работе в основном режиме на средних оборотах (до 2500-3000
об/мин), двигатель работает на смешанном «бинарном» топливе, состоящим
примерно из 10-20 %-ной газовоздушной смеси и 80-90 %-ной
37
бензовоздушной смеси. Такой режим позволяет увеличить процент сгорания
бензина, что позволяет увеличить мощность и соответственно обеспечивает
экономию бензина (экономия бензина, в основном режиме работы двигателя,
составляет 25-40 %), Одновременно улучшаются экологические показатели
выхлопа (по измерениям авторов устройства, значение СО при 2500-3000
об/мин составляет 0,3-0,4 % (при норме 2,5-3,0 %)). Кроме того, низкая
температура вспышки газа и его большая детонационная стойкость
позволяют применять низкооктановые марки бензина без дополнительного
переоборудования двигателя (марку 80 вместо 92, марки 92 вместо 95).
Работа двигателя на максимальных оборотах (более 3000 об/мин)
осуществляется в штатном режиме и только на бензине. Такие режимы
оборотов используются кратковременно (для разгона и обгона) и
экономичными не являются. В этих случаях требуется повышенный расход
бензина и его октановое число (по мнению авторов устройства) особой роли
не играет.
Такой подход к управлению ДВС позволил получить следующие
результаты при испытании макетного образца (по отношению к
газожидкостному варианту):
− экономия жидкого топлива, величина которого в зависимости от
доминирующих условий эксплуатации (шоссе, город), составила 25-40 %;
− существенно снижены выбросы вредных веществ с отработавшими
газами двигателя (на холостом ходу СО – 0,25-0,3 %, на средних оборотах
(2500-3000 об/мин) – 0,3-0,4 %);
− возможность применения низкооктановых марок бензина, без
ухудшения работы двигателя;
− возможность использования штатных марок масел с увеличением
срока их замены на 10-20 %;
− улучшены пусковые характеристики двигателя (более быстрый
запуск и прогрев двигателя в холодное время года);
− произошло увеличение мощности двигателя автомобиля на 15-20 %.
38
Таким образом, методы класса 2 – это компромисс между мощностью и
экономичностью. Уменьшая такой недостаток сжиженного газа как снижение
мощности ДВС, они одновременно и уменьшают и его достоинства, а именно
низкие затраты на топливо и экологичность, поскольку чем больше
используется бензина в бинарном топливе, тем выше его цена и тем вредней
отработавшие газы. Однако особенность этих методов заключается в том, что
прибавка к мощности может рассматриваться как значительная, а увеличение
расходов – как незначительное.
Сравнение средних показателей двигателей, работающих на бинарном
топливе под управлением методов класса 2 и класса 1 со средними
показателями ДВС, работающих на бензине и сжиженном газе, представлено
в табл. 1.4.
Принимая во внимание изложенные особенности использования смеси
бензина и сжиженного газа в качестве моторного топлива, проведенный
анализ методов управления ДВС при работе на бинарной топливной смеси, с
одной стороны, продемонстрировал возможности данного топлива по
увеличению надежности ДВС и агрегатов автомобиля и снижению выбросов
вредных веществ в составе отработавших газов, и, с другой стороны, выявил
недостатки известных методов, не позволяющие использовать весь
потенциал бинарного топлива в части увеличения крутящего момента и
мощности ДВС.
Таблица 1.4
Показатели методов класса 2
Мощность Затраты на
Затраты на
Экология*
Сжиженный
ТО
≈ < > < Класс 2
топливо
газ
Бензин < ≈ < > Класс 2
Класс 1 < ≈ < < Класс 2
39
Примечание – * ущерб окружающей среде от вредных веществ в
отработавших газах
В данном направлении возможно достижение лучших показателей,
которые при схожих либо превышающих экологических параметрах,
обеспечат значительное увеличение крутящего момента двигателя, а,
следовательно, комфорта и активной безопасности автомобиля.
1.4. Постановка цели и задач исследования
Анализ опубликованных работ показывает, что проблема повышения
эффективности, топливной экономичности, а также экологических
характеристик бензиновых двигателей внутреннего сгорания на современном
этапе развития автомобильной техники является актуальной. К решению этой
комплексной проблемы выработано несколько основных подходов, в рамках
которых ведутся многочисленные исследования. Особое внимание уделяется
повышению эффективности использования топливно-энергетических
ресурсов и связанных с ними эксплуатационных и экологических
показателей ДВС. Во всем мире производители автомобилей активно
работают над созданием и увеличением популярности автомобилей,
работающих на альтернативных видах топлива. Также ведется активное
сотрудничество с производителями, разрабатывающими оборудование для
перевода на альтернативные топлива уже выпущенных автомобилей. Смеси
из нескольких видов топлива, как правило, традиционного и
альтернативного, позволяющие при сохранении преимуществ
альтернативных устранить их недостатки, также находят свое применение.
Постепенно набирает популярность смесь из бензина и сжиженного
углеводородного газа (бинарное топливо), которая при невысокой цене
позволяет достичь хороших показателей крутящего момента, экономичности,
надежности и содержания вредных веществ в отработавших газах. Кроме
того, бинарное топливо гарантирует значительный запас хода и обеспечено
системами безопасного хранения на борту автомобиля.
40
Помимо моторных свойств бинарного топлива, многие параметры
ДВС, в том числе эффективная мощность, удельный расход топлива, состав
ОГ, качество смесеобразования и т.д. зависят от используемого метода
управления двигателем. Анализ известных методов управления ДВС при
работе на бинарном топливе выявил возможности их дальнейшего развития.
Новые алгоритмы управления дозированием, смешиванием и поджогом
бинарного топлива могут снизить эксплуатационные затраты, связанные с
расходом топлива, увеличить экологическую безопасность автомобиля,
сократив вредные выбросы в составе отработавших газов и увеличить
активную безопасность автомобиля, улучшив характеристику крутящего
момента двигателя.
В этой связи актуальной является проблема разработки методов
управления бензиновым двигателем внутреннего сгорания при работе на
бинарном топливе, состоящем из смеси бензина и сжиженного
углеводородного газа для улучшения мощности, экономичности и
экологичности ДВС. Достижение поставленной цели обеспечивается
решением следующих задач:
1. Провести анализ данных по использованию бинарного топлива в
бензиновых двигателях внутреннего сгорания.
2. Выявить особенности и механизмы горения бензина с добавкой
сжиженного газа в цилиндре двигателя, разработать модель процесса горения
бинарного топлива в зависимости от его состава, конструкции двигателя и
параметров окружающей среды.
3. Провести расчетные исследования процесса горения бинарного
топлива, разработать алгоритм расчета угла опережения зажигания и схему
регулирования состава бинарного топлива в зависимости от потребностей
водителя и внешних условий.
4. Провести экспериментальные исследования оценки работы ДВС на
бинарном топливе при управлении по предложенному методу.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]