Оптимизация работы электронных систем управления подачей газового топлива в дизельный двигатель при работе в режиме газодизеля

Введение. Экологические и экономические императивы заставляют мировую экономику вести постоянный поиск всё новых и новых альтернатив традиционным нефтяным моторным топливам. Политика замещения нефтепродуктов альтернативными энергоносителями приве- дёт к сокращению доли нефти в мировом топливном балансе, запасов которой при современных ростах темпах добычи осталось лет на 20–30 [1].

На перспективу самым оптимальным со всех точек зрения видом моторного топлива является метан, основным источником которого был, остаётся и будет оставаться природный газ, запасы которого могут обеспечивать мировые потребности ещё минимум в течение 250 лет. Он обладает уникальной особенностью: в нём одновременно сошлись все экологические, технические и коммерческие преимущества. Поэтому практика использования метана в качестве моторного топлива всё больше набирает популярность [2].

Сейчас используются электронные системы управления подачей газового топлива, например: Blue-Power Diesel, Oscar-N Diesel, STAG DIESEL, Tamona DieselGas, Elpigaz DEGAmix, ZenitPRO Diesel и т.д. Применение таких систем позволило частично решить проблемы механической системы подачи газового топлива в дизельный двигатель.

Одна из систем, устанавливаемых на дизельный двигатель, отвечающая за подачу газового топлива, – Blue-Power Diesel. В этом случае газовое топливо из баллонов поступает в газовый редуктор и подаётся через газовые форсунки во впускной коллектор. Управление подачей газа осуществляется при помощи электронного блока управления, который обрабатывает сигналы датчиков: положения рычага подачи топлива, давления во впускном коллекторе, оборотов двигателя, температуры редуктора и температуры отработавших газов в выпускном коллекторе. В качестве газового топлива может выступать пропан-бутановая техническая смесь (СНГ – сжиженный нефтяной газ) или метан (КПГ – компримированный природный газ) [3].

Проведённый ряд исследований системы Blue-Power Diesel в лаборатории испытаний двигателей внутреннего сгорания (ДВС) ФГБОУ ВО «Новосибирский ГАУ» показал, что возможности газовых системы используются не полностью (порядка 50%), поэтому они применяются не активно (не достигается достаточная экономия) [4].

Цель работы. Повышение техникоэкономических показателей дизельных двигателей при работе в режиме газодизеля.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• 1)    обосновать основные режимные параметры дизельного двигателя при работе в режиме газодизеля;

• 2)    оценить технико-экономические показатели при эксплуатации дизельного двигателя в режиме газодизеля;

• 3)    оптимизировать настройки электронной карты подачи газового топлива.

Дизельные двигатели, которые целесообразно эксплуатировать в режиме газодизеля, должны иметь большой рабочий объём (более 4 л). Как правило, это не «высоко оборотистые» двигатели, и их максимальные обороты не превышают 2500 мин-1.

Существующие на данный момент электронные системы подачи газового топлива методом замещения используют электронную карту настройки подачи газового топлива от газовых систем 4-го поколения для бензиновых двигателей (рис. 1), где количество подаваемого топлива зависит от двух параметров: TPS – положе- ние педали газа, в нашем случае положение рычага всережимного регулятора топливного насоса высокого давления (ТНВД) и частота вращения коленчатого вала двигателя n (rpm). Как показали предварительные результаты проведённых опытов, данная электронная карта (рис. 1) не учитывает специфику работы системы питания «классического» дизельного двигателя, так как количество подаваемого дизельного топлива в цилиндр двигателя за цикл q изменяется от частоты вращения коленчатого вала n, по регуляторной характеристике ТНВД с все-режимным регулятором (рис. 2), где с изменением частоты вращения коленчатого вала дизельного двигателя на 100 мин-1 его мощность может измениться от 5 до 100 % номинальной. А дозирование газового топлива практически полностью должно повторять регуляторную характеристику ТНВД. Поэтому осуществляется некорректная подача газового топлива на различных режимах работы дизельного двигателя в режиме газодизеля. Из-за этого газовое топливо используется недостаточно эффективно – замещение максимум 40 % и только на одном режиме, следовательно, меньше экономия.

Рис. 1. Электронная карта настройки подачи газового топлива

Рис. 2. Регуляторная характеристика ТНВД с всережимным регулятором

Материалы и методы исследования. Для проверки данной теории и оценки техникоэкономических показателей двигателя проведены сравнительные испытания трёх регуляторных характеристик дизельного двигателя при работе на разных видах топлива: дизельном топливе ГОСТ 305-82 «Л», в режиме газодизеля на СНГ ГОСТ 27578-87 и режиме газодизеля на КПГ ГОСТ 27577-87. Работа проводилась в лаборатории испытания ДВС Новосибирского ГАУ на двигателе Д-240 дефорсированного по обо- ротам начала срабатывания регулятора, соединённого со стендом КИ-5422. Расчёты расхода топлива и мощности дизеля проводились по общепринятым стандартным методикам [5].

Результаты исследования и их обсуждение . Чтобы дозирование газового топлива как можно точнее повторяло регуляторную характеристику ТНВД при работе двигателя на номинальных оборотах, шаг ячеек в таблице по оборотам приняли 10 мин^-1 (рис. 3).

TPS/rpn	1770	1780	1790	1800	1810	1820	1830	1840
1.80	0	0	0	0	0	0	0	0
2.00	0	0	0	0	0	0	0	0
2.20	0	0	0	0	0	0	0	0
2.40	0	0	0	0	0	0	0	0
2.60	0	0	0	0	0	0	0	0
2.80	0	0	0	0	0	0	0	0
3,00	0	0	0	0	0	0	0	0
3,19	0	0	0	0	0	0	0	0
3,40	0	0	0	0	0	0	0	0
3,60	0	0	0	0	0	0	0	0
3,80	0	0	0	0	0	0	0	0
4,00	0	0	0	0	0	0	0	0
4,10	0	0	0	0	0	0	0	0
4,19	45	52	67	52	45	30	22	0
4,29	45	52	67	52	45	30	22	0
4,40	45	52	67	52	45	30	22	0

Рис. 3. Новая электронная карта подачи газового топлива

Далее экспериментальным путём для данного двигателя определена величина максимального замещения дизельного топлива газовым с сохранением нормальной жёсткости работы дизельного двигателя при максимальном положении рычага регулятора ТНВД (коэффициент за- мещения КПГ составил в 1,5 раза больше, чем СНГ). Сняты регуляторные характеристики двигателя при работе на дизельном топливе в режиме газодизеля на СПГ и на КПГ. Полученные результаты представлены на рисунке 4.

На основании полученных данных произведён сравнительный анализ экономии дизельного топлива при работе двигателя в режиме ди- зеля и режиме газодизеля, выраженной в процентах (рис. 5).

- режим дизеля

- режим газодизеля на СНГ - режим газодизеля на КПГ

Рис. 4. Регуляторная характеристика испытуемого двигателя

- режим дизеля

- режим газодизеля на СНГ - режим газодизеля на КПГ

Рис. 5. Экономия дизельного топлива

Затраты денежных средств на топливо при работе на разных режимах, посчитаны по формулам (1)–(3) и представлены в таблице. На момент проведения испытаний стоимость дизельного топлива составляло 33,0 р. за 1 л (Ц Д ); стоимость СПГ – 18,0 р. за 1 л (Ц СНГ ); КПГ – 11,0 р. за 1 м³ (Ц КПГ ).

З Д = (G ДТ /ρ Д )∙Ц Д . (1)

Зд+снг=(GДТ/ ρ Д)∙ЦД+(GСНГ/ ρ СНГ)∙ЦСНГ.    (2)

З Д+КПГ =(G ДТ /ρ Д )∙Ц Д +(G СНГ ∙1,5/ρ КПГ )∙Ц КПГ , (3) где G ДТ – часовой расход дизельного топлива, кг/ч; G СНГ – часовой расход СПГ топлива, кг/ч; ρ – плотность топлива; Ц – стоимость топлива за единицу.

Разность затрат денежных средств на топливо представлена в процентах на рисунке 6.

Затраты денежных средств на топливо в зависимости от загрузки двигателя

N e , %	З Д , р/ч	З Д+СНГ , р/ч	З Д+КПГ , р/ч
25	165	128,6	107,3
50	222,6	172,5	137,6
75	264,8	216,9	186,2
100	330,8	285,3	252,1

S, Р/ч

- режим дизеля

- режим газодизеля на СНГ - режим газодизеля на КПГ

Рис. 6. Экономия денежных средств

В результате проведенного исследования выявлено:

• 1.    При работе двигателя в режиме газодизе-ля крутящий момент и мощность двигателя в корректорной зоне увеличились на 22–25 % по сравнению с режимом дизеля (рис. 4).

• 2.    Экономия дизельного топлива при работе двигателя в режиме газодизеля на СПГ стабильно более 33 % при нагрузке до 75 % от номинальной, на КПГ более 40 % (рис. 5).

• 3.    Экономия денежных средств затрат на топливо при эксплуатации в режиме газодизеля на СНГ составляет около 22%, в режиме газодизе-ля на КПГ стабильно больше 24 % и доходит до 38 % (рис. 6).

• 4.    Более высокое октановое число КПГ (115), чем у СНГ (105), позволяет использовать больший коэффициент замещения дизельного топлива газовым (в среднем в 1,5 раза), а также более низкая цена способствуют высоким технико-экономическим показателям двигателя при работе в режиме газодизеля на КПГ по сравнению с СНГ.

Выводы

• 1.    Обоснованы основные режимные параметры дизельного двигателя при работе в режиме газодизеля.

• 2.    Проведённая оценка технико-экономических показателей эксплуатации дизельного двигателя в режиме газодизеля подтверждает

• 3.    Для автотракторных дизелей, эксплуатируемых в режиме газодизеля, предлагается увеличить количество ячеек электронной карты подачи газового топлива настолько, чтобы перекрыть диапазон от 500 до 2500 мин^-1 с шагом в 10 оборотов, т.е. около 200 ячеек по оборотам вместо 8, как у Blue-Power Diesel и других систем. Для этого необходимо применить новый программируемый электронный блок управления подачей газового топлива, «написать» и установить новую программу для ЭБУ, которая будет учитывать специфику работы системы питания дизельного двигателя. Это позволит обеспечить «корректную» подачу газового топлива во всём рабочем диапазоне работы двигателя, чтобы максимально использовать замещение дизельного топлива газовым для достижения максимальных экономических, экологических и мощностных показателей дизельного двигателя.

эффективность и целесообразность данного режима, на котором экономия денежных средств затрат на топливо составляет 24 %, а мощность и крутящий момент двигателя в корректорной зоне возрастают до 25 % от номинальной.