Система подачи газовоздушной смеси в двигатель

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам подачи топливовоздушной смеси в двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Система подачи газовоздушной смеси для газодизельного ДВС содержит источник газа (1), управляемые электромагнитные газовые форсунки (7), электронное устройство управления моментом и количеством подачи топлива, линию подвода газообразного топлива, газовый аккумулятор (3) и впускной воздушный трубопровод. Линия подвода газообразного топлива включает трубопровод, редуктор (2) и газовоздушные смесители (5). Газовый аккумулятор (3) выполнен с возможностью компенсации неравномерности подачи газа и устанавливается на участке между газовым редуктором (2) и управляемыми форсунками (7). Объем газового аккумулятора (3) определяется по уравнениям: , , где V_A - объем газового аккумулятора, м³, ρ_A - плотность природного газа при рабочем давлении форсунки, кг/м³, ρ₀ - плотность природного газа при поступлении в цилиндры двигателя, кг/м³, V₀ - объем природного газа, необходимый для запаса в аккумуляторе, при плотности ρ₀ м³, - максимальная цикловая подача природного газа во все цилиндры двигателя, м³, ρ - плотность газа при рабочих условиях, кг/м³, p - давление газа при рабочих условиях, МПа, Т - температура газа при рабочих условиях, °К, ρ_C - плотность газа при стандартных условиях, кг/м³, Т_C - температура окружающей среды при стандартных условиях, К, p_C - давление окружающей среды при стандартных условиях, МПа, K_C - коэффициент сжимаемости. Впускной воздушный трубопровод выполнен с одинаковой длиной каналов (6) к каждому цилиндру двигателя. Технический результат заключается в поддержании постоянного давления сжатого природного газа перед форсунками и синхронизации колебаний газовоздушной смеси. 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам подачи топливовоздушной смеси в двигатель внутреннего сгорания.

Известна система подачи газа для газового и газожидкостного двигателя - патент RU №2039882 [дата подачи заявки 14.08.1992 г.], МПК F02M 21/04, содержащая источник газа, редукторы низкого и высокого давления, газовоздушный смеситель с диффузором и дроссельной заслонкой, впускной коллектор. Во внутренней полости впускного коллектора размещена труба со сквозными распределительными окнами, размещенными напротив каналов цилиндров двигателя.

Недостатком данной системы является увеличение сопротивления на впуске при решении задачи по повышению равномерности поступления газовоздушной смеси по цилиндрам двигателя.

Известна также система центрального впрыска газа для двигателя внутреннего сгорания - заявка на изобретение RU №97112804 [дата подачи заявки 10.07.1997 г.], МПК F02M 21/02, содержащая источник сжатого газа, газовый редуктор, электромагнитный газовый клапан с датчиком, дозатор газа, сообщенный с газовым клапаном и подключенный к газосмесительному устройству карбюратора-смесителя двигателя внутреннего сгорания, и переключатель вида топлива.

Однако при неоспоримых достоинствах система, при центральной подаче газа, не обеспечивает равномерность подачи газовоздушной смеси по цилиндрам двигателя.

Известна система впрыска сжатого природного газа для газовых двигателей - патент US 005329908 A [дата подачи заявки 19.07.1994 г.]. Система содержит источник сжатого газа, линии подвода топлива, газовый редуктор с электромагнитным отсечным клапаном, электромагнитные форсунки с аккумуляторами газа в теле форсунки, электронный блок управления (ЭБУ), контролирующий продолжительность впрыска сжатого газа в цилиндры.

Недостатком данной системы является наличие аккумуляторов газа в корпусе форсунки - в данном случае усложняется конструкция форсунки, и при этом размеры форсунки не позволяют аккумулировать запас газа, необходимый для поддержания постоянного давления впрыска.

Наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемой системы (прототипом) является устройство подачи природного газа с внешним смесеобразованием в двигатель RU №2291316 [дата подачи заявки 03.08.2005 г.], МПК F02M 21/02, состоящее из источника газа, редуктора, электромагнитных управляемых клапанов и смесителей с числом последних, равным числу цилиндров двигателя.

Недостатком данного устройства является переменное давление газа перед газовыми форсунками ввиду особенностей работы газового редуктора, при пульсирующих потоках в каналах впускного коллектора.

Целью изобретения является повышение мощности двигателя за счет усовершенствования системы впуска газовоздушной смеси путем поддержания постоянного давления сжатого природного газа перед форсунками и синхронизации колебаний газовоздушной смеси путем обеспечения одинаковой длины впускных воздушных трубопроводов к каждому цилиндру двигателя.

Это достигается тем, что систему подачи газовоздушной смеси в прототипе, содержащую источник газа, управляемые электромагнитные газовые форсунки с числом, равным количеству цилиндров двигателя, линию подвода газообразного топлива, включающую трубопровод, редуктор и газовоздушные смесители с числом, равным количеству цилиндров двигателя, предлагается дополнить газовым аккумулятором расчетного объема на участке между газовым редуктором и управляемыми электромагнитными газовыми форсунками, электронным устройством управления моментом и количеством подачи топлива и установить впускной воздушный трубопровод с одинаковой длиной каналов к каждому цилиндру двигателя. При этом объем газового аккумулятора рассчитывается следующим образом.

Газовый аккумулятор находится между редуктором и газовыми форсунками, поэтому там постоянно поддерживается рабочее давление форсунок, создаваемое редуктором.

где V_A - объем газового аккумулятора, м³;

ρ_A - плотность природного газа при рабочем давлении форсунки, кг/м³;

ρ₀ - плотность природного газа при поступлении в цилиндры двигателя, кг/м³;

V₀ - объем природного газа, необходимый для запаса в аккумуляторе, при плотности ρ₀, м³.

В ходе выполнения работы были проведены испытания модернизированной системы питания автотракторного газодизельного двигателя - газодизельной модификации двигателя КамАЗ 7409.10 №889563.

На испытываемом двигателе был установлен ТНВД модели 335-10, со средней величиной цикловой подачи дизельного топлива V_Ц.Д.=81,5 мм³/цикл. При работе по газодизельному циклу запальная доза дизельного топлива составляла в среднем 10% от номинального значения цикловой подачи. Оставшиеся 90% топлива замещались природным газом. При этом известно соотношение расхода дизельного топлива и природного газа:

1 л.д.т.=1,3 м³ природного газа.

Отсюда

V_Ц.Г.=0,9×1,3×10^-6×V_Ц.Д.=0,000073 м³,

где V_Ц.Г. - максимальная цикловая подача природного газа в один цилиндр двигателя при работе по газодизельному циклу.

Тогда

где - максимальная цикловая подача природного газа во все цилиндры двигателя при работе по газодизельному циклу;

n - количество цилиндров двигателя.

Далее вводим К_З - коэффициент запаса газа в аккумуляторе.

При K_З=10 отбор газа из аккумулятора в рабочие цилиндры двигателя за один цикл составляет 10% от общего количества газа, находящегося в аккумуляторе. С учетом подачи газа из редуктора в аккумулятор отклонение давления в газовом аккумуляторе от рабочего давления форсунки находится в пределах 3-5% в зависимости от быстродействия редуктора. Таким образом достигается существенное повышение равномерности подачи газовоздушной смеси в рабочие цилиндры двигателя. Эти расчеты были подтверждены полученными опытными данными (табл.1-3).

Для нахождения V_A определим значения ρ_A и ρ₀.

Плотность газа при рабочих условиях рассчитывается по ГОСТ 30319.1-96.

где р - давление газа при рабочих условиях, МПа;

Т - температура газа при рабочих условиях, К;

ρ_C - плотность газа при стандартных условиях, кг/м³;

Т_C - температура окружающей среды при стандартных условиях, К;

р_C - давление окружающей среды при стандартных условиях, МПа;

К_C - коэффициент сжимаемости.

Коэффициент сжимаемости определяется по ГОСТ 30319.2-96.

Для автотракторного газодизельного двигателя ρ_C=0,6682 кг/м³.

Значения параметров р_С и Т_C при стандартных условиях по ГОСТ 2939-63:

р_C=0,101325 МПа;

T_С=293,15 К.

Тогда для рабочих условий форсунки (р=0,3 МПа и Т=350 К):

Для условий поступления природного газа в цилиндры двигателя (р=0,1 МПа и Т=360 К):

Тогда

Расчетный объем газового аккумулятора для модернизированной системы питания газодизельной модификации двигателя КамАЗ 7409.10 с ТНВД модели 335-10 составил 3,3 л. Таким же образом, используя уравнения (1), (2), и (3) можно рассчитать объем газового аккумулятора для любого автотракторного газового или газодизельного двигателя с другими параметрами.

Для подтверждения достоверности расчетов были проведены стендовые моторные исследования газодизельной модификации двигателя КамАЗ 7409.10 с ТНВД модели 335-10 без газового аккумулятора и с газовым аккумулятором различных объемов. В результате была получена зависимость температуры отработавших газов от конструкции системы питания двигателя. В таблицах 1, 2 и 3 приведены опытные данные, показывающие зависимость температуры отработавших газов в различных цилиндрах исследуемого двигателя от нагрузки и объема газового аккумулятора.

Таблица 1.
Система питания без газового аккумулятора.
М	t1ц	t2ц	t3ц	t4ц	t5ц	t6ц	t7ц	t8ц
кг м	°C	°C	°С	°C	°C	°С	°C	°С
10	350	330	300	320	340	320	300	290
20	450	360	340	340	420	330	320	300
30	490	460	420	400	450	420	400	380
40	510	460	430	410	480	440	400	390
50	510	460	430	410	490	430	410	400
60	515	470	450	450	500	450	440	430
70	530	480	460	450	505	470	450	430

Таблица 2.
Система питания с газовым аккумулятором, КЗ=5.
М	t1ц	t2ц	t3ц	t4ц	t5ц	t6ц	t7ц	t8ц
кг м	°С	°С	°С	°С	°С	°С	°С	°С
10	360	380	390	400	410	340	360	380
20	400	460	410	440	380	420	400	390
30	480	460	520	440	500	440	450	450
40	490	520	530	520	490	510	480	460
50	530	500	480	480	500	530	510	470
60	530	510	540	490	480	540	520	510
70	540	520	500	490	500	510	490	500

Таблица 3.
Система питания с газовым аккумулятором, КЗ=10.
М	t1ц	t2ц	t3ц	t4ц	t5ц	t6ц	t7ц	t8ц
кг м	°С	°C	°С	°C	°C	°С	°C	°C
10	400	400	380	390	400	390	380	390
20	450	450	440	440	440	440	440	430
30	490	480	480	470	490	480	480	470
40	510	510	500	500	500	500	490	490
50	510	510	510	500	510	510	500	500
60	515	510	500	500	510	510	500	500
70	530	530	520	520	530	520	520	520

На фиг.1 показана конструктивная схема предлагаемой системы подачи газовоздушной смеси в двигатель.

Система подачи газовоздушной смеси в двигатель состоит из одноступенчатого газового редуктора 2, газового аккумулятора 3 расчетного объема, электромагнитных управляемых газовых форсунок 7, газовоздушных смесителей 5 с числом, равным количеству цилиндров двигателя. Система содержит также трубопроводы 4, соединяющие источник газа 1 с редуктором, редуктор с аккумулятором, аккумулятор с форсунками, через которые газ поступает в смесители, находящиеся во впускном воздушном трубопроводе 6, где создается смесь газа с воздухом. Редуктор посредством выходного отверстия соединен с входом аккумулятора, с другой стороны аккумулятор соединен с электромагнитными управляемыми форсунками, число которых равно числу цилиндров двигателя.

Сжатый природный газ из источника газа 1 поступает по трубопроводу высокого давления в одноступенчатый газовый редуктор 2, после которого с давлением, необходимым для оптимальной работы газовой форсунки, газ поступает в газовый аккумулятор 3, где находится неснижаемый запас газа под рабочим давлением форсунки. Данный запас позволяет компенсировать неравномерность подачи газа из газового редуктора к газовым форсункам на различных режимах работы двигателя. Из газового аккумулятора газ по линиям подвода газа к форсункам 4 поступает к электромагнитным газовым форсункам 7, контролируемым электронным устройством управления моментом и количеством подачи топлива по сигналам датчика частоты вращения коленчатого вала, датчика массового расхода воздуха и кислородного датчика (не показаны). Порции газа из электромагнитных форсунок попадают в смесители 5 и, предварительно перемешавшись с воздухом, поступающим из впускного воздушного трубопровода 6, попадают в цилиндры двигателя 8. Впускной воздушный трубопровод устанавливается с одинаковой длиной каналов к каждому цилиндру двигателя. Управление работой двигателя производится изменением положения дроссельной заслонки 9.

Система подачи газовоздушной смеси для газодизельного двигателя, содержащая источник газа, управляемые электромагнитные газовые форсунки с числом, равным количеству цилиндров двигателя, линию подвода газообразного топлива, включающую трубопровод, редуктор и газовоздушные смесители с числом, равным количеству цилиндров двигателя, отличающаяся тем, что система снабжена электронным устройством управления моментом и количеством подачи топлива и газовым аккумулятором расчетного объема, выполненным с возможностью компенсации неравномерности подачи газа и устанавливаемым на участке между газовым редуктором и управляемыми электромагнитными газовыми форсунками, причем объем газового аккумулятора определяется по уравнениям , ,
где V_A - объем газового аккумулятора, м³, ρ_A - плотность природного газа при рабочем давлении форсунки, кг/м³, ρ₀ - плотность природного газа при поступлении в цилиндры двигателя, кг/м³, V₀ - объем природного газа, необходимый для запаса в аккумуляторе, при плотности ρ₀, м³, - максимальная цикловая подача природного газа во все цилиндры двигателя, м³, ρ - плотность газа при рабочих условиях, кг/м³, р - давление газа при рабочих условиях, МПа, Т - температура газа при рабочих условиях, К, ρ_C - плотность газа при стандартных условиях, кг/м³, Т_C -температура окружающей среды при стандартных условиях, К, р_C - давление окружающей среды при стандартных условиях, МПа, К_C - коэффициент сжимаемости, а впускной воздушный трубопровод выполнен с одинаковой длиной каналов к каждому цилиндру двигателя.