Газовый двигатель
О достоинствах газомоторного топлива, в частности метана, сказано немало, но напомним о них еще раз.
Это экологичный выхлоп, удовлетворяющий текущие и даже будущие законодательные требования к токсичности. В рамках культа глобального потепления это важное преимущество, поскольку нормы Euro 5, Euro 6 и все последующие будут насаждаться в обязательном порядке и проблему с выхлопом так или иначе придется решать. К 2020 г. в Евросоюзе новым транспортным средствам будет разрешено производить в среднем не более 95 г СО2 на километр. К 2025 г. этот допустимый предел могут еще опустить. Двигатели на метане способны удовлетворить эти нормы токсичности, и не только благодаря меньшему выбросу СО2. Показатели выбросов твердых частиц в газовых двигателях также ниже, чем у бензиновых или дизельных аналогов.
Далее, газомоторное топливо не смывает масло со стенок цилиндра, что замедляет их износ. Как утверждают пропагандисты газомоторного топлива, ресурс двигателя волшебным образом вырастает в разы. При этом они скромно умалчивают о теплонапряженности работающего на газе двигателя.
И главное преимущество газомоторного топлива – это цена. Цена и только цена покрывает все недостатки газа как моторного топлива. Если мы говорим о метане, то это неразвитая сеть АГНКС, которая буквально привязывает газовый автомобиль к заправке. Количество заправок сжиженным природным газом ничтожно, этот вид газомоторного топлива сегодня представляет собой нишевой, узкоспециальный продукт. Далее, газобаллонное оборудование занимает часть полезной грузоподъемности и полезного пространства, ГБО хлопотно и накладно в обслуживании.
Технический прогресс породил такой вид двигателя, как газодизель, живущий в двух мирах: дизельном и газовом. Но как универсальное средство газодизель не реализует в полном объеме возможности ни того, ни другого мира. Нельзя оптимизировать ни процесс сгорания, ни показатели КПД, ни образование выбросов для двух видов топлива на одном двигателе. Для оптимизации газовоздушного цикла нужно специализированное средство – газовый двигатель.
Сегодня все газовые двигатели используют внешнее образование газовоздушной смеси и воспламенение от свечи зажигания, как в карбюраторном бензиновом двигателе. Альтернативные варианты – в стадии разработки. Газовоздушная смесь образуется во впускном коллекторе путем инжекции газа. Чем ближе к цилиндру происходит этот процесс, тем быстрее реакция двигателя. В идеале газ должен впрыскиваться прямо в камеру сгорания, о чем речь пойдет ниже. Сложность управления не единственный недостаток внешнего смесеобразования.
Инжекция газа управляется электронным блоком, который также регулирует угол опережения зажигания. Метан горит медленнее дизельного топлива, то есть газовоздушная смесь должна воспламеняться раньше, угол опережения также регулируется в зависимости от нагрузки. Кроме того, метану нужна меньшая степень сжатия, нежели дизельному топливу. Так, в атмосферном двигателе степень сжатия снижают до 12–14. Для атмосферных двигателей характерен стехиометрический состав газовоздушной смеси, то есть коэффициент избытка воздуха a равен 1, что в какой-то степени компенсирует потерю мощности от снижения степени сжатия. КПД атмосферного газового двигателя на уровне 35%, тогда как у атмосферного же дизеля КПД на уровне 40%.
Автопроизводители рекомендуют использовать в газовых двигателях специальные моторные масла, отличающиеся водостойкостью, пониженной сульфатной зольностью и одновременно высоким значением щелочного числа, но не возбраняются и всесезонные масла для дизельных двигателей классов SAE 15W-40 и 10W-40, которые на практике применяются в девяти случаях из десяти.
Турбокомпрессор позволяет снизить степень сжатия до 10–12 в зависимости от размерности двигателя и давления во впускном тракте, а коэффициент избытка воздуха увеличить до 1,4–1,5. При этом КПД достигает 37%, но одновременно значительно возрастает теплонапряженность двигателя. Для сравнения: КПД турбированного дизельного двигателя достигает 50%.
Повышенная теплонапряженность газового двигателя связана с невозможностью продувки камеры сгорания при перекрытии клапанов, когда в конце такта выпуска одновременно открыты выпускные и впускные клапаны. Поток свежего воздуха, особенно в наддувном двигателе, мог бы охлаждать поверхности камеры сгорания, снижая таким образом теплонапряженность двигателя, а также снижая нагрев свежего заряда, это увеличило бы коэффициент наполнения, но для газового двигателя перекрытие клапанов недопустимо. Из-за внешнего образования газовоздушной смеси воздух всегда подается в цилиндр вместе с метаном, и выпускные клапаны в это время должны быть закрыты во избежание попадания метана в выпускной тракт и взрыва.
Уменьшенная степень сжатия, повышенная теплонапряженность и особенности газовоздушного цикла требуют соответствующих изменений, в частности, в системе охлаждения, в конструкции распредвала и деталей ЦПГ, а также в применяемых для них материалах для сохранения работоспособности и ресурса. Таким образом, стоимость газового двигателя не так уж отличается от стоимости дизельного аналога, а то и выше. Плюс к этому стоимость газобаллонного оборудования.
Флагман отечественного автомобилестроения ПАО «КАМАЗ» серийно выпускает газовые 8-цилиндровые V-образные двигатели серий КамАЗ-820.60 и КамАЗ-820.70 размерностью 120х130 и рабочим объемом 11,762 л. Для газовых двигателей используют ЦПГ, обеспечивающую степень сжатия 12 (у дизельного КамАЗ-740 степень сжатия 17). В цилиндре газовоздушная смесь воспламеняется искровой свечой зажигания, установленной вместо форсунки.
Для большегрузных автомобилей с газовыми двигателями используют специальные свечи зажигания. Так, Federal-Mogul поставляет на рынок свечи с иридиевым центральным электродом и боковым электродом, выполненным из иридия или платины. Конструкция, материалы и характеристики электродов и самих свечей учитывают температурный режим работы большегрузного автомобиля, характерный широким диапазоном нагрузок, и сравнительно высокую степень сжатия.
Двигатели КамАЗ-820 оборудуют системой распределенного впрыска метана во впускной трубопровод через форсунки с электромагнитным дозирующим устройством. Газ инжектируется во впускной тракт каждого цилиндра индивидуально, что позволяет корректировать состав газовоздушной смеси для каждого цилиндра с целью получения минимальных выбросов вредных веществ. Расход газа регулируется микропроцессорной системой в зависимости от давления перед инжектором, подача воздуха регулируется дроссельной заслонкой с приводом от электронной педали акселератора. Микропроцесорная система управляет углом опережения зажигания, обеспечивает защиту от воспламенения метана во впускном трубопроводе при сбое в системе зажигания или неисправности клапанов, а также защиту двигателя от аварийных режимов, поддерживает заданную скорость автомобиля, обеспечивает ограничение крутящего момента на ведущих колесах автомобиля и самодиагностику при включении системы.
«КАМАЗ» в значительной степени унифицировал детали газовых и дизельных двигателей, но далеко не все, и многие внешне схожие детали для дизеля – коленвал, распредвал, поршни с шатунами и кольцами, головки блока цилиндров, турбокомпрессор, водяной насос, масляный насос, впускной трубопровод, поддон картера, картер маховика – не подходят для газового двигателя.
В апреле 2015 г. «КАМАЗ» запустил корпус газовых автомобилей мощностью 8 тыс. единиц техники в год. Производство размещено в бывшем газодизельном корпусе автозавода. Технология сборки следующая: шасси собирают и устанавливают на него газовый двигатель на главном сборочном конвейере автомобильного завода. Потом шасси буксируют в корпус газовых автомобилей для монтажа газобаллонного оборудования и проведения всего цикла испытаний, а также для обкатки автотехники и шасси. При этом газовые двигатели КАМАЗ (в том числе модернизированные с компонентной базой «БОШ»), собираемые на моторном производстве, также проходят испытания и обкатку в полном объеме.
«Автодизель» (Ярославский моторный завод) в содружестве с компанией Westport разработал и выпускает линейку газовых двигателей на базе семейства 4- и 6-цилиндровых рядных двигателей ЯМЗ-530. Шестицилиндровый вариант может устанавливаться на автомобили нового поколения «Урал NEXT».
Как уже говорилось выше, идеальный вариант газового двигателя – это непосредственный впрыск газа в камеру сгорания, но до сих пор мощнейшее глобальное машиностроение не создало такой технологии. В Германии исследования ведет консорциум Direct4Gas, возглавляемый компанией Robert Bosch GmbH в партнерстве с Daimler AG и Штутгартским научно-исследовательским институтом автомобильной техники и двигателей (FKFS). Министерство экономики и энергетики Германии поддержало проект суммой в 3,8 млн евро, что на самом деле не так уж много. Проект будет работать с 2015-го до января 2017 г. На-гора должны выдать промышленный образец системы непосредственного впрыска метана и, что не менее важно, технологию ее производства.
По сравнению с нынешними системами, использующими многоточечный впрыск газа в коллектор, перспективная система непосредственного впрыска способна на 60% увеличить крутящий момент на низких оборотах, то есть ликвидировать слабое место газового двигателя. Непосредственный впрыск решает целый комплекс «детских» болезней газового двигателя, принесенных вместе с внешним смесеобразованием.
В проекте Direct4Gas разрабатывают систему непосредственного впрыска, способную быть надежной и герметичной и дозировать точное количество газа для впрыска. Модификации самого двигателя сведены к минимуму, чтобы промышленность могла использовать прежние компоненты. Команда проекта комплектует экспериментальные газовые двигатели недавно разработанным клапаном впрыска высокого давления. Систему предполагается тестировать в лаборатории и непосредственно на транспортных средствах. Исследователи также изучают образование топливно-воздушной смеси, процесс управления зажиганием и образование токсичных газов. Долгосрочная цель консорциума – это создание условий, при которых технология сможет выйти на рынок.
Итак, газовые двигатели – это молодое направление, еще не достигшее технологической зрелости. Зрелость наступит, когда Bosch со товарищи создадут технологию непосредственно впрыска метана в камеру сгорания.
Источник статьи: http://os1.ru/article/4535-gazoviy-dvigatel
Двигатель КамАЗ 820.61–260: особенности системы питания и типовые неисправности
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 13.07.2016 2016-07-13
Статья просмотрена: 7958 раз
Библиографическое описание:
Васенин, А. С. Двигатель КамАЗ 820.61–260: особенности системы питания и типовые неисправности / А. С. Васенин, А. Г. Шумков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 14 (118). — С. 128-131. — URL: https://moluch.ru/archive/118/32552/ (дата обращения: 17.03.2021).
Статья содержит информацию о перспективном типе двигателя — двигателе, спроектированном для работы на компримированном природном газе. В работе рассмотрен состав системы питания двигателя КамАЗ 820.61–260, произведен анализ часто возникающих неисправностей, установлены причины возникновения неисправностей. Предложены мероприятия для устранения неисправностей.
Ключевые слова: КамАЗ-820.61–260, редуктор газовый, форсунка топливная, компримированный природный газ, отказ
Одним из актуальных направлений развития современного автомобилестроения является создание двигателей, использующих в качестве топлива компримированный природный газ [1]. Компримированный природный газ — метан — в отличие от сжатого природного газа — смеси пропана и бутана — имеет следующие преимущества: меньшая стоимость 1 литра метана по сравнению с пропан-бутаном, наиболее низкая токсичность отработавших газов. Кроме того, расширение парка подвижного состава, использующего в качестве топлива метан, поддерживается Правительством Российской Федерации [2]. В частности, на все большее количество автобусов, предназначенных для перевозки пассажиров в черте города, устанавливают двигатели, использующие в качестве топлива компримированный природный газ. Учитывая особенности использования компримированного природного газа в качестве топлива, выявление причин отказов топливной системы двигателя и оперативное обнаружение неисправностей позволят создать рекомендации для правильной эксплуатации подвижного состава с двигателями, использующими в качестве топлива метан.
Для использования компримированного природного газа в качестве топлива Нефтекамским автомобильным заводом был спроектирован двигатель КамАЗ-820.60–260.
Рабочий объем двигателя 11.762 л, при этом номинальная мощность составляет 260 л.с. при 2200 об/мин.
Для работы двигателя на компримированном природном газе и повышения мощности степень сжатия снижена до 12 единиц; система питания двигателя представляет собой распределенный впрыск с 1 форсункой на цилиндр [3]. Система зажигания электронная, имеет индивидуальные катушку зажигания свечу зажигания на каждый цилиндр. Модификации 820.60–260 и 820.61–260 не имеют конструктивных различий: первая устанавливается на шасси автомобилей КамАЗ, вторая — на шасси автобусов НефАЗ.
Рассмотрим основные конструктивные элементы системы питания двигателя КамАЗ 820.61–260, схема представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема системы питания двигателя КамАЗ 820.61–260: 1 — Баллон газовый, 2 — Вентиль, 3 — Фильтр магистральный, 4 — Редуктор газовый двухступенчатый, 5 — Клапан электромагнитный низкого давления, 6 — Рампа топливная, 7 — Форсунка топливная, 8 — Заслонка дроссельная
а) Баллон газовый. Основной особенностью метана как химического соединения является его низкая плотность по сравнению с атмосферным воздухом: плотность метана в 2 раза меньше плотности воздуха, температура перехода метана из газообразного состояния в жидкое происходит при температуре — 168 0 С — именно поэтому для обеспечения приемлемого запаса хода транспортного средства метан сжимают до давления 20 МПа [3]. Соответственно баллоны, в которых хранится метан, обладают следующими требованиями:
‒ рабочее давление баллона 20 МПа.
‒ давление наполнения 26 МПа
‒ разрушающее давление не менее 48 МПа [5]
Вследствие высокого рабочего давления баллоны изготавливают из металлокомпозита. Для снижения массы применяют переменную толщину стенки баллонов. Периодичность освидетельствования баллонов необходима 1 раз в три года, срок службы — 15 лет [5].
б) Вентиль, которым оснащен блок газовых баллонов, имеет 5 степеней защиты
1) Ручной вентиль для перекрытия подачи газа — используется при длительных простоях транспортного средства / при ремонтых воздействиях, связанных с отсоединеним элементов системы питания [5].
2) Устройство для аварийного сброса давления — представляет собой плавкий предохранитель, который в случае пожара предотвратит нарастание давления и последующее разрушение баллона. Температура срабатывания предохранителя 110 0 С. Следует отметить, что температура воспламенения метана 640–650 0 С в соответствии с рисунком 5, концентрация для образования взрывоопасной смеси должна в 4 раза превышать концентрацию пропан-бутановой смеси, что позволяет отнести метан к 4 классу воспламеняющихся веществ.
3) Устройство, обеспечивающее сброс метана при превышении давления в 37 МПа.
4) Электромагнитный клапан высокого давления — обеспечивает оперативное управление открытием баллонов с рабочего места водителя и предназначен для использования во время рабочей смены транспортного средства.
5) Скоростной клапан, представляющий собой дроссель. Необходим для ограничения скорости потока газа и предотвращения мгновенного падения давления через разгерметизованное соединение [5].
в) Фильтр магистральный является следующим элементом системы питания. Фильтр необходим для очистки газа от веществ, ухудшающих эксплуатационные свойства: в частности при перекачивании газа на компрессорных станциях в него попадают продукты износа поршневой группы насосов и конденсат воды — таким образом, фильтр состоит из фильтрующего элемента тонкой очистки газа и осушителя для удаления паров воды из топлива.
г) Трубопроводы газовые высокого давления представляют собой трубки, выполненные из нержавеющей стали. Толщина стенки составляет 1 мм, внешний диаметр 8 мм. Герметизация трубопроводов при соединении происходит за счет ниппельного соединения по наружному конусу [5].
д) Редуктор газовый двухступенчатый предназначен для снижения давления компримированного природного газа с 20 МПа до 0.37 МПа и поддержания давления 0.37 МПа на всех режимах работы двигателя до падения давления в баллонах ниже 0.37 Мпа [9]. Редуктор включает в себя клапан аварийного снижения давления в первой ступени при повышении давления выше расчетных значений, а также систему подогрева для предотвращения замерзания клапанов первой и второй ступеней в процессе понижения давления. Система подогрева связана с системой охлаждения двигателя, т. е. редуктор обогревается охлаждающей жидкостью [5].
е) Клапан электромагнитный низкого давления для управления топливной магистралью низкого давления служит запорным механизмом для управления потоком природного газа после редуктора. Установлен на топливной рампе [5].
ж) Форсунки топливные являются исполнительными устройствами системы питания. Ввиду особенностей конструкции двигатель КамАЗ 820.61–260 имеет 2 топливные рампы, непосредственно в которую интегрированы топливные форсунки с электромагнитным управлением. В верхней части форсунки расположен соленоид, при подаче напряжения на который якорь форсунки поднимается и происходит подача газа во впускной коллектор данного цилиндра. При отсутствии напряжения якорь возвращается на место под действием пружины [5].
Система питания двигателя КамАЗ 820.61–260 не лишена недостатков, которые приводят к отказам, представленным в таблице 1.
Отказы системы топливной
Причина
Следствие
Отказ
Недостаточная мощность встроенного подогревателя редуктора
Потеря эластичности мембраны камеры высокого давления с последующим прорывом
Повреждение мембраны камеры высокого давления
Износостойкость материала пружины не соответствует условиям эксплуатации
Изгиб возвратной пружины в рабочем колодце
Отказ топливной форсунки с заклиниванием запорного клапана в открытом положении
Величина хода якоря значительна (составляет 0.63 мм)
Появление повреждений в форме концентрических окружностей на седле якоря
Неисправность топливной форсунки, связанная с потерей герметичности
Отказ редуктора газового с повреждением мембраны камеры высокого давления. Газовый редуктор для топливной системы КамАЗ 820.61–260 двухкамерный, первая камера понижает давление с 200 МПа до 50 МПа, вторая — с 50 МПа до 3 МПа [6]. Повреждение мембраны представляет собой сквозной прорыв в виде полумесяца, представленное на рисунке 2, вследствие чего редуктор не может эффективно понижать давление [6].
Рис. 2. Повреждение мембраны редуктора газового
Признаки отказа: неустойчивая работа двигателя на холостом ходу, невозможность пуска холодного двигателя — из-за превышения порога давления в 4.6 МПа топливные форсунки могут не открыться. Причиной данной неисправности является низкая мощность встроенного подогрева редуктора, составляющая 20 Вт. В отличие от би-топливных систем питания, в которых пуск и прогрев двигателя происходит на бензине или дизельном топливе и, как следствие, при включении газовой системы питания редуктор омывается теплой охлаждающей жидкостью, двигатель КамАЗ 820.61–260 запускается непосредственно на компримированном природном газе. Именно для предотвращения обмерзания клапанов редуктора, и потери эластичности мембран необходим встроенный подогрев, так как при расширении и понижении давления газ резко охлаждается.
Отказ топливной форсунки с заклиниванием якоря в открытом положении. Заклинивание форсунки в открытом состоянии происходило, предположительно, из-за перекоса возвратной пружины — витки возвратной пружины с одной стороны имеют потертости до металлического блеска, тогда как основной оттенок пружины — матовый, пружина представлена на рисунке 3 [7].
Рис. 3. Пружина возвратная
Возвратная пружина необходима для перемещения якоря и прекращения подачи газа. Кроме того, сила упругости пружины должна быть подобрана таким образом, чтобы позволять наиболее быстрое открытие форсунки и наиболее быстрое закрытие, противодействуя магнитному полю катушки, которое нелинейно исчезает при снятии управляющего импульса. Следует отметить, что газовая форсунка, в отличие от бензиновой, управляется сигналом широтно-импульсной модуляции вследствие малого сопротивления обмотки катушки. Таким образом, за время впрыска на катушку форсунки подается напряжение в виде пульсаций определенной скважности, причем частота пульсаций высока, так что катушка не перегревается. Для сравнения сопротивление форсунки бензинового двигателя составляет 16–17 Ом, тогда как сопротивление обмотки катушки газовой форсунки — около 7 Ом — вследствие чего при подаче на нее постоянного напряжения возможен перегрев и перегорание обмотки катушки [7].
Для устранения выявленных отказов могут быть осуществлены следующие мероприятия:
1) Увеличение мощности встроенного подогревателя газового редуктора позволит предотвратить снижение эластичности мембраны камеры высокого давления и избежать ее повреждения.
2) Заменить материал изготовления пружины с более высокими показателями износостойкости, т. е. более подходящий для условий эксплуатации данного элемента.
В статье поэлементно рассмотрена система питания двигателя КамАЗ 820.61–260, определены наиболее частые отказы ее элементов, установлены причины отказов и предложены мероприятия для их устранения.
Источник статьи: http://moluch.ru/archive/118/32552/
