Предложена конструкция гидроуправляемой форсунки для конвертации дизельного двигателя в газовый двигатель с внутренним смесеобразованием, рассмотрены особенности и результаты её экспериментальных исследований на безмоторном стенде

Кайдалов, А. А.

Левтеров, Антон Михайлович

Мараховский, В. П.

Сафонов, С. Б.

Шевченко, Н. А.

Щербаков, Григорий Александрович

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

Общие проблемы двигателестроения ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2'2004 29 УДК 621.433.038.8 Г.А. Щербаков, инж., C.Б. Сафонов, инж., Н.А. Шевченко, инж., А.М. Левтеров, канд. техн. наук, В.П. Мараховский, инж., А.А. Кайдалов, инж. ГИДРОУПРАВЛЯЕМАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВНУТРЕННИМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ  Введение Конвертация дизелей в газовые двигатели или газодизели, как правило, проводится при организа-ции рабочего процесса с внешним смесеобразовани-ем с использованием серийно выпускаемой газовой аппаратуры [1, 2]. Газовые двигатели с внутренним смесеобразованием и форкамерно-факельным вос-пламенением более эффективны и экономичны за счёт использования качественного регулирования, расширения пределов обеднения до  = 3,5 и более, низким содержанием вредных выбросов в отрабо-тавших газах, но значительно усложняется конст-рукция их систем питания и регулирования [3]. В последние годы появились газовые двигатели с микропроцессорным управлением и подачей топ-лива  электромагнитным клапаном, причём подача топлива (природного газа) осуществляется на такте впуска во впускной коллектор и имеет недостатки внешнего смесеобразования за исключением равно-мерности подачи газа по цилиндрам. Стоимость та-ких систем от 5 до 8 тыс. долларов США. Реализовать все преимущества внутреннего смесеобразования при конвертации дизеля в газовый двигатель или газодизель с подачей газа непосредст-венно в цилиндр двигателя на такте сжатия, особен-но для двухтактных двигателей, можно с помощью газовой форсунки, управляемой штатным топливным насосом высокого давления (ТНВД) [4]. Целью настоящей работы является доводка конструкции и исследование характеристик газовой форсунки в условиях безмоторного стенда.  Гидравлическая газовая форсунка При конвертации дизельного двигателя в газо-вый сохраняется система топливоподачи, которая используется как система гидроуправления с не-большим запасом нерасходуемого дизельного топли-ва. Газовая форсунка устанавливается вместо ди-зельной форсунки и производятся соответствующие регулировки по началу подачи газового топлива. До-полнительно монтируется система зажигания и уста-навливаются свечи зажигания.  Особенности конструкции газовой форсунки На рис. 1 приведен общий вид газовой форсун-ки, которая состоит из корпуса 1, в котором установ-лен клапан 2. Подвод газообразного топлива обеспе-чивается через штуцер 3, а гидравлический привод клапана (дизельное топливо) - через штуцер 4 к зо-лотнику 5, который обеспечивает постоянную вели-чину хода клапана. Расход газа определяется про-должительностью топливоподачи, а на частичных режимах и величиной хода клапана.  Рис. 1. Газовая форсунка Общие проблемы двигателестроения ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2'2004 30 Исследования газовой форсунки на безмо-торном стенде Экспериментальный безмоторный стенд На рис. 2 представлена схема лабораторного стенда для безмоторных испытаний.   Рис. 2. Схема испытательного стенда: 1 - топливный насос; 2 - дроссельная форсунка; 3 - газовая форсунка; 4 - камера; 5, 8 - вентили; 6 - баллон с воздухом; 7 - редуктор высокого давления; 9 - расходный баллон; 10, 12, 13 - манометры; 11 - редуктор низкого давления  В качестве топливного насоса 1 используется насос двигателя ТД. Нагнетающий штуцер насоса соединён с газовой форсункой 3 и параллельно - с дроссельной форсункой 2. Дроссельная форсунка предназначена для регулировки давления в гидро-приводе и стравливания избыточной части топлива, подаваемого от ТНВД. Питание форсунки газом осуществляется с помощью воздушного баллона 6. Баллон 9 служит для измерения расхода газа через форсунку. Для обеспечения противодавления на вы-ходе из форсунки (иммитирующее давление в ци-линдре) служит камера 4 с дроссельным вентилем 5 и манометром 13. Регулировкой вентиля можно с достаточной точностью получить совпадение давле-ния в камере, соответствующее таковому в камере сгорания двигателя, что позволяет приблизить усло-вия впрыска при безмоторных испытаниях к услови-ям в реальном двигателе. Для регистрации хода газо-вого клапана в газовую форсунку был установлен специальный датчик (на рисунке не показан).  Задачи исследований Целью исследований являлось определение возможностей работы газовой форсунки с гидропри-водом от насоса двигателя ТД, оценка влияния на качество её функционирования различных парамет-ров (частоты вращения кулачкового вала ТНВД и профиля кулачка, величины затяжки пружины дрос-сельной форсунки, диаметра и длины золотника, размеров трубопроводов высокого давления), выбор оптимальных условий и снятие расходных характе-ристик. При этом необходимым условием было ог-раничение времени открытия газового клапана в пределах 400 п.к.в. при 1500 мин-1 и обеспечение максимального расхода газа.  Результаты исследований На рис. 3 представлены осциллограммы откры-тия газового клапана при различных параметрах с указанием длительности открытия форсунки и объ-ёмного расхода воздуха. При этом давление воздуха перед форсункой и давление в камере оставалось постоянным и составляло соответственно 0,8 МПа и 0,25 МПа. Вид осциллограмм подъёма клапана газовой форсунки указывает на наличие в гидравлическом тракте волнового процесса. Волновой характер опре-деляется соотношением указанных выше величин (скорость плунжера, ход золотника, давление откры-тия дроссельной форсунки, жёсткость пружины га-зового клапана), а также параметрами трубопровода и величиной объёма гидравлического тракта. Уменьшение длины и диаметра трубопровода приводит к уменьшению интегральной величины (время - сечение) открытия газового клапана. Общие проблемы двигателестроения ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2'2004 31   Рис. 3. Осциллограммы подъёма клапана газовой форсунки (по № эксперимента)  Постановка аккумулятора давления в гидравли-ческом тракте (объём  20 см3) позволяет снизить амплитуду импульса давления, действующего на золотник, даже при максимальной скорости плунже-ра (2, 04 м/с), что позволяет ограничить максималь-ный ход штока газового клапана. Рост расхода газа сопровождается существенным увеличением про-должительности его подачи, что обусловлено неод-нократным ходом клапана до закрытия за период одного цикла (осциллограмма 1). Бóльшая скорость нагнетания топлива приво-дит к увеличению подъёма штока клапана, что огра-ничивает величину активного хода плунжера насоса  и уменьшает расход газа через форсунку. Наилучшие результаты для золотника 3,5 мм достигнуты при скорости плунжера 0,35…0,41 м/с (осциллограммы № 5, 6). Увеличение хода золотника от 0,9 мм до 1,4 мм (до открытия дренажных каналов) привело к некото-рому увеличению расхода газа (осциллограммы № 2, 4) и уменьшению продолжительности его подачи (осциллограммы № 3, 5). Уровень давления открытия дроссельной фор-сунки определяет количество топлива, перепускае-мого через золотник и, следовательно, величину его хода и продолжительность открытия газового клапа-на. Уменьшение давления открытия дроссельной форсунки (pо) вызывает уменьшение расхода газа (Qг) и продолжительности его подачи (г) (осцилло-граммы № 2, 3 и 4, 5). Наилучший результат получен при pо = 5 МПа для скорости плунжера 0,35 м/с и pо = 2,5 МПа для скорости плунжера 0,41 м/с. Увеличение Ро либо установка жиклёра в дрос-сельную форсунку приводит к недопустимому уве-личению хода штока газового клапана. Необходимо отметить, что наличие в системе гидропривода дроссельной форсунки усложняет кон-струкцию. Таким образом, ни один вариант комплектации гидравлического тракта управления газовой форсун-ки с золотником диаметром 3,5 мм не обеспечивает требуемого расхода газа ( 230 л/мин. в течение  40 град. п.к.в.). Кроме того, зависимость расхода газа от работы дроссельной форсунки усложняет конструкцию, регулировку аппаратуры и уменьшает надёжность системы. Постановка золотника диаметром 6,0 мм позво-лила исключить дроссельную форсунку. Приемле-мые значения максимального хода штока газового клапана получены при: — скорости плунжера 0,55 м/с; — ходе золотника до открытия дренажных ка-налов 1,0…1,2 мм. Используемый кулачковый вал привода имеет профиль с возрастанием скорости движения плунже-ра при увеличении его активного хода. Это не позво-лило эффективно увеличить расход газа путём уве-личения производительности насоса из-за возникно-вения интенсивных колебаний штока клапана (ос-циллограмма 7). При существенной затяжке пружины газового Общие проблемы двигателестроения ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2'2004 32 клапана и давлении воздуха перед форсункой 0,8 МПа клапан начинает открываться при давлении топлива pт, действующего на золотник диаметром 6,0 мм pт  1,8 МПа, что находится на уровне оста-точного давления в трубопроводе. При увеличении диаметра золотника необходимо уменьшать и оста-точное давление в трубопроводе. Невысокое давле-ние топлива для открытия газового клапана, при от-сутствии дроссельной форсунки, приводит к обеспе-чению расхода газа  80 л/мин. уже при активном ходе поршня hn.a.= 0.  На рис. 4 представлена зависимость расхода га-за QГ и продолжительность его подачи Г от величи-ны выхода рейки топливного насоса hУ. Из рисунка видно, что расход газа и продолжительность его по-дачи нелинейно увеличиваются с увеличением ак-тивного хода плунжера за счёт выхода рейки топ-ливного насоса. При продолжительности подачи, ограниченной 40 град. п.к.в., достигнута производи-тельность газовой форсунки 130 л/мин. Дальнейшее увеличение производительности форсунки возможно при модернизации топливорегулирующей аппарату-ры (кулачковый вал, золотник).  Заключение Таким образом, в результате проведенного комплекса доводочных испытаний выбраны рацио-нальные конструктивные и регулировочные пара-метры для эффективной работы газовой форсунки, в результате чего обеспечивается её использование при конвертации дизелей типа ТД на газовое топли-во.   Рис. 4. Регуляторная характеристика  Список литературы: 1. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. – М.: МАДИ (ТУ), 2000. – 311 с. 2. Бганцев В.Н., Левтеров А.М., Мараховский В.П. Газовый дви-гатель на базе четырёхтактного дизеля общего на-значения // Мир техники и технологий: Междунар. техн. ж-л. – 2003. – № 10. – С. 74 – 75. 3. Генкин К.И. Газовые двигатели. – М.: Машиностроение, 1977. – 196 с. 4. Разработка методов конвертации двигателей внутреннего сгорания на альтернатив-ные топлива / Н.К. Рязанцев, В.М. Григорьев, А.П. Кудряш, В.П. Мараховский, П.Я. Перерва, А.А. Кай-далов // Технологические системы. – 2000. – № 4(6). – С. 8 – 10.         

Гидроуправляемая форсунка для газового двигателя с внутренним смесеобразованием

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/728/1/DVS_2004_2_Sherbakov_Gidroupravlyaemaya%20forsunka.PDF

Гидроуправляемая форсунка для газового двигателя с внутренним смесеобразованием

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository