Инжекторные ГПГУ в линейке Waukesha — APG2000 и APG3000

Активное развитие рынка автомобилей с инжекторной системой впрыска топлива заставила производителей газопоршневых двигателей озадачиться разработкой аналогичной технологии для своих газовых двигателей. Инжекторные топливные системы, производимые автопромом, позволяли уменьшить потребление топлива, добавить мощности и крутящего момента при одинаковых объемах двигателя, обеспечить чистоту выхлопа и улучшить управляемость автомобиля на разных режимах работы. Производители газопоршневых двигателей (ГПД), разрабатывая новые топливные системы, ставили своими задачами, во-первых, обеспечить лучшие характеристики наброса/сброса нагрузки, во-вторых, снизить потребление топливного газа (а, следовательно, и повысить КПД) и, в-третьих, добиться лучших экологических показателей. Инженерам Waukesha удалось решить все перечисленные выше задачи в двух своих агрегатах серии APG — APG2000 и APG3000.
Чтобы понять, почему именно инжекторная топливная система смогла обеспечить прорыв в технологиях ГПД, стоит обрисовать основные отличия карбюраторного и инжекторного двигателя.

Стехиометрический состав — это соотношение топлива и воздуха, при котором в процессе горения кислород и топливо будут израсходованы полностью без остатка. Символом «лямбда» обозначается соотношение реального количества воздуха к необходимому для полного сгорания. Для газовых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием стехиометрическим считается соотношение воздух/топливо равное 16:1 (массовые части).
Образование газо-воздушной смеси в карбюраторном двигателе происходит в одноименном узле — карбюраторе. Именно здесь топливный газ смешивается с воздухом до соотношения, близкого к стехиометрическому.

Далее топливная смесь через впускной коллектор направляется в цилиндры. На первом такте смесь засасывается в цилиндр через впускные клапана, на втором — происходит ее сжатие, на третьем — свеча зажигания воспламеняет сжатую смесь и происходит рабочий ход поршня, на четвертом происходит выброс отработанных газов через выпускные клапана в выпускной тракт. Работа проделана.
Одна из основных сложностей заключается в том, что топливная смесь готовится в карбюраторе, а ее сжигание — в камере сгорания, расположенной в некотором удалении. Причем разные цилиндры расположены на разном расстоянии от карбюратора. И, следовательно, находятся в разных условиях с точки зрения объема и качества топливной смеси. Поскольку смешивание происходит в одной точке, это крайне осложняет управление подачей топливной смеси в отдельно взятый цилиндр. Регулирование подачи топливной смеси можно осуществлять только путем изменения положения дроссельной заслонки в карбюраторе либо для всего блока сразу, либо для отдельной секции (как правило, правого и левого рядов цилиндров).

По-другому устроены топливные системы, снабженные системой инжектороного впрыска топлива. Упрощенно процесс работы системы впрыска выглядит следующим образом: показатели датчиков (давление, температура и др.) передаются блоку управления ГПД, который на основе этой информации, а также на основе текущих параметров работы двигателя (предустановленный метановый индекс топливного газа, температура двигателя, температура окружающего воздуха, скорость вращения коленчатого вала, степень и скорость открытия дроссельной заслонки и др. — до 300 параметров), рассчитывает необходимое количество топлива, которое нужно сжечь в отдельно взятом цилиндре. После этого компьютер подает на форсунки электрический импульс нужной длительности, форсунки открываются и топливо, находящееся под давлением в топливной магистрали, впрыскивается в индивидуальный впускной коллектор цилиндра. Все, дело сделано.
Именно на этом принципе работают ГПГУ APG2000 и APG3000, разработанные компанией Waukesha на базе двигателя W220 по патенту корпорации Wartsila.
Двигатель Waukesha 12V/18V220GL — это четырехтактный газовый двигатель с форкамерным зажиганием, использующий принцип сжигания бедной топливной смеси.
Для горения бедной смеси используются головки цилиндров форкамерного типа, позволяющие двигателю работать на обедненной смеси. Действительно, в цилиндре больше воздуха, чем это нужно для горения. Чтобы улучшить горение этой бедной смеси, используется форкамера, где находится обогащенная смесь. Зажигание производится свечой зажигания, установленной в форкамере. Возникающее в форкамере горение дает энергию, необходимую для воспламенения бедной смеси в основной камере.

Разрез головки цилиндра
ГПГУ Waukesha APG3000

В обедненной смеси соотношение воздух/топливо находится в пределах от 1:19 до 1:32. Перенасыщение топливной смеси кислородом обеспечивает более полное сгорание топлива в цилиндрах, а значит ведет к сокращению его потребления и повышению К.П.Д.. Запал обедненной смеси в основной камере сгорания происходит факелом, создаваемом в форкамере. Кроме того, обедненная смесь имеет меньшую склонность к детонации, чем стехиометрическая. Это позволяет повысить степень сжатия, а значит увеличить и мощность, и крутящий момент ГПД.
Работой системы распределенного впрыска автомобильного двигателя управляет специальный контроллер, а в последних моделях — даже компьютер. У газовых двигателей карбюраторного типа за регулирование соотношения «воздух/топливо», управление моментом зажигания, управление турбокомпрессором и другие функции всегда отвечал программно-аппаратный комплекс. Для ГПГУ Waukesha — это ESM (Engine System Manager). Потому совершенно логичным выглядит решение производителя доработать существующие «мозги», чтобы управлять процессами впрыска в инжекторах.
Инженеры Waukesha пошли по пути унификации и взяли за основу революционный блок управления ESM. Модуль серийно устанавливается на двигатели Waukesha других серий в течение почти 10 лет и зарекомендовал себя на тысячах объектах. Новый двигатель 220GL потребовал внесения дополнительных программных и аппаратных изменений в ESM. И прежде всего — за счет новых датчиков и компонентов инжекторного впрыска топлива. Надо заметить, что 220GL — это 1-ый газопоршневой двигатель, оснащенный модулем ESM, каждый цилиндр которого снабжен индивидуальным термодатчиком температуры выхлопа с обратной связью. Датчики и другие элементы с обратной связью обеспечивают полный мониторинг и управление двигателем, а также используются эксплуатирующим персоналом при обнаружении и диагностике неисправностей. ESM не изменился с точки зрения аппаратной части, неизменными остались и большинство алгоритмов. Тем не менее, за счет того, что в 220GL впрыск топлива осуществляет инжектор, инженеры Waukesha добавили в модуль ESM отдельный компонент, отвечающий за контроль впрыска (ККВ). 220GL имеет два ККВ — по одному на каждую секцию блока цилиндров (левый и правый). Каждый ККВ отвечает за контроль впрыска как в основную, так и в предварительную камеру сжигания. И продолжительность впрыска, и момент зажигания — являются регулируемыми параметрами и задаются системой ККВ. ККВ также может зафиксировать и предупредить ESM о неправильной работе соленоидного клапана и система среагирует, выдав соответствующую ошибку. Для того чтобы обеспечить бесконфликтную работу с новым аппаратным средством и новыми датчиками, были внесены изменения в программное обеспечение модуля управления двигателем. В первую очередь это относится к изменениям впрыска топлива в камеру предварительного сгорания и форкамеру, активного управления цилиндрами и балансировке цилиндров. Эти изменения незаметны для конечного потребителя, но являются критическими при проведении калибровки на заводе.

Блок управления двигателем ESM контролирует момент зажигания на основе оптимальных алгоритмов, рассчитанных в научно-исследовательских лабораториях Waukesha. Регулировка момента зажигания определяется калибровкой, но в реальных условиях эксплуатации может меняться в зависимости от скорости двигателя, давления на впускном коллекторе, значения индекса метанового индекса топлива (WKI) и некоторых других факторов, оптимизирующих эффективность работы двигателя. ESM также управляет моментом зажигания с помощью информации, полученной с установленных на двигателе датчиков детонации. Когда сигнал датчика превышает порог детонации, блок управления двигателем шаг за шагом задерживает момент зажигания для каждого цилиндра в отдельности, чтобы уберечь двигатель от детонации.

Еще записи на эту же тему:



Страницы: 1 2

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2017 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.