Создание и организация производства в Российской Федерации в 2011-2015 годах дизельных двигателей и их компонентов нового поколения (НИР шифр «Событие»)

НИР «Проведение поисковых и экспериментальных исследований по разработке систем подачи и воспламенения газовых (на природном газе) и газодизельных моделей для модернизации базовых образцов средне- и высокооборотных дизельных двигателей и создания перспективных дизельных двигателей» (Шифр «Событие»)

Федеральная целевая программа «Национальная технологическая база» на 2007-2011 годы по подпрограмме «Создание и организация производства в Российской Федерации в 2011-2015 годах дизельных двигателей и их компонентов нового поколения».

Государственный контракт с Министерством промышленности и торговли Российской Федерации от 13.12.2011 г. №11411.1003703.05.002.

Сроки выполнения работы:  с  13.12.2011 г.  по  02.12.2015 г.

Финансирование: 100 000 000 руб.

Руководитель темы: Зав. каф. "Теплотехника и автотракторные двигатели" д.т.н., проф. М.Г. Шатров.

Основные исполнители: К.т.н., проф. А.С. Хачиян, к.т.н., доцент В.В.Синявский, к.т.н., с.н.с. И.Г. Шишлов, к.т.н., доцент А.Ю. Дунин, к.т.н., доцент А.Л. Яковенко, инж. А.В. Вакуленко.

Основные результаты, достигнутые при выполнении НИР

1. Разработана инновационная методика и программное обеспечение для расчета и разработки систем подачи газового топлива для газового двигателя и для газодизеля. Разработанное программное обеспечение позволяет:

• определять основные геометрические размеры элементов системы подачи природного газа, необходимые для проектирования систем подачи газового топлива для газового двигателя и газодизеля;
• расчетным путем сформировать предварительную матрицу управляющих импульсов для системы управления, установить пограничные режимы работоспособности элементов системы подачи природного газа.

2. Разработана инновационная методика и программное обеспечение для расчета топливных систем, предназначенных для подачи запальной порции дизельного топлива для воспламенения газо-воздушных смесей в цилиндре газодизеля. Методика учитывает двухфазное состояние дизельного топлива в полостях ТНВД, изменение плотности топлива, как в двухфазном, так и в однофазном состоянии. Также в методике учитывается наличие в системе аккумуляторов, установленных вблизи форсунок. Разработанное программное обеспечение позволяет:

• определять основные геометрические размеры элементов системы, предназначенной для подачи минимизированной запальной порции дизельного топлива в цилиндр газодизеля;
• расчетным путем сформировать предварительную матрицу управляющих параметров для микропроцессорного управления электрогидравлическими форсунками.

3. Разработана методика и программное обеспечение для расчета рабочих циклов газового и газодизельного вариантов разрабатываемых двигателей нового поколения, которое позволяет:

• рассчитать показатели работы многоцилиндрового двигателя, питаемого природным газом, с одноступенчатой или двухступенчатой системой наддува;
• рассчитать совместную работу многоцилиндрового газодизеля с одним или двумя турбокомпрессорами;
• подбирать оптимальные параметры турбокомпрессоров для каждого варианта разрабатываемых двигателей и расчетного режима работы;
• исследовать влияние теплообмена и тепловыделения и подбирать оптимальный закон тепловыделения;
• учитывать любое соотношение запальной порции дизельного топлива и природного газа;
• получать наилучшие показатели работы путем оптимизации целого ряда параметров двигателя: фаз газораспределения, момента опережения впрыскивания запальной дозы дизельного топлива, выбора размеров впускных и выпускных коллекторов и др.

4. Проведены расчетные исследования с использованием инновационных методик расчета, необходимые для разработки конструкций систем подачи газа, системы зажигания, системы подачи запальной минимизированной порции дизельного топлива и электронной системы управления их работой.
5. Разработаны конструкции систем подачи газа, системы зажигания, системы подачи запальной минимизированной порции дизельного топлива и электронной системы управления их работой. Отличительные особенности конструкций систем заключаются в следующем:

• в связи с тем, что цикловые подачи и максимальный расход природного газа в разрабатываемых газовом двигателе 6ЧН20/28 и газодизеле 6ЧН20/28, с минимальной запальной подачей дизельного топлива, составляющей не более 5% от общей введенной теплоты в цикле на номинальном режиме, мало отличаются, то для обоих двигателей разработан один вариант системы подачи природного газа;
• из-за отсутствия отечественных газовых форсунок большой производительности точное дозирование цикловой порции природного газа осуществляет блок газовых форсунок, включающий в себя 2 форсунки малых подач, обеспечивающие цикловую подачу газа от 0 до 25% от номинальной цикловой подачи газа, и 1 форсунку больших подач, обеспечивающую цикловую подачу газа от 20 до 100%;
• для разработанной системы подачи природного газа предлагается модульная конструкция, в которой каждый газовый модуль обслуживает два соседних цилиндра двигателя;
• так как конструкция дизельной электроуправляемой форсунки дизеля 6ЧН20/28 не позволяет обеспечить в последовательных циклах требуемых стабильно устойчивых малых цикловых подач на всех режимах, то для газодизеля принято решение использовать топливную систему аккумуляторного типа с номинальной цикловой подачей дизельного топлива 80…100 мм³;
• в топливной системе, предназначенной для подачи запальной порции дизельного топлива реализован модульный подход: топливный насос высокого давления, через распределитель, обеспечивает подачу дизельного топлива в топливные аккумуляторы с постоянным давлением, из которых питаются электрогидравлические форсунки. Из каждого аккумулятора дизельное топливо подводится к электрогидравлическим форсункам двух соседних цилиндров;
• электронный блок управления, наряду с функцией управления подачей природного газа, выполняет функции контроллера зажигания. Поэтому нет необходимости в отдельном блоке управления элементами системы зажигания и другие элементы системы зажигания (высоковольтные катушки зажигания, высоковольтные провода и свечи зажигания) вошли в состав системы электронного управления для газового двигателя 6ЧН20/28.

6. Созданы экспериментальные образцы систем подачи газа (рис. 1), системы зажигания, системы подачи запальной минимизированной порции дизельного топлива (рис. 2) и электронной системы управления их работой (рис. 3 и 4).

Рис. 1. Экспериментальная система подачи природного газа:

1 – магистральный электромагнитный клапан высокого давления; 2 –газовый редуктор; 3 – датчик температуры газа в редукторе; 4 – регулятор теплоносителя; 5 – – газовая форсунка основной подачи; 6 – газовые форсунки малых подач; 7 – газовый ресивер; 8 – датчик температуры природного газа в ресивере; 9 – датчик давления природного газа в ресивере

Рис. 2. Экспериментальная система подачи запальной порции дизельного топлива:

1 – топливный насос высокого давления; 2 – распределитель; 3 – аккумулятор; 4 – форсунка; 5 – топливный фильтр (фильтр-сепаратор); 6…12 – топливные трубопроводы; 13 – заглушка; 14 – датчик давления топлива

Рис. 3. Экспериментальная система управления для газового двигателя:

1 – электронный блок управления, 2 – датчик положения коленчатого вала, 3 – датчик положения распределительного вала, 4 – датчик давления и температуры во впускном коллекторе, 5 – блок термопар, 6 – узел дроссельной заслонки; 7 – высоковольтные катушки зажигания; 8 – высоковольтные провода; 9 – свечи зажигания; 10 – комплект электрических жгутов; 11 –пульт управления (задающее устройство режима работы двигателя); 12 – газовые форсунки; 13 – датчик температуры газа; 14 – датчик давления газа; 15 – датчик давления масла в двигателе

Рис. 4. Экспериментальная система управления подачей и воспламенением газовых топлив газодизельного двигателя:

1 – ИВБ-ГД; 2, 10 – датчик температуры и давления во впускном коллекторе; 3, 9 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 4 – датчик барометрической коррекции; 5 – датчик положения коленчатого вала; 6 – датчик положения распределительного вала; 7 – адаптер сигналов датчика положения распределительного вала; 8 – блок термопар

7. Проведены стендовые и калибровочные испытания экспериментальных образцов систем подачи газа, системы зажигания (рис. 5 и 6) и системы подачи запальной минимизированной порции дизельного топлива на разрабатываемых двигателях нового поколения (рис. 7 и 8):

• для управления газовым двигателем получены базовые поверхности настройки:

•  цикловой подачи газовых форсунок, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала (n) и крутящего момента;
• момента механических потерь в зависимости от температуры охлаждающей жидкости;
• заданного момента в зависимости от положения задатчика режима работы и n;
• угла опережения зажигания в зависимости от n и массовой цикловой подачи;

• для управления газодизелем получены базовые поверхности настройки:

• давления дизельного топлива, в аккумуляторе в зависимости от массовой цикловой подачи дизельного топлива n для газодизельного режима работы;
• цикловой подачи газовых форсунок, в зависимости от n и крутящего момента двигателя;
• момента механических потерь в зависимости от температуры охлаждающей жидкости;
• заданного крутящего момента в зависимости от положения задатчика режима работы и n;

Рис. 5. Принципиальная схема стендовой установки для проведения калибровочных испытаний системы управления газового двигателя:

1 – карданный вал привода; 2 – датчик положения распределительного вала; 3 – репер датчика положения распределительного вала; 4 – узел дроссельной заслонки; 5 – жгут системы управления; 6 - кабели осциллографа; 7 – спец диск (60-2зубьев); 8 – датчик положения коленчатого вала; 9 – осциллограф; 10 – компьютер связи с осциллографом; 11 – пульт управления; 12 – компьютер связи с блоком управления; 13 – блок управления; 14 – ключ подачи питания; 15 – источник питания (аккумуляторы); 16 – выпрямитель; 17 – баллоны хранения природного газа; 18 – газовый электромагнитный клапан; 219 – газовые форсунки малых подач; 20 – газовый редуктор; 21 – высоковольтная катушка зажигания; 22 – газовый ресивер; 23 – электрическая машина (тормозная установка)

Рис. 6. Стендовая установка для проведения калибровочных испытаний системы управления газового двигателя

Рис. 7. Принципиальная схема стендовой установки для проведения калибровочных испытаний системы управления газодизельным двигателем:

6 – блок питания; 7 – репер-отметчик положения поршня первого цилиндра в ВМТ; 8 – датчик отметки положения поршня первого цилиндра в ВМТ; 9 – регулятор ТНВД; 10 – дизельные форсунки; 11 – газовые форсунки; 12 – кабели осциллографа; 13 – датчик давления дизельного топлива; 14 – датчик положения коленчатого вала; 15 – осциллограф; 16 – компьютер связи с осциллографом; 17 – пульт управления подсистемой подачи запальной порции дизельного топлива; 18 – компьютер связи с блоком управления подсистемы подачи запальной порции дизельного топлива; 19 – блок управления подсистемы подачи запальной порции дизельного топлива; 20 – пульт управления подсистемой подачи природного газа; 21 – блок управления подсистемы подачи природного газа; 22 – компьютер связи с блоком управления подсистемы подачи природного газа; 23, 24 – ключ подачи питания; 25 – источник питания (аккумуляторы); 26 – выпрямитель; 27 – бак для хранения дизельного топлива; 28 – баллоны хранения природного газа; 29 – газовый электромагнитный клапан; 30 – газовый редуктор; 31 – топливный фильтр; 32 – датчик давления газа; 33 – датчик температуры газа; 34 –газовый ресивер

Рис 8. Общий вид испытательного стенда газодизельного двигателя

• проведенные испытания подтвердили преимущество применения модульной конструкции системы подачи природного газа для двигателя 6ЧН20/28, которая позволила существенно сократить время формирования исследовательских стендовых моторных установок с отказом от проведения исследований на полноразмерном газовом двигателе и газодизеле.

8. Разработаны рекомендации по внедрению в производство электронной системы управления работой систем подачи газа, системы зажигания, системы подачи запальной минимизированной порции дизельного топлива, предназначенных для газового и газодизельного вариантов разрабатываемых двигателей нового поколения. Проведенные расчетно-экспериментальные исследования позволили сформулировать следующие основные рекомендации для конвертации дизеля 6ЧН20/28 в двигатели, питаемые природным газом:

• газовый двигатель на базе среднеоборотного дизеля 6ЧН20/28 необходимо разрабатывать с учетом специфики его работы в составе стационарной установки, при этом:

• рабочий процесс необходимо организовывать с внешним смесеобразованием, воспламенением газо-воздушной смеси от энергии искрового разряда, с количественным регулированием при работе на бедных газо-воздушных смесях;
• для исключения возможности возникновения детонационного сгорания необходимо снизить степень сжатия до 11;
• для повышения наполнения цилиндров двигателя воздухом необходим турбокомпрессор бȯльшей производительности, по сравнению с базовым;

• газодизель на базе среднеоборотного дизеля 6ЧН20/28 необходимо разрабатывать с учетом специфики его работы в составе транспортного средства, при этом:

• рабочий процесс необходимо организовывать с внешним смесеобразованием, воспламенением газо-воздушной смеси от минимизированной запальной порции дизельного топлива, c качественным регулированием при работе на бедных газо-воздушных смесях;
• для подачи минимизированных запальных цикловых порций дизельного топлива, составляющих не более 5% от теплоты, введенной в цилиндр на номинальном режиме, целесообразно применять топливную аппаратуру аккумуляторного типа малой размерности, в которой максимальная цикловая подача на 25…30% превышает заданную цикловую подачу двигателя 6ЧН20/28;
• проведенные исследования показали, что для данного двигателя систему наддува изменять не следует.

9. Достигнуты требования технического задания к выполнению работ:
   • получено снижение уровня шума на 4 … 6 дБ по сравнению с эксплуатируемыми дизелями;
   • доказана возможность повышения моторесурса на 50 % по сравнению эксплуатируемыми дизелями;
   • обоснована возможность обеспечения отраслевых норм по вредным выбросам;
   • эффективный КПД на полной нагрузке не ниже 0,37 для газового двигателя и не ниже 0,45 для газодизеля.
10. Разработаны 4 технологии:
    • исследования рабочего цикла многоцилиндрового четырехтактного газодизеля с наддувом;
    • расчетного исследования рабочего процесса аккумуляторной топливной системы, предназначенной для подачи запальной минимизированной порции дизельного топлива, с пьезоприводом управляющего клапана электрогидравлической форсунки;
    • проведения испытания электронной системы управления воспламенением газо-воздушной смеси от искрового разряда, предназначенная для поршневых двигателей внутреннего сгорания, питаемых газообразным топливом необходима для создания перспективных газовых двигателей, обеспечивающих достижение современных и перспективных требований по техническому и экологическому уровням совершенства двигателей внутреннего сгорания, а также конкурентоспособность по отношению к ведущим зарубежным аналогам;
    • испытания элементов системы подачи газообразного топлива с электронным управлением, предназначенной для газового и газодизельного вариантов двигателей внутреннего сгорания с наддувом.
11. В Федеральную службу по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам поданы 4 заявки о выдачи патентов на полезные модели и 2 заявки на регистрацию программы для ЭВМ:
    • Полезная модель «Охлаждаемая форсунка для подачи запальной порции дизельного топлива в газодизеле» (патент № 127130) направлена на решение задачи охлаждения нижней части форсунки проточным топливом для предотвращения коксования ее сопловых отверстий и потери подвижности иглы распылителя при длительной подаче минимизированной порции дизельного топлива. Тем самым повышаются экономические и экологические показатели двигателей, обеспечивается надежная работа форсунки при переходе на минимизированные цикловые подачи запальной порции дизельного топлива при работе по газодизельному циклу.
    • Полезная модель «Гидроуправляемая газовая форсунка» (патент № 144916) направлена на повышение экономических и улучшение экологических показателей двигателей работающих на газообразном топливе организацией работы двигателя на обедненных газовоздушных смесях при внутреннем смесеобразовании.
    • Полезная модель «Двухтопливная форсунка для газодизеля» (патент № 145299) содержит техническое решение по организации надежного воспламенения обедненных газовоздушных смесей от минимизированных цикловых подач запальной порции дизельного топлива при работе по газодизельному циклу.
    • Полезная модель «Электрогидроуправляемая форсунка подачи газового топлива» (патент № 150831) направлена на обеспечение точного и стабильного дозирования последовательных малых цикловых подач газового топлива с близко к линейной характеристикой впрыскивания.
    • Полезная модель «Электрогидроуправляемая форсунка для газодизельного двигателя» (патент № 150832) содержит техническое решение, повышающее точность и стабильность дозирования последовательных малых цикловых порций запального дизельного топлива.
    • Программа (получено свидетельство о регистрации № 2015619006) расчета рабочего цикла многоцилиндрового четырехтактного газодизеля с наддувом (Событие 1) предназначена для исследования показателей совместной работы малоразмерных и большеразмерных газодизелей с турбокомпрессором с целью выбора оптимального варианта турбокомпрессора для конкретного газодизеля с учетом режимов его работы. Программа позволяет определить актуальные физические процессы в газодизеле: сжатия-сгорания-расширения, газообмена, процессы во впускных и выпускных коллекторах.
    • Программа (получено свидетельство о регистрации № 2015619007) расчета рабочего процесса аккумуляторной топливной системы, предназначенной для подачи запальной минимизированной порции дизельного топлива, с пьезоприводом управляющего клапана электрогидравлической форсунки (Событие 2) предназначена для исследования показателей процесса топливоподачи электрогидравлической форсунки с пьезоприводом управляющего клапана. Программа позволяет определить актуальные физические процессы в электрогидравлической форсунке: работа пьезопривода управляющего клапана, движение иглы распылителя, впрыскивание топлива через распыливающие отверстия.