Автоматический октан-корректор «СилычЪ» и газовое топливо

Автоматический октан-корректор «СилычЪ» и газовое топливо
1. Что из себя представляет газообразное топливо для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и чем оно отличается от бензина


Под газовым топливом в данном случае мы будем понимать Сжиженый Нефтяной Газ (СНГ, по-английски — Liquid Petroleum Gas, LPG), представляющий из себя пропан-бутановую смесь, являющуюся побочным продуктом при добыче нефти.

В соответствии с ГОСТ 20448–80 существует два вида сжиженного газа — СПБТЗ (смесь пропана и бутана техническая зимняя) и СПБТЛ (смесь пропана и бутана техническая летняя). Как понятно из названия, эти газовые смеси хранятся в жидком состоянии под давлением около 16-ти атмосфер. Переход в газообразное состояние осуществляется непосредственно перед впрыском топливной смеси в цилиндры ДВС.

Теплота сгорания СНГ близка к теплоте сгорания бензина и составляет 45000—46000 кДж/кг (у бензина 44000—45000 кДж/кг). Основные отличия между жидким (бензин) и газообразным (СНГ) топливом заключается во-первых, в более высокой детонационной стойкости второго (октановое число СНГ составляет примерно 110 единиц), во-вторых, в составе топливной смеси, на которых ДВС способен устойчиво работать (для бензина допустимый диапазон значений коэффициента избыточного воздуха составляет 0.90—1.15, а для газа — 1.05—1.20), в третьих, в агрегатном состоянии топлива в топливной смеси — при использовании бензина топливная смесь представляет собой мелкодисперсную взвесь капель топлива в воздухе, для газа — гомогенную смесь газовой фазы топлива и воздуха. Последнее различие существенно влияет на скорость сгорания газо-воздушной смеси по сравнению со смесью бензо-воздушной. Если при использовании бензина требуется, во-первых, дополнительная теплота для испарения капель топлива, а, во-вторых, дополнительное время на их испарение, то в случае использования газового топлива не требуется ни того ни другого.

В результате, если использовать в бензиновом двигателе газовое топливо без повышения степени сжатия, мощность и крутящий момент в среднем понижаются на 5—7 % при увеличении объемного расхода топлива (опять же в среднем) примерно на 15—20%.

Рис.1. Зависимость давления в цилиндре ДВС от положения коленчатого вала
2. Требования к опережению зажигания при использовании газового топлива


На рисунке показана зависимость давления в цилиндре двигателя P от положения коленвала φ.

Площадь под кривой зависимости P(φ) пропорциональна работе, производимой двигателем в такте рабочего хода данного цилиндра (точнее, следует говорить о разности площадей, лежащих под той частью кривой, что расположена после ВМТ и до нее). Оптимальное положение точки максимального давления, при которой эта площадь максимальна, инвариантна относительно режима работы двигателя (скорости вращения коленвала, температуры двигателя и нагрузки) и лежит где-то в области 12—17 градусов после ВМТ. Влиять на положение этой точки можно изменяя момент искрообразования (угол опережения зажигания).

Процесс горения, начинающийся после поджога смеси в цилиндре, можно разделить на две фазы: первая (участок а на рисунке) — формирование фронта пламени в непосредственной близости от источника искры (свечи зажигания) и вторая (б) — распространение этого фронта от свечи к стенкам цилиндра (собственно горение смеси), сопровождающееся увеличением скорости роста давления в цилиндре. Скорость формирования фронта пламени практически не зависит от скорости вращения коленвала (при неизменном составе смеси), а скорость распространения фронта может увеличиваться с увеличением скорости вращения за счет возникновения турбулентных потоков, инициированных движением поршня, и переноса этими потоками фронта пламени.

Таким образом, мы приходим к тому, что оптимальным (при любом режиме работы двигателя) будет УОЗ, обеспечивающий такое положение точки максимального давления в цилиндре, при котором работа, производимая данным цилиндром в такте сгорания топлива будет максимальной.

Рис.2. Зона детонации и оптимальный УОЗ.

Однако, есть еще одно ограничение, накладываемое на УОЗ — детонационная стойкость топлива. При работе двигателя на бензине в зоне средних оборотов оптимальный УОЗ лежит уже в зоне детонации (рис.2). Поэтому там, где оптимальный УОЗ, выбранный из соображений расположения точки максимального давления, лежит выше границы зоны детонации, наиболее приемлемым будет УОЗ, проходящий по границе зоны детонации без захода в нее. Такого УОЗ можно добиться, например, введя в механизм его формирования обратную связь по сигналу с датчика детонации как это сделано в АОК «Силыч».

С повышением октанового числа топлива зона детонации смещается вверх по оси УОЗ. В случае достаточно высокого октанового числа (например, при использовании газового топлива с ОЧ порядка 110 единиц) граница зоны детонации может оказаться выше линии оптимального УОЗ и в таком случае отпадает необходимость корректировать УОЗ по сигналу с датчика детонации.

Таким образом, при использовании газо-воздушной смеси мы получаем возможность увеличить УОЗ, приблизив его к оптимальному. Однако, это справедливо только до определенных скоростей вращения коленвала. При более высоких скоростях уже начинают сказываться различия между газо- и бензо-воздушными смесями, такие как состав смеси и ее агрегатное состояние. Эти различия приводят к тому, что для газо-воздушной смеси вторая фаза горения (распространение фронта пламени) оказывается короче, нежели для бензо-воздушной, что приводит к необходимости уменьшения УОЗ в зоне высоких оборотов для газа по сравнению с бензином.

Рис.3. Зависимости УОЗ от скорости вращения коленвала для бензо-воздушной (А) и газо-воздущной (1) смесей

Примерный вид зависимости УОЗ от оборотов для разных видов топлива показан на Рис.3. Понятно, что простым сдвигом трамблера «вперед» (в сторону увеличения УОЗ) такого различия не добиться. Более того, при таком сдвиге возникает реальная опасность раннего зажигания на высоких оборотах, что может привести к перегреву элементов камеры сгорания (в первую очередь элементов свечи), возникновению калильного зажигания и, как следствие, прогару клапанов и поршней. Таким образом, при переводе машины на газовое топливо, для хотя бы частичной компенсации снижения максимальной мощности и крутящего момента необходимо или перенастраивать центробежный регулятор трамблера для получения нужной характеристики, или использовать дополнительные средства для коррекции характеристики. Первый способ нехорош тем, что при переключении обратно на бензин характеристика становится неудовлетворительной, второй же способ является предпочтительным, но о конкретных реализациях его пока нет достоверных данных (за исключением случаев перевода на газ инжекторных машин с заменой прошивки контроллера на двухтопливную).

Рис. 4. Алгоритм формирования УОЗ АОК «Силычъ»
3. Резюме


Рассмотрим теперь принцип работы АОК «Силыч». Алгоритм формирования УОЗ при использовании «Силыча» показан на рис.4. Данный рисунок скорее качественный, чем количественный ибо данные по реальному расположению линии оптимального УОЗ найти в открытых источниках практически невозможно. Однако, некоторые выводы из этого рисунка сделать можно.
Вывод 1. За счет того, что при установке «Силыча» трамблер смещается на 6—8 градусов в сторону опережения, результирующий УОЗ становится выше, что и требуется при использовании газового топлива в зоне низких и средних оборотов. По крайней мере, это ближе к оптимуму, чем без смещения трамблера.

Вывод 2. В зоне высоких оборотов «Силыч» вводит компенсирующую задержку, приводя УОЗ к штатному, что является правильным в случае применения бензина, и, тем более, в случае применения газа. Возможно, при езде на газовом топливе эта задержка должна быть больше, чем на бензине, но это предположение требует экспериментальной проверки (в любом случае, технически такая возможность существует и аппаратно заложена в схемотехнику «Силыча»). В любом случае, результирующая характеристика системы «штатный трамблер—«Силыч»—штатный коммутатор» будет более оптимальной и универсальной как для бензина, так и для газа, чем характеристика системы «штатный трамблер (со сдвигом в область ранних УОЗ или без него) — штатный коммутатор».

Вывод 3. При переходе с бензина на газ и обратно перенастройка зажигания не требуется. Разница лишь в том, что при использовании бензина коррекция УОЗ по сигналу с датчика детонации будет производиться, а в случае газа скорее всего нет.


Так или иначе, с большой долей вероятности можно предположить, что даже в текущей реализации АОК «Силыч», целесообразно его применение на машинах, использующих газовое топливо как постоянно, так и наравне с бензином.

Виктор Поморцев