Development of new gas engines that meet Euro-5 standards for medium duty trucks based on ZIL V-engine

Full Text

Сложная экологическая обстановка, складывающаяся в большинстве крупных городов и промышленных центрах Российской Федерации, также, обусловлена наличием крупных предприятий, тепловых электростанций и высокой концентрацией автотранспортных средств, задействованных в муниципальных городских хозяйствах, частном секторе, грузо- вых и пассажирских автоперевозках.Одним из наиболее перспективных направлений оздоровления окружающей среды в крупных мегаполисах является применение альтернативных видов топлива, одним из кото- рых является природный газ. Природный газ является самым перспективным среди применя- емых в настоящее время альтернативных моторных топлив по следующим причинам:природные запасы газового топлива значительно превосходят запасы нефти;газовое топливо обладает потенциальной способностью обеспечить существенное сни- жение выбросов токсичных веществ которое по разным оценкам можно оценить в 2,5-3 раза; газовые двигатели имеют более высокую надёжность и ресурс на 40-45% по сравнению с бензиновыми и дизельными двигателями из-за более «мягкого» процесса сгорания газо- воздушной рабочей смеси. применение газомоторных топлив позволяет создать двигатели, имеющие высокие тех- нико-экономические показатели при реализации высокоэффективного рабочего процесса, что особенно проявляется на двигателях с внешним смесеобразованием. Это объясняется высокими антидетонационными свойствами газовых топлив.Кроме того, предпочтение природного газа обусловлено рядом других факторов, к ко- торым можно отнести: более однородный состав входящих в него углеводородов; что существенно улучшает процесс смесеобразования и сгорание рабочего тела меньший показатель по сравнению с бензинами по теплотворной способности рабочего тела (смесь газа и воздуха), легко компенсируется повышением степени сжатия двигате- ля. Это обусловлено более высокой детонационной стойкостью газомоторных топлив, мгновенное перемешивание воздуха и газа, как при внешнем, так и при внутреннем сме- сеобразовании способствует улучшению процесса сгорания; «мягкое» и полное сгорание рабочего тела в более широком диапазоне изменений коэф- фициента избытка воздуха (α); менее вредное воздействие отработавших газов двигателя, работающего на природном газе на нейтрализаторы (существенно меньшее количество в газомоторном топливе вред-ных компонентов, таких как, сера и тяжёлые металлы).Все эти преимущества позволяют получить положительный результат по повышению экологического класса двигателей при их конвертации на газомоторное топливо с суще- ственно меньшими затратами по сравнению с дизельными двигателями.В настоящее время доля выпуска и применения газовых двигателей на автотранспорте ничтожна мала по сравнению дизельными и бензиновыми двигателями, что связано с отсут- ствием соответствующих разработок новых перспективных газовых двигателей, имеющих высокие технико-экономические показатели и обеспечивающие все возрастающие экологи- ческие требования к автотранспорту.Кроме того, актуальность данной работы обусловлена отсутствием на рынке Россий- ской Федерации отечественных двигателей в мощностном диапазоне от 110 кВт до 130 кВт (от 145 л.с. до 185 л.с.), то есть двигателей для автотранспортных средств, имеющих грузо- подъёмность от 8 до 12 т., таких как грузовые автомобили, специальные шасси для комму- нального обслуживания, дорожная техника, предназначенная для ремонтных работ в город- ском хозяйстве, а также автобусы среднего и малого класса.Рентабельность эксплуатации указанных автомобилей подтверждена на протяжении последних более чем, двух десятилетий. Несмотря на постоянное повышение стоимости тра- диционных видов топлива (бензина и дизельного топлива), так как отпускная стоимость га- зомоторного топлива определена Постановлением Правительства РФ об ограничении макси- мальной цены на КПГ от 1993 года № 31.Второй проблемой для более равномерного устойчивого спроса на газовые автомобили, является отсутствие разветвленной сети газовых заправок по регионам страны. Решение дан- ной проблемы возможно: через организацию на первом этапе локальных городских сетей газовых заправок для обеспечения работы коммунальной техники и городских автобусов; создания газовых двигателей, работающих на газовом топливе имеющих резервную си- стему питания на бензине.Как отмечалось ранее, конвертация бензиновых двигателей для работы на газомотор- ных топливах имеет существенные преимущества по сравнению с переводом дизельных дви- гателей для использования газа в качестве топлива. К ним относятся:наличие системы зажигания, необходимой для принудительного воспламенения газо- воздушной смеси. В дизельных двигателях такая система отсутствует;существенно меньшие механические потери в бензиновых двигателях по сравнению с дизельными;более «простое» решение вопроса по оптимизации степени сжатия для достижения бездетонационной работы на газомоторных топливах.более низкий уровень внешнего шума автотранспортного средства (по Правилу ЕЭК ООН № 51 - 04), который достигается за счёт более «мягкого» рабочего процесса.Для разработки нового семейства газовых двигателей были выбраны две модификации бензиновых V-образных двигателей, отвечающих 4-му классу экологической безопасности (Евро-4) с распределённым впрыском топлива, а именно ЗИЛ-508400, ЗИЛ-509400. В каче- стве топливной аппаратуры применена система с распределённым впрыском газа и элек- тронным управлением топливоподачи серийно выпускаемой ООО «Газовая индустрия».Разработка двигателей велась по двум направлениям.К первому направлению относятся двигатели, имеющие вихревое движение заряда, для которых были разработаны: новые головки блока цилиндров с изменениями геометрии камер сгорания, которые поз- волили повысить степень сжатия до έ-9,8 единиц; впускной газопровод с оптимизацией положения инжекторов (форсунок) подачи газа с целью обеспечения равномерности подачи рабочей смеси по цилиндрам и уменьшения газодинамического сопротивления путём оптимизации расположения каждого из 8-ми инжекторов (форсунок), программное обеспечение для электронного блока топливоподачи, обеспечивающее устойчивую работу двигателя на всех эксплуатационных режимах с оптимизацией топ- ливно-экономических показателей, как для двигателя с рабочим объёмом Vh-6,0 л, так и для двигателя с рабочим объёмом Vh-7,0 л; комплект аппаратуры подачи газа фирмы ООО «Газовая индустрия», адаптированный для работы на природном газе (метане) и форсунками с оригинальными проставками для монтажа на впускном коллекторе, для обеспечения возможности оптимизировать процесс наполнения цилиндров двигателя рабочей смесью; специальное устройство, позволившее существенно сократить время доводки рабочего процесса при стендовых испытаниях двигателей с распределённым впрыском газа (на данное устройство подана заявка на получение патента).Второе направление разработок - базируется на применении тангенциальных головок блока цилиндров, что позволило повысить на 6-ми и 7-ми литровых газовых двигателях мощностные показатели на 12-14% в зависимости от режимов работы по сравнению с пер- вым направлением: новые головки блока цилиндров с изменениями геометрии камер сгорания, которые поз- волили повысить степень сжатия до έ-9,6 единиц впускной газопровод, отличающийся расположением инжекторов (форсунок) подачи газа от первого варианта; программное обеспечение для электронного блока топливоподачи, в котором была про- ведена коррекция алгоритма топливоподачи с целью увеличения расходных характери- стик топлива, вызванных увеличением эффективной мощности.К настоящему времени отработано 4 различных варианта, по которым полностью за- вершена конструкторская проработка и стендовые испытания со снятием технико- экономических и экологических характеристикСтендовые испытания двигателей проводились в газовой лаборатории отдела двигате- лей УКЭР АМО ЗИЛ на стенде фирмы «Шенк» W-230 с управляющей стойкой фирмы AVL и газоаналитическим комплексом фирмы «Хариба».Объекты испытаний:Двигатель ЗИЛ-508400 - заводской номер 168932 в комплектности брутто двигатель укомплектован:поршнями изд. Э130.1004015-А3;головки блока цилиндров изд. Э138-1003012-10 степенью сжатия έ-9,6 с тангенциальны- ми впускными каналами;с впускным газопроводом изд. штангами толкателей изд. Э138-1007в выхлопную систему двигателя установлен нейтрализатор производства ООО«РОСКАТ»Двигатель ЗИЛ-509400 - заводской номер 173741 в комплектности брутто, двигатель укомплектован:поршнями с плоским днищем изд. Э375.1004015-А3;головки блока цилиндров изд. Э138-1003012-10 степенью сжатия έ-9,6 с тангенциальны- ми впускными каналами;с впускным газопроводом изд.в выхлопную систему двигателя установлен нейтрализатор производства ООО«РОСКАТ».Двигатели ЗИЛ-508400 заводской номер №, 163426 и ЗИЛ-509400 заводской номер № 172558 также были использованы как основные платформы для сборки опытных образцов двигателей с тангенциальным движением заряда ЗИЛ-508501 и ЗИЛ-509501. На двигателях были установлены и применены вновь разработанные детали и изделия аналогично двигате- лям по п. 1 и 2, имеющие свои особенности конструкции.Характеристики перечисленных двигателей представлены в таблице № 1.Применение 2-х типов головок блока цилиндров с вихревым и тангенциальным движе- нием заряда позволило расширить модельный ряд двигателей и сделать более оптимальным их применение на различных автотранспортных средствах в зависимости от их предназначе- ния:двигатели, имеющие максимальные мощностные показатели (Ne-175-185 л.с) - для шасси, предназначенных под установку специальной дорожной и строительной тех- ники и автобусов малого и среднего классов;двигатели, имеющие минимальные мощностные показатели (Ne-140-160 л.с) - для шасси, предназначенных для установки техники для городского коммунального хо- зяйства и внутригородских грузоперевозок на среднетоннажных автомобилях с пол- ной массой до 12 тонн и имеющих пониженный уровень шума, что является актуаль- ным для применения в спальных районах крупных городов.Основные характеристики газовых двигателейТаблица 1Модель двигателяХарактеристикаЗИЛ- 508500ЗИЛ- 509500ЗИЛ-508501ЗИЛ- 509501СмесеобразованиеВихревое движение зарядаТангенциальное движение зарядаЧисло цилиндров8Расположение цилиндровV-образное, угол развала 90°Диаметр цилиндра, мм100108100108Ход поршня, мм95Рабочий объём, л.6,07,06,07,0Степень сжатия, ε9,89,6Номинальная мощность, кВт (л.с).117 (140)129 (170)125(160)132 (185)Максимальный крутящий момент Н·м(кГс·м)416,5(42,5)446 (45,5)436 (44,5)465,5 (46,5)Номинальная частота вращения, мин-13200Частота вращения при максимальном крутящем моменте мин-11800-2000Система топливоподачиРаспределённый впрыск газа(8 инжекторов во впускном коллекторе)Масса, кг430440430440Экологически классЕвро-5Стендовые испытания разработанных двигателей показали, что они могут быть реко- мендованы для применения на автотранспортных средствах различных классов в зависимо- сти от требований конкретных заказчиков.Одним из таких возможных вариантов автотранспортных средств может быть рассмот- рено шасси автомобиля ЗИЛ-432950, по которому была проведена конструкторская прора- ботка и предварительная компоновка расположения газового оборудования и бортовой платформы. Работы касались установок:газового двигателя ЗИЛ-509500 в подкапотном пространстве;шести баллонов ёмкостью 50 л. с их расположением вдоль лонжеронов автомобиля спра- ва и слева по 3 с каждой стороны; редуктора высокого давления с газовым фильтром и электромагнитным клапаном на мо- торном щите; электронного блока управления топливоподачей - в кабине с левой стороны от водителя под панелью приборов; нейтрализатора отработавших газов и глушителя внутри рамы автомобиля с левой сторо- ны по ходу движения; трассы газопроводов высокого давления от газовых баллонов к газовому фильтру и ре- дуктору высокого давления;заправочного устройства и предохранительных клапанов; элементов управления на панели приборов в кабине.На шасси автомобиля ЗИЛ-432950 применена новая кабина с пластмассовым оперени-ем. Отличительной особенностью представленного образца является современный дизайн, полученный за счёт нового оперения, изготовленного из современных пластических матери- алов. Данная разработка была выполнена коллективом специалистов Управления Конструк- торских и Экспериментальных Работ АМО ЗИЛ (УКЭР) в 2013-2014 годах. Макетный обра- зец автомобиля был изготовлен по разработанным пресс-формам. Была выпущена опытно- промышленная партия автомобилей с дизельным двигателем Д-245.9Е4 для проверки проч- ностных и аэродинамических характеристик нового оперения и автомобиля в целом.ВыводыВ Российской Федерации сложилась парадоксальная ситуация. Страна вышла в лидеры экспортёров природного газа. При этом в отечественном автопроме практически полностью отсутствует крупносерийное производство автотранспортных средств, на которых может быть использовано газомоторное топливо. Скромные объёмы выпуска грузовых автомобилей на КАМАЗе исчисляются тысячами шт. в год. Горьковский автозавод выпускает ограничен- ное количество автомобилей на газомоторном топливе, причём в основном это автомобили, работающие на сжиженном газе, (пропан-бутановая смесь). По нескольку сотен штук авто- бусов переоборудуются в год в различных городах России. Несколько сотен тысяч автомо- билей, находящихся в эксплуатации, были произведены на заводах автопрома в 70-80-е годы прошлого века. И в настоящее время наблюдается их постепенное выбытие из эксплуатации по причинам физическоко старенияПоэтому перспективы широкомасштабного применения газомоторных топлив в бли- жайшем будущим на автотранспортных находятся под большим вопросом. Представленное семейство газовых двигателей и одна из возможных версий автомобиля ЗИЛ-;432950 в газо- вом исполнении является попыткой обратить внимание специалистов и инвесторов к реше- нию данной проблемы

About the authors

A. P Latyshev

Moscow Joint-Stock Company "Likhachov Plant"

R. I Alibekov

Moscow Joint-Stock Company "Likhachov Plant"

P. V Klishin

Moscow Joint-Stock Company "Likhachov Plant"

V. V Shulgin

Moscow Joint-Stock Company "Likhachov Plant"

V. N Konoplev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: bcintermarket@yandex.ru
+7-903-968-15-19

V. D Sekerin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr.Sc., Prof.

References

Supplementary files