В. А. Рыжов, к.т.н.; В. В. Калиниченко, к.т.н.; В. Р. Исянов – ОАО «Коломенский завод»

Растущие потребности энергетики и транспорта в дешевом и экологически чистом топливе, необходимость более эффективного использования природных ресурсов побуждают искать альтернативные виды топлива. Среди них особое место занимают газообразные моторные топлива – сжиженный нефтяной и сжатый природный газ, а также в перспективе сжиженный природный газ. В настоящее время работы по применению альтернативных моторных топлив, как газообразных, так и жидких, ведутся во многих странах мира – в США, Японии, Италии, Австралии и др.

Проблема замены жидких нефтяных топлив альтернативными, по причине сокращения мировых запасов нефти, становится все более актуальной. Наряду с уменьшением запасов нефти наблюдается тенденция удорожания нефтяного топлива, что обусловлено увеличением спроса, а также затрат на переработку и добычу нефти.
Реальным альтернативным топливом, которое все шире используется в поршневых двигателях, является природный газ. Его можно отнести к высококачественным моторным топливам, обладающим высокой теплотворной способностью и хорошими антидетонационными свойствами. Кроме того, его применение экономически выгодно, поскольку отпускная цена природного газа значительно ниже стоимости дизельного топлива.
Использование газа в поршневых двигателях позволяет сжигать гомогенные рабочие смеси, а в связи с их более высокой детонационной стойкостью возможно сохранение относительно высоких степеней сжатия. Ресурс и надежность двигателей при работе на газе можно повысить на 30-50% относительно дизельного цикла, что обусловлено низким содержанием твердых частиц в продуктах сгорания. Срок службы масла в газодизельном двигателе в 1,5-2 раза выше, чем в дизельном. Кроме того, снижается уровень эмиссии вредных веществ в отработавших газах при одновременном уменьшении дымности в 2-4 раза.
При использовании газового топлива в поршневых двигателях возможны два способа обеспечения воспламенения газа в камере сгорания:
•    искровое зажигание газовоздушной смеси, образованной вне цилиндра (внешнее) или в цилиндре двигателя (внутреннее). Такие двигатели называют газомоторами.
•    воспламенение газовоздушной смеси (как внешнего, так и внутреннего смесеобразования) запальной дозой жидкого топлива – газодизели.
Предпочтение при этом следует отдать газодизелю, как более универсальному, поскольку при переводе в газодизельный цикл сохраняется мощность двигателя, который может работать и как дизель, и как газодизель. Более высокие степени сжатия обеспечивают лучший КПД цикла, а запальная доза, являясь мощным источником воспламенения, позволяет работать на обедненных смесях, что способствует снижению эмиссии вредных веществ. Уровень эмиссии NOx в основном определяется количеством впрыскиваемого жидкого топлива. Применение газодизельного цикла предполагает экономию дизельного топлива до 75-80 %.
Основным типом дизелей, разработанных и выпускаемых в настоящее время ОАО «Коломенский завод», являются современные четырехтактные дизели с турбонаддувом Д49 (ЧН26/26). Мощностной ряд дизелей данного типа охватывает диапазон от 500 до 4400 кВт при частоте вращения 750…1100 об/мин. По основным параметрам: ресурсу, расходу топлива и масла, экологическим показателям – дизели Д49 не уступают зарубежным аналогам, а по некоторым параметрам и превосходят их.
В результате проведения ряда НИОКР еще в 1988 году на Коломенском заводе был разработан новый способ управления многотопливным двигателем. Он позволяет значительно улучшить динамические свойства двигателя, расширить область бездетонационной работы и, таким образом, снизить требования к качеству используемого газа [1].
Схема системы питания двигателя представлена на рис. 1 (с целью упрощения показан один цилиндр). Система питания состоит из двух контуров. Первый контур – подача жидкого топлива – представляет собой штатную систему питания дизелей этой серии, а установленный на двигателе электронный регулятор частоты вращения и мощности позволяет оптимизировать запальную дозу топлива при работе двигателя в газодизельном цикле на любом режиме. Второй контур – подача газа – обеспечивает мощность двигателя посредством регулирования длительности открытия электромагнитных клапанов (ЭМК), получающих сигналы от электронной системы управления (ЭСУ). Подача газа осуществляется по окончании продувки на такте всасывания. Газ подводится непосредственно к впускным клапанам в поток воздуха, идущий в цилиндр. Двигатель может работать как в дизельном, так и в газодизельном цикле. Конвертация производится автоматически при любой частоте вращения и мощности (начиная от 15 % мощности).
Электронное управление и электромагнитный привод газовых клапанов с дозированной подачей газа непосредственно в цилиндр обеспечивают универсальные характеристики системы, гибкую настройку и коррекцию основных параметров питания двигателя газом и жидким топливом. Оборудование также создает возможность оптимизации этих параметров во всем поле рабочих режимов двигателя.
Система универсальна, компактна, газовый контур не имеет механических управляющих связей между контуром газового топлива и двигателем, поэтому организация газодизельного цикла не требует серьезных изменений базовой модели двигателя. Дозированная подача газа позволяет сохранить продувку цилиндров, не влияя на мощностные и экологические показатели двигателя. ЭСУ обеспечивает автоматический переход с дизельного цикла на газодизельный и обратно без снижения мощности и частоты вращения – переход осуществляется на любом режиме, в диапазоне мощности двигателя от 15 до 100 %.
Электронная система управления выполнена Г на базе микро-ЭВМ и включает в себя ряд согласованных блоков: терминал, блок питания, блок сопряжения и блок силовых ключей, имеет согласующие входы и выходы, связанные с автоматикой потребителя. Параметры двигателя контролируются комплектом датчиков, подключенных к входу ЭВМ через блок-формирователь сигналов. При этом фиксируются фазовое положение и частота вращения коленчатого вала, фазовое положение распределительного вала, температура и давление в цилиндре, состав выхлопных газов, мощность двигателя и т.д.
Управление подачей газа осуществляется электромагнитными клапанами [2, 3]. Клапаны соединены с выходом ЭВМ через устройство сопряжения, представляющее собой формирователь командных сигналов. При поступлении команды с пульта управления на блок автоматики потребителя и сигналов на входе управляющей ЭВМ на ее выходах, соединенных с ЭМК, вырабатываются сигналы, обеспечивающие требуемую длительность открытия клапана.
Необходимое быстродействие достигается оптимизацией параметров электромагнита, а также формы электрического управляющего импульса. Ресурс электромагнитных клапанов обеспечивается применением специальной технологии и материалов для изготовления быстродействующих магнитов.
Электронное управление обеспечивает гибкую настройку и управление элементами системы, оптимизацию и согласование параметров подачи топлива, в том числе индивидуальную коррекцию параметров питания по каждому цилиндру. При дозированной подаче газа непосредственно в цилиндры значительно повышается безопасность двигателя, а также обеспечивается более высокое форсирование рабочего процесса двигателя.
Испытания макетного образца системы на опытном двигателе показали высокую эффективность системы и позволили сформулировать основные направления создания газодизельных двигателей.
В 2000 году предприятием освоен выпуск блочно-транспортабельной электростанции на базе газодизелей 8и 12-цилиндрового исполнения. Подача газа в них осуществляется перед компрессором, реализован также другой способ управления двигателем [4]. Функциональная схема системы питания указанных двигателей представлена на рис. 2.
Применение такой схемы смесеобразования исключает возможность продувки цилиндров, поэтому при конвертации двигателя исходную мощность необходимо снижать на 10 20 %. В данной схеме продувка цилиндров отсутствует, так как это связано с потерей газового топлива, что в свою очередь снижает КПД двигателя, а также его экономические показатели. Регулирование мощности осуществляется путем изменения подачи газового топлива, проходящего через электромагнитный вентиль (ЭМВ), который получает сигналы от ЭСУ. При этом подача жидкого топлива приближается к заданной величине запальной дозы, обеспечивая стабильное воспламенение газовоздушной смеси.
Переходные процессы осуществляются за счет увеличения цикловой подачи жидкого топлива, что гарантирует такую же приемистость, как и у дизельных аналогов.
Положительным фактором является простота системы и минимальные затраты на ее переоборудование, а отрицательным – невозможность обеспечить высокое форсирование и повышенный расход жидкого топлива.
Газодизельные электростанции (напряжение 0,4 и 6,3 кВ), созданные на базе ГД49 с применением данной системы подачи газа и системы утилизации тепла, обеспечивают суммарный КПД более 85 %. Они эксплуатируются с 1996 года в районах Сибири и Крайнего Севера, вблизи нефтегазовых месторождений, наработка двигателей составляет около 50 тыс. часов.
Повышенный интерес к энергоисточникам такого типа проявляют не только в отдаленных регионах, но и на предприятиях, расположенных в центральных районах с развитой инфраструктурой. Это обусловлено, прежде всего, высокими тарифами на электрическую и тепловую энергию, высокой стоимостью подключения к энергосетям, а также возможностью использования дешевого местного топлива.
Решение проблемы многотопливности позволяет обеспечить бесперебойную работу двигателей в условиях дефицита того или иного вида топлива. Возможность применения газообразных видов топлива повышает перспективу использования попутных газов, полученных в результате добычи нефти, а также биогаза. Благодаря этому обстоятельству газ рассматривается как неисчерпаемый и возобновляемый источник энергии.
Положительные результаты доводочных испытаний дизеля Д49 при использовании сырой нефти в качестве основного топлива позволили начать опытную эксплуатацию двигателя 12ЧН26/26. Общая принципиальная компоновка двигателя при этом осталась прежней, однако в конструкцию базовых узлов и технологию их изготовления были внесены существенные изменения.
В дальнейшем предполагается переоборудовать их для работы в нефтегазовом цикле, что выгодно и по экономическим, и по экологическим соображениям. Таким образом, применение многотопливных двигателей Д49 производства Коломенского завода обеспечивает растущие потребности энергетики и транспорта в дешевом и экологически чистом моторном топливе. Это реальный вклад в более эффективное и рациональное использование природных ресурсов на газовых и нефтяных промыслах с выполнением экологических требований.

Использованные источники:
1.    Рыжов В.А., Никитин Е.А., Ширяев В.М. и др. ДВС, работающий по газожидкостному циклу. А.С. (СССР) №1758262, Б.И, №33. 1990 г.
2.    Рыжов В.А., Крупский М.Г., Кузин В.Е Устройство для подачи газа в ДВС. А.С. (СССР) №1590602, Б.И. №33. 1990 г.
3.    Рыжов В.А., Лебедев А.Ю. Устройство подачи газа для двигателя внутреннего сгорания. Патент РФ №1724916, Б.И №13. 1992 г.
4.    Давыдов В.Б., Коротких Н.Н., Серегин В.Н., Улановский Э.А. RU №2076225 С1, Б.И. №9. 1997 г.