Badania symulacyjne układu sterowania pracą silnika zasilanego benzyną z dodatkiem wodoru

Transkrypt

1 GRABOWSKI Łukasz 1 MAGRYTA Paweł 2 SIADKOWSKA Ksenia 3 BIAŁY Michał 4 Badania symulacyjne układu sterowania pracą silnika zasilanego benzyną z dodatkiem wodoru WSTĘP W dzisiejszych czasach prowadzone są coraz intensywniejsze działania prawne i inżynierskie. Ich zasadniczym celem staje się zmniejszenie emisji związków szkodliwych zawartych w gazach spalinowych emitowanych przez jednostki napędowe pojazdów samochodowych. Poszukiwanie coraz bardziej wymyślnych sposobów alternatywnego zasilania silników spalinowych zmusza koncerny samochodowe do modyfikacji budowy jednostek napędowych. Aktualnie na wielu rynkach rozpowszechnione są układy gazowego zasilania LPG (ang. Liquefied Petroleum Gas). Ten rodzaj zasilania podyktowany jest głównie względem ekonomicznym eksploatacji samochodu osobowego. Jednak część koncernów kładzie duży nacisk na rozwój ekologicznego aspektu użytkowania samochodów, odkładając na dalszy plan względy ekonomiczne. W rezultacie podejście to często sprowadza się do stosowania wielu rodzajów paliw alternatywnych. Wśród tych materiałów pędnych wyróżnić można wodór w postaci gazowej. Ze względu na swój skład chemiczny jest to zeroemisyjny nośnik energii (wg. obecnych norm prawnych i przepisów homologacyjnych). Na rynku istnieje spora ilość użytkowych samochodów osobowych, które napędzane są paliwem wodorowym. Rozwój tej technologii związany jest przede wszystkim z rozpowszechnieniem stacji tankowania wodoru, a więc jego magazynowania i dystrybucji. Można prognozować, że dużo szybszy trend popularyzacji paliwa wodorowego przyniosłaby możliwość modyfikacji już istniejących układów zasilania silników spalinowych do zastosowania tego ekologicznego paliwa. Najprostszym sposobem byłyby modyfikacje tożsame do konwersji jednostki napędowej do zasilania LPG. Jednak należy zauważyć, że o ile dozowanie wodoru w postaci gazowej do silnika spalinowego o zapłonie iskrowym nie stanowi trudności, to aktualnie brakuje prac badawczych analizujących stany dynamiczne silnika tak zasilanego. W przedstawionym artykule podjęto próbę przeprowadzenia badań symulacyjnych w oparciu o wykorzystanie oprogramowania AVL BOOST RT, celem weryfikacji wpływu dynamicznej zmiany obciążenia silnika na przebieg średniego ciśnienia indykowanego dla paliwa oryginalnego z dodatkiem wodoru w stanie gazowym. 1. AVL BOOST RT W badaniach symulacyjnych posłużono się oprogramowaniem AVL BOOST RT. Oprogramowanie to dzięki swojej modułowej budowie interfejsu użytkownika jest zaawansowanym i w pełni zintegrowanym narzędziem do symulacji pracy silnika dla różnych stanów. Program ten jest wyposażony w bibliotekę zaawansowanych modeli, dzięki czemu dokładnie wyznacza niemalże wszystkie parametry stanu silników spalinowych. Badania symulacyjne z wykorzystaniem tego oprogramowania umożliwiają rozwój technologii silników spalinowych, jak również prowadzenie procesów optymalizacji emisji spalin, zmniejszenie zużycia paliwa, a także zwiększenie komfortu pasażerów podczas jazdy [6]. 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , l.grabowski@pollub.pl 2 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , p.magryta@pollub.pl 3 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , k.siadkowska@pollub.pl 4 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , m.bialy@pollub.pl 2121

2 AVL BOOST RT może służyć jako narzędzie do prowadzenia procesu symulacji pracy jednostki napędowej od etapu projektu koncepcyjnego, aż do etapu kalibracji sterownika ECU (ang. Electronic Control Unit). Modułowa budowa umożliwia analizę i symulację indywidualnych komponentów silnika, jak również całych systemów. Jest to jeden z pakietów z rodziny oprogramowania oferowanego przez firmę AVL. W dość łatwy sposób powiązać go można z modułem FIRE celem prowadzenia szczegółowych badań trójwymiarowych z zastosowaniem komputerowej mechaniki płynów CFD (ang. Computational Fluid Dynamics) [6]. Zastosowane oprogramowanie AVL BOOST RT dedykowane jest do prowadzenia symulacji pracy silników w stanach nieustalonych w czasie rzeczywistym. Program ten daje możliwość wykorzystania całego pakietu symulacji zachowań dynamicznych pojazdu, zużycia paliwa i emisji toksycznych składników spalin. AVL BOOST RT bazuje na trzech głównych obszarach różnych etapów powstawania i projektowania silnika: 1. Etap rozwoju koncepcji BOOST RT wspiera szybkie przygotowanie i symulację różnych stanów pracy silnika, w celu uzyskania wytycznych co do jego osiągów bez rozpatrywania wszystkich detali dotyczących dynamiki przepływu czynnika roboczego w przewodach dolotowych i wylotowych. 2. Etap projektowania układu napędowego model silnika z BOOST RT w pełni współpracuje ze szczegółowym modelem pojazdu (zbudowanym w oprogramowaniu CRUISE) symulując pracę dynamiczną obydwu obiektów (jednostki napędowej i pojazdu) z adekwatnym poziomem modelowania w odpowiednich okresach obliczeniowych [3]. 3. Etap testów komponentów układu napędowego i pojazdu BOOST RT wspomaga rozwijanie, kalibrację i testowanie funkcji sterownika silnika [6]. Trzeci etap został wykorzystany do realizacji badań symulacyjnych opisanych w niniejszym artykule. Ponadto BOOST RT zawiera dedykowane, podstawowe komponenty silnikowe zapewniające elastyczność w modelowaniu nowoczesnych jednostek. Komponenty te podzielone są na pięć głównych grup: strumień gazu: właściwości gazu, kolektor dolotowy, filtr powietrza, wymiana ciepła, silnik, komora robocza, kompresor, zbiornik paliwa, film paliwowy, turbina itd., otoczenie termiczne, otoczenie mechaniczne: wał, przełożenia, odbiór mocy, pojazd z modułu CRUISE, otoczenie sterujące: charakterystyki (mapy) wtrysku, kontroler PID (ang. Proportional-Integral- Derivative controller), plany tabel i zastępczych modeli, interfejs: C-Interfejs, Matlab DLL, Matlab API. 2. MODEL SILNIKA W celu zapewnienia jak najlepszego odzwierciedlenia rzeczywistych warunków obiektu symulowanego, w oparciu o dane producenta i pomiary silnika A14XER, sporządzono model w oprogramowaniu AVL BOOST RT [4]. Analizowaną jednostką napędową był czterocylindrowy silnik benzynowy montowany m.in. w samochodach Opel Corsa D. Pojemność skokowa cylindrów wynosi 1398 cm 3, silnik został fabrycznie wyposażony w wielopunktowy układ wtrysku benzyny oraz bezstopniową regulację faz rozrządu. Posiada również zmienną geometrię układu dolotowego. Silnik spełnia normę emisji spalin EURO 5. Podstawowe dane techniczne zestawiono w tabeli 1. Tab. 1. Dane techniczne silnika A14XER [5] Silnik 1.4 ecoflex Oznaczenie A14XER Typ benzynowy Liczba cylindrów 4 Pojemność 1398 cm 3 Moc/prędkość obrotowa 100 KM / 6000 obr/min Moment obrotowy/ prędkość obr. 130 Nm / 4000 obr/min Średnica cylindra 73,4 mm 2122

3 Skok tłoka, 82,6 mm Stopień sprężania, 10,5 Liczba zaworów 16 Układ rozrządu Bezstopniowa regulacja faz (DCVCP) Układ dolotowy Zmienna geometria Kontrola emisji spalin Reaktor katalityczny, liniowy EGR Norma emisji spalin Euro 5 Zastosowanie Opel Corsa D Zasadniczym celem opracowywanego modelu było odzwierciedlenie budowy silnika A14XER. Schemat architektury wykonany w AVL BOOST RT przedstawiono na rysunku 1. Zawiera on główne elementy silnika m.in. takie jak: przepustnica, filtr powietrza, cylindry, zawory dolotowe i wylotowe, tłumiki, zbiornik paliwa oraz połączenia mechaniczne i logiczne pomiędzy odpowiednimi modułami. Rys. 1. Schemat strukturalny modelu układu sterowania pracą silnika w oprogramowaniu AVL BOOST RT Opracowany model zawierał także moduły odpowiedzialne za prawidłowe obliczenie wymaganej dawki paliwa. Ilość i czas dostarczenia do kolektora dolotowego paliwa obliczano w kolejnych krokach symulacji, w sposób automatyczny z uwzględnieniem wcześniej opracowanej strategii sterowania. Zakładała ona dawkowanie w kolejnych krokach obliczeniowych tak, aby uzyskać tożsamy współczynnik nadmiaru powietrza w komorze spalania. 3. BADANIA SYMULACYJNE W celu określenia wpływu dodatku wodoru na jednostkę napędową zasilaną benzyną samochodową w stanach dynamicznych pracy silnika, należało przeprowadzić badania symulacyjne oparte o takie same obciążanie silnika dla różnych proporcji paliwa wodorowo-benzynowego (stała wartość dostarczanej energii). W tym celu opracowano charakterystykę zmiany kąta położenia 2123

4 przepustnicy, która odpowiadała dynamicznej zmianie obciążenia silnika. Charakterystykę tą przedstawiono na rysunku 2. Zakłada ona skokową zmianę kąta położenia przepustnicy w funkcji czasu. Czas symulacji określono na 20 sekund, gdzie w 10 sekundzie występuje dynamiczne zwiększenie kąta otwarcia przepustnicy, zaś w 15 sekundzie dynamiczne zmniejszenie kąta otwarcia przepustnicy. Proces otwierania i zamykania przelotu przebiega w krótkim, bliskim zera, czasie. Spowodowane było to odzwierciedleniem jak najbardziej dynamicznej zmiany kąta otwarcia przepustnicy. Zmiana kąta następuje dopiero w 10 sekundzie od rozpoczęcia symulacji ze względu na konieczność ustabilizowania się pracy silnika we wcześniejszym etapie. Jak wykazały wstępne badania symulacyjne, 10 sekund to czas w zupełności wystarczający do stabilizacji prędkości obrotowej wału korbowego. Rys. 2. Zmiana kąta otwarcia przepustnicy w funkcji czasu W celu odzwierciedlenia rzeczywistych warunków w następnym etapie badań, postanowiono przeprowadzić 7 odrębnych procesów symulacji, z których każdy odpowiadał innym składnikom paliwa. Analizowane paliwa zdefiniowane zostały w programie AVL BOOST RT jako paliwo oryginalne (benzyna bezołowiowa Pb95) oraz paliwo dodatkowe (wodór). W tabeli 2 zestawiono udziały masowe badanych paliw. Przyjęto wartości procentowe udziału paliw, które odpowiadały udziałom masowym. Tab. 2. Zestawienie udziałów masowych paliwa Udział masowy paliwa Benzyna Wodór 100% 0% 96% 4% 93% 7% 89% 11% 85% 15% 82% 18% 78% 22% Ponadto założono modele charakterystyczne dla obliczeń symulacyjnych w oprogramowaniu ALV BOOST RT takie jak: model spalania paliwa Vibe model, model oporów wewnętrznych silnika Patton, Nitsche, Heywood model, model wymiany ciepła w komorze spalania Woschni 1978 model, model wymiany ciepła dla zaworów dolotowych i wylotowych Zapf model, model filmu paliwowego. 4. WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH W wyniku przeprowadzonych badań symulacyjnych uzyskano przebieg średniego ciśnienia indykowanego w czasie trwania symulacji (rysunek 3). Ze względu na zmianę stosunku masowego składników paliwa zmianie uległa wartość średniego ciśnienia indykowanego. Na rysunku

5 przedstawiono przebiegi odpowiadające kolejnym przypadkom mieszanki paliwa benzyna-wodór (krzywa czerwona 100% benzyny, krzywa jasno-niebieska 22% paliwa wodorowego). Rys. 3. Przebieg wartości średniego ciśnienia indykowanego dla kolejnych udziałów mieszanki paliwowopowietrznej (wartość najniższa benzyna 100%, wartość najwyższa benzyna 78%, wodór 22%) Na rysunku 4 przedstawiono przebieg zmiany mocy efektywnej silnika w jednym wybranym punkcie czasowym symulacji, w funkcji udziału procentowego benzyny w mieszance paliwowej. Rys. 4. Przebieg zmiany wartości mocy efektywnej silnika w wybranym punkcie czasowym symulacji w funkcji udziału procentowego benzyny w mieszance paliwowej Natomiast w przypadku zmian dynamicznych w pracy silnika wytworzonych poprzez nagłą zmianę kąta otwarcia przepustnicy, dodatek paliwa wodorowego powoduje niewielkie zwiększenie czasu niezbędnego do ustalenia się wartości ciśnienia w komorze spalania (na stałym poziomie). Uwidocznione jest to na rysunku 5 moment stabilizacji wartości średniego ciśnienia indykowanego po dynamicznym procesie zamknięcia przepustnicy. Jak wynika z przedstawionego rysunku czas stabilizacji jest większy o ok. 10% w przypadku zastosowania mieszaniny benzyna 78% - wodór 22%, niż w przypadku zasilania silnika 100% benzyną. 2125

6 Rys. 5. Przebieg zmiany wartości średniego ciśnienia indykowanego dla kolejnych udziałów mieszaniny paliwowo-powietrznej (wartość najniższa benzyna 100%, wartość najwyższa benzyna 78%, wodór 22%) WNIOSKI W wyniki przeprowadzonych badań symulacyjnych stwierdzono, że zwiększenie udziału wodoru w paliwie dozowanym do kolektora dolotowego skutkuje wzrostem wartości średniego ciśnienia indykowanego w komorze spalania. Spowodowane jest to faktem zmiany składu chemicznego paliwa. Tendencja ta pokrywa się również ze wzrostem mocy efektywnej silnika w przypadku zwiększenia dodatku paliwa wodorowego do silnika. Opracowane założenia modelu matematycznego algorytmu sterowania, zastosowane w badaniach symulacyjnych, mogą posłużyć do identyfikacji wpływu dodatku paliwa wodorowego na pracę silnika spalinowego, w przypadku dynamicznych zmian obciążania. Jednak w celu opracowania modelu najbardziej odzwierciedlającego rzeczywiste zmiany wywołane dodaniem wodoru do paliwa należy wyznaczyć (dokonać identyfikacji stanowiskowej) następujące podmodele: napełniania [1], tworzenia mieszanki, spalania, układu sterowania. Dodatkowo należy uwzględnić pozostałe dane wejściowe do modelu, które wymagają przeprowadzenia analizy materiałowej, geometrycznej i konstrukcyjnej badanego silnika oraz materiałów pędnych [4]. Dopiero wówczas przeprowadzona w oparciu o badania symulacyjne synteza systemu sterowania powinna doprowadzić do doboru struktury oraz parametrów optymalnych regulatora. Odnosząc to do regulatora wtrysku gazu, który powinien być zamontowany w silniku należy zwrócić szczególną uwagę na kalibrację algorytmów sterowania pracą silnika w stanach nieustalonych oraz wyznaczyć: optymalny model opisu silnika z punktu widzenia prawidłowości szacowania wymaganej masy wtryskiwanego paliwa w stanach zarówno ustalonych jak i nieustalonych, optymalne (zapewniające minimalną średnią odchyłkę składu mieszanki od wartości zadanej) parametry regulatora PID, optymalną strukturę (liczbę historycznych wejść i wyjść modelu obiektu) oraz optymalną szybkość adaptacji dla pojedynczego regulatora adaptacyjnego, optymalne parametry nastaw regulatora. 2126

7 Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań symulacyjnych wpływu dodatku wodoru do jednostki napędowej zasilanej benzyną samochodową na przebieg wartości średniego ciśnienia indykowanego w stanach dynamicznych pracy silnika. Stany te określono poprzez skokową zmianę obciążenia wywołaną zmianą kąta położenia przepustnicy. Badania wykonano w programie AVL Boost RT, służącym do analizy jednowymiarowej zjawisk dynamicznych występujących w silnikach tłokowych. Badania wykonano dla 7 różnych proporcji benzyny i wodoru w paliwie. Obiektem badań był model czterosuwowego, czterocylindrowego silnika o zapłonie iskrowym A14XER. Jest to silnik o pojemności skokowej 1398 cm 3 montowany m.in. w samochodach marki Opel Corsa. Silnik wyposażony jest w wielopunktowy układ wtryskowy benzyny oraz bezstopniową regulację faz rozrządu, posiada on również zmienną geometrię układu dolotowego. Silnik spełnia normę emisji spalin EURO 5.W przeprowadzonych badaniach symulacyjnych wykazano niewielki wpływ zmiany składu paliwa na wartość średniego ciśnienia indykowanego w stanach dynamicznych obciążenia silnika. The control system simulation study of the engine powered by gasoline with the addition of hydrogen Abstract The article presents the results of the simulation effect of the addition of hydrogen to gasoline fuel on the course of mean indicated pressure during transient performance of the engine. These conditions are determined by a step change in load realized by change in the angle of the throttle position. The study was performed in the AVL Boost RT for analyzing one-dimensional dynamic phenomena occurring in piston engines. The study was performed for 7 different proportions of gasoline and hydrogen in the fuel. Object of the study was a model of four-stroke, four-cylinder spark ignition engine A14XER. This is an engine with a displacement of 1398 cm 3 mounted in Opel Corsa car. The engine is equipped with a multi-point fuel injection system and infinitely variable valve timing, it also has a variable geometry intake system. The engine meets the emission standard EURO 5. In the simulation studies that were determined it was demonstrated that changes in fuel composition have little effect the average pressure during the dynamic states of engine load. BIBLIOGRAFIA 1. Drew A. N., Timoney D. J., Smith W. J., A simulation and design tool for hydrogen SI engine systems Validation of the intake hydrogen flow model. International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) Jie M., Yongkang S., Yucheng Z., Zhongli Z., Simulation and prediction on the performance of a vehicle s hydrogen engine. International Journal of Hydrogen Energy 28 (2003) Regner G., Loibner E., Krammer J., Walter L., Truemner R., Analysis of transient drive cycles using CRUISE-BOOST Co-Simulation Techniques. SAE Technical Papers, Detroit Wurzenberger J. C., Bartsch P., Katrašnik T., Crank-angle resolved real-time capable engine and vehicle simulation - Fuel consumption and driving performance. SAE Technical Papers, Detroit