Some problems of controlling the cars diesel engine powered dual fuel

Transkrypt

1 Zdzisław STELMASIAK Jerzy LARISCH Dariusz PIETRAS Some problems of controlling the cars diesel engine powered dual fuel The paper presents issues of quality charge control in automotive diesel engine powered dual fuel. The basic premise of the engine adaptation was the addition of small quantities of natural gas leads to a reduction smoke exhaust. Under this assumption, the basic fuel remained diesel, which accounted,7-,8 share of the total energy supplied to the engine. In this study of dual fuel engine used original controller of the Fiat 1.3 MJT that controlled dose of diesel fuel. The dose of gas was adjusted by gas injector opening time at a constant pressure in the gas manifold. In paper analyzed the basic parameters affecting on quality of charge such as: injector opening time impact on energy share of gas, diesel division dose, injection timing of part dose and air flow. The study showed a negative split division of diesel fuel and injection timing of part doses from the point of view of the requirements for dual fuel engine. Increasing the gas additive leads to a reduction in air flow controlled by the original engine control unit. This reduces the excess air ratio and deterioration of the burning diesel fuel. The analyzes show that, with adaptations small car engines to dual fuel fuelling, should be used a special charge quality control algorithms and controller units adapted to this type of fuelling. Keywords: dual fuel engine, compressed natural gas, engine controlling, smoke, work parameters, toxicity Niektóre problemy sterowania samochodowego silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego dwupaliwowo W pracy przedstawiono zagadnienia sterowania jakością ładunku w samochodowym silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym dwupaliwowo. Głównym założeniem adaptacji silnika był dodatek niewielkiej ilości gazu ziemnego prowadzący do zmniejszenia zadymienia spalin. Przy takim założeniu podstawowym paliwem pozostawał olej napędowy, którego udział stanowił,7-,8 całkowitej energii dostarczanej do silnika. W prowadzonych badaniach silnika dwupaliwowego stosowano oryginalny sterownik silnika Fiat 1.3 MJT sterujący dawką oleju napędowego. Wielkość dawki gazu regulowano czasem otwarcia wtryskiwaczy gazu przy stałym ciśnieniu w kolektorze gazowym. Analizowano podstawowe parametry wpływające na jakość ładunku takie jak, wpływ czasu otwarcia wtryskiwaczy na udział energetyczny gazu, podział dawki oleju napędowego, kąty początku wtrysku dawek częściowych, wydatek powietrza. Przeprowadzone badania pokazały niekorzystny podział dawki oleju napędowego i kątów początku wtrysku z punktu widzenia wymagań dla silnika dwupaliwowego. Dodatkowo zwiększanie dodatku gazu prowadzi do zmniejszenia wydatku powietrza sterowanego przez oryginalny sterownik silnika. Wpływa to na zmniejszenie współczynnika nadmiaru powietrza i pogorszenie warunków spalania oleju napędowego. Przeprowadzone analizy wskazują, że przy adaptacjach małych silników samochodowych do zasilania dwupaliwowego należy stosować specjalne algorytmy sterowania jakością ładunku i sterowniki przystosowane do tego typu zasilania. Słowa kluczowe: silnik dwupaliwowy, gaz ziemny sprężony, sterowanie silnika, zadymienie spalin, parametry użytkowe, toksyczność 1. Wstęp W dwupaliwowych silnikach o zapłonie samoczynnym proces spalania inicjowany jest przez samozapłon niewielkiej dawki paliwa ciekłego. W większości adaptacji stosuje się stałą wielkość dawki inicjującej niezależnie od obciążenia silnika [1, 4,, 7, 8, 16, 17]. Dąży się przy tym do minimalizacji wielkości dawki inicjującej co z uwagi na znaczne różnice cen paliwa ciekłego i gazu prowadzi do zmniejszenia kosztów eksploatacji silników. W silnikach dwupaliwowych istotnym zagadnieniem jest utrzymanie jakości ładunku, gwarantujące pewny zapłon mieszaniny gaz-powietrze i prawidłowy przebieg jej spalania. Na jakość ładunku wpływa wielkość dawki inicjującej i skład mieszaniny gaz-powietrze. Przy stałej dawce inicjującej zmniejszanie obciążenia silnika

2 odbywa się przez zmniejszanie ilości gazu. Powoduje to zubożanie mieszaniny gaz-powietrze prowadzące do pogarszania szybkości jej spalania, co prowadzi do zmniejszenia sprawności ogólnej silnika i wzrostu emisji tlenku węgla i niespalonych węglowodorów [7, 9, 11, 16]. Przy skrajnym zubożeniu mieszaniny gazowej może dochodzić do wypadania zapłonów co wpływa na pogorszenie równomierności pracy silnika [2, 3, 6, 8, 16]. Czynniki te powodowały, że większość adaptacji dotyczyła silników stacjonarnych pracujących przy maksymalnych obciążeniach i stałej prędkości obrotowej, w których utrzymanie prawidłowej jakości ładunku było stosunkowo łatwe. W silnikach trakcyjnych pracujących przy zmiennych prędkościach obrotowych i obciążeniu utrzymanie prawidłowej jakości ładunku jest szczególnie utrudnione. Problemy te nasilają się w stanach nieustalonych, w których zmiany obciążenia i prędkości obrotowej silnika następują bardzo szybko. Z tego powodu w adaptacjach silników trakcyjnych średniej wielkości stosuje się najczęściej zapłon iskrowy [2, 3, 7]. Wymaga to jednak znacznych przeróbek silnika, powoduje zmniejszenie jego sprawności a ponadto silnik może być zasilany jedynie gazem, co w okresie przejściowego wprowadzania gazu i niedostatecznej ilości stacji tankowania gazu jest niekorzystne [8, 17]. Mimo omówionych problemów w ostatnich latach obserwuje się renesans zasilania dwupaliwowego w tym segmencie silników, co powodowane jest elektronicznym sterowaniem silnika ułatwiającym znacznie regulację silnika dwupaliwowego. Dodatkowe utrudnienia stwarza podział dawki oleju napędowego w silnikach z zasobnikowym układem wtrysku typu Common Rail. W silniku dwupaliwowym zapłon mieszaniny gazowej następuje od pierwszej dawki paliwa ciekłego, może to być dawka lub. Późniejsze dawki wtryskiwane są w czasie spalania mieszaniny gazowej. Zbyt wczesne kąty wyprzedzenia dawek inicjujących, co ma miejsce przy podziale dawki paliwa ciekłego, wpływają niekorzystnie na spalanie mieszaniny gazowej. Z kolei zbyt późne wtryski dużej ilości paliwa ciekłego podczas zaawansowanego spalania mieszaniny gazowej wpływają na pogorszenie warunków spalania paliwa ciekłego. Zagadnieniom tym poświecona jest niniejsza praca. 2. Stanowisko badawcze. W badaniach wykorzystywano silnik o zapłonie samoczynnym FIAT 1.3 MJT, 4-cylindrowy o pojemności skokowej 1248 cm 3. Bezpośredni wtrysk paliwa realizowany jest poprzez zasobnikowy układ typu Common Rail drugiej generacji, z systemem wielokrotnego wtrysku tzw. Multi Jet. Silnik został przystosowany do zasilania dwupaliwowego w Katedrze Silników Spalinowych i Pojazdów ATH w Bielsku-Białej. Dane techniczne silnika przedstawiono w tabeli 1. Table 1. Technical specification of Fiat 1.3 MJT engine [22] Tabela 1. Dane techniczne silnika Fiat 1.3 MJT Engine type/typ silnika Bore x stroke/średnica x skok 1.3 MJT 69.6 x 82 mm Displacement/pojemność skokowa 1248 cm 3 Number of cylinder/liczba cylindrów 4 Cylinder arrangement/układ cylindrów straight Compression ratio/stopień sprężania 18 Maximum power/moc maksymalna Maximum torque/moment maksymalny Injection system/układ wtryskowy 1 kw przy 4 rpm 18 Nm przy 17 rpm Common Rail Number of valve per cylinder/liczba zaworów 4 Timing system/typ rozrządu Exhaust gas recirculation/system recyrkulacji DOHC EGR valve Do adaptacji silnika wykorzystano zestaw sekwencyjnego wtrysku gazu Oscar-N Diesel SAS firmy EuropeGAS [18, 21, 23]. Umożliwia on współpracę z każdym rodzajem silnika o zapłonie samoczynnym niezależnie od ilości cylindrów, ich układu, sposobu doprowadzania powietrza czy systemu wtrysku paliwa. Adaptacja silnika sprowadzała się do wykonania prototypowego kolektora dolotowego, w którym zamontowano wtryskiwacze gazu, szynę gazową oraz przewody gazowe łączące wtryskiwacze gazu z kanałami zaworów dolotowych na poszczególnych cylindrach oraz kalibrowane dysze gazowe na zakończeniu przewodów. Prototypowy kolektor i stanowisko badawcze silnika przedstawiono na rys. 1.

3 Fig. 1. Intake manifold and test stand of Fiat 1.3 MJT engine: a) intake manifold, b) test stand Rys. 1. Kolektor dolotowy i stanowisko badawcze silnika Fiat 1.3 MJT: a) kolektor dolotowy, b) stanowisko badawcze Sterowanie silnika dwupaliwowego odbywa się przez fabryczny sterownik typ wpisać typ firmy Bosch. Przy dodawaniu gazu sterownik automatycznie zmniejsza dawkę oleju napędowego aby utrzymać wymagany moment obrotowy silnika. Przy znaczących zmianach jednostkowej dawki oleju zmniejszany jest również wydatek powietrza. 3. Analiza wyników badań 3.1. Sterowanie wydatku gazu zasilającego silnik Wydatek gazu podawanego do silnika zależny jest od czasu otwarcia wtryskiwaczy gazu i ciśnienia w kolektorze gazowym. Z reguły reduktor wysokiego ciśnienia zmniejsza ciśnienie gazu do wartości,1 1, MPa i najczęściej jest ono utrzymywane na stałym poziomie. Wydatek wtryskiwacza gazu liniowo zależy wtedy od czasu jego otwarcia co ułatwia sterowanie składem mieszaniny gaz-powietrze. Istnieją jednak reduktory, w których ciśnienie wyjściowe może być zmieniane elektronicznie. Ułatwia to dobór czasu otwierania wtryskiwacza, a tym samym kąta obrotu wału korbowego, przy którym zawór jest otwarty. Zagadnienie to jest szczególnie istotne w małych silnikach samochodowych, pracujących z dużymi prędkościami obrotowymi, oraz przy dużych dawkach jednostkowych gazu. W warunkach tych duże czasy otwarcia wtryskiwaczy mogą powodować, że początek podawania gazu rozpoczyna się podczas otwartego zaworu wylotowego, co sprzyja ucieczce części ładunku do układu wylotowego. W warunkach tych obserwuje się zmniejszenie sprawności ogólnej silnika dwupaliwowego i wzrost emisji węglowodorów. Z tego powodu należy tak dobierać czas otwierania wtryskiwacza aby wtrysk gazu do kolektora odbywał się dopiero po zamknięciu zaworu wylotowego. Zwiększanie ciśnienia gazu zasilającego wtryskiwacze ułatwia dobór tego czasu. Na rysunku 2a i 2b pokazano zmiany udziału energetycznego gazu w zależności od czasu otwarcia wtryskiwacza i obciążenia silnika. Przy stałym ciśnieniu zasilania 1 bar przy czasie otwarcia 8 ms uzyskano udział energetyczny gazu 6% dla obciążenia silnika 8 Nm i 24,9% dla obciążenia 12 Nm. Czas otwarcia 8 ms przy prędkości obrotowej 2 obr/min odpowiada kątowi obrotu wału korbowego ok. 12 o OWK. Jest to czas akceptowalny jeszcze dla tej prędkości obrotowej, ale niemożliwy do zastosowania przy prędkości 4 obr/min bowiem wtryskiwacz gazowy byłby wtedy otwarty przez ok. 192 o OWK. Wskazuje to na konieczność zwiększenia ciśnienia zasilania lub zastosowanie wtryskiwacza o większym wydatku. Dokonane podczas tej serii badań pomiary stężeń składników spalin wskazują, że w miarę zwiększania dodatku gazu stężenia tlenku węgla CO i sumarycznych węglowodorów THC w spalinach wzrastają. Jest to zjawisko często spotykane w zasilaniu dwupaliwowym związane z nadmiernym zubożeniem mieszaniny gazpowietrze, występującym zawsze przy podawaniu gazu do kolektora dolotowego i udziałach mniejszych od % całkowitej dawki energii podawanej do silnika [, 14, 2]. Stężenia tlenków azotu NO x maleją w miarę zwiększania udziału gazu w ładunku. Związane jest to z mniejszą temperaturą czynnika za frontem płomienia w mieszaninie gazowej bowiem szybkość spalania mieszaniny gazowej jest mniejsza od szybkości spalania oleju napędowego. Ponadto spalanie gazu odbywa się w mieszaninie o dużym współczynniku nadmiaru powietrza w stosunki do strugi paliwa ciekłego. Warunki spalania gazu determinują zatem temperatury czynnika w strefach spalania przyczyniając się do zmniejszenia ilości tworzonego NO, głównego składnika NO x, tym większego im wyższy jest współczynnik nadmiaru

4 U g [%] U g [%] CO, THC, NOx [ppm] CO, THC, Nox [ppm] Ug [%] Ug [%] powietrza i większy udział gazu w ładunku [4, 12, 16]. Zmniejszenie emisji NO x może być poza spodziewanym zmniejszeniem zadymienia dodatkową korzyścią przemawiającą za stosowaniem gazu w małych samochodowych silnikach o zapłonie samoczynnym. 6, 6, 2 obr/min Mo = 8 Nm Pg = 1 bar, 43,9 4, 34,1 38,4 28,7 3, 2, 14,7 1, 6, 3,, 1,1, 1 2 2, t [ms] c) d) 3, 3, 2, 2, 1, 1,,, 2 obr/min Mo = 12 Nm Pg = 1 bar 3, 22,4 24,9 2,1 17,2 14,1 9,6 3,2,, t [ms] obr/min Mo = 8 Nm Pg = 1 bar HC ppm NOX ppm CO ppm obr/min Mo = 12 Nm Pg = 1 bar THC ppm NOx ppm CO ppm , t [ms] t [ms] Fig. 2. Changes the gas energy share and the concentration toxic components of exhaust gases depending on gas injectors opening time for different engine load: fixed gas supply pressure 1 bar Rys. 2. Zmiany udziału energetycznego gazu w ładunku i stężenia toksycznych składników spalin w zależności od czasu otwarcia wtryskiwaczy gazu dla różnych obciążeń silnika: stałe ciśnienie zasilania gazem 1 bar Przy stałych czasach otwarcia wtryskiwaczy udział energetyczny gazu wzrasta wraz ze zmniejszaniem obciążenia silnika, rys. 3. Wynika to z faktu, że wydatek gazu przy stałej prędkości obrotowej jest w przybliżeniu stały, jedynie nieznacznie zależy od obciążenia silnika, natomiast dawka oleju napędowego maleje wraz ze zmniejszaniem obciążenia silnika. Powoduje to wzrost udziału gazu w całkowitej dawce energii dostarczanej do silnika. a) rpm red - 2, ms green - 1, ms blue - 1, ms b) rpm M o [Nm] M o [Nm] Fig. 3. Changes of gas energy share depending on engine load by fuelling with diesel oil and dual fuel for different engine speeds and different gas injectors opening times: fixed gas supply pressure 4, bar Rys. 3. Zmiany udziału energetycznego gazu w zależności od obciążenia silnika zasilanego olejem napędowym i dwupaliwowo dla różnych prędkości obrotowych i różnych czasów otwarcia wtryskiwaczy gazu: stałe ciśnienie zasilania gazem 1 bar

5 Share of dose [%] Share of dose [%] Part dose [mg/cycle] Part dose [mm3/cycle] 3.2. Podział dawki jednostkowej oleju napędowego Sterownik silnika umożliwia podział dawki oleju napędowego na pięć dawek częściowych, przy czym dwie pierwsze i są dawkami inicjującymi proces spalania [1]. Zasadnicza część paliwa ciekłego wtryskiwana jest w postaci dawek głównych i After. Ostatnia dawka Post ma za zadanie przyspieszyć dopalanie ładunku i zmniejszyć emisję cząstek stałych. Udziały masowe dawek częściowych i kąty początku ich wtrysku zależne są od prędkości obrotowej i obciążenia silnika. Wartości dawek i kątów wtrysku, optymalizowane dla zasilania olejem napędowym są zakodowane w postaci tablic w pamięci sterownika. Są one zależne od wielu sygnałów związanych między innymi z parametrami zasilania, stanu cieplnego silnika, parametrami turbosprężarki i ciśnienia ładowania, spalin recyrkulowanych. Niektóre z sygnałów mają ograniczenia brzegowe, a ich przekroczenie powoduje przełączenia pracy silnika w stan awaryjny co związane jest ze znacznym obniżeniem przez sterownik obciążenia silnika. Ponowna praca silnika w normalnym trybie jest możliwa dopiero po usunięciu sygnałów błędów [22]. Dodatek gazu do silnika nie powoduje istotnych zmian w podziale dawki oleju napędowego co widać z porównania przedstawionego na rys. 4. W całym zakresie obciążeń silnika pracującego z prędkością obrotową 2 obr/min dawka oleju napędowego dzielona jest na dwie dawki częściowe i. Wielkość dawki inicjującej wyrażona w [mm 3 /cykl] jest stała, a zmiana rozwijanego momentu obrotowego realizowana jest przez zmianę wielkości dawki. Wartości jednostkowych dawek odpowiadających tym samym obciążeniom są dla zasilania dwupaliwowego mniejsze stosownie do udziału energetycznego gazu, rys. 4b rpm, DO 1% After 1 Post c) d) 2, 22,4 2 rpm, DO 1% 2, , 2, 2 rpm, DF - 2. ms After Post , 2 rpm, DF - 2. ms 17,1 1, 1,, 9,6,9 4,2 3,3 2,8 2, 2,3 1, 1,, 1,4,9,1 3,6 3, 2,6, , Fig. 4. The division of diesel oil dose in engine powered diesel and dual fuel: a) diesel fuelling, b) dual fuel fuelling, c) and d) share of dose Rys. 4. Podział dawki oleju napędowego w silniku zasilanym olejem napędowym i dwupaliwowo: zasilanie olejem napędowym, b) zasilanie dwupaliwowe, c) d) udziały dawki W zasilaniu dwupaliwowym dawka spełnia rolę dawki inicjującej spalanie gazu podobnie jak w klasycznych silnikach dwupaliwowych z pojedynczą dawką paliwa ciekłego. Przy większych udziałach gazu wielkość tej dawki i kąt początku wtrysku decydują o przebiegu spalania i osiągach silnika. Szczególnie istotne jest przy tym aby wielkość dawki zapewniała pewny zapłon mieszaniny gazowej w szerokim zakresie zmian jej składu. Rejestrowane na podstawie sygnałów sterownika wielkości dawek w zakresie,9 1,3 mm 3 /cykl mogą tego warunku nie spełniać w przypadku mieszanin znacznie zubożonych. Względny udział dawki w stosunku do całkowitej dawki oleju napędowego w cyklu przedstawiono na rys. 4c i 4d. Największy udział dawki występuje dla minimalnego obciążenia i wynosi dla badanej prędkości obrotowej ok. 22,4%. W miarę wzrostu obciążenia silnika udział dawki monotonicznie maleje i dla maksymalnego obciążenia wynosi ok. 2,3%, rys. 4c. Udziały dawki przy zasilaniu dwupaliwowym są dla tego samego obciążenia większe co wynika z mniejszej dawki, rys. 4d. Analiza zmian udziałów dawki pokazana na rys. 4d wskazuje, że w zakresie od średnich do maksymalnych obciążeń silnika zasadnicza część oleju napędowego jest spalana po inicjacji zapłonu mieszaniny

6 Part dose [mm3/cycle] Part dose [mm3/cycle] Part dose [mm3/cycle] Part dose [mm3/cycle] Part dose [mm3/cycle] Share of dose [%] gaz-powietrze przez dawkę w trakcie aktywnego procesu spalania. Ma to istotne znaczenie w przebiegu utleniania paliwa ciekłego bowiem spalanie mieszaniny gazowej wiąże się ze zmniejszaniem stężenia tlenu i wzrostem stężenia CO 2 w ładunku. Zbiorcze porównanie wielkości dawek częściowych i udziałów dawki inicjującej pokazano na rys rpm -ON -DF 2. ms -ON _DF 2. ms , 2, 1, 1,,, 2 rpm ON % DF 2. ms % Fig.. Comparison of partial doses diesel oil by fuelling engine with diesel and dual fuel: a) comparison the magnitude of doses, b) comparison the share of initial dosage Rys.. Porównanie dawek częściowych oleju napędowego przy zasilaniu silnika olejem napędowym i dwupaliwowo: a) porównanie wielkości dawek, b) porównanie udziałów dawki inicjującej Podobny sposób podziału dawki paliwa ciekłego występuje również przy większych prędkościach obrotowych silnika rys. 6. Warto zaznaczyć, że przy prędkości 3 obr/min w zakresie maksymalnych obciążeń paliwo ciekłe wtryskiwane jest w postaci pojedynczej dawki, rys. 6b. Z kolei dla prędkości obrotowej 4 obr/min zarówno przy zasilaniu tradycyjnym jak i dwupaliwowym paliwo ciekłe wtryskiwane jest w tylko postaci pojedynczej dawki. W takim przypadku szczególnie istotny jest kąt początku wtrysku tej dawki bowiem spełnia ona funkcję dawki inicjującej spalanie gazu After Post 2 rpm, DF - 2. ms Injection - 7 deg CA a.tdc c) d) rpm, DF - 2. ms After Post After Post 4 rpm, DF - 2. ms Post After 4 rpm, DO 1% Fig. 6. The division of diesel oil dose in engine powered diesel and dual fuel: c) dual fuel fuelling, d) diesel fuelling Rys. 6. Podział dawki oleju napędowego w silniku zasilanym olejem napędowym i dwupaliwowo: c) zasilanie dwupaliwowe, d) zasilanie olejem napędowym

7 Injection timing of dose [deg CA] Injection Timing [deg CA] Injection Timing [deg CA] Injection Timing [deg CA] Injection Time [deg CA] Kąty początku wtrysku dawek częściowych dla prędkości obrotowej 2 3 obr/min pokazano na rys. 7, a pojedynczej dawki dla prędkości obrotowej 4 obr/min przy zasilaniu olejem napędowym i dwupaliwowo na rys Injection Timing - 2 rpm, DO 1% c) d) rpm DF - 2. ms rpm DF - 2. ms CA 3 rpm, DF - 2. ms CA Fig. 7. Changes of injection timing the part doses of diesel oil in engine powered diesel and dual fuel depending on engine load: a) diesel oil fuelling, b) c) d) dual fuel fuelling, gas injection opening time 2. ms Rys. 7. Zmiany początku wtrysku dawek częściowych w silniku zasilanym olejem napędowym i dwupaliwowo w zależności od obciążenia silnika: a) zasilanie olejem napędowym, b) c) d) zasilanie dwupaliwowe, czas otwarcia wtryskiwacza gazu 2. ms DO 1% DF-2. ms 4 rpm Fig. 8. Changes of injection timing the doses of diesel oil in engine powered diesel and dual fuel depending on engine load: engine speed 4 rpm Rys. 8. Zmiany początku wtrysku dawki w silniku zasilanym olejem napędowym i dwupaliwowo w zależności od obciążenia silnika: prędkość obrotowa 4 obr/min Z analizy rys. 7 wynika, że zasadnicza część paliwa ciekłego jest wtryskiwana w postaci dawki ze znacznym opóźnieniem w stosunku do dawki inicjującej. Opóźnienie to wynosi odpowiednio 6 7 o OWK dla prędkości 2 obr/min, 7 9 o OWK dla 2 obr/min, 1 11 o OWK dla 3 obr/min. W przypadku zasilania tradycyjnego, z uwagi na mały udział dawek, nie ma to istotnego znaczenia w spalaniu masy paliwa wtryskiwanego w postaci dawki. Jednak w przypadku zasilania dwupaliwowego wtrysk oleju napędowego jest dokonywany nie do powietrza a do jednorodnej mieszaniny gaz-powietrze. Jest ona zapalana od pierwszej wtryskiwanej dawki o ile jej skład mieszaniny znajduje się w granicach palności. Długi czas między pierwszą dawką inicjującą, a zasadniczą masą oleju napędowego powoduje, że jest ona spalana w warunkach zmniejszonej ilości tlenu i zwiększonego stężenia CO 2, które dodatkowo hamuje szybkość procesu spalania. Ma

8 Injection Timing [deg CA] q [mm3/cycle] Diesel Oil Share [%] to istotny wpływ na ilość tworzonych toksycznych składników spalin, szczególnie na zadymienie i emisję PM [1, 13]. Strategię podziału dawki oleju napędowego przy maksymalnym obciążeniu silnika realizowaną przez sterownik fabryczny przedstawiono na rys. 9. W zakresie prędkości obrotowych 1 1 obr/min całkowita dawka oleju napędowego jest dzielona na trzy części:, i. W zakresie prędkości 2 3 obr/min występuje podział tylko na dwie dawki i, a dla prędkości większej od 3 obr/min wtryskiwana jest jedna dawka. Względny udział dawek i w stosunku do całkowitej dawki oleju napędowego w cyklu przedstawiony na rys. 11b wskazuje, że w zakresie prędkości obrotowych 1 1 obr/min łączny udział dawek i wynosi 8,2 9,%, przy czym pierwsza dawka stanowi ok. 6%. W zakresie prędkości obrotowych 2 3 obr/min spalanie jest inicjowane przez dawkę. Wielkości dawek wynoszą odpowiednio: 1,9 2,7 mm 3 /cykl oraz,9 1,1 mm 3 /cykl. Wydaje się, że wielkość dawki jednostkowej jest zbyt mała do inicjacji spalania mieszaniny gazowej, powtarzalnej z cyklu na cykl After Post 7, 6,, 4, 3, 2, 1, U- % U- % n [rpm], n [rpm] c) n [rpm] Fig. 9. Comparison of diesel oil division at maximal load of engine fuelled dual fuel: a) diesel oil division, b) share of part doses and, c) injection timing of part doses, time of gas injector opening 1, ms Rys. 9. Porównanie podziału dawki oleju napędowego przy maksymalnym obciążeniu silnika zasilanego dwupaliwowo: a) podział dawki, b) udziały dawek częściowych i, c) początek wtrysku dawek częściowych, czas otwarcia wtryskiwacza gazu stały 1, ms Z analizy kątów początku wtrysku dawek częściowych dla maksymalnego obciążenia silnika przedstawionych na rys. 9c wynika duża różnica między początkiem wtrysku dawek inicjujących i a wtryskiem zasadniczej porcji oleju napędowego w postaci dawki. Dawka jest wtryskiwana ze znacznym wyprzedzeniem o OWK przy małej prędkości obrotowej 1 1 obr/min, a jej wartość jest relatywnie duża w stosunku do dawki. Można zatem założyć, że przy omawianych prędkościach obrotowych spalanie mieszaniny gazowej jest inicjowane przez dawkę. Dawka wtryskiwana stosunkowo późno 7 o OWK przed GMP z uwagi na małą masę nie odgrywa istotnego znaczenia w spalaniu mieszaniny gazowej. Wykorzystanie pozytywnego oddziaływania dodatkowej dawki oleju napędowego, opisane w pracy M. Matyjasika [11], wymagałoby zwiększenia dawki do wartości co najmniej 4 mm 3 /cykl. Różnica czasów wtrysku dawek i jest dla omawianych prędkości znaczna i wynosi 4 47 o OWK. W zakresie prędkości 2 3 obr/min wtrysk dawki ulega przyspieszeniu do o OWK przed GMP. Różnica kątów początku wtrysku dawki i wynosi wtedy 6 9 o OWK. Z przedstawionych wyżej wyników wynika, że podział dawki oleju napędowego na dawki częściowe i czasy ich wtrysku jest niekorzystny z punktu widzenia zasilania dwupaliwowego, bowiem nie uwzględnia on dynamiki spalania mieszaniny gazowej [16, 17]. Dotyczy to zarówno kątów wtrysku jak i wielkości pierwszej dawki

9 Air consumption [mg/cycle] Air consumption [mg/cyccle] Inlet pressure [mbar] Inlet pressure [mbar] inicjującej spalanie mieszaniny gazowej. Również podział dalszej masy paliwa ciekłego i kąty wtrysku dawek częściowych nie są dostosowane do silnika dwupaliwowego. Może to być jedną z przyczyn wzrostu emisji niektórych składników spalin w badanym silniku co podkreślano w pracach [19, 2]] Stertowanie wydatku powietrza Sterowanie wydatkiem powietrza odbywa się przez zmianę ciśnienia doładowania na podstawie map zakodowanych w pamięci sterownika. Wartości ciśnienia doładowania sterownika fabrycznego są optymalizowane dla zasilania olejem napędowym. W przypadku zasilania gazem sterownik dla utrzymania określonego momentu obrotowego zmniejsza automatycznie dawkę oleju napędowego przechodząc w pozorny stan pracy przy mniejszym obciążeniu. Skutkuje to zmniejszeniem wydatku powietrza mimo, że zapotrzebowanie tlenu dla spalenia gazu i oleju napędowego może być takie same, a nawet większe (o ile występuje wzrost mocy silnika) jak przy zasilaniu tradycyjnym. Skutkuje to zmniejszeniem średniego współczynnika nadmiaru powietrza dla ładunku i niekorzystnie wpływa na przebieg spalania, szczególnie paliwa ciekłego wtryskiwanego w trakcie procesu spalania. Porównanie ciśnienia doładowania na rys. 1 wskazuje wyraźnie, że przy dodatku gazu sterownik silnika zmniejsza ciśnienie doładowania. W zakresie małych obciążeń silnika różnice ciśnienia powietrza są niewielkie natomiast przy dużych obciążeniach różnice ciśnień są wyraźne. 2 2 ON DF-2, ms 2 rpm 2 2 ON DF-2, ms 2 rpm Mo [rpm] Fif. 1. Comparison of inlet pressure in engine powered with diesel oil and dual fuel: factory controller, ON diesel fuelled, DF-2. ms dual fuel fuelled, gas injectors opening time 2. ms Rys. 1. Porównanie ciśnienia doładowania silnika zasilanego olejem napędowym i dwupaliwowo: sterownik fabryczny, ON zasilanie olejem napędowym, DF 2. ms zasilanie dwupaliwowe, czas otwarcia wtryskiwaczy gazu 2, ms Konsekwencją zmiany ciśnienia w kolektorze dolotowym jest zmniejszenie jednostkowego wydatku powietrza wyrażonego w [mg/cykl] co pokazano na rys. 11. W większości badanych punktów, niezależnie od obciążenia i prędkości obrotowej obserwowano mniejsze wartości jednostkowego wydatku powietrza w silniku zasilanym dwupaliwowo. Widoczna jest również tendencja do zwiększania różnic przy wzroście obciążenia silnika. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że mniejsza ilość powietrza przypadająca na cykl pracy jest konsekwencją dwóch czynników zmniejszenia ciśnienia doładowania i objętości gazu w kolektorze dolotowym. Udział objętości gazu zależy od wielkości jednostkowej dawki gazu wtryskiwanego do kolektora i przy dłuższych czasach otwarcia wtryskiwaczy gazu może on zauważalnie wpływać na wydatek zasysanego powietrza ON DF-2, ms 2 rpm c) d) rpm ON DF-2, ms

10 Reduction Air Consumption [%] Reduction Air Consumption [%] Air consumption [mg/cycle] Air consumption [mg/cycle] ON 3 rpm DF-2, ms ON 4 rpm DF-2, ms Fif. 11. Comparison of air consumption in engine powered with diesel oil and dual fuel: factory controller, ON diesel fuelled, DF-2. ms dual fuel fuelled, gas injector opening time 2. ms Rys. 11. Porównanie zużycia powietrza w silniku zasilanym olejem napędowym i dwupaliwowo: sterownik fabryczny, ON zasilanie olejem napędowym, DF 2. ms zasilanie dwupaliwowe, czas otwarcia wtryskiwaczy gazu 2, ms Zmiany wydatku powietrza najlepiej jest analizować na podstawie względnej wartości różnic jednostkowej masy powietrza w cyklu przy zasilaniu dwupaliwowym i tradycyjnym, które obliczano na podstawie wzoru (1): mairdf mairdo mair 1 [%] (1) mairdo gdzie: δm Air względna zmiana zużycia powietrza, m AirDF dawka jednostkowa powietrza przy zasilaniu dwupaliwowym, m AirDO dawka jednostkowa powietrza przy zasilaniu olejem napędowym. Względne zmiany zużycia powietrza przez silnik dwupaliwowy dla dwóch prędkości obrotowych 2 obr/min i 3 obr/min przedstawiono na rys. 12. Analiza danych z tego rysunku pokazuje na istotne zmniejszenie zużycia powietrza w silniku dwupaliwowym, szczególnie istotne przy większych obciążeniach silnika. Omawiane zmniejszenie wynosi 7,3 11,4% dla prędkości 2 obr na min i 4,6 13,1% dla prędkości 3 obr/min. Tak znaczne zmniejszenie ilości powietrza musi oddziaływać na przebieg spalania zarówno mieszaniny gazowej jak i szczególnie niekorzystnie na spalanie paliwa ciekłego z dawki, wtryskiwanego ze znacznym opóźnieniem o czym wspominano wcześniej. Efektem tego zjawiska jest wzrost stężenia CO i THC oraz zadymienia spalin. Wydaje się zatem konieczne korygowanie wydatku powietrza przy zasilaniu dwupaliwowym tak aby zapewnić porównywalne wartości średniego współczynnika nadmiaru powietrza do występujących przy zasilaniu olejem napędowym., -2, -4, -6, -8, -1, -12, ,7-1, -2,9-4,2-3,8 2 rpm -7,3-1,6-11,4, -2, -4, -6, -8, -1, -12, -14, ,9-2,6-12,8-13,1-4,6 -, 3 rpm Fig. 12. Relative reduction of air consumption dual fuel engine Rys.12. Względne zmniejszenie zużycia powietrza w silniku zasilanym dwupaliwowo Niekorzystną zmianę wydatku powietrza oraz średniego współczynnika nadmiaru powietrza można kompensować przez ręczną zmianę parametrów regulacyjnych turbosprężarki tak, aby ciśnienia doładowania przy zasilaniu olejem napędowym i dwupaliwowym były możliwie zbliżone. Do tego celu wykorzystywano specjalny elektroniczny sterownik zbudowany w Katedrze Silników Spalinowych i Pojazdów ATH w Bielsku- Białej. Bliższe informacje na temat korekty wydatku powietrza można znaleźć w pracy [18, 21]. Na rys. 13 przedstawiono porównanie ciśnienia doładowania i zużycia powietrza w silniku pracującym na maksymalnym obciążeniu, zasilanym tradycyjnie i dwupaliwowo z korektą wydatku ciśnienia doładowania. Z porównania na rys. 13a wynika, że uzyskano porównywalne wartości ciśnienia doładowania przy obydwu

11 Inlet ssure [mbar] Air Consumption [mg/cycle] rodzajach zasilania. Efektem korekty były podobne zużycia powietrza w silniku zasilanym gazem, rys. 13b. Zastosowanie korekty wydatku powietrza zasilającego silnik spowodowało znaczne zmniejszenie zadymienia spalin silnika doładowanego (zmniejszenie przy maksymalnym obciążeniu w zakresie 17 76% w stosunku do silnika zasilanego tradycyjnie [2]) mimo niekorzystnego podziału dawki oleju napędowego z punktu widzenia spalania ładunku dwupaliwowego. 2 2 Pair_DO Pair_DF 6 Vair_DO Vair_DF n [rpm] n [rpm] Fig. 13. Comparison of the intake manifold pressure and air flow to engine powered with diesel oil and dual fuel after adjusting boost pressure: DO diesel fuelling, DO dual fuel fuelling with adjustment of boost pressure Rys. 13. Porównanie ciśnienia w kolektorze dolotowym i wydatku powietrza w silniku zasilanym olejem napędowym i dwupaliwowo po korekcie ciśnienia doładowania: DO zasilanie olejem napędowym, DF zasilanie dwupaliwowe z korektą ciśnienia doładowania 4. Podsumowanie Ilość gazu podawanego do silnika może być regulowana czasem otwarcia wtryskiwaczy i ciśnieniem zasilania gazem. Przy niskim ciśnieniu zasilania 1 bar uzyskanie 3% udziału gazu wymagało czasu otwarcia wtryskiwaczy ok. 4 ms przy średnich obciążeniach i ok. 1 ms przy obciążeniach maksymalnych. Podawanie gazu powinno być skorelowane z czasem zamknięcia zaworu wylotowego. Długie czasy otwarcia wtryskiwaczy gazowych mogą utrudniać spełnienie tego warunku przy większych prędkościach obrotowych. Zastosowanie wyższych ciśnień zasilania gazem pozwala istotnie zmniejszyć wymagany czas wtrysku gazu. Badania pokazały, że przy ciśnieniu zasilania 4, bar czas otwarcia wtryskiwaczy 2, ms pozwalał uzyskiwać ok. 2% udziału energetyczne gazu przy maksymalnym obciążeniu silnika w całym zakresie zmian prędkości obrotowych. Przy stałych czasach otwarcia wtryskiwaczy gazu udział energetyczny gazu wzrasta wraz ze zmniejszaniem obciążenia silnika. Przykładowo dla czasu otwarcia 2, ms z udziału ok. 2% dla maksymalnego obciążenia do ok. % dla obciążenia minimalnego. Oznacza to, że utrzymanie stałego udziału gazu wymaga zmiany czasu otwarcia wtryskiwaczy stosownie do zmian obciążenia silnika. Komplikuje to sterowanie silnika dwupaliwowego, bowiem silnik taki wymaga specjalnych algorytmów sterowania uwzględniających odmienne własności paliwa ciekłego i gazu oraz zastosowania specjalnych sterowników dla zasilania dwupaliwowego. Oznacza to, że we współczesnych silnikach o zapłonie samoczynnym nie mogą być montowane bezpośrednio komercyjne instalacje zasilania CNG. Adaptacje silników do zasilania dwupaliwowego wymagają każdorazowo wykonania badań optymalizacyjnych. Wydaje się, że w silnikach dla których paliwo gazowe nie stanowi paliwa zasadniczego można stosować stałe czasy otwarcia wtryskiwaczy gazu, ustalone na podstawie założonego udziału gazu przy maksymalnym obciążeniu silnika. W zrastający udział gazu przy częściowych obciążeniach sprzyja zamienności paliwa ciekłego przez gaz w silnikach trakcyjnych i zmniejsza koszty eksploatacji silnika. Badania pokazały, że badany silnik pracował prawidłowo w zakresie częściowych obciążeń z udziałami gazu ok. 6%. Podział dawki oleju napędowego przez sterownik fabryczny jest nieprawidłowy z punktu widzenia działania silnika dwupaliwowego. Mimo, że badany silnik pracował poprawnie w szerokim zakresie zmian obciążenia, prędkości obrotowych i udziałów gazu, to jednak trudno przypuszczać, że spalanie ładunku przebiegało optymalnie. Świadczą o tym stosunkowo wysokie stężenia CO i THC w spalinach, nieuzasadnione samym dodatkiem gazu. Należy przypuszczać, że przynajmniej częściowo wynikają one z podziału dawki oleju napędowego. Stosunkowo duża dawka ok. 2 2,7 mm 3 /cykl wtryskiwana jest z dużym wyprzedzeniem 4 47 o OWK przed GMP. Może ona zatem inicjować przedwczesne spalanie mieszaniny gazowej. Z kolei w punktach w których wtryskiwane są dwie dawki i, wtrysk dawki odbywa się zbyt późno jak na wymagania ładunku dwupaliwowego. Ponadto mała wielkość tej dawki ok. 1 mm 3 /cykl może być zbyt mała do

12 powtarzalnej inicjacji zapłonu zubożonych mieszanin gazowych. Również wtrysk zasadniczej masy paliwa ciekłego w postaci dawki wydaje się być nieprawidłowy. Wtrysk tego paliwa odbywa się ze znacznym opóźnieniem, w trakcie aktywnego spalania gazu, do czynnika o zmniejszonym stężeniu tlenu i zwiększonej ilości CO 2. Obydwa te zjawiska zmniejszają szybkość spalania paliwa z dawki. Wydaje się, że wykorzystanie pozytywnych możliwości zasilania dwupaliwowego wymaga gruntownych badań sposobu podziału dawki paliwa ciekłego. Dotyczy to zarówno wielkości dawek częściowych jak i kątów ich wtrysku. Przeprowadzone badania pokazały, że oryginalny sterownik silnika optymalizowany do zasilania olejem napędowym przy dodatku gazu powoduje zmniejszenie ciśnienia doładowania stosownie do zmniejszenia dawki oleju napędowego. W efekcie maleje jednostkowa dawka powietrza przypadająca na cykl pracy. Szczególnie niekorzystne zmiany obserwowano w zakresie dużych obciążeń silnika dla których zmniejszenie maksymalne ilości powietrza wynosiło ok. 13%. Przy porównywalnych dawkach energii dostarczanych do silnika z olejem napędowym i gazem musi to wywoływać negatywne oddziaływanie na przebieg spalania czego efektem jest nadmierna emisja CO i THC oraz zadymienie spalin, nieuzasadnione samym dodatkiem gazu. Wymaga to zmiany wartości nastaw sterownika regulujących ciśnienie doładowania. Badania pokazały, że możliwa jest korekta ilości powietrza podawanego do silnika. Jej zastosowanie przy pełnym obciążeniu silnika spowodowało, że mimo zasilania gazowego do silnika była dostarczana porównywalna ilość powietrza jak przy zasilaniu tradycyjnym. Pozwoliło to na radykalne zmniejszenie zadymienia spalin w stosunku do wartości uzyskiwanych bez korekty powietrza [19, 2]. Przeprowadzone badania i analizy wskazują, że przy adaptacjach małych silników samochodowych do zasilania dwupaliwowego należy stosować specjalne algorytmy sterowania jakością ładunku i sterowniki przystosowane do tego typu zasilania. Praca była wykonywana w ramach projektu badawczego nr PBS1/A6/13/212 pt. Ograniczenie zadymienia spalin i emisji cząstek stałych w spalinach samochodowych silników o zapłonie samoczynnym za pomocą dodatku gazu ziemnego CNG finansowanego przez NCBiR. LITERATURA 1. Barroso P, Ribas x, Domingues J, De Sella E, Garcia J M.: Study of dual-fuel (diesel+natural gas) particle mater and CO 2 emissions of a heavy-duty diesel engine during transient operation. Combustion Engines; 2/213 (13) ISSN : Beroun S., Blażek J.: The possibility of the improvement of the combustion process stability in gas engines. VI Międzynarodowa Konferencja Gazowa "SILNIKI GAZOWE 23", Częstochowa Beroun S., Martins J.: The Development of Gas (CNG, LPG and H2) Engines for Buses and Trucks and their Emission and Cycle Variability Characteristics. SAE Paper Clark N N, Atkinson Chr M, Atkinson R J, McDaniel T, Park T.: Optimized Emission Reduction Strategies for Dual Fuel Compression Ignition Engines Running on natural Gas and Diesel. 22: Daisho Y., Takahashi K.: Controlling Combustion and exhaust emissions in a direct-injection diesel engine dual fueled with natural gas. SAE Paper 92436, Ehsan Md., Bhuijan Sh.: Dual Fuel performance of a Small Diesel Engine for Applications with Less Frequent Load Variations. International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering IJMME Vol. 9 No. 1, Friedeman Z.: Gasmotoren. Vogel Buchverlag Wurzburg, Gebert K, Beck J, Barkhimer R L, Wong H Ch.: Strategies to Improve Combustion and Emission Characteristics of Dual-Fuel Ignited Natural Gas Engines. SAE Paper 1997; : Kowalewicz A.: Adaptacja silnika wysokoprężnego do zasilania gazem naturalnym. Czasopismo Techniczne Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej 28; 7-M/28: Kozak M.: Studium wpływu komponentów tlenowych oleju napędowego na emisję toksycznych składników spalin z silników o zapłonie samoczynnym. Monografia habilitacyjna, Wydawnictwo Politechniki Poznańskie, Poznań Matyjasik M.: Aktywizacja procesu spalania mieszaniny gaz-powietrze w silnikach dwupaliwowych przez podział dawki inicjującej oleju napędowego. Praca doktorska, Bielsko-Biała Merkisz J., Daszkiewicz P., Idzior M., Bajerlein M., Fuć P., Lijewski P.: Analiza ograniczenia emisji toksycznych składników spalin dwupaliwowego silnika o zapłonie samoczynnym. Logistyka, nr 6/214, s p-issn: Merkisz J., Pielecha J.: Emisja cząstek stałych ze źródeł motoryzacyjnych. - Poznań : Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, s. Rok: 214. ISBN:

13 14. Merkisz J., Pielecha J., Łabędź K., Stojecki A.: Badania emisji spalin pojazdów o różnej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Transport , z. 98, s Rok: 213.ISSN: Pietras D, Sobieszczański M., Świątek A., Pajdowski P.: Dobór parametrów pracy silnika 1.3 multijet charakterystycznych dla testu jezdnego NEDC do badań rozwojowych. PTNSS P-C6, PTNSS Kongres Stelmasiak Z.: Studium procesu spalania gazu w dwupaliwowym silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym gazem ziemnym i olejem napędowym. Wydawnictwo ATH, Praca habilitacyjna, Bielsko-Biała Stelmasiak Z.: Dwupaliwowe silniki o zapłonie samoczynnym. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji, Biblioteka problemów Eksploatacji, Radom Stelmasiak Z., Larisch J.: Dwupaliwowe zasilanie silnika Fiat 1.3 MultiJet. Logistyka 6/ Stelmasiak Z., Larisch J, Pietras D.: Wpływ dodatku gazu ziemnego na zadymienie spalin samochodowego silnika ZS. Combustion Engines no. 3/ Stelmasiak Z. Larisch J. Pietras D.: Wpływ dodatku gazu ziemnego na wybrane parametry pracy silnika Fiat 1.3 MultiJet zasilanego dwupaliwowo. Combustion Engines no. 3/ Stelmasiak Z., Larisch J, Pietras D.: Wybrane problemy adaptacji samochodowego silnika o zapłonie samoczynnym do zasilania dwupaliwowego. Combustion Engines no. 3/ Materiały firmy FIAT AUTO POLAND, Materiały techniczne firmy EuropeGAS, 213. Zdzislaw Stelmasiak, Prof. Assoc. Eng.. - Professor in the Faculty of Mechanical Engineering at University of Bielsko- Biala. Prof. dr hab. inż. Zdzisław Stelmasiak, - kierownik Katedry Silników Spalinowych i Pojazdów Akademii Techniczno - Humanistycznej w Bielsku-Białej. zstelmasiak@ath.bielsko.pl Mr Jerzy Larisch, DSc., Adiunkt in the Faculty of Mechanical Engineering at University of Bielsko-Biała. Dr inż, Jerzy Larisch adiunkt na Wydziale Budowy Maszyn i Informatyki Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej. jlarisch@ath.bielsko.pl Dariusz Pietras, DEng. senior lecturer in the Faculty of Mechanical Engineering at University of Bielsko- Biala Dr inż. Dariusz Pietras st. wykładowca na Wydziale Budowy Maszyn Akademii Techniczno- Humanistycznej w Bielsku-Białej dpietras@ath.bielsko.pl