Badania modelowe układu zasilania wodorem silnika z zapłonem iskrowym

Transkrypt

1 SZLACHETKA Marcin 1 SIADKOWSKA Ksenia 2 MAGRYTA Paweł 3 BIAŁY Michał 4 Badania modelowe układu zasilania wodorem silnika z zapłonem iskrowym WSTĘP Aktualna sytuacja na rynku energetycznym stymuluje aktywność w badaniach dotyczących paliw alternatywnych. Z badań naukowych prowadzonych w ostatnich latach wynika, że wodór może pretendować do miana nośnika energii XXI wieku. Dobrze znany jest fakt, że spalanie paliw kopalnych powoduje znaczne zanieczyszczenie powietrza głównie na terenach miejskich oraz kwaśne deszcze niszczące lasy. W 2013 r. Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (IARC) oficjalnie uznała, że zanieczyszczenia powietrza są kancerogenami. Dotychczas zanieczyszczone powietrze było podejrzewane o wywoływanie nowotworów płuc. Po konsultacjach z grupą ekspertów uznano, że jest ono ważniejszym czynnikiem rakotwórczym niż bierne palenie [4]. Transport jest tym źródłem emisji szkodliwych substancji, które występuje w dużym natężeniu w bezpośredniej bliskości z miastami, przez co wywiera tak duży wpływ na ludzi. Tradycyjne paliwa mogą być przynajmniej częściowo zastąpione przez alternatywne źródła energii. W motoryzacji duże nadzieje wiąże się z zastosowaniem wodoru. Wodór może być wykorzystany do wytwarzania energii elektrycznej w ogniwach paliwowych stosowanych w środkach transportu lub do zasilania silników spalinowych. W artykule przedstawione zostały badania symulacyjne układu zasilania wodorem czterocylindrowego silnika spalinowego zamontowanego w aucie segmentu B (Opel Corsa D). 1. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem badań było uzyskanie wiedzy dotyczącej zjawisk przepływowych zachodzących w układzie wtrysku wodoru w warunkach statycznych jak i dynamicznych. Szczególnie ważne było poznanie charakteru przepływu gazu w reduktorze ciśnienia oraz wtryskiwaczach paliwa gdyż mają one decydujący wpływ na pracę silnika spalinowego. Najprostszym sposobem na osiągnięcie tego celu było przeprowadzenie badań symulacyjnych, gdyż wykonanie badań na obiektach rzeczywistych wiązałoby się ze znacznym nakładem pracy i środków. Na rynku jest dostępnych wiele programów pozwalających na przeprowadzanie symulacji przepływów płynów ściśliwych. W tym celu należało zbudować model geometryczny badanego układu, następnie model matematyczny oraz przeprowadzić badania symulacyjne przy założeniu odpowiednio dobranych warunków. W przypadku układu zasilania silnika paliwem gazowym podstawowym problemem było właściwe określenie parametrów konstrukcyjnych reduktora ciśnienia oraz wtryskiwaczy paliwa tak, aby zapewnić porcję paliwa niezbędną do prawidłowego przebiegu procesu spalania we wszystkich warunkach pracy silnika. Tak więc układ musiał zapewnić precyzyjne podawanie paliwa zarówno na biegu jałowym jak i podczas pełnego obciążenia przy maksymalnych obrotach wału korbowego silnika. Ważne było również zachowanie odpowiedniej dynamiki w przypadku wystąpienia zmiennych obciążeń silnika. W układach wielopunktowego wtrysku paliwa cykliczne otwieranie wtryskiwaczy może powodować pulsacje ciśnienia w układzie zasilania, co może wpłynąć negatywnie na średnie masowe natężenie 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , m.szlachetka@pollub.pl 2 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , k.siadkowska@pollub.pl 3 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , p.magryta@pollub.pl 4 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , m.bialy@pollub.pl 6132

2 przepływu paliwa. Badania symulacyjne pozwoliły na określenie charakteru przepływu paliwa w poszczególnych elementach układu paliwowego w warunkach statycznych i dynamicznych. W artykule przedstawiono badania symulacyjne układu zasilania wodorem czterocylindrowego silnika spalinowego. W badaniach wykorzystano oprogramowanie Dymola v5.3d. Program ten pozwala na stworzenie i symulowanie wirtualnych modeli wielu typów systemów, na przykład układów przeniesienia napędu, układów hydraulicznych lub pneumatycznych. Poprzez łączenie prostych modeli znajdujących się w bibliotece programu lub definiowanych przez użytkownika uzyskuje się możliwość budowy złożonych układów z wielu dziedzin inżynierii. Dodatkowo oprogramowanie pozwala na opisywanie i analizowane modeli oraz eksperymentów. Ważnym elementem oprogramowania jest edytor modeli, który jest graficznym interfejsem pakietu oprogramowania. Modele składane są z wykorzystaniem komponentów wybieranych z biblioteki programu. Następnie w oknie parametrów możliwa jest edycja właściwości poszczególnych elementów. Modele mogą być również tworzone przez użytkownika w trybie tekstowym, a następnie przekształcane do postaci graficznej. Dzięki bogatej bibliotece z możliwością tworzenia własnych komponentów, a także prostemu w obsłudze interfejsowi graficznemu, który posiada możliwość współpracy z programami graficznymi, możliwa jest profesjonalna wizualizacja oraz analiza diagramów wielu typów modeli. Program Dymola v5.3d umożliwia prowadzenie badań jednowymiarowych. Uniwersalność oprogramowania pozwala na symulację dowolnego typu systemu, gdy jego model może być zapisany w postaci układu równań różniczkowych lub różniczkowo-algebraicznych. Modele budowane są w celu lepszego poznania działania oraz struktury projektowanego lub istniejącego systemu. Podczas wykonywania opisywanych badań korzystano z elementów znajdujących się w komercyjnej bibliotece programu Dymola o nazwie Pneumatics. Do rozwiązywania układów równań różniczkowych (ODE) i różniczkowo algebraicznych (DAE) wykorzystano program Dymosim wykorzystujący metody jedno- i wielokrokowe oraz ekstrapolację. W przypadku równań różniczkowych wartość pochodnych obliczana jest, gdy znane są wszystkie dane niezbędne do przeprowadzenia obliczeń takie jak: czas, warunki początkowe oraz wymagane współczynniki. W przypadku równań DAE obliczane są residua dla znanych wartości pochodnych. Sygnały wyjściowe obliczane są na podstawie równań modelu, pozwala to na stwierdzenie, czy wystąpiło zdarzenie zmieniające warunki pracy symulowanego układu takie jak: osiągnięcie zadanej wartości lub przejście sygnału przez wartość zero. Dymosim pozwala na wybór wielu modeli całkowania, a także na zmianę parametrów modelu, kroku obliczeniowego, metody całkowania oraz warunków początkowych. 2. MODEL UKŁADU ZASILANIA WODOREM W artykule przedstawiony został model układu zasilania wodorem czterocylindrowego silnika spalinowego. Model obejmuje kompletny tor paliwowy począwszy od zbiornika paliwa a skończywszy na układzie dolotowym silnika. W skład układu paliwowego wchodzą: jednostka sterująca (ECU), zbiornik paliwa, regulator ciśnienia, przewody paliwowe, szyna paliwowa, kolektor dolotowy silnika. Schemat modelu układu zasilania wodorem przedstawiony został na rysunku 1. W celu zoptymalizowania procesu symulacji dokonano podziału modelu na pięć podmodeli: układu sterowania, układu zbiornika paliwa, dwustopniowego regulatora ciśnienia, szyny paliwowej, układu dolotowego silnika. 6133

3 Rys. 1. Model układu wtryskowego w programie Dymola Na rysunku 2 przedstawiony został schemat podmodelu dwustopniowego reduktora ciśnienia, zawierający: zawór elektromagnetyczny, układ dwóch regulatorów ciśnienia, komorę wewnętrzną reduktora oraz dyszę. Do pomiaru masy przepływającego czynnika służy układ DeltaPMeas1. Rys. 2. Schemat blokowy dwustopniowego regulatora ciśnienia Rysunek 3 przedstawia podmodel układu szyny wtryskowej paliwa. Każdy z wtryskiwaczy paliwa skała się z cewki elektromagnetycznej króćca wlotowego oraz wylotowego gazu. Do pomiaru masy 6134

4 czynnika przepływającego przez zawór służy układ DeltaPMeas2, natomiast wejście sygnału sterującego pracą elektrozaworu realizowane jest poprzez port BooleanlnPort1. Rys. 3. Schemat blokowy szyny wtryskowej paliwa Układ sterowania oraz zbiornik paliwa wraz z zaworem i króćcami przyłączeniowymi został przedstawiony w postaci schematu blokowego na rysunku 4. a) b) Rys. 4. Schemat blokowy: a) układu sterowania, b) zbiornika wodoru z zaworem 3. WYNIKI BADAŃ W wyniku przeprowadzonych badań symulacyjnych zidentyfikowano zjawiska przepływowe zachodzące w poszczególnych elementach projektowanego układu zasilania. Weryfikacji poddano również początkowe założenia parametrów układu. Badania przeprowadzono dla dwóch wybranych punktów pracy silnika tj. dla prędkości obrotowej wału korbowego silnika równej 2000 obr/min oraz 3000 obr/min, a także obciążenia silnika wyrażonego jako ciśnienie w układzie dolotowym 6135

5 odpowiednio 90 kpa oraz 75 kpa. Przebiegi ciśnienia przedstawiane są jako wartości ciśnienia bezwzględnego. Na rysunku 5 przedstawiony został przebieg ciśnienia w poszczególnych punktach reduktora. Po otwarciu elektrozaworu widoczne jest stopniowe narastanie ciśnienia na obu stopniach reduktora ciśnienia oraz w jego komorze. Linia niebieska przedstawia przebieg ciśnienia na wejściu do reduktora pierwszego stopnia, gdzie ciśnienie po ustabilizowaniu się układu osiąga wartość 0,8 MPa. Linia oznaczona kolorem czerwonym przedstawia wartość ciśnienia w komorze reduktora, którego wartość utrzymywana jest na stałym poziomie 0,6 MPa przez regulator pierwszego stopnia. Linia zielona przedstawia wartość ciśnienia na reduktorze drugiego stopnia, która stabilizuje się na poziomie 0,4 MPa. Wartość ta jest niezbędna do zapewnienia odpowiedniego wydatku masowego wtryskiwaczy paliwa. Ciśnienie na tym poziomie panuje w układzie paliwowym za reduktorem ciśnienia, który połączony jest przewodem elastycznym z szyną paliwową z wtryskiwaczami. Wtryskiwacze uruchamiane są 0,5 s po otwarciu elektrozaworów przy zbiorniku oraz przy reduktorze. Czas ten niezbędny jest do wytworzenia wymaganego ciśnienia w szynie paliwowej. Rysunek 6 przedstawia przebieg ciśnienia w przewodzie elastycznym łączącym reduktor z szyną paliwową dla prędkości 2000 obr/min i ciśnienia w układzie dolotowym 90 kpa. Powstałe w wyniku pracy wtryskiwaczy pulsacje ciśnienia nie przekraczają wartości 0,1 kpa. Zwiększenie prędkości obrotowej do 3000 obr/min oraz związane z tym zwiększenie przepływu masowego gazu nie powodują znaczącej zmiany przepływu w przewodzie elastycznym, pulsacje ciśnienia w tym punkcie wynoszą 0,11 kpa (Rys. 7). Odpowiednio dobrane parametry przewodu mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia wymaganego wydatku wtryskiwaczy paliwa podczas ich pracy. Badania pozwalają na stwierdzenie, że przewód elastyczny łączący reduktor ciśnienia oraz szynę paliwową nie powoduje negatywnych zjawisk mogących wpłynąć niekorzystnie na pracę wtryskiwaczy. Rys. 5. Przebieg ciśnienia w regulatorze dla prędkości 2000 obr/min i ciśnienia 90 kpa Rys. 6. Przebieg ciśnienia w szynie paliwowej dla prędkości 2000 obr/min i ciśnienia 90 kpa. 6136

6 Rys. 7. Przebieg ciśnienia w szynie paliwowej dla prędkości 3000 obr/min i ciśnienia 75 kpa. Na rysunkach 8 oraz 9 przedstawiony jest masowy wydatek paliwa gazowego w szynie paliwowej dla poszczególnych punktów badawczych. Średnica króćca dolotowego wynosi 12 mm, natomiast króćce wylotowe posiadają średnicę 6 mm. Zapewnienie odpowiedniej wartości przepływu w tym punkcie układu ma decydujący wpływ na poprawną pracę silnika. Założone wartości pozwoliły na uzyskanie masowego natężenia przepływu o wartości 0,0002 kg/s. Po zamknięciu wtryskiwaczy paliwa można zaobserwować przepływy zwrotne w szynie paliwowej wynikające między innymi z ich szybkiego zamykania. Nie ma to wpływu na wydatek wtryskiwacza w kolejnym cyklu pracy. Rys. 8. Wydatek masowy w szynie paliwowej dla prędkości 2000 obr/min i ciśnienia 90 kpa. Rys. 9. Wydatek masowy w szynie paliwowej dla prędkości 3000 obr/min i ciśnienia 75 kpa. Rysunek 10 przedstawia przebieg ciśnienia w króćcu wylotowym wtryskiwacza dla prędkości obrotowej silnika 2000 obr/min i obciążenia 90 kpa. Kolor niebieski przedstawia wartość ciśnienia natomiast czerwony to impuls sterujący pracą wtryskiwacza paliwa. Przedstawiony został przebieg dla cylindra pierwszego. W chwili gdy wtryskiwacz jest zamknięty ciśnienie w króćcu wylotowym równe jest ciśnieniu w kolektorze dolotowym. Otwieranie wtryskiwacza powoduje płynne narastanie ciśnienia do maksymalnej wartości równej 90,62 kpa. Po upływie 1,5 ms od chwili wyłączenia 6137

7 impulsu sterującego ciśnienie zmniejsza się do wartości ciśnienia panującego w kolektorze dolotowym. Nie występują gwałtowne zmiany wartości ciśnienia, które mogłyby wpływać niekorzystnie na przepływ gazu. Opóźnienie przyrostu ciśnienia w chwili włączenia impulsu sterującego wynika z bezwładności wtryskiwacza, a także z działania sił pochodzących od różnicy ciśnień pomiędzy wtryskiwaczem a kolektorem dolotowym, która powoduje opóźnienie otwierania zaworu. Podobne wyniki uzyskano dla drugiego z badanych punktów pracy silnika (Rys. 11.). Rys. 10. Przebieg impulsu sterującego i ciśnienia paliwa w szynie paliwowej dla prędkości obrotowej 2000 obr/min i ciśnienia 90 kpa. Rys. 11. Przebieg impulsu sterującego i ciśnienia paliwa w szynie paliwowej dla prędkości obrotowej 3000 obr/min i ciśnienia 75 kpa. WNIOSKI Badania przeprowadzone z wykorzystaniem oprogramowania Dymola v5.3d pozwoliły na weryfikację wstępnych założeń układu zasilania wodorem tłokowego silnika spalinowego. Uzyskana została wiedza dotycząca zjawisk przepływowych zachodzących w poszczególnych elementach układu. Szczególną uwagę zwrócono na przebieg ciśnienia w przewodzie łączącym szynę paliwową z reduktorem, w szynie paliwowej oraz na wylocie z wtryskiwaczy paliwa. Wyniki badań pozwalają na stwierdzenie, że powstające w wyniku pracy układu pulsacje ciśnienia w jego poszczególnych elementach nie wpływają negatywnie na proces wtrysku paliwa oraz precyzję jego dawkowania. Nie stwierdzono również niekorzystnych zjawisk w przewodach łączących wtryskiwacze z kolektorem dolotowym, które mogłyby ograniczać przepływ gazu. Analiza wyników pozwala na stwierdzenie, że założone wstępnie średnice przewodów oraz dysz wtryskowych zostały dobrane poprawnie. Streszczenie W artykule zaprezentowano wyniki badań symulacyjnych układu zasilania wodorem czterocylindrowego tłokowego silnika spalinowego. Zweryfikowano założenia konstrukcyjne układu wtrysku w warunkach dynamicznego i statycznego przepływu wodoru ze szczególnym uwzględnieniem reduktora ciśnienia oraz 6138

8 wtryskiwaczy. Zbadano stabilność przepływu paliwa w przewodzie łączącym wtryskiwacz z kolektorem dolotowym i możliwość wystąpienia pulsacji ciśnienia ograniczających przepływ paliwa wodorowego do poszczególnych przewodów dolotowych silnika. Badania symulacyjne przeprowadzono w programie Dymola. Modelling studies of the hydrogen supply to the spark ignition engine Abstract The article presents the results of simulation studies of the hydrogen supply to four-cylinder piston engine. Design of injection system in terms of dynamic and static hydrogen flow with particular emphasis on the pressure regulator and injectors was verified. The stability phenomena of the fuel flow in line between the injector and the intake manifold, and the possibility of occurring pressure pulsations restricting the hydrogen fuel flow to the individual intake pipes of the engine were examined. Simulation studies were performed in Dymola software. BIBLIOGRAFIA 1. Das L. M.: Hydrogen engines: a view of the past and a look into the future. Int. J. of Hydrogen Energy, Surygała J.: Wodór jako paliwo. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa Szlachetka M.,Wendeker M., Czarnigowski J., Jakliński P., Grabowski Ł.: A simulation research of a hydrogen injection system for a Wankel engine. PTNSS-2010-SS