Prof. dr hab. inż. Mirosław Wendeker
Silniki samochodowe zasilane gazem - mity i fakty.
Opis wykładu:
Wśród paliw alternatywnych największym zainteresowaniem producentów i jednostek
badawczych cieszą się paliwa gazowe a w szczególności: gaz ziemny CNG, gaz płynny
LPG, biogaz, wodór. Szacuje się, że aktualnie na świecie paliwa gazowe stosuje się do
napędu ponad 2,5 mln pojazdów samochodowych, przy czym istnieje stała tendencja do
wzrostu tej liczby. Główną zaletą paliw gazowych, z punktu widzenia ich przydatności do
zasilania silników pojazdów samochodowych, jest łatwość mieszania się paliwa gazowego z
powie-trzem, wskutek czego mieszankę napływającą do cylindrów cechuje duża
jednorodność, co pozwala na uniknięcie fluktuacji przebiegu spalania i zapewnia jednakowe
obciążenia wszystkich cylindrów.
Gaz płynny skroplony (znany także pod innymi nazwami handlowymi: angielską  LPG,
niemiecką  Autogas, francuską  GPL) jest mieszaniną skroplonych węglowodorów. Składa
się głównie z propanu C3H8 i butanu C4H10. Mieszanina propanu i butanu w warunkach
normalnych jest gazem, który poddany ciśnieniu 0,6-0,8 MPa w temperaturze +15oC ulega
skropleniu. Z powodu łatwości skraplania magazynowanie gazu jest o wiele dogodniejsze niż
gazu ziemnego. Ze względu na dużą wartość opałową (48 MJ/kg w porównaniu z benzyną
44 MJ/kg) i dużą liczbę oktanową (105-115 w porównaniu z benzyną 95-98) mieszanina
propan-butan jest bardzo dobrym paliwem silnikowym. Te zalety oraz atrakcyjna cena
powodują, że gaz LPG jest dziś najczęściej spotykanym alternatywnym paliwem zasilającym
silniki trakcyjne.
Układy zasilania gazem LPG silników o zapłonie iskrowym na przestrzeni ostatnich
kilkunastu lat uległy dynamicznym zmianom. Analogicznie do sposobów rozdziału mieszanki
i dawkowania paliwa w silnikach zasilanych benzyną, rozwój układów zasilania gazem
następuje w kierunku spełnienia wymogów podawania paliwa do silnika w odpowiednim
czasie i w dokładnie odmierzonych dawkach. Oznacza to konieczność stosowania układów
sekwencyjnego wtrysku gazu.
W systemie wtrysku sekwencyjnego ciekły LPG przedostaje się ze zbiornika do reduktora-
parownika gdzie ciśnienie gazu redukowane jest przez dwustopniowy system redukcji
ciśnienia a gaz zostaje odparowany do postaci lotnej. Następnie odparowany LPG o
odpowiednim (zadanym) ciśnieniu przepływa do wspólnej szyny gazowej. Zadaniem szyny
gazowej jest rozdzielenie gazu do kolejnych kanałów dolotowych silnika. Jedno z rozwiązań,
analogicznie do systemów wtrysku benzyny, polega na umieszczeniu w ściankach
przewodów dolotowych pojedynczych elektrozaworów (wtryskiwaczy) dozujących gaz do
poszczególnych kanałów dolotowych. Inne rozwiązanie grupuje elektrozawory wewnątrz
szyny wtryskowej zaś gaz dostarczony jest w okolice kanałów dolotowych przewodami
gazowymi zakończonymi dyszami wkręcanymi w ścianki przewodów dolotowych.
Elektrozawory sterowane są impulsami elektrycznymi o precyzyjnie odmierzonym czasie
rozpoczęcia i zakończenia wtrysku.
Zarówno chwila otwarcia wtryskiwacza jak i czasowa długość jego otwarcia decydują o
składzie i rozmieszczeniu mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze, a co za tym idzie, o
efektach spalania (sprawności obiegu, poziomie toksyczności spalin). Właściwe parametry
przebiegu otwarcia wtryskiwacza są skomplikowanymi funkcjami warunków pracy silnika i
strategii sterowania. Do warunków wpływających na wtrysk gazu należą prędkość obrotowa
silnika, stopień napełnienia cylindra powietrzem, stan cieplny silnika, temperatura i ciśnienie
powietrza atmosferycznego czy też temperatura i ciśnienie samego gazu. Zmienność
wtrysku gazu pod wpływem zmiany strategii sterowania związana jest z zadanym składem
mieszanki (np. bogatą mieszanką podczas dużego obciążenia, stechiometryczną mieszanką
podczas małych i średnich obciążeń, odcięciem paliwa podczas hamowania silnikiem) oraz
aktywnością układów zmniejszających toksyczność spalin (np. układu recyrkulacji czy też
układu odprowadzania par benzyny ze zbiornika paliwa). Proces sterowania wtryskiem gazu
komplikują dodatkowo takie czynniki jak zjawiska dynamiczne procesu tworzenia mieszanki
oraz nie-stacjonarność silnika jako obiektu sterowania.
Ogromny rynkowy popyt na systemy zasilania gazem propan-butan do silników
samochodowych (mierzony liczbą kilkuset tysięcy sztuk rocznie na rynku światowym i liczbą
kilkudziesięciu tysięcy sztuk rocznie na rynku krajowym) spowodował zainteresowanie
produkcją takich systemów przez producentów nie będących koncernami samochodowymi.
Konieczność obniżenia ceny systemu wtrysku gazu do poziomu akceptowanego przez rynek
oznacza, że oferowane systemy charakteryzuje uniwersalność polegająca na aplikacji
każdego z egzemplarzy systemu wtryskowego do szerokiej gamy silników różniących się
znacznie pojemnością skokową, rodzajem wtrysku benzyny, liczbą cylindrów czy ich
układem.
Takie podejście oznacza jednak, że algorytmy sterowania wtryskiem gazu powinna
charakteryzować, trudna do osiągnięcia, różnorodność parametrów wtrysku gazu w
odniesieniu do kolejnych modeli silników. Producenci układów wtrysku gazu rozwiązali
2
problem wyznaczania parametrów sterujących w ten sposób, że ich układy korzystają z
algorytmów wtrysku benzyny zapisanych w kolejnym modelu układu sterowania wtryskiem
benzyny. Zasada działania systemów sterowania wtryskiem gazu polega na pomiarze czasu
otwarcia wtryskiwaczy benzynowych, rozproszeniu (na odpowiednich rezystorach) energii
elektrycznej kierowanej do nich przez klucze wtryskowe sterownika benzyny, obliczeniu
czasu otwarcia elektrozaworów gazowych i realizacji otwarcia poprzez klucze prądowe
umieszczone w sterowniku gazowym. Pozostałe funkcje sterownika benzynowego
(sterowanie zapłonem, biegiem jałowym) pozostają niezmienione. Obliczenia czasu otwarcia
wtryskiwaczy gazowych sprowadzają się do wyznaczenia współczynnika korekcyjnego czasu
otwarcia wtryskiwaczy benzynowych, będącego funkcją warunków pracy silnika i stanu gazu
propan-butan.
Analizując rozwiązania systemu podawania gazu należy stwierdzić, że rynkowy sukces
odniosły układy szyn wtryskowych z wbudowanym kompleksem elektrozaworów.
Rozwiązania wykorzystującej pojedyncze wtryskiwacze okazują się za drogie i zbyt wrażliwe
na niedostateczną (niestety) jakość paliwa gazowego. Obecność w paliwie gazowym
różnego rodzaju i pochodzenia zanieczyszczeń powoduje radykalne zmniejszenie trwałości i
niezawodności wtryskiwaczy, charakteryzujących się bardzo małymi tolerancjami
wykonawczymi i wysoką ceną jednostkową.
Obecne na rynku rozwiązania układów sekwencyjnego wtrysku gazu propan-butan do
silników o zapłonie iskrowym charakteryzują niedoskonałości, będące prawdopodobnie
wynikiem niedostatecznego uwzględniania wiedzy naukowej w zakresie sterowania silnikiem
spalinowym. Istniejące błędy mogą uniemożliwić szerokie stosowanie takich układów do
nowoczesnych silników benzynowych spełniających normy Euro III i docelowo Euro IV ze
względu na niedoskonałe sterowanie składem mieszanki a zatem wzrost stopnia
toksyczności gazów wylotowych.
Pierwszym ewidentnym błędem jest brak uwzględnienia w algorytmach sterujących różnic w
zjawiskach dynamicznych procesów tworzenia mieszanki benzynowo-powietrznej i gazowo-
powietrznej. W silnikach z wtryskiem benzyny do układu dolotowego istnieje szkodliwe
zjawisko osadzania się na ściankach układu dolotowego części wtryśniętego paliwa. Paliwo
tworzy tam tzw. film paliwowy stopniowo parujący i ściekający do cylindra z opóz
nieniem
sięgającym kilku sekund. Zjawisko tworzenia filmu paliwowego kompensowane jest w
algorytmie sterującym przez odpowiednie zwiększanie czasu otwarcia wtryskiwacza benzyny
podczas szybkiego otwierania przepustnicy i odpowiednie zmniejszanie czasu wtrysku
podczas gwałtownego zamykania przepustnicy. Naśladowanie takiej korekcji dynamicznej
3
przez system wtrysku gazu, gdzie nie występuje zjawisko filmu paliwowego, jest błędem
skutkującym niewłaściwym składem mieszanki w cylindrach silnika i zwiększeniem stopnia
toksyczności gazów spalinowych. Z kolei, obecność zjawisk gazodynamicznych w układzie
zasilania gazem powoduje, że prawidłowy czas otwarcia wtryskiwacza, zapewniający
pożądany skład mieszanki gazowo-powietrznej, powinien być wyznaczany z procedurą
korekcji dynamicznej. Brak ta-kich procedur również skutkuje błędami w szacowaniu czasu
wtrysku gazu.
Drugim istotnym błędem jest niedoskonała procedura kalibracji parametrów algorytmu
sterowania systemu wtrysku gazu. Duży koszt hamowni podwoziowych powoduje, że
kalibracja jest przeprowadzana w sposób uproszczony. Najczęściej stosuje się następujące
rozwiązanie. Wykonane badania hamowniane ograniczonej liczby modeli silników pozwalają
na sporządzenie bazy danych charakterystyk silnikowych. Podczas kalibracji systemu
gazowego (doboru współczynników mnożnikowych czasu wtrysku gazu w odniesieniu do
czasu wtrysku benzyny) odpowiedni program komputerowy wybiera charakterystykę kierując
się podobieństwem konstrukcji silnika. Takie podejście nie uwzględnia istotnych różnic
między zdawałoby się podobnymi konstrukcjami silnika (np. różnic w konstrukcji
wtryskiwaczy benzynowych) oraz różnic wynikających z montażu systemu gazowego
(długości i średnicy przewodów gazowych, średnicy dysz wtryskowych, rodzaju użytego
reduktora). W efekcie wyznaczone współczynniki algorytmu nie są wartościami optymalnymi.
Inne podejście zakłada automatyczną identyfikację współczynników algorytmu podczas tzw.
jazd kalibracyjnych. Producenci takich systemów sterowania przyjęli jednak zbyt
uproszczone modele obiektu sterowania, które nie uwzględniając zjawisk przepływowych i
istotnych właściwości silnika jako obiektu sterowania (jak chociażby wpływu prędkości
obrotowej silnika i stopnia napełnienia cylindra na wypływ gazu z wtryskiwacza czy też
zmiany charakterystyki napełniania silnika po podaniu gazu do układu dolotowego) błędnie
wyznaczają czas otwarcia wtryskiwacza.
Oba typy błędów, skutkujące odchyłką składu mieszanki paliwowo-powietrznej od wartości
zadanej, po-wodują problemy związane ze niespełnieniem norm toksyczności oraz reakcją
układu sterowania wtryskiem benzyny w postaci zapalenia się lampki kontrolnej
sygnalizującej uszkodzenie silnika (tzw. kontrolki  check engine ). O ile problem ze
spełnieniem norm toksyczności ma znaczenie związane z procedurą homologacji systemu
gazowego i może być czasochłonnie ominięty przez ręczne ustawianie parametrów wtrysku
gazu, o tyle drugi problem jest poważniejszy. Współczesne układy sterowania wtryskiem
benzyny zawierają w swoich algorytmach sterujących procedury autodiagnostyczne
wykrywające niezgodność wybranych parametrów wtrysku z wartościami zadanymi przez
4
producenta. Jedną z takich procedur jest monitor wykrywający różnicę pomiędzy
realizowanym czasem wtrysku benzyny (wynikającym z przetwarzania sygnałów
pomiarowych czujników pokładowych) a czasem wtrysku szacowanym przez model silnika
zapisany w sterowniku. Różnica przekraczająca 15-20% powoduje reakcję sterownika w
postaci wykrycia usterki i sygnalizowania błędu systemu za pomocą lampki diagnostycznej.
Uniemożliwia to dalszą długotrwałą eksploatację silnika, nawet po wyłączeniu aktywności
systemu wtrysku gazu.
Zespół pod kierunkiem M. Wendekera opracowuje i wdraża elektroniczne układy sterowania
wtryskiem paliwa, w tym gazu propan-butan, do samochodowego silnika o zapłonie
iskrowym. Układ sterowania zgodnie z zapisanymi w pamięci sterownika algorytmami
(opierając się na wynikach pomiarów dostarczanych przez czujniki pokładowe) dozuje
sekwencyjnie (zgodnie z kolejnymi cyklami silnika) paliwo.
5