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 opóźnieniem

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