PL222462B1

PL222462B1 - Sposób sterowania parametrów regulacyjnych w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym

Info

Publication number: PL222462B1
Application number: PL405917A
Authority: PL
Inventors: Marek Brzeżański; Wojciech Marek; Michał Mareczek; Tadeusz Papuga
Original assignee: Skotan Spółka Akcyjna
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2016-07-29
Also published as: PL405917A1; EP3090166A1; WO2015068015A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania parametrów regulacyjnych w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym, w szczególności sposób sterowania kąta wyprzedzenia zapłonu i współczynnika nadmiaru powietrza mający zastosowanie w tłokowych silnikach spalinowych zasilanych odpadowymi produktami energetycznymi z procesów technologicznych, korzystnie przemysłu chemicznego.

W wielu gałęziach przemysłu powstają odpadowe produkty energetyczne, które pochodzą ze stosowanych procesów technologicznych. Z punktu widzenia możliwości ich zagospodarowania szczególnie interesujące są odpadowe produkty generowane w procesach technologicznych przemysłu chemicznego. Obecnie są one częściowo wykorzystywane w procesach grzewczych, jako dodatek do paliw zasadniczych. W przypadku braku zapotrzebowania na energię cieplną odpadowe produkty gazowe są wypalane, powodując obciążenie środowiska emisją ciepła i emisją produktów spalania, a odpadowe produkty ciekłe podlegają kosztownej utylizacji. Niektóre z tego typu substancji mogą być wykorzystane w charakterze paliwa do tłokowych silników spalinowych. Wpisuje się to w ogólnoświatową tendencję do poszukiwania i wykorzystywania nowych paliw do zasilania silników spalinowych. Jest to także ważny cel naukowy i gospodarczy, prowadzący do racjonalizacji wykorzystania różnych źródeł energii. Ze względu na ograniczoną dostępność, zmienność składu chemicznego i inne względy natury logistycznej, paliwa, będące odpadowym produktem procesów technologicznych nie nadają się do stosowania w silnikach pojazdów trakcyjnych, natomiast z powodzeniem mogą być źródłem zasilania stacjonarnych silników napędzających generatory prądu elektrycznego lub też inne maszyny przemysłowe. Nośnikiem energii chemicznej w procesach roboczych silników tłokowych może być tu paliwo o zróżnicowanym składzie frakcyjnym i grupowym jak i zróżnicowanej postaci fazowej.

Zasadniczym problemem związanym z wykorzystaniem odpadowych paliw do zasilania silników spalinowych jest opracowanie odpowiedniego systemu zasilania oraz systemu spalania, które pozwolą na ich długotrwałą i niezawodną pracę. Należy mieć na uwadze, że w przeciwieństwie do standardowych paliw silnikowych, których skład chemiczny oraz inne właściwości są ściśle określone norm ami, paliwa odpadowe otrzymywane z procesów technologicznych zwykle nie zachowują powtarzalnej jakości. Często odpadowe paliwa pochodzą z kilku procesów technologicznych, a zmiany parametrów dotyczą nie tylko składu chemicznego, lecz także wielkości dostępnego strumienia paliwa, którego wartość może się zmieniać w czasie. W przypadku odzysku gazowych składników palnych bardzo ważnym aspektem są ich parametry termodynamiczne, które zwykle zależą od procesów technologicznych, w których paliwa powstają. Najczęściej w obrębie jednego zakładu przemysłowego do dyspozycji są paliwa pochodzące z różnych procesów technologicznych. W związku z tym w celu ich racjonalnego wykorzystania istnieje konieczność ich odpowiedniego przygotowania, w tym osuszania i oczyszczania, a następnie mieszania ze sobą w odpowiednich proporcjach i ustalenia pożądanych parametrów termodynamicznych. Wymienione zabiegi muszą być prowadzone z zastosowaniem odpowiednich systemów bezpieczeństwa. Wszystkie wymienione zabiegi jeszcze bardziej utrudniają możliwość wykorzystania paliw odpadowych w zastosowaniach energetycznych. Z tego względu układ zasilania oraz system spalania silnika musi odznaczać się określoną „elastycznością” na zmienne cechy paliwa, gwarantując jednocześnie zachowanie odpowiednich parametrów roboczych wymaganych przez napędzaną maszynę, jak i parametrów ekologicznych, wymaganych przez przepisy ochr ony środowiska.

Z opisu patentowego PL136911 znany jest układ regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu w silniku spalinowym działający na zasadzie adaptacyjnej, w której kąt wyprzedzenia zapłonu reguluje się na podstawie informacji pobieranej z komory spalania silnika, tj . na podstawie występowania maksimum ciśnienia spalanych w cylindrze gazów. Zastosowany układ regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu zapewnia maksymalną sprawność silnika opartego tylko na standardowych, znormalizowanych paliwach. Przedstawiony układ nie nadaje się do regulacji procesu spalania w silniku opartym na niskoenergetycznych, zmiennych paliwach odpadowych uzyskanych z procesów technologicznych w przemyśle chemicznym. Ponadto kontrola tylko kąta wyprzedzenia zapłonu nie zapewnia osiągnięcia maksymalnej sprawności.

Z kolei w opisie patentowym PL214378 ujawniono sposób sterowania procesem spalania w k otle centralnego ogrzewania z palnikiem automatycznym zasilanym paliwem stałym, w którym na podstawie temperatury gazów spalinowych ustalana jest proporcja podawanego paliwa i powietrza. Przedstawiony sposób nie daje się zastosować w silnikach tłokowych, a sama kontrola temperatury spalin nie zapewnia osiągnięcia pożądanych warunków pracy.

PL 222 462 B1

Znane są sposoby powtarzalnego sterowania pracą silnika spalinowego, w których wykorzystuje się wartość temperatury spalin. W sposobach tych nie wykorzystuje się kryterium wartości temper atury gazów spalinowych, jako głównego parametru, określającego najbardziej korzystny przebieg procesu spalania, natomiast wartość temperatury spalin występuje jako parametr odzwierciedlający uśredniony poziom tej części energii odpadowej unoszonej ze spalinami, której przekroczenie determinuje niebezpieczeństwo awarii silnika. Wykorzystywana jest zatem jedynie jego funkcja ograniczająca.

Z publikacji Jacek Hunicz, Kontrolowany samozapłon w silniku benzynowym, Politechnika Lubelska, Lublin 2011, znane są uwarunkowania sterowania parametrów regulacyjnych determinujących proces samozapłonu i spalania w silniku zasilanym benzyną. W przytoczonej publikacji stan energetyczny spalin wykorzystywany jest jako parametr determinujący zapłon ładunku paliwowopowietrznego, jednak determinuje on moment wystąpienia samozapłonu. Występowanie samozapłonu w silnikach o zapłonie iskrowym jest traktowane jako anomalia i powinno być całkowicie wyeliminowane. Przedstawiony sposób kontroli parametrów regulacyjnych nie jest zatem odpowiedni do tłokowych silników o zapłonie iskrowym.

Problemem technicznym stawianym przed niniejszym wynalazkiem jest zaproponowanie takiego sposobu sterowania parametrów regulacyjnych w tłokowym, wielocylindrowym silniku spalinowym o zapłonie iskrowym, by umożliwiał najkorzystniejszy przebieg procesu spalania, indywidualnie w każdym cylindrze, pozwalał osiągnąć największą moc albo największą sprawność albo spełnienie warunku osiągnięcia założonej wartości temperatury spalin, przy czym dynamicznie dostosowywałby kąt wyprzedzenia zapłonu oraz dawkę paliwa (a przez to również współczynnik nadmiaru powietrza) dla każdego z cylindrów osobno względem zmiany parametrów składowych i energetycznych niskoenergetycznego paliwa odpadowego, powstałego w procesach technologicznych przemysłu chemicznego. Zaproponowany wynalazek jest sposobem niestandardowym, który nieoczekiwanie rozwiązał wspomniane problemy techniczne.

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania parametrów regulacyjnych w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym obejmujący jednoczesne sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu i dawką paliwa, charakteryzujący się tym, że mierzy się temperaturę gazów wylotowych w kanale wylotowym każdego cylindra indywidualnie i na podstawie pomiaru temperatury reguluje się indywidualnie dla każdego cylindra kąt wyprzedzenia zapłonu i dawkę paliwa, przy czym regulacja dawki paliwa odbywa się przez dobór czasu otwarcia wtryskiwacza, natomiast regulacja kąta wyprzedzenia zapłonu ustalana jest przez kąt obrotu wału korbowego, przy czym wartość kąta wyprzedzenia zapłonu oraz czasu otwarcia wtryskiwacza dobierane są adaptacyjnie, indywidualnie dla każdego cylindra, na podstawie zmiany temperatury spalin w kanale wylotowym każdego, a adaptacja prowadzona jest do uzyskania jednakowej wartości temperatury spalin w każdym z cylindrów.

Kluczową cechą techniczną procesu jest możliwość doboru wartości kąta wyprzedzenia zapłonu i dawki paliwa indywidualnie dla każdego cylindra, szczególnie silnika wielocylindrowego, z uwagi na różnice w dystrybucji paliwa i powietrza dla każdego cylindra w związku ze zmianą warunków obciążenia i własności paliwa. Regulacja dawki paliwa odbywa się przez dobór czasu otwarcia wtryskiwacza a wartość kąta wyprzedzenia zapłonu ustalana jest przez pomiar kąta obrotu wału korbowego. Wartości kąta wyprzedzenia zapłonu i dawki paliwa mogą być dobierane indywidualnie dla każdego cylindra łącznie lub oddzielnie, w zależności od temperatury spalin mierzonej indywidualnie w kanale wylotowym każdego cylindra w zależności od założonego kryterium (np. moc, sprawność, wymagania ekologiczne).

Wartość kąta wyprzedzenia zapłonu lub czasu otwarcia wtryskiwacza (dawka paliwa) dobierane są adaptacyjnie, indywidualnie dla każdego cylindra, przez sterownik, na podstawie zmiany temperatury spalin w kanale wylotowym każdego cylindra w zależności od założonego kryterium.

W tym sposobie adaptacja polega na uzyskaniu jednakowej wartości temperatury spalin w każdym z cylindrów, a więc uzyskanie równomiernego przebiegu procesów roboczych w każdym z cylindrów, co daje efekt w postaci realizacji założonych kryteriów (np. moc, sprawność, wymagania ekologiczne).

Cechą szczególną przedstawionego sposobu jest jego skuteczność w odniesieniu do różnego typu paliw gazowych i ciekłych, co w stosunku do standardowych rozwiązań nie jest oczywiste.

Zgodnie z wynalazkiem uzyskano sposób sterowania parametrów regulacyjnych w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym obejmujący jednoczesne sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu i współczynnikiem nadmiaru powietrza, w którym mierzy się temperaturę gazów wylotowych w kanale wylotowym każdego cylindra indywidualnie i na podstawie pomiaru temperatury reguluje się kąt

PL 222 462 B1 wyprzedzenia zapłonu i wielkość dawki paliwa (wpływając w ten sposób na współczynnik nadmiaru powietrza) celem utrzymania wymaganych parametrów roboczych silnika, szczególnie przy zmianach parametrów energetycznych dostarczanego paliwa odpadowego.

Zaproponowany sposób umożliwia uzyskanie najbardziej korzystnego przebiegu procesu spalania, indywidualnie w każdym cylindrze wielocylindrowego silnika spalinowego. Najbardziej korzystny, oznacza tu kryterium osiągnięcia największej mocy albo największej sprawności albo spełnienia warunku osiągnięcia założonej wartości temperatury spalin albo spełnienie wymagań ekologicznych. Stosownie do założeń to kryterium pozwala na dobór odpowiedniej wartości współczynnika nadmiaru powietrza mieszanki paliwowo-powietrznej zasilającej silnik oraz na wybór odpowiedniej wartości kąta wyprzedzenia zapłonu. Indywidualny pomiar wartości temperatury spalin umożliwia w ramach ustalonego kryterium: osiągnięcia największej mocy albo największej sprawności albo spełnienia warunku osiągnięcia założonej wartości temperatury spalin, dobór odpowiedniej wartości współczynnika nadmiaru powietrza mieszanki paliwowo-powietrznej oraz na wybór odpowiedniej wartości kąta wyprzedzenia zapłonu indywidualnie w każdym cylindrze, zgodnie ze zindywidualizowanym pomiarem wartości temperatury.

Przykładowe realizacje wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy ilustrujący sposób sterowania parametrów regulacyjnych w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym, fig. 2 przedstawia charakterystykę składu mieszanki silnika MAN zasilanego gazem ziemnym albo wodorem, fig. 3 przedstawia wykres temperatury spalin silnika MAN zasilanego gazem ziemnym albo wodorem w funkcji jego mocy, fig. 4 przedstawia sprawność ogólną silnika MAN zasilanego gazem ziemnym albo wodorem, fig. 5 przedstawia charakterystykę składu mieszanki siln ika MAN zasilanego dwupaliwowo, fig. 6 przedstawia wykres temperatury spalin silnika MAN zasilanego dwupaliwowo, natomiast fig. 7 przedstawia sprawność ogólną silnika MAN zasilanego dwupaliwowo.

P r z y k ł a d

Sposób sterowania parametrów regulacyjnych w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym według jednego z przykładów wykonania niniejszego wynalazku zastosowano do 6-cylindrowego, doładowanego silnika typu MAN E2876 LE302 o objętości skokowej V_s = 12,82 dm , który w konfiguracji fabrycznej posiadał układ zapłonu iskrowego, zasilany był mieszalnikowo gazem ziemnym i przezn aczony był do napędu generatora prądu. Podstawowe parametry techniczne silnika zamieszczono w tabeli 1.

T a b e l a 1

Parametry techniczne badanego silnika

Typ silnika - MAN E2876 LE302
1.	Rodzaj zapłonu	iskrowy, 4-suw.
2.	Układ cylindrów	R, pionowy
3.	Liczba cylindrów	6
4.	Średnica tłoka	128 mm
5.	Skok tłoka	166 mm
6.	Objętość skokowa	12,82 dm³
7.	Geometryczny stopień sprężania	11
8.	Moc znamionowa na gazie ziemnym	200 kW
9.	Znamionowa prędkość obrotowa	1500 1/min
10.	Maksymalny moment obrotowy	1280 Nm
11.	Zużycie gazu ziemnego (dane fabryczne)	58 Nm³/h

Praktyczna realizacja zasilania wyżej wymienionego silnika odpadowymi paliwami z przemysłu chemicznego wymagała skonstruowania i zbudowania specjalnej instalacji paliwowej, odrębnej dla fazy gazowej i ciekłej, w obu przypadkach o konfiguracji zbliżonej do systemu zasilania typu Common Rail. System zasilania paliwem gazowym składał się z sześciu segmentów szyny paliwowej, z których każdy wyposażony został w dwa elektromagnetycznie sterowane wtryskiwacze 3, co ułatwiało precyzyjne sterowanie dawką paliwa w zależności od obciążenia silnika. Podczas zasilania paliwami z przemysłu

PL 222 462 B1 chemicznego wykorzystano świece zapłonowe typu NGK BCRE527Y, w których kanał iskrowy był bardziej wysunięty z głąb komory spalania, co miało szczególnie istotne znaczenie podczas zasilania silnika mieszanką bardzo ubogą. Do sterowania najważniejszymi parametrami regulacyjnymi silnika, takimi jak: wartością dawki paliwa gazowego i ciekłego, wyprzedzeniem zapłonu, otwarciem przepustnicy oraz składem mieszanki palnej (współczynnikiem nadmiaru powietrza), służył programowalny sterownik silnika wyposażony w czujnik spalania stukowego, który jednoznacznie wyznaczał granicę stuku dla każdego z cylindrów, we wszystkich analizowanych warunkach pracy silnika. Przebieg spalania w każdym z cylindrów był ponadto nadzorowany przez termopary, umieszczone w kanale wylotowym każdego z cylindrów, bezpośrednio przy wylocie spalin z głowicy.

Przeprowadzono badania parametrów roboczych dla stałej prędkości obrotowej wynoszącej n = 1500 1/min, co wynikało z przeznaczenia silnika do napędu generatora prądu w agregacie prądotwórczym. Ponieważ testowane paliwa gazowe - wodór i gaz ziemny miały inne właściwości w odniesieniu do zastosowania jako paliwo w silniku spalinowym, istotnym zagadnieniem był dobór właściwego składu mieszanki (Fig. 2). W tym przypadku kryterium oceny pracy silnika podczas zasilania wodorem stanowiła granica spalania stukowego, oceniana czujnikiem stuku oraz temperaturą spalin, która dla badanego silnika nie mogła przekroczyć wartości 700°C. Różnice w wartości składu mieszanki zasilającej silnik były również przyczyną różnicy wartości wydzielania ciepła w cylindrze i temperatury procesu spalania. Podczas, gdy spalanie mieszanki gazu ziemnego z powietrzem ograniczone było maksymalną, dopuszczalną temperaturą spalin wynoszącą 700°C, to zasilając silnik ubogą mieszanką wodoru z powietrzem temperatura spalin osiągała znacząco mniejszą wartość (Fig. 3). Uzyskanie tak pozytywnych rezultatów nie byłoby możliwe bez zastosowania sterowania parametrów regulacyjnych: kąta wyprzedzenia zapłonu i współczynnika nadmiaru powietrza każdego cylindra w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym na podstawie pomiaru temperatury gazów wylotowych. Następnie wyznaczono sprawność ogólną silnika (Fig. 4). Większa wartość sprawności ogólnej dla silnika zasilanego gazem ziemnym wynika głównie z mniejszego udziału mocy strat mechanicznych w stosunku do rozwijanej mocy efektywnej. Biorąc pod uwagę stałą wartość oporów mechanicznych silnika, jak również mniejszą moc indykowaną, rozwijaną przez silnik zasilany wodorem, wynikiem jest mniejsza wartość sprawności ogólnej. W obu rozpatrywanych przypadkach sprawność ogólna silnika jest jednak duża i podczas zasilania gazem ziemnym jej maksymalna wartość wynosi ok. 42% a podczas zasilania wodorem ok. 37%.

W dalszym etapie opracowano program badawczy realizujący strategię zróżnicowanej podaży strumienia energii chemicznej, związanej z bieżącą dostępnością zarówno paliwa gazowego jak i paliwa w fazie ciekłej, celem realizacji dwupaliwowego zasilania silnika (Fig. 5). W przypadku oznaczonym na wykresie jako H2 + mix1 moc silnika wynoszącą 100 kW uzyskano zasilając silnik wyłącznie wodorem. Dalszy wzrost mocy silnika, aż do 140 kW uzyskiwano zwiększając dawkę tylko fazy ciekłej, przy stałym zużyciu wodoru. Dla przypadku H2 + mix2, moc 130 kW otrzymano podczas zasilania silnika tylko wodorem. Dopiero powyżej tej mocy do silnika dostarczano dodatkowo paliwo ciekłe. W obu przypadkach faza ciekła składała się z mieszaniny 50% n-butanolu i 50% izo-butanolu. Paliwo to oznaczono roboczo jako MIX. W przypadku zastosowania wyłącznie fazy ciekłej, moc silnika była ograniczona do 105 kW, ponieważ praca silnika w trybie zasilania wyłącznie fazą ciekłą, powodowała zjawisko przenikania paliwa do oleju smarującego. Związane to było głównie z niedoskonałym proc esem rozpylenia fazy ciekłej podczas tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej. Poprzez dawkowanie fazy ciekłej uzyskano możliwość rozszerzenia rozporządzalnego zakresu obciążenia (od Ne = 150 kW przy zasilaniu czystym wodorem), do punktu w polu pracy silnika (Ne = 190 kW przy zasilaniu dwupaliwowym) , który przy zasilaniu czystym wodorem nie był możliwy do uzyskania, ponieważ występowały anomalie procesu spalania. Różnice w sposobie regulacji mocy silnika były również przyczyną różnicy wartości wydzielania ciepła w cylindrze i temperatury procesu spalania. Podczas, gdy spalanie fazy ciekłej ograniczone było maksymalną, dopuszczalną temperaturą spalin wynoszącą 700°C, to zasilając silnik ubogą mieszanką czystego wodoru z powietrzem lub ubogą mieszanką dwupaliwową, temperatura spalin osiągała znacząco mniejszą wartość (Fig. 6). Wizualizacja przebiegu zmian wartości sprawności ogólnej w zależności od obciążenia została przedstawiona na Fig. 7. Z omówionych już powyżej powodów oraz ze względu na wzrost pracy wymiany ładunku spowodowany ilościową regulacją mocy, sprawność ogólna silnika zasilanego tylko fazą ciekłą nie przekraczała 27%. W przypadku zasilania dwupaliwowego uzyskano porównywalne wyniki w stosunku do zasilania cz ystym wodorem (ok. 37%), z jednoczesnym rozszerzeniem zakresu obciążenia. Uzyskanie tak pozytywnych rezultatów nie byłoby możliwe bez zastosowania sterowania parametrów regulacyjnych:

PL 222 462 B1 kąta wyprzedzenia zapłonu i współczynnika nadmiaru powietrza każdego cylindra w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym na podstawie pomiaru temperatury gazów wylotowych.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

Sposób sterowania parametrów regulacyjnych w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym obejmujący jednoczesne sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu i dawką paliwa, znamienny tym, że mierzy się temperaturę gazów wylotowych w kanale wylotowym każdego cylindra indywidualnie i na podstawie pomiaru temperatury reguluje się indywidualnie dla każdego cylindra kąt wyprzedzenia zapłonu i dawkę paliwa, przy czym regulacja dawki paliwa odbywa się przez dobór czasu otwarcia wtryskiwacza, natomiast regulacja kąta wyprzedzenia zapłonu ustalana jest przez kąt obrotu wału korbowego, przy czym wartość kąta wyprzedzenia zapłonu oraz czasu otwarcia wtryskiwacza dobiera się adaptacyjnie, indywidualnie dla każdego cylindra, na podstawie zmiany temperatury spalin w kanale wylotowym każdego, a adaptację prowadzi się do uzyskania jednakowej wartości temperatury spalin w każdym z cylindrów.

PL 222 462 B1

Rysunki

PL 222 462 B1

750

700

650 «

550

500

450

400

i 4 !Z ™ >*' “flś a — CN «» H2 G 1 i X? /' / ,X j t__ *— j ¹ 1 ¹ 1 1 ' 1 1 1 i' i

40 60 80 500 120 140 160 180 200 220 Ne [kW]

D,,. - Z z z ™<™· CNG z / ' _a 'Ύ 7 / // iĄ / / // 7 ! ......I...... i 1 1 1 ¹ ""1..... 1 ł

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

NeikW]

Fig. 4

PL 222 462 B1

Ne [kWJ

Fig. 5

NejkW]

Fig. 6

PL 222 462 B1

40 60 80 100 120 140 160 160 200 220

Ne[kW]

Fig. 7

Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)