3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym
3.2. Klasyfikacja systemów zasilania gazem ziemnym
Klasyfikacja systemów zasilania gazem ziemnym może być przeprowadzona w wie-lu aspektach, jednak najczęściej przeprowadza się ją w odniesieniu do miejsca instala-cji, sposobu magazynowania gazu ziemnego oraz sposobu jego dawkowania.
Ze względu na miejsce montażu instalacje zasilania gazem ziemnym można podzie-lić na:
fabryczne,
nakładkowe.
Instalacje fabryczne to takie, w które pojazd jest wyposażony już na etapie produkcji.
To producent dobiera odpowiednie elementy układu, zapewnia ustawienie wymaganych parametrów. Można zatem stwierdzić, że wszystkie układy silnika są dobrane pod ką-tem zasilania paliwem gazowym. Dotyczy to przede wszystkim układów dolotowego, paliwowego, zapłonowego, wylotowego (w szczególności katalitycznego układu oczyszczania spalin) oraz kwestii kształtu komory spalania, umieszczenia świecy bądź świec zapłonowych. W układzie dolotowym stosuje się odpowiednie modyfikacje żeby w odpowiednim miejscu zainstalować elementy odpowiadające za dawkowanie paliwa gazowego, również kształt kolektora dolotowego jest tak projektowany aby ograniczyć zjawisko wybuchów (problem często spotykany w starszych generacjach instalacji ga-zowych). W zależności od tego czy dany silnik będzie zasilany tylko paliwem gazo-wym, czy też będzie to silnik zasilany dwupaliwowo, będzie występowała instalacja doprowadzająca paliwo gazowe i odpowiednio paliwo ciekłe.
Pod pojęciem – nakładkowe systemy zasilania gazem należy rozumieć systemy do-datkowo montowane przez użytkowników do już istniejących fabrycznych systemów zasilania benzyną [80]. Konwersji zasilania silnika pojazdu dokonują wyspecjalizowane zakłady montażu posiadające odpowiednie uprawnienia. Istnieje wielu producentów, którzy w swojej ofercie posiadają zestawy do przystosowania wielu pojazdów samo-chodowych do zasilania paliwem gazowym.
Kolejnego podziału instalacji zasilania gazem ziemnym można dokonać ze względu na sposób przechowywania paliwa w pojeździe. Z uwagi na fakt, że gaz ziemny charak-teryzuje się małą gęstością energii zawartej w jednostce objętości, w praktyce stosuje się dwa sposoby magazynowania gazu ziemnego: w postaci sprężonej oraz w postaci skroplonej [103]:
‒ sprężony do ciśnienia ok. 25 MPa (CNG), sprężany w odpowiednich stacjach sprężania i przechowywany w pojazdach w specjalnych zbiornikach wysokociśnienio-wych,
‒ skroplony, w temperaturze –162 oC (LNG – Liquefied Natural Gas) – wymagają-cy wcześniejszego skroplenia i przechowywany jest w pojazdach w specjalnych zbior-nikach o odpowiedniej izolacji termicznej.
Gaz ziemny po skropleniu zajmuje około 600-krotnie mniejszą objętość. W tej po-staci zmagazynowana energia w jednostce objętości odpowiada ok. 75%
zmagazyno-wanej energii w benzynie silnikowej oraz jest ponad 3-krotnie większa niż w przypadku sprężenia gazu ziemnego do ciśnienia 20 MPa. Dzięki temu zmagazynowanie gazu ziemnego w takiej postaci zajmuje mniej miejsca w porównaniu z tą samą ilością ener-gii zgromadzonej w sprężonym gazie ziemnym.
Konstrukcja systemów zasilania paliwami gazowymi przez lata była rozwijana, tak aby umożliwiać przystosowywanie do zasilania gazem silników wyposażonych w coraz to nowsze systemy zasilania benzyną. Przyjmuje się, że ze względu na sposób przygo-towania mieszanki paliwowo-powietrznej systemy zasilania gazem dzieli się na pięć generacji. Podział ten obowiązuje zarówno dla instalacji zasilania gazem ziemnym (CNG), jak i gazem płynnym (LPG).
Instalacje pierwszej generacji to najstarsze rozwiązanie umożliwiające przystoso-wanie do zasilania paliwem gazowym silników gaźnikowych. Paliwo gazowe podawane jest przez mieszalnik umieszczony między gaźnikiem a filtrem powietrza. Mieszalnik powoduje zmianę ciśnienia w układzie dolotowym, które niezbędne jest do właściwego wymieszania paliwa gazowego z powietrzem. Mieszalniki występują w różnych for-mach wykonania np.: palnikowy, rurkowy, prosty. Najczęściej są dedykowane do kon-kretnego typu układu zasilania (gaźnika) i od właściwego doboru mieszalnika do insta-lacji zasilania w przeważającej mierze zależy późniejsze działanie gazowego układu zasilania. Podciśnienie wywołane przez mieszalnik służy również do zmiany wydatku gazu przez reduktor gazu. Reduktor gazu posiada dwa stopnie redukcji. W przypadku instalacji CNG w pierwszym stopniu następuje redukcja ciśnienia z poziomu ciśnienia panującego w zbiorniku gazu (maksymalnie od ok. 23 MPa) do poziomu ciśnienia ok.
0,1 MPa [95]. Gwałtownemu spadkowi ciśnienia gazu w zbiorniku do wartości z pierw-szego stopnia redukcji towarzyszy gwałtowne pobieranie ciepła ze ścianek reduktora.
Aby zbilansować ciepło pobrane podczas rozprężania gazu, reduktor włączony jest w układ chłodzenia silnika. Ciepło odebrane z płynu chłodzącego silnik bilansuje ciepło niezbędne do prawidłowej pracy reduktora, zapobiegając jego ewentualnemu oblodze-niu. Drugi stopień reduktora odpowiada za dawkowanie ilości gazu potrzebnego do wy-tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej. Wzrost podciśnienia wytworzonego przez mieszalnik powoduje przesunięcie membrany w reduktorze, która połączona z zaworem dozującym zwiększa ilość gazu dostarczanego do mieszalnika. Dodatkowo na przewo-dzie doprowadzającym gaz z reduktora do mieszalnika zamontowany jest zawór dła-wiący, mający za zadanie regulację wydatku gazu z reduktora w zależności od różnicy ciśnienia na przeponie drugiego stopnia reduktora. Poprawność działania tego typu in-stalacji zależy w dużym stopniu od zastosowanych elementów, poprawności montażu oraz ich regulacji. Regulacji dokonuje się przeważnie doświadczalnie; celem jest za-pewnienie optymalnego składu mieszanki w każdym punkcie pracy silnika. Niestety systemy te nie gwarantują poprawnego składu mieszanki w całym zakresie pracy silni-ka. Brak tu rozwiązań umożliwiających korektę składu mieszanki w zależności od punktu pracy. Układ zasilania pierwszej generacji można porównać do gaźnika elemen-tarnego z układu zasilania benzyną. Do wad tego rodzaju układów można zaliczyć: brak jakichkolwiek dodatkowych układów umożliwiających wzbogacenia mieszanki, bądź też układów oszczędzających paliwo, tak jak w przypadku zawansowanych gaźników.
Do zalet tego rodzaju układów zasilania niewątpliwie należy prosta konstrukcja. Jest to jedyny system zasilania gazowego umożliwiający konwersję gaźnikowego silnika spali-nowego.
Układy drugiej generacji różnią się od poprzednich rozwiązań zastosowaniem zamiast stałej regulacji znajdującej się na przewodzie gazowym między reduktorem a mieszalnikiem, zaworu regulującego przepływ gazu z wykorzystaniem silnika kroko-wego. Zawór ten sterowany jest za pomącą urządzenia sterującego, które ma możliwość
odczytu sygnałów z czujnika stężenia tlenu (sondy lambda), jak również i z innych czujników silnika. Wprowadzenie elektronicznie sterowanego zaworu regulującego przepływ gazu umożliwiła zachowanie stechiometrycznego składu mieszanki paliwo-wo-powietrznej w dużo większym zakresie pracy silnika, niż miało to miejsce w przy-padku poprzedniej generacji.
Instalacje gazowe drugiej generacji można stosować do silników gaźnikowych wy-posażonych w czujnik stężenia tlenu, oraz do silników zasilanych wtryskowo, systemem wtrysku jednopunktowego oraz wielopunktowego. W celu poprawnego rozdziału mie-szanki paliwowo-powietrznej do poszczególnych cylindrów odległość od mieszalnika do zaworu/zaworów dolotowych poszczególnych cylindrów musi być jednakowa.
W przypadku kolektorów niesymetrycznych, występujących szczególnie w silnikach zasilanych wielopunktowym wtryskiem pośrednim nie ma możliwości uzyskania rów-nomiernego rozdziału mieszanki.
Aktualne wymogi dopuszczalnej emisji związków toksycznych w spalinach spowo-dowały, że praktycznie tylko instalacje trzeciej i czwartej generacji oraz nowsze roz-wiązania techniczne są w stanie im sprostać. Celowo zatem nie dokonano w niniejszej pracy opisu działania instalacji mieszalnikowych (pierwszej i drugiej generacji). Po pierwsze ich stosowanie najczęściej nie miało nic wspólnego z polepszeniem właściwo-ści ekologicznych pojazdu, było najczęwłaściwo-ściej powodowane chęcią uzyskania korzywłaściwo-ści ekonomicznych spowodowanych atrakcyjną ceną paliwa gazowego w porównaniu z ceną benzyny. Po drugie, żaden z producentów samochodów nie montował tego typu instalacji jako fabrycznego wyposażenia pojazdu.
Zastosowanie w układzie wylotowym reaktora katalitycznego niesie konieczność za-silania silnika mieszanką o składzie stechiometrycznym. Dopiero wtedy reaktor osiąga najwyższą sprawność. Jedynie instalacje od trzeciej generacji wzwyż są w stanie tak dokładnie dawkować paliwo, aby uzyskać wymagany skład mieszanki paliwowo-powietrznej w szerokim zakresie pracy silnika spalinowego.
Również pojazdy fabrycznie przystosowane do zasilania gazem ziemnym to pojazdy wyposażone w instalacje trzeciej, bądź w przypadku pojazdów najnowszych, czwartej generacji. W instalacjach wtrysku gazu paliwo dawkowane jest w pobliżu miejsca po-dawania benzyny. Jest to cecha wspólna dla instalacji trzeciej i czwartej generacji. Ist-nieją jednak różnice w sposobie dawkowania gazu i sposobie sterowania gazowym układem zasilania.
W układach trzeciej generacji w reduktorze następuje zmniejszenie ciśnienia gazu od wartości panującej w zbiornikach gazu do wartości roboczej. Wartość robocza ci-śnienia za reduktorem, dzięki zastosowaniu układu kompensacji umożliwia utrzymanie stałej wartości nadciśnienia w stosunku do ciśnienia panującego w kolektorze doloto-wym. Następnie gaz dostarczany jest do dystrybutora gazu, który odpowiedzialny jest za odpowiednie dawkowanie gazu do silnika. Z dystrybutora gaz trafia do rozdzielacza, z którego kierowany jest do kolektora dolotowego silnika. Liczba wyjść z rozdzielacza odpowiada liczbie cylindrów silnika. Dystrybutor to zespół najczęściej dwóch zaworów elektromagnetycznych, z których jeden odpowiada za zamykanie i otwieranie dopływu gazu, natomiast drugi pełni funkcję zaworu regulującego przepływ gazu z reduktora do rozdzielacza. Jednostka sterująca gazowym układem zasilania na podstawie sygnałów prędkości obrotowej silnika, podciśnienia w kolektorze dolotowym oraz sygnałów z czujnika stężenia tlenu, sterując zaworem regulującym w dystrybutorze ustala skład mieszanki paliwowo-powietrznej. Dodatkowo na podstawie sygnałów z czujników ci-śnienia gazu za reduktorem oraz temperatury gazu za reduktorem istnieje możliwość wprowadzenia korekty odnośnie ilości dawkowanego gazu. Urządzenie sterujące ma zapisaną dwuwymiarową mapę wtrysku: w zależności od obciążenia i prędkości
obro-towej silnika odpowiednio steruje zaworem regulującym w dystrybutorze. Automatycz-ne przełączanie zasilania z benzynowego na gazowe realizowaAutomatycz-ne jest z wykorzystaniem sygnału z czujnika temperatury reduktora; jeżeli temperatura osiągnęła założoną war-tość następowało przełączenie rodzaju zasilania.
Przewagę układów trzeciej generacji nad układami mieszalnikowymi stanowią prze-de wszystkim takie cechy jak [80]:
‒ dostarczenie paliwa gazowego w pobliżu zaworu dolotowego analogicznie do umieszczenia wtryskiwaczy benzynowych, co zminimalizowało możliwość wystąpienia zapłonów mieszanki w kolektorze dolotowym,
‒ wyeliminowanie konieczności dodatkowego dławienia przez mieszalniki, kryzy w układzie dolotowym, przez to nie zmienia się jakość pracy silnika na benzynie po zamontowaniu gazowego układu zasilania,
‒ zapewnienie stabilnego sterowania składem mieszanki przez sterownik gazowego układu zasilania z wykorzystaniem mapy wtrysku i wprowadzeniu odpowiednich korekt w zależności od warunków pracy silnika,
‒ poprawa stabilności oraz precyzji w sterowaniu składu mieszanki korzystnie wpływa na trwałość silnika i reaktora katalitycznego,
‒ zakłócenia ciśnienia w kolektorze: napór wiatru, zabrudzony filtr itp. nie wpływa-ją na jakość pracy gazowej instalacji zasilania,
‒ możliwość automatycznego przełączania rodzaju paliw.
Ciągły rozwój układów zasilania spowodował, że instalacje trzeciej generacji nie by-ły w stanie odpowiednio zarządzać dawkowaniem paliwa gazowego, aby zapewnić eks-ploatację silnika na paliwie alternatywnym bliskiej eksploatacji na benzynie. Okazało się, że sygnał prędkości obrotowej i obciążenia (podciśnienia w kolektorze dolotowym) oraz mapa wtrysku zaprogramowana w urządzeniu sterującym instalacji zasilania ga-zem nie wystarczają do właściwego i precyzyjnego wytworzenia mieszanki paliwowo- -powietrznej. Układy sterujące pracą silnika zasilanego wielopunktowym wtryskiem benzyny korzystają nie tylko z sygnałów niezbędnych do prawidłowej pracy silnika i uzyskania jak najmniejszej emisji związków toksycznych w spalinach.
Istotą działania sterowania gazowego układu zasilania czwartej generacji jest wyko-rzystanie sygnału sterującego czasem otwarcia wtryskiwacza benzynowego do określe-nia wymaganej dawki paliwa gazowego. Dzięki temu sterownik układu gazowego może korzystać z wszystkich dodatkowych informacji, jakie wykorzystywane są do określenia dawki paliwa płynnego w każdym punkcie pracy silnika. Cecha ta spowodowała prak-tycznie wyparcie z rynku instalacji trzeciej generacji.
Reduktor gazu w instalacji czwartej generacji pozostał identyczny z tym stosowanym poprzednio. W miejscu dystrybutora i rozdzielacza zastosowano zespół elektrowtryski-waczy o liczbie sekcji odpowiedniej do liczby cylindrów silnika.
Konwersja silnika do bezpośredniego wtrysku paliwa (system piątej generacji) wymaga modyfikacji lub wymiany głowicy tak, aby pomieścić wtryskiwacze. W przy-padku wielozaworowych silników o zapłonie iskrowym jest to zadanie bardzo trudne z uwagi na brak miejsca w głowicy. Rozwiązaniem jest system SPFI (spark plug fuel injector) [96]. Konwersja polega na wymianie świec zapłonowych na świece typu SPFI, które są wyposażone w kanały umożliwiające dostarczanie do komór spalania paliwa gazowego. Dzięki temu rozwiązaniu konwersja silnika może być stosunkowo tania, a zastosowanie wtrysku bezpośredniego przekłada się na możliwość uzyskiwania para-metrów niedostępnych dla wersji zasilanych przez układy wtryskowe dawkujące paliwo gazowe do kanałów dolotowych kolektora.
Zastosowanie technologii SPFI daje jednak taką możliwość, nawet w warunkach ad-aptacji silnika do zasilania gazowego (rys. 3.9). Wtrysk paliwa do komory spalania i występujący w jego trakcie efekt chłodzenia wskutek parowania paliwa zmniejsza niebezpieczeństwo wystąpienia spalania stukowego, dzięki czemu można zwiększyć stopień sprężania i zastosować doładowanie. Dodatkowym efektem zwiększenia stopnia sprężania jest poprawa wymiany ładunku w cylindrze. Brak paliwa w kanałach doloto-wych przy bezpośrednim wtrysku paliwa zwiększa współczynnik napełnienia (można dostarczyć większą masę paliwa do cylindra). Czynniki te wpływają pozytywnie na sprawność silnika, której wartość zwiększa się. Przekłada się to na możliwość uzyski-wania większych parametrów jednostki napędowej przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia paliwa. Wtrysk bezpośredni zwiększa także sprawność cieplną silnika przez odpowiednie uwarstwienie ładunku w komorze spalania. W różnych jej rejonach mie-szanka paliwowo-powietrzna ma różny współczynnik nadmiaru powietrza, warunkujący zdolność do zapłonu. Mieszanka o składzie stechiometrycznym jest zgromadzona wokół świecy zapłonowej. Jest ona otoczona przez warstwę powietrza, która tworzy barierę termiczną ograniczającą przepływ ciepła do ścianek komory spalania, co skutkuje wła-śnie zwiększeniem sprawności cieplnej.
Rys. 3.9. Połączenie świecy zapłonowej i wtryskiwacza gazu [96]
W systemie piątej generacji możliwe jest zastosowanie świecy zapłonowej z wyko-nanym wzdłuż niej kanałem dostarczającym gaz. W części gwintowanej świecy ma on wymiary 1 × 2 mm. Do tego kanału przylutowana jest rurka dostarczająca paliwo ga-zowe z wtryskiwacza. Odległość między wtryskiwaczem, a ujściem końcówki kanału w komorze spalania wynosi około 110 mm. Do wtryskiwacza dostarczane jest paliwo gazowe pod odpowiednim ciśnieniem zależnym od ciśnienia w cylindrze (rys. 3.10).
Podobnie jak w innych systemach dawkę reguluje się przez zmienny czas wtrysku gazu.
System SPFI był badany w silniku Ricadro E6 (badawczy silnik o zmiennym stopniu sprężania służący do oceny efektywności różnych mieszanek paliwowych). Badania pozwoliły na porównanie tego rodzaju zasilania z optymalnie skalibrowanym systemem wtrysku gazu do kanałów dolotowych. System SPFI charakteryzuje się nieco mniejszą wydajnością w stosunku do systemów wtrysku gazu do kanałów dolotowych, chociaż sprawność wolumetryczna (objętościowa) jest znacznie większa. Jest to wynik ograni-czeń przestrzeni, w jakiej powstaje mieszanka gazowo-powietrzna oraz czasu jej po-wstawania. Skutkuje to słabym wymieszaniem paliwa z powietrzem. Dodatkowo, gaz jest wtryskiwany w kierunku od elektrod świecy zapłonowej w chwili zapłonu. Powo-duje to, że trudno w pobliżu świecy zapłonowej uzyskać mieszankę stechiometryczną.
Rys. 3.10. Wtryskiwacz SPFI zabudowany w silniku
Pomimo że spalanie metanu wtryskiwanego bezpośredniego do komór spalania jest szybsze w stosunku do systemów wtrysku gazu do kanałów dolotowych w początkowej fazie przebiega ono wolniej. Wynika to z uwarstwienia ładunku. Przeprowadzone bada-nia potwierdziły [96], że proces bezpośredniego wtrysku jest zgodny z danymi dostęp-nymi w literaturze i stosunkowo łatwy do kontrolowania. Dopracowanie układu popra-wi parametry uzyskane w trakcie wstępnych badań systemu SPFI, który mógłby stać się podstawowym rozwiązaniem do adaptacji silników do zasilania gazowego.