Z E SZY TY N A U K O W E PO L IT EC H N IK I Ś LĄ SK IEJ Seria: T R A N S P O R T z. 41
2000 N r kol. 1491
M arek FLE K IEW IC Z G rzegorz K U B IC A
ZASILANIE WTRYSKOWE GAZEM ZIEMNYM - CNG. ANALIZA PRAWIDŁOWOŚCI DOBORU PARAMETRÓW UKŁADU
WTRYSKOWEGO
S tre szc ze n ie . W pracy przedstaw iono analizę praw idłow ości doboru param etrów układu w tryskow ego przystosow anego do zasilania silnika PER K IN S AD3 152G sprężonym gazem ziem nym . O pierając się na w ynikach badań m odelow ych i stanow iskow ych sform ułow ano w ym agania, ja k ie pow inien spełniać układ w tryskow y. O kreślono charakterystykę daw kow ania p aliw a oraz częstotliw ość i czas otw arcia w tryskiw aczy. N astępnie dokonano obliczeń w ym aganego w ydatku w tryskiw acza i w ybrano odpow iedni układ w tryskow y, który zapew nia spełnienie postaw ionych przed nim w ym agań. N iniejsza praca stanow i teoretyczne opracow anie, które poprzedza praktyczne zastosow anie opisanego rozw iązania.
COMPRESSED NATURAL GAS (CNG) - INJECTION APPLIED TO COMBUSTION ENGINES
S u m m a ry . T he analysis o f selecting criterions o f CN G injection system adapted to filling PER K IN S AD3 152G engine was presented in this paper. The requirem ents for injection system w are form ulated in the base on m odel calculations and stand tests results. This way, fuel efficiency profile and injector tim ing w ere determ ined. T he counting o f injector efficiency w as included in the next stage o f research and requisite finally suitable to engine requirem ents injections system w as chose. These theoretical aspects presented in this paper go before a practical application described injection system.
1. W P R O W A D Z E N IE
N iniejsze opracow anie przedstaw ia w yniki badań m odelow ych i stanow iskow ych silnika gazow ego P ER K IN S A D 152G prow adzonych w Instytucie T ransportu P olitechniki Śląskiej.
P rzeprow adzone dotychczas badania pozw oliły m iędzy innym i na określenie w pływ u zmiany rodzaju system u zasilania na spraw ność napełnienia silnika i m oc efek ty w n ą silnika w przypadku, gdy system zasilania klasycznego je s t zastąpiony w tryskiem gazu do kolektora d o lo to w eg o fl).
8 M. Flekiew icz, G. K ubica
Z naczący w zrost tych param etrów był podstaw ą rozszerzenia zakresu badań, które między innym i ob ejm u ją określenie w ym agań technicznych dla układu w trysku p aliw a gazow ego, a w szczególności:
• m aksym alnej daw ki paliw a,
• częstotliw ości i czasu otw arcia w tryskiw aczy,
• doboru w ydatku w tryskiw acza.
Param etry te określono dokonując porów nania m aksym alnego w ydatku w tryskiw acza z zapotrzebow aniem paliw a przez silnik, w ynikającym z zapew nienia w ym aganej mocy w określonych w arunkach obciążenia silnika.
2. J E D N O S T K O W E Z U Ż Y C IE P A L IW A I M O C B A D A N E G O S IL N IK A
2.1. C harakterystyka silnik a gazow ego i w łasności paliwa
Podstaw ę obliczeń m odelow ych stanow iły następujące w łasności fizykochem iczne paliwa gazow ego oraz param etry silnika:
T abela 1 D ane odnośnie do silnika i zastosow anego paliw a gazow ego silnik: PERKINS AD3.152G
Nazwa wielkości Symbol Wartość Jednostka
Liczba cylindrów i 3
Objętość skokowa cylindra Vs 0,000834 m3
Otwarcie zaworu ssącego fiO 137 ' przed GMP
Zamknięcie zaworu ssącego fil 134 ' po GMP
Stopień sprężania eps 9,5
paliwo: sprężony gaz ziemny (CNG)
Nazwa wielkości Symbol Wartość Jednostka
Udział masowy wodoru h 0,25
Molowe zapotrzebowanie pow. Lm 0,609 kmol/kg Obj. Zapotrzebowanie powietrza Lv 13,45 m3/kg
Masa cząsteczkowa miesz. Mu 28,63 kg/kmol
Masa cząsteczkowa spalin Mb 27,45 kg/kmol
Wartość opałowa miesz.stech. Wu 3,4 MJ/m3
V\fertość opałowa paliwa Wd 35,8 MJ/m3
Wartość opałowa paliwa Wd 49,93 MJ/kg
Gęstość gazu ziemnego (101,3 kPa;0'C) Ro 830 g/m3
Z asilanie w tryskow e gazem ziem nym .. 9
Rys. 1. S ch em at zastosow anego układu w tryskow ego Fig. 1. T he schem e o f used injection system
Rys. 2. Przekrój ko lek to ra dolotow ego z zabudow anym i w tryskiw aczam i CNG Fig. 2. S ection o f inlet m anifold w ith CNG injectors
10 M. Flekiew icz, G. K ubica
2.2. D aw ka paliw a p rzypadająca na jeden cykl/cylinder
P o d staw ą do obliczenia jednostkow ego zużycia paliw a oraz w ym aganego w ydatku w try sk iw ac za jest daw ka paliw a spalana w cylindrze silnika podczas jed n eg o cyklu. W ielkość tej daw ki p aliw a określono z następującej zależności [2]:
(1)
gdzie:
V , - pojem ność skokow a cylindra [m3], r |v - w sp. napełnienia cylindra,
X - w sp. nadm iaru pow ietrza,
L v - objętościow e zapotrzebow anie pow ietrza [m3/kgj.
P oniew aż spraw ność napełnienia r)y zależy od prędkości obrotow ej silnika, stąd też dla silnika P ER K IN S A D 3.152G charakterystykę r |v= f(n) w yznaczono na podstaw ie w yników w cześniejszych badań stanow iskow ych tego silnika (rys 3.)[1, 3], A proksym ow ane w yniki, uzyskane przy p ełnym otw arciu przepustnicy, opisano następującym w ielom ianem :
Tjv = 9 * 1 0 ' 16 * n s - 1 * 10~12 * n* + 2 * 1(T8 * n 3 - 3 * 1(T5 * n 2 + 0,0163 * n - 3,1993 (2)
Sprawność napełnienia silnika
1 0,9 0.8 .2 0,7
® 0,6
f 0.5
" 0,4 g- 0,3 0,2 0.1 0
0 500 1000 1500 2000 2500
p rę d k o ś ć ob r.[o b r/m in ]
y = 9E-16xs - 7E-12X4 + 2E-08X1 - 3E-05x! + 0,0163x - 3,1993
R1 = 0,9988
Rys. 3. W pływ p ręd k o ści obrotow ej n a zm ian ę spraw ności n ap ełn ien ia badanego siln ik a przy pełnym otw arciu przepustnicy
Fig. 3. T he function o f fillin g ratio in d epend on engine speed w hen throttle is full open
Z asilanie w tryskow e gazem ziem nym .. 11
W spółczynnik nadm iaru pow ietrza przy założeniu zasilania silnika m ieszaniną stechiom etryczną p rzyjm uję ja k o k = l. W yniki obliczeń w ielkości daw ki p aliw a w zależności od prędkości obrotow ej n [obr/min] oraz stopnia otw arcia przepustnicy zestaw iono w tabeli 2.
Tabela 2 D aw ka paliw a dla jednego cylindra na jed en cykl pracy B[g]
Prędkość obr[obr/min]
Otw. przepustnicy
850 1000 1250 1500 1750 2000 2300
pełne 0,053 0,053 0,054 0,056 0,056 0,050 0,043
3/4 0,040 0,040 0,040 0,042 0,042 0,037 0,033
połowa 0,026 0,026 0,027 0,028 0,028 0,025 0,022
2.3. S ek un dow e i god zin ow e zu życie paliwa
M aksym alny w ydatek w tryskiw acza je s t zazw yczaj określany w [g/s]. S tąd też, korzystając z w yników zaw artych w tabeli 2, obliczono zapotrzebow anie p aliw a w ciągu sekundy, dla jednego cylindra.
_ B * n r , i
(3)
gdzie:
n - prędkość obrotow a silnika [obr/min].
U zyskane w yniki obliczeń zestaw iono w tabeli 3.
Tabela 3 Sekundow e zużycie paliw a dla jednego cylindra G,[g/s]
Prędkość obrjobr/min]
Otw. przepustnicy
850 1000 1250 1500 1750 2000 2300
pełne 0,373 0,439 0,549 0,659 0,769 0,878 1,010
3/4 0,280 0,329 0,412 0,494 0,576 0,659 0,758
połowa 0,187 0,220 0,275 0,329 0,384 0,439 0,505
G odzinow e zużycie paliw a dla całego silnika, które pozw ala na określenie średniego jednostkow ego zużycia p aliw a ( g j , obliczono w ykorzystując zależność (4)
Gh = 3600 * G S * i[g /ń ] (4)
12 M . F lekiew icz, G. K ubica
gdzie:
i - liczba cylindrów silnika.
Tabela 4
G odzinow e zużycie paliw a przez silnik G h [g/h]
Prędkość obr[obr/min]
Otw. przepustnicy
850 1000 1250 1500 1750 2000 2300
pełne 0,373 0,439 0,562 0,698 0,814 0,827 0,832
3/4 0,280 0,329 0,421 0,523 0,610 0,620 0,624
połowa 0,187 0,220 0,281 0,349 0,407 0,413 0,416
2.4. M oc efektyw na badan ego silnika
W yniki obliczeń sy m ulacyjnych m ocy silnika (m odelu m atem atycznego [4]), zestaw iono w tabeli 5. N atom iast na rysunku 5 przedstaw iono w yniki graficznie w funkcji prędkości . obrotow ej.
Tabela 5
M oc efektyw na silnika N e [kW] zasilanego CNG w całym zakresie prędkości obrotowej Prędkość obr[obr/min]
Otw. przepustnicy
850 1000 1250 1500 1750 2000 2300
pełne 9,73 12,23 16,63 21,10 25,52 26,04 26,50
3/4 7,76 9,72 13,08 16,50 19,13 20,57 20,91
połowa 5,70 7,10 9,69 12,11 14,58 15,10 15,65
2.5. Jed n ostk ow e zu życie paliwa
s , = § 4 i r / H (5 )
■* e
gdzie:
N e - m oc efektyw na silnika [kW].
Zasilanie w tryskow e gazem ziem nym .. 13
Rys. 4. M oc siln ik a o b liczo n a d la różnych stopni otw arcia przepustnicy Fig. 4. T h e en g in e p o w er in d ependent on variable throttle opening ratio
U zyskane w yniki obliczeń m ocy silnika um ożliw iły określenie jednostkow ego zużycia paliw a w całym zakresie prędkości obrotowej silnika dla różnych stopni otwarcia przepustnicy. U zyskane w artości g, przedstaw iono w tabeli 6, natom iast charakterystykę jednostkow ego zużycia paliw a zilustrow ano n a w ykresie (rys.5).
Tabela 6 W artości je d nostkow ego zużycia paliw a ge[g/kW h] d la różnych stopni otw arcia
przepustnicy Prędkość obrtobr/min]
Otw. przepustnicy
850 1000 1250 1500 1750 2000 2300
petne 414,39 387,86 364,94 357,06 344,42 342,90 339,05
3/4 389,69 366,02 347,99 342,45 327,48 325,56 322,27
połowa 353,69 334,05 313,16 311,06 301,43 295,66 287,06
14 M. Flekiew icz, G. K ubica
4 5 0 .0 0
350,00
g, 3 0 0 ,0 0 4 0 0 ,0 0
P olow a otw arcia 2 5 0 ,0 0
200,00
500 1000 1500
o b r o ty siln ik a [obr/m in]
2000 2500
Rys. 5. C h arak tery sty k a jed n o stk o w eg o zu ży cia paliw a g . [g/kW h]
Fig. 5. T he sp ecific consum ption fuel profile
3. O K R E ŚL E N IE W Y M A G A N E G O W Y D A T K U W T R Y SK IW A C Z A
3.1. T eoretyczn y czas w trysk iw ania paliw a
O kreślenie zapotrzebow ania na paliw o przez badany silnik pozw oliło ustalić w ym agany w ydatek dobieranego w tryskiw acza. O kreślenie w ydatku w tryskiw acza poprzedzono jednak an alizą czasu trw ania fazy w trysku paliw a. Czas trw ania pełnego obiegu je s t uzależniony od prędkości obrotow ej silnika:
t - liczba obrotów w ału korbow ego na je d en cykl (dla czterosuw ow ych r = 2 ).
T eoretycznie, ja k o m aksym alny czas, w którym paliw o m oże być w tryskiw ane, przyjm uje się czas, w któ ry m pozostaje otw arty zaw ór ssący (czas otw arcia zaw oru ssącego t„ ). Kąty o tw arcia i zam knięcia zaw oru ssącego badanego silnika przedstaw iono w tabeli 1.
U w zględniając kąty: otw arcia i zam knięcia oraz czas trw ania cyklu tc, m ożna określić czas trw ania fazy ssania. Czas trw ania cyklu i fazy ssania (6,7) dla w ybranych prędkości obrotow ych silnika przedstaw iono w tabeli 7. Fazy rozrządu w czasie trw ania cyklu zilustrow ano na rysunku 6.
t,c (6)
gdzie:
Z asilanie w tryskow e gazem ziem nym . 15
K*(<Po +<P\ + 1 8 0 ) r
= n o W (7)
gdzie:
cp0 - kąt otw arcia zaw oru ssącego [°OW K], cp, - kąt zam knięcia zaw oru ssącego [°OW K].
T abela 7 Czas trw ania cyklu tc i fazy ssania tM w zależności od prędkości
obrotowej silnika
n[obr/min] 850 1000 1250 1500 1750 2000 2300
tc [ms] 141 120 96 80 69 60 52
tss [ms] 46 39 31 26 22 20 17
Rys. 6. F azy rozrz ąd u silnika PER K IN S A D 3.152G Fig. 6. T h e valve tim in g o f PER K IN S A D 3 .152G
3.2. T e o re ty c z n y w y d a te k w try sk iw a c z a
P o dstaw ą określenia teoretycznego w ydatku w tryskiw acza je st założenie, że w czasie otw arcia zaw oru ssącego t„ ,do kanału dolotow ego je s t w tryskiw ana daw ka paliw a B potrzebna do przygotow ania porcji m ieszanki spalanej w jednym cylindrze podczas jednego cyklu pracy. T eoretyczny m asow y w ydatek w tryskiw acza w yznaczono dzieląc daw kę paliw a przez czas, w k tó ty m je s t w tryskiw ana. W ielkość daw ki paliw a przyjęto z tabeli 2.
16 M. Flekiew icz, G. K ubica
1 0 3 * 5 i / I
«nr = — ---Ig/-5] (8)
P oniew aż przedział czasow y przeznaczony na w tryskiw anie paliw a je s t zależny od prędkości obrotow ej, w ięc teoretyczny w ydatek w tryskiw acza uw zględnia rów nież tę zależność.
Tabela 8
Teoretyczny w ydatek w tryskiw acza mlv [g/s]
Prędkość obr[obr/min]
Otw. przepustnicy
850 1000 1250 1500 1750 2000 2300
pełne 1,17 1,37 1,71 2,06 2,40 2,74 3,15
3/4 0,87 1,03 1,29 1,54 1,80 2,06 2,37
połowa 0,58 0,69 0,86 1,03 1,20 1.37 1,58
4. D O B Ó R W T R Y SK IW A C Z A
K ryterium doboru stanow i w tym w ypadku teoretyczny w ydatek w tryskiw acza mM , obliczony z zależności (8). Producenci aparatury w tryskow ej p odają w katalogach m aksym alny w ydatek w tryskiw acza określony je d n o stk ą [g/s]. S pośród oferow anych w tryskiw aczy w ybrano ten, dla którego m aksym alny w ydatek rów ny je st 6 [g/s], Z porów nania tej w artości z obliczonym w ydatkiem teoretycznym w ynika, że dobrany w tryskiw acz z o dpow iednią rezerw ą spełnia staw iane m u zadania.
O statecznie przeprow adzono obliczenia czasu w tryskiw ania paliw a, aby dokonać w ten sposób odpow iedniego ustaw ienia dobranego w tryskiw acza. W ielkość daw ki paliw a jest regulow ana poprzez zm ianę czasu otw arcia w tryskiw acza. N iezbędne staje się, w ięc określenie czasu w tryskiw ania paliw a w różnych w arunkach pracy badanego silnika. Czas potrzebny na podanie daw ki paliw a B, niezbędnej do przygotow ania stechiom etrycznej porcji m ieszanki dla jed n eg o cy lindra na je d en cykl, dla dobranego w tryskiw acza je s t następujący:
l ° 3 * B r t
t w = — :---L"15! (9)
gdzie:
m w = 6 [g/s] - m aksym alny w ydatek dobranego w tryskiw acza.
Zasilanie w tryskow e gazem ziem nym .. 17
Tabela 9
R zeczyw isty czas w trysku k, [ms]
Prędkość obijobr/m in]
Otw. przepustnicy
850 1000 1250 1500 1750 2000 2300
pełne 8,78 8,78 8,99 9,30 9,30 8,27 7,23
3/4 6,59 6,59 6,74 6,98 6,98 6,20 5,43
połowa 4,39 4,39 4,50 4,65 4,65 4,13 3,62
5. W N IO S K I K O Ń C O W E
Przeprow adzone badania sym ulacyjne um ożliw iły określenie w ym agań, ja k ie pow inien spełniać układ w tryskow y, konstruow any w celu w tryskow ego zasilania sprężonym gazem ziem nym silnika PER K IN S A D 3.152G . W w yniku tych obliczeń dokonano doboru odpow iedniego w tryskiw acza oraz określono czasy je g o otw arcia dla różnych w arunków pracy silnika.
W obliczeniach uw zględniono trzy bardzo charakterystyczne stopnie obciążenia silnika, określone ró żn y m kątem otw arcia przepustnicy. O bliczenia przeprow adzono d la całego zakresu prędkości obrotow ej silnika. O statecznie zdecydow ano, że najbardziej odpow iedni będzie w tryskiw acz o m aksym alnym w ydatku 6 [g/s]. Spełnia on z naddatkiem określone w badaniach w ym agania i w każdym analizow anym punkcie pracy silnika dysponuje odpow iednią rezerwą.
6. P O D SU M O W A N IE
C elem prow adzonych badań sym ulacyjnych był dobór odpow iedniego układu w tryskow ego sprężonego gazu ziem nego dla silnika PER K IN S A D 3.152G . Określono w ym agania, ja k ie m usi zapew nić w ybrany układ oraz na ich podstaw ie dokonano w yboru w tryskiw acza. P otw ierdzono, że param etry w ybranego układu s ą odpow iednie w każdym punkcie pracy badanego silnika. Przeprow adzone rozw ażania opisano krok po kroku, a w yniki obliczeń przedstaw iono w tabelach i n a w ykresach. P onadto m ożliw e było określenie przew idyw anego średniego jednostkow ego zużycia paliw a d la badanego silnika (rys.5).
18 M. Flekiew icz, G. Kubica
P rę d k o ś ć obr. [obr/min]
Rys.7. P orów nanie w y m a g a n e g o w y d atk u w tryskiw acza z w arto ścią rzeczy w istą do b ranego w tryskiw acza Fig. 7. T he com parison trends o f required injector efficient and real selected injector efficient
L ite r a tu r a
1. D ykier M ., F lekiew icz M ., K ubica G.: W ybrane problem y adaptacji silników spalinow ych do zasilania paliw em gazow ym . W ydaw nictw o Politechniki K rakow skiej M .-5/98. K raków
1998.
2. N iew iarow ski K.: T łokow e silniki spalinow e. W KŁ, W arszaw a 1983.
3. Flekiew icz M ., D ykier M.: B adania silnika gazow ego A D 152.3 przystosow anego do zasilania paliw em gazow ym . N B -/36/97.
4. K ubica G.: S ilnik gazow y zasilany w tryskow o - studium analityczne. Zeszyty N aukow e P olitechniki Śląskiej, ser. T ransport, z.30. G liw ice 1998.
5. F lekiew icz M ., W ilk K ., K ubica G.: CNG injection system for com bustion engines.
M ateriały konferencyjne 16lh International sym posium on com bustion processes, K azim ierz D olny, sierpień 1999.
Recenzent: Prof. d r hab. inż. K azim ierz Golec
Zasilanie w tryskow e gazem ziem nym . 19
A b s tra c t
T he m ain purpose o f carried research w as the selection o f injection system suitable due to Perkins A D 3.152G C N G pow ered, gas engine. T hat research m ade it possible to define the requirem ents that chosen system m ust com ply with. In accordance to those requirem ents, injector selection w as also com pleted.
A fter having com pleted this stage o f research, it w as possible to check all the param eters o f prepared for stand tests - injection system w ith the results o f calculations. The w hole system sam e as a single injector com plies w ith requirem ents results from those calculations.
