Plynový vznětový (dvojpalivový) motor Koncepční uspořádání: homogenní směs plynného paliva + zapalovací vstřik NM Přednosti a nedostatky (účinnost, rizika, … ) Provozní zvláštnosti Vhodná plynná paliva Výzkum a vývoj moderních dvojpalivových (NG + NM, bioplyn + NM, LPG + NM) motorů Uspořádání palivového systému Hardstaff Dual Fuel Technologies pro dvojpalivový motor. Motor může v případě vyčerpání plynu pracovat v čistě naftovém provozu.
Vozidlové dvojpalivové motory pracují s velikostí „zapalovací“ dávky nafty na úrovni volnoběžné dávky. Potřebný výkon motoru je v režimech dvojpalivového provozu dosahován řízeným vícebodovým vefukováním CNG do plnicího vzduchu před otevřený plnicí ventil. Odstranění rizika přehřívání vstřikovacích trysek v dvojpalivovém provozu je zajištěno střídavým zvyšováním dávky nafty (se současným poklesem dávky CNG) a následným snížením dávky nafty zpět na volnoběžnou „zapalovací“ dávku a zvýšením dávky CNG. Původní vznětový motor musí být vybaven plně elektronicky řízeným palivovým systémem (aplikace na motorech VOLVO).
PZP (2011/2012)
4/1
Stanislav Beroun
Palivové systémy vznětových motorů pro extrémně vysoké vstřikovací tlaky Vstřikování nafty do spalovacího prostoru vznětových přeplňovaných motorů vysokými vstřikovacími tlaky zajišťuje rychlý rozpad paprsků vstřikovaného paliva do velmi jemných kapiček, které jsou nutné ke zkrácení průtahu vznícení, zkrácení celkové doby hoření heterogenní směsi a zvýšení celkové účinnosti přeplňovaného naftového motoru. Přeplňovaný vznětový motor s vysokými vstřikovacími tlaky pracuje s velmi nízkým předvstřikem. Rozdíly mezi charakteristickými parametry vznětových motorů s „klasickým“ vstřikovacím systémem pro vysoké vstřikovací tlaky ukazuje tabulka. Z hlediska průtahu vznícení, tvoření směsi i následného průběhu hoření heterogenní směsi je nejvýznamnější střední velikost průměru kapek, na které se rozpadne paprsek vstřikovaného paliva (tzv. „sauter“ průměr):
Vstřikovací systém
Vstřik. tlaky MPa
„klasický“ vysoké tlaky
50-80 120-220
d32
ni
d i3
3 1 n d i i 6 d 32 ni d i2 6 ni d i2
m
předvstřik
předHU
průtah vznícení KH
délka hoření KH
40-30 25-12
25-20 5-0
12-8 4-2
75-60 50-40
Význam zmenšování d32 pro tvoření směsi: zvětšuje se celková povrchová plocha (kapek) pro odpařování paliva a tlak nasycených palivových par nad povrchem se zvyšuje se zmenšováním poloměru křivosti povrchu kapky - tím roste rychlost odpařování a rychlost tvoření směsi. PZP (2011/2012)
4/2
Stanislav Beroun
Palivové systémy pro vstřikování vysokými až extrémně vysokými vstřikovacími tlaky jsou trojího druhu: 1. Mechanicko-hydraulický systém, založený na vytváření vysokého vstřikovacího tlaku pístkovým vysokotlakým elementem ve fázi vstřikování paliva. Pro vytvoření potřebného vstřikovacího tlaku je nezbytná dostatečná rychlost pístku vysokotlakého elementu, který vytlačuje palivo do vstřikovací trysky. Na dosažitelný vstřikovací tlak a na průběh vstřikování mají významný vliv dynamické efekty, projevující se superpozicí dopředné a odražené tlakové vlny mezi pístkem vysokotlakého elementu a vstřikovací tryskou, omezujícím činitelem je stlačitelnost paliva (význam pro řešení SVJ). 2. Akumulační systémy – Common Rail, u kterých je palivo pomocí vysokotlakého čerpadla dopraveno do tlakového zásobníku (tlak v trubkovém zásobníku, tzv. „distributor railu“, je řízen v závislosti na provozním režimu motoru a u dnešních akumulačních systémů dosahuje cca 180 MPa) ze kterého je propojovací trubkou přivedeno ke vstřikovači. Vstřikování paliva vstřikovací tryskou do spalovacího prostoru je řízeno ovládáním vstřikovače buď extrémně rychlým elektromagnetem nebo tzv. piezoaktuátorem. 3. Sdružená vstřikovací jednotka s hydraulickým multiplikátorem (HEUI): pracuje na akumulačním principu s tlakem 15-20 MPa, vstřikovací tlak 100-150 MPa je dosažen hydraulickým zesílením v pracovním diferenciálním válci ve vstřikovací jednotce. Zásadní význam pro palivové systémy s extrémně vysokými vstřikovacími tlaky mají mechatronické konstrukční prvky a elektronické řízení jejich činnosti. PZP (2011/2012)
4/3
Stanislav Beroun
Rozpad paprsku vstřikovaného paliva Mechanizmus rozpadu paprsku vstřikovaného paliva se vysvětluje porušením rovnováhy vnějších a vnitřních sil na kapce, pohybující se vysokou rychlostí v prostředí o velké hustotě (vzduchu ve spalovacím prostoru). Přetlak na čele kapky (odpor proti pohybu kapky) a podtlak za kapkou mění tvar kapky a tím se změní i velikost jejího povrchu – poměr vnějších a vnitřních sil vyjadřuje Weberovo číslo. Kapka se rozdělí (rozpadne) při dosažení Wekrit (např. pro vodu se uvádí Wekrit 20 ). 2 d 1 k v v k2 Vnější síly:
2
Vnitřní síly:
Wekrit
v vk2 d k konst
4
dk P 2 K p vstř p v ) vP p
Na kapce, pohybující se vysokou rychlostí ve vzduchu, se z povrchu odděluje velmi tenká vrstva, ve které se tvoří kapky až extrémně malých rozměrů. Rozpad paprsku proto ovlivňuje i poměr sil povrchové napjatosti k silám vnitřního tření (viskozity), popsaný Laplaceovým číslem.
1 L P P d T 2 P
d 32 1,4748 dT We PZP (2011/2012)
P 2 10 3 kgm 1 s 1 0 , 266
0 , 0733
L
P 0,025 Nm 1
dT … průměr otvůrku trysky
(všechny veličiny jsou v základních jednotkách) 4/4
Stanislav Beroun
Tlakové ztráty při průtoku paliva vstřikovací tryskou: Palivo při průtoku vstřikovací tryskou před vstřiknutím do spalovacího prostoru prochází sedlem jehly vstřikovací trysky. Průtokový průřez v sedle v sedle jehly má značný vliv na tlakový spád na výstřikových otvorech a tím silně ovlivňuje i kvalitu vstřikování a rozprášení paliva.
m j S j 2 p ( pT 1 po ) o S o 2 p ( po p NV ) RED S RED 2 p ( pT 1 p NV ) pT1
S RED
1 1 2 2 Sj So
pT1
pNV
hj
2
konst pT 1 po p1 S j
S j So 2
S j So
2
konst po p NV p2 So
2
Snížení celkového tlakového spádu na výstřikových otvorech při Sj = So je o 50%, při Sj = 2/3 So je o 69%. Význam objemu po jehlou vstřikovací trysky na emise HC PZP (2011/2012)
pNV
S j s (R r)
r R
1
po
4/5
2
konst pT 1 p NV p S RED Stanislav Beroun
Rychlost vstřikování paliva: vyjadřuje se v mm3/10KH, výpočtově se určuje průtokovou rovnicí
VX /1
2 1 T ST K p vstř p v P 6n
Řízený zákon vstřiku: velkou předností moderních palivových systémů vznětových motorů je možnost ovládat průběh vstřikování. Nejvýznamnější je předvstřiková dávka (její vliv na průtah vznícení a průběh hoření je známý již 50 let) – z malých dávek paliva (pouze v mm3) před vstřikem hlavní dávky se vytvoří potřebná koncentrace aktivovaných částic, které podstatně zkrátí průtah vznícení (snížení tvrdosti chodu). Velmi malé dávky paliva po vstřiku hlavní dávky snižují koncentraci PM ve výfukových plynech.
Průběh vstřikování (zákon vstřiku) lze řídit pomocí elektronických prvků používaných v moderních palivových systémech: extrémně rychlé řízené elektromagnety, piezoaktuátory. Význam snižování hmotnosti dílů pohybujících se ve vstřikovači pro dynamické vlastnosti systému.
PZP (2011/2012)
4/6
Stanislav Beroun
Základní princip vzniku tlaku ve vysokotlaké větvi mechanicko-hydraulického palivového systému ukazuje schéma šíření tlakového rozruchu od výtlačného pístku vstřikovacího elementu (bez uvažování dynamických efektů, tj. řešení kvazistacionárního pochodu).
dl = az d
d
dy = w d Sp
p
cp
S po az
dx = cp d Pístek vstřikovacího čerpadla se pohybuje rychlostí cp , za časový interval d se ve válci posune o úsek dx, na začátku výtlačného potrubí se palivo pohybuje rychlostí w a během časového intervalu d postoupí čelo vytlačovaného sloupce paliva do vzdálenosti dy. Od začátku intervalu d se výtlačným potrubím šíří dopředná tlaková vlna: ta postupuje sloupcem paliva v potrubí rychlostí zvuku az a na konci sledovaného časového intervalu dosáhne čelo této tlakové vlny (tzv. dopravní vlny) až do vzdálenosti dl = az d . V celém objemu paliva, kterým prošla dopředná (dopravní) tlaková vlna, dojde ke zvýšení tlaku o hodnotu p. Velikost tohoto zvýšení tlaku lze určit pomocí rovnice kontinuity a deformační rovnice, uvažující vliv stlačitelnosti paliva. PZP (2011/2012)
4/7
Stanislav Beroun
E pal
p dy w d dl E pal
w w d dy E pal E pal p E pal az a z d dl
az
E pal
pal
E pal pal a
2 z
PZP (2011/2012)
E p
w 2 p a z pal w a z pal av
dp S p d VC E pal
S p dx S po w d S P d Pischingerova rovnice vyjadřuje souvislosti základních veličin a pochodů ve vysokotlaké části soustavy: pro konstantní cp a dp/d = 0 platí p = cp.Sp/Spo.az.pal .
az
E
S p dx VC 1 dp p pal a z S po d S po a z d 4/8
Stanislav Beroun
Rychlost pístku cp má omezení z konstrukčních (zástavbových) důvodů, max.vstřikovací tlak potom představuje další omezení z hlediska namáhání materiálu kontaktním tlakem na dvojici kladka-vačka (cp dosahuje obvyklých hodnot cca 2,7 - výj. až 3,2 m/s při n = 1000 1/s). 2 F 1 F 1 MAX pk konst k b R1 R2 R 2
d p p 170 bR
k
b....šířka kladky R1
(d, pMAX a b v mm, konst. 170 zahrnuje i modul pružnosti a Poissonovo číslo)
p k DOV (1700 2000) MPa n L 2,8 10 c 1000 5
18000
1, 67
p k 1000
16000
d 2 pmax pk 170 b Rk
L 14000 [hod] 12000
pk = 1500 MPa
10000 8000
1600
6000
1700
4000
1800 1900 2000
2000 0 400 PZP (2011/2012)
6 , 67
600
Při zvyšování d2.pMAX se snižují hranové špičky kontaktních tlaků mírně klenutým (0,02 mm) profilem na jedné z kontaktních ploch.
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 nč 4/9
Stanislav Beroun
Vliv stlačitelnosti nafty na průběh vstřikování • Z celkového zdvihu pístku lze využít max. 30% pro výtlak paliva ke vstřikovací trysce (oblast s vysokou rychlostí pístku). Výtlak paliva z vysokotlakého elementu (tj. zatížení pístku vstřikovacím tlakem) musí skončit v poloze vačkového mechanizmu, ve které začíná klesat rychlost pístku (kladka najíždí na bok vačky se zmenšujícím se poloměrem křivosti a dojde k výraznému zvýšení kontaktních tlaků). • Stlačitelnost objemu paliva ve vysokotlaké části systému vyžaduje posunout TPD do oblasti nižších rychlostí pístku, snižuje se tak dosažitelný tlak a zhoršuje se kvalita vstřikování.
ap hp [mm ] [ms -2 ] 12 1200
vp [ms -1 ] 2,4 2,0
10
1000
8
800
6
600
4
400
0,8
2
200
0,4
0
0
vp hp
1,6 1,2
ap
0
10
20
-200
30
40
50 v
60
0
Hnací moment mechanicko-hydraulického vstřikovacího čerpadla se vyznačuje vysokými špičkovými hodnotami (požadavek na vysokou tuhost v celém mechanizmu). Výpočtový odhad točivého pro pohon vačky vstř.čerpadla při výtlaku paliva ke vstřikovací trysce ukazuje rovnice
Pč M č č S píst p výtl v píst
Pro 4dobý vznětový motor pro vozidla M3, N3 pro mechanicko-hydraulický vstřikovací systém (PV, SVJ, PLD) s průměrem pístku ve vysokotlakém elementu 13 mm, rychlostí pístku při vstřikování 2,6 m/s a tlaku při výtlaku 120 MPa vychází okamžitá hodnota Mč = 395 Nm. Velká přednost vstřikovacích systémů CR a HEUI – pohon vysokotlakého čerpadla konst. Mč PZP (2011/2012)
4/10
Stanislav Beroun
Sdružená vstřikovací jednotka s předvstřikovou dávkou
Předvstřiková dávka: Při tlaku 18 MPa je překonáno předpětí pružiny jehly trysky a během první třetiny celkového zdvihu jehly trysky začíná vstřik pilotní dávky, jejíž velikost je určena vymezením hydraulického polštáře zdvihu jehly trysky. PZP (2011/2012)
Hlavní dávka: Při dosažení tlaku 30 MPa se tlumící píst zcela zasune do štěrbiny a zdvih jehly trysky dosáhne plné velikosti. Do vysokotlakého prostoru je vytlačováno více paliva než je průtok otvory trysky a tlak se zvyšuje až na 205MPa. 4/11
Stanislav Beroun
K ovládání přepouštěcích ventilků pro řízení palivových systémů vznětových motorů (počátek vstřiku, vstřikovaná dávka, tvarování zákona vstřiku) musí být použity výkonové elektrické prvky napojené na EŘJ motormanagementu motoru, které zajistí provedení požadovaných změn v čase kratším jak 0,3 ms. Běžné stejnosměrné elektromagnety nejsou dostatečně rychlé, bylo proto potřeba vytvořit nové řešení těchto zdánlivě jednoduchých aktuátorů. Pro dosažení potřebných vlastností elektromagnetu (selenoid) se používá speciální řízení napájecího napětí. Elektronický řídící systém (EŘJ + elektromagnetický ventilek) zajišťují činnost EŘJ pro ovládání vstřikovače přesnost „časování“ lepší než ± 0,25 stupňů pootočení klikového hřídele. napětí přiváděné na solenoid
Napájení ss. elektromagnetu: řízené napájení (tzv. driver) s počátečním zvýšeným napětím (z baterie 12 V – 24 V, měnič).
proud cívkou selenoidu signál zavření ventilku El. poč. vstřiku (dodávky)
pohyb ventilku
Skutečný poč. dodávky vstřikovací tlak pobyb jehly vstřikovací trysky
čas PZP (2011/2012)
4/12
Výhody řízeného napájení: - necitlivost na napětí baterie - nízké průtoky proudu - menší citlivost na ohmický odpor vodičů - lepší rovnoměrnost dávek paliva (odchylky v délce řídících pulzů jsou v toleranci do 5 s). Stanislav Beroun
