LUCHT MENGER"; Fase 3E en 4E1

ra ingenieursburo

ONTWERP EN DEMONSTRATIE: "OPTIMALISATIE CNG-SYSTEEM TUSSEN VOERTUIG TANK EN GAS/LUCHT MENGER"; Fase 3E en 4E1 Ministerie van Verkeer en Waterstaat Projectnummer: DGV-1141

Opgesteld door: ir. W. van Dijk ing. M.A. Schoof Gorinchem, 3 april 1995

! ingenieursburo

ONTWERP EN DEMONSTRATIE: "OPTIMALISATIE CNG-SYSTEEM TUSSEN VOERTUIG TANK EN GAS/LUCHT MENGER"; Fase 3E en 4E1 Ministerie van Verkeer en Waterstaat Projectnummer: DGV-1141

Opgesteld door: ir. W. van Dijk ing. M.A. Schoof Gorinchem, 3 april 1995

ü

Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directie Voorlichting

bibliotheek en documentatie

ingenieursburo

Postbus 20903 - 25«0 EX 's-Gravenhage Telefoon 070- 3517047

Project

: "Optimalisatie CNG-systeem tussen voertuigtank en gas/lucht menger". Fase 3E en 4E1 Ministerie

van

Verkeer

en

Waterstaat Projectnummer: DGV-1141

Projectreferentienummer

Opdrachtgever

: 13024R0672/t

Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal voor het Vervoer Postbus 20901 2500 EX Den Haag

Contactpersoon

drs. SJ. de Groot

Opgesteld door

Ingenieursburo Innogas b.v. Avelingen West 50 Postbus 404 4200 AK Gorinchem Tel: 01830 - 35466

Contactpersoon

ir W. van Dijk

I I I I I •

OPTIMALISATIE VAN AARDGASDOSERING EN -OPSLAG IN BUSSEN Uit ondermeer het in Nederland uitgevoerde AutoBus-Circulatieplan, waarbij praktische ervaring is opgedaan met aardgastractie voor bussen, is gebleken dat

•

een behoorlijk deel van het getankte gas niet kan worden benut: bij een restdruk in de voertuigtanks beneden ca. 30-50 bar nemen de motorprestaties snel

•

af. De noodzaak om al te tanken bij nog lang niet leeggereden tanks houdt in dat een aanzienlijk deel van het geïnstalleerd opslagvolume (minimaal 20%)

I

ongebruikt blijft. Verbetering van de benutting van het meegevoerde aardgas zal daarom resulteren in vergroting van de actieradius of verkleining van het

J

benodigd opslagvolume.

Jj

Aan de lage benutting ligt veelal ten grondslag het toegepaste gasdoseer-systeem op de bussen: een te beperkt regelgebied waarbinnen de toegepaste

|

componenten correct functioneren. Door de grote variatie in voordruk, aflopend van 200 bar bij volle tanks tot zo mogelijk bijna atmosferisch bij lege tanks bij sterk wisselende gasbehoefte (van stationair tot vollast) ontstaan bij lager wordende tankdrukken onacceptabele afwijkingen in de snelheid en nauwkeurigheid van doseren. Daarnaast kan een onjuiste dimensionering van het leidingsysteem dit effect nog versterken. Eveneens blijkt dat, inherent aan de veelal toegepaste mechanisch werkende regelcomponenten binnen een gasdoseersysteem op een bus, onnauwkeurigheden in dosering als gevolg van temperatuur- en drukvariaties van het gas ontstaan.

De afwijkingen in de benodigde/gevraagde gashoeveelheid naar de motor kunnen oplopen tot bijna 20%, waardoor het gasverbruik alsmede de prestaties en de emissies nadelig worden beïnvloed.

Om de voornoemde knelpunten ten aanzien van lage benutting van de opslagcapaciteit en onnauwkeurigheid van gasdosering weg te kunnen nemen, is daartoe door Ingenieursburo Innogas b.v. een oplossingsrichting ontwikkeld. Daarbij vormt het toepassen van een elektronisch geregelde MassFlow-Controller (MFC) de basis. Dit type industriële regelaar wordt veelal toegepast voor nauwkeurige gashoeveelheidsregeling. Een MFC werkt volgens het principe van massameting en -regeling. Hierdoor kan in principe een veel exactere, grotendeels onafhankelijk van de heersende condities voor gastemperatuur en druk, aardgasdosering vanuit de voertuigcilinders naar de motor worden verkregen. Afwijkingen ten opzichte van de gevraagde hoeveelheden blijven beperkt tot ca. 2%. Aansturing vindt plaats middels het aanbieden van een lineair elektrisch stuursignaal. Inpassing van dit concept binnen een Motor Management Systeem (MMS) is hiermee eveneens eenvoudig realiseerbaar.

Met het oog op optimale benutting van de opslagcapaciteit dient daarnaast de dimensionering

van

het

totaal

systeem

tussen

de

voertuigtanks

en

gas/luchtmenger (motor) te worden beschouwd. De uittree-opening van de opslagtanks, de leidingdimensies, alsmede de uitvoering van de regelaar welke de hoge tankdruk reduceert tot de vereiste voordruk voor de gasdoseereenheid zijn hierbij in sterke mate bepalend voor de minimaal toelaatbare druk in de tanks en daarmee de benuttingsgraad van de geïnstalleerde opslagcapaciteit. Voor een optimaal uitgelegd systeem is gebleken dat een benuttingsgraad van 98% van het geïnstalleerde opslagvolume kan worden verkregen....

ingenieursburo

SAMENVATTING ONDERZOEK

In het kader van het project" Optimalisatie van het systeem tussen aardgasnet en voertuigmotor bij het gebruik van (aard)gas als tractiebrandstof', dat in opdracht van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat binnen het programma "Stiller, Schoner en Zuiniger verkeer en vervoer in het stedelijk gebied"(SSZ) door Ingenieursburo Innogas bv. wordt uitgevoerd, is een geoptimaliseerd CNG-doseersysteem (Compressed Natural Gas) voor bussen in de vorm van een pilot-installatie ontworpen en beproefd.

De ontwikkeling en het onderzoek hebben betrekking op het deel van het CNG-systeem tussen de gastanks en het afleverpunt op een bus gericht op verbetering van de benuttingsgraad van de in een bus meegevoerde gashoeveelheid, alsmede verhoging van de doseernauwkeurigheid.

Een belangrijke component, welke voor dit doel is onderzocht, is een in de industrie veelvuldig toegepast instrument voor gasdosering: een elektronisch geregelde MassFlowController

(MFC). Twee belangrijke

voordelen

ten

opzichte van conventionele systemen op een bus zijn: • de werking is gebaseerd op meting en regeling van gasmassa in plaats van volume; hierdoor vervalt grotendeels de gevoeligheid van het systeem voor temperatuur- en drukvariaties; • de aansturing vindt plaats middels een enkelvoudig lineair elektrisch signaal; inpassing in een motor management systeem is hierdoor in principe eenvoudig te realiseren.

De hoofdcomponenten van het ontwikkelde CNG-systeem bestaan uit een CNG-reduceerventiel, een elektronische gasmassa-doseereenheid en optimaal gedimensioneerd leidingwerk tussen voertuigtanks en het afleverpunt.

ingenieursburo

Beproevingen aan dit CNG-systeem in het Innova Practicum hebben aangetoond dat hiermee het meegevoerde opslagvolume voor aardgas op een bus tot 98% kan worden benut, zonder dat hierbij vermogensverlies als gevolg van stagnatie in de gastoevoer naar de motor is te verwachten. Hiermee is ten opzichte van huidige systemen een significante verbetering in de benutting van het opslagvolume en daarmee vergroting van de actieradius te realiseren.

De regelbaarheid en doseernauwkeurigheid is, gegeven de toepassing, ruim voldoende: de geleverde flow volgt binnen de registratietijd van de gebruikte uitleesapparatuur voor de opnemers (1 sec) nauwkeurig een wijzigend setpoint tot een voordruk van ca. 4 bar.

Het CNG-systeem is in deze fase beproefd met lucht, waarbij zo veel mogelijk de praktijksituatie is gesimuleerd. De installatie is hierbij in principe geschikt gebleken voor toepassing op een voertuig met CNG als tractiebrandstof.

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

ingenieursburo

INHOUDSOPGAVE SAMENVATTING ONDERZOEK 1.

INLEIDING

2.

DOELSTELLINGEN VAN HET ONDERZOEK

5

3.

ONTWERPGRONDSLAGEN VOOR DE PILOT-INSTALLATIE

7

3.1

9

4.

5.

REGELGEVING EN VEILIGHEID

UITVOERING EN PRINCIPEWERKING PILOT-INSTALLATIE 4.1

GASOPSLAG OP HET VOERTUIG

4.2

VERBINDEND LEIDINGWERK

4.3

LEIDINGWERK (SIMULATIE)

4.4

BYPASS-SCHAKELING

4.5

FILTER

4.6

OVERDRUKBEVEILIGINGEN

4.7

REDUCEERVENTIEL

4.8

DOSEEREENHEID

4.9

FLOWMETER

10 11 12 12 12 13 13 13 14 16

SYSTEEMBEPROEVING

17

5.1


17

5.2

REDUCEERVENTIEL

18

5.2.1 Minimale voordruk

18

ra ingenieursburo

5.2.2 Temperatuurseffecten

18

5.3

RESPONSE VAN HET SYSTEEM

20

5.4

BYPASS-SCHAKELING

22

5.5

TRILLINGEN

23

6.

POSITIE VAN DE COMPONENTEN OP HET VOERTUIG

24

7.

SYSTEEMKOSTEN

25

8.

CONCLUSIES

26

BIJLAGEN

I.

Stappenplan CNG-projecten

II.

Systeembeschrijving

III. Beproevingsresultaten

ingenieursburo

1.

INLEIDING

In het kader van het project "Optimalisatie van het systeem tussen aardgasnet en voertuigmotor bij het gebruik van (aard)gas als tractiebrandstof' is een aantal deelprojecten geformuleerd betreffende het ontwerp en de realisatie van essentiële systeemonderdelen.

Voor een overzicht van alle deelprojecten wordt verwezen naar het stappenplan in bijlage I.

Deze rapportage betreft de afgeronde fasen 3E en 4E1 van deelproject "Optimalisatie van het systeem tussen voertuigtank en gas/lucht menger". Dit project is uitgevoerd in opdracht van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat binnen het stimuleringsprogramma "Stiller, Schoner en Zuiniger verkeer en vervoer in het stedelijk gebied (SSZ)", met als projectnummer DGV-1141.

Hierbij zijn via detailontwerp, samenbouw en beproeving van een pilotinstallatie de werking en te ontlenen verbeteringen van een geoptimaliseerd gasdoseersysteem voor bussen vastgesteld. Daartoe is in eerste instantie in het Innova Practicum met gecomprimeerde lucht als medium getest.

In dit rapport zijn de ontwikkelings- en onderzoeksresultaten betreffende de ontwikkelde pilot-installatie opgenomen.

Volgens het stappenplan uit bijlage I zal de ontwikkelde installatie in de praktijk worden getest, bijvoorbeeld in combinatie met de nog in ontwikkeling zijnde aardgasmotor van DAF.


ingenieursburo

2.

DOELSTELLINGEN VAN HET ONDERZOEK

Met het onderzoek is beoogd een geoptimaliseerd CNG-doseersysteem voor een bus te ontwerpen en beproeven. Daaraan ten grondslag liggen volgende in de praktijk gebleken knelpunten:

• Bij autobussen (uit het AardgasBus Circulatie-plan (ABC)) daalt de motorprestatie, wanneer de tanks nog een aanzienlijke hoeveelheid aardgas bevatten. Om dit prestatieverlies te voorkomen, wordt het voertuig voortijdig getankt. De gevolgen hiervan zijn dat de tankinhoud niet optimaal wordt benut, er extra tijd verloren gaat met het tanken van het voertuig en de extra ballast, die in de vorm van tanks en gas moet worden meegevoerd, het aardgasverbruik verhoogt.

• De variabele (temperatuur- en druk-)condities waaronder het aardgas de doseereenheid bereikt, leiden zonder compensatie tot een onnauwkeurigheid bij de regeling van het gas/lucht mengsel. Deze onnauwkeurigheid heeft een directe invloed op de voertuigprestaties en emissies. De temperatuur van het aardgas daalt door expansie van de hoge tankdruk naar lage afleverdruk. De massa van de afgegeven hoeveelheid aardgas is bij conventionele systemen afhankelijk van deze afleverdruk en temperatuur.

• Om een motor optimaal te laten functioneren en de emissies te minimaliseren, wordt bij de ontwikkeling van (aardgas)motoren steeds meer gebruik gemaakt van een centraal Motor Management Systeem (MMS). Aan dit motormanagement systeem worden via sensoren alle relevante (motor) gegevens aangeboden (waaronder luchtdruk en temperatuur).


ingenieursburo

Afhankelijk van deze gegevens stuurt het MMS verschillende motoronderdelen aan. Mechanisch werkende doseersystemen passen derhalve niet meer in dit concept.

Aan de hand van de bovenstaande knelpunten zijn de doelstellingen geformuleerd waaraan een geoptimaliseerd gasregelsysteem moet voldoen.

• Het CNG-systeem moet de tankinhoud zo optimaal mogelijk benutten met behoud van de voertuigprestaties. Uitgangspunt is om tot een tankdruk van 10 bar nog nauwkeurig te kunnen doseren. Dit levert een benuttingsgraad van 95%.

• Het CNG-systeem moet onafhankelijk van de heersende condities nauwkeurig de gevraagde aardgashoeveelheid afleveren. Een afwijking ten opzichte van het setpoint van 5% wordt hierbij als maximum gesteld.

• De ontwikkeling moet leiden tot een kostengunstig CNG-systeem.

• Het CNG-systeem moet eenvoudig kunnen worden aangestuurd door een MMS.

Het onderzoek is er daarom op gericht om in een ontwerpfase (fase 3E) een systeem te ontwikkelen, waarmee zo goed mogelijk de doelstellingen kunnen worden bereikt. Aansluitend dient via het samenbouwen van het ontworpen systeem in de vorm van een pilot-installatie de toepasbaarheid te worden getoetst, alsmede de te ontlenen verbeteringen te worden gekwantificeerd (fase 4E.1).

ngenieursburo

3.

ONTWERPGRONDSLAGEN VOOR DE PILOT-INSTALLATIE

Uitgangspunt vormt het toepassen van een in de industrie gebruikte MassFlowController (MFC). Aan deze MFC kan een stuurspanning worden aangeboden waarmee de benodigde gasmassa wordt opgegeven. Inherent aan het toegepaste meet- en regelprincipe zijn druk en temperatuur niet meer van invloed op de afgegeven gasmassa.

Voor bepaling van de benodigde capaciteiten van de componenten is uitgegaan van een DAF-motor, zoals ook toegepast in de autobussen uit het voormalige ABC-plan. De toepasbaarheid beperkt zich echter niet uitsluitend tot dit motortype, maar het systeem kan in principe voor iedere CNG-motor ingezet worden.

Specificaties van de DAF-motor zijn: Merk Motortype Cilinderaanzuiging Cilinderaantal Cyclus Boring Slag Slagvolume Compressieverhouding Toerentalbereik Vermogen Brandstof Verbruik

DAF 6kl 1160 zelfaanzuigend 6 4 takt 130 mm 146 mm 11,63 ltr 12,5 : 1 500- 2000 tpm 115,2 KW/2000 tpm aardgas 40 nm3/h (max) 0,64 nmVkm (gem)


ingenieursburo

De belangrijkste basiscomponenten van een voertuigsysteem zijn in deze opzet voorts:

• Aardgastanks Het aardgas wordt onder hoge druk opgeslagen in meerdere aardgastanks. Deze tanks dienen volgens de regelgeving elk voorzien te zijn van een handafsluiter en een automatische afsluiter. De doorlaten van cilinderopeningen met afsluiters dienen zodanig gedimensioneerd te zijn dat tot een druk van 10 bar nog de maximale gasflow (vollast) kan worden geleverd.

• Leidingwerk Vanuit de tanks wordt het gas via leidingwerk door het doseersysteem geleid. Om met name bij lage tankdruk de drukval over het leidingsysteem te minimaliseren, dient de binnendiameter voldoende groot te zijn om tot een druk van 10 bar nog de maximale gasflow te kunnen leveren.

• Reduceerventiel of gasdrukregelaar Het reduceerventiel brengt de tankdruk, tussen 200 - 10 bar, naar een lagere werkdruk. De maximale voordruk voor de geselecteerde MFC bedraagt 20 bar.

• Bypass-schakeling Omdat bij lagere drukken de gasdrukregelaar een limiterende rol kan spelen bij het snel en nauwkeurig doseren, is een schakeling voorzien ter overbrugging van de regelaar. Via een elektrische drukschakelaar in de hoofdleiding dient na bereiken van de minimale voordruk een klep te worden aangestuurd, waardoor de regelaar wordt overbrugd. Vastlegging van het schakelpunt vindt plaats aan de hand van de experimentele resultaten. 8


ingenieursburo

3.1

REGELGEVING EN VEILIGHEID

Het systeem op het voertuig dient minimaal aan de voorschriften uit de veiligheidsrichtlijn NVR/T-832.2 "Rijkskeuringsvoorschriften voor het aanbrengen van een CNG-installatie bij motorvoertuigen" te voldoen.

De huidige NVR richtlijnen schrijven voor dat de maximale buitendiameter van roestvast stalen leidingwerk op een voertuig 12 mm mag bedragen (artikel 3.7.l.a). Ten tijde van ontwerp en montage van de testopstelling werd in de toen geldende concept-richtlijnen een maximale buitendiameter van 20 mm voorgeschreven. De in de testopstelling gebruikte uitwendige leidingdiameter van 12,7 mm en inwendige diameter van 8,6 mm voldoet daarom niet meer aan de huidige norm. Door in de praktijk 12 mm leiding toe te passen met een wanddikte van 1,5 mm blijft de gewenste minimale inwendige diameter (9 mm) gehandhaafd.

Tevens wordt in de NVR richtlijnen gesteld dat bevestigingen door middel van snijringverbindingen niet zijn toegestaan (artikel 3.8.1). In de testopstelling zijn de bevestigingen met snijringverbindingen uitgevoerd omdat deze ten behoeve van de beproeving een snelle montage/demontage toelaten. De snijringverbindingen doen niets toe of af aan de functionele werking van het systeem.

INNO

ingenieursburo

4.

UITVOERING EN PRINCIPEWERKING PILOT-INSTALLATIE

Ten behoeve van de beproeving is in het Innova Practicum de (CNG)-installatie opgebouwd volgens het schema uit bijlage II (zie ook figuur 1 en 2). Het systeem bestaat uit de volgende componenten:

• Gascilinders: (gasopslag voertuig) De gasopslag bestaat uit 15 cilinders van 50 liter per stuk waarvan twee cilinders zijn voorzien van kleppen met luchtaangedreven actuators.

• Leidingwerk De verbinding tussen de verschillende toegepaste componenten, bestaande uit rvs pijpmateriaal, rvs knelkoppelingen en handafsluiters.

• (Simulatie)leidingwerk J

Leidingwerk met knelkoppelingen ter simulering van leidingweerstanden op een voertuig.

• Reduceerventiel |

I

Reduceerventiel met een interne water/gas warmtewisselaar.

• Bvpass-schakeling Drukschakelaar en een klep welke wordt bediend door een luchtaangedreven actuator.

I I I I I

• Overdrukbeveiligingen Beveiligingen op zowel de hogedruk leiding als lagedruk leiding.

10

ingenieursburo

• Manometers Op de hogedruk leiding en lagedruk leiding.

• Filter Uitgevoerd met een 5 jjm filterelement.

Elektronische gasdoseereenheid

• Handafsluiter met klepstandmelder Afsluiter tussen doseereenheid en afnamepunt (flowmeter) ter simulering van het gaspedaal.

• Mechanische flowmeter

• Besturingskast

4.1

GASOPSLAG OP HET VOERTUIG

De gesimuleerde gasopslag op het voertuig, zoals is opgebouwd in het Innova Practicum, bestaat uit 15 cilinders met elk een volume van 50 liter. De cilinders zijn gemonteerd in een frame-constructie en alle voorzien van een handafsluiter. Een tweetal van deze cilinders zijn ten behoeve van de beproevingen voorzien van een extra luchtbediende actuator met klep. De NVR voorschriften verplichten elke cilinder te voorzien van een handbediende en een automatische afsluiter. Tijdens de beproeving is bepaald of deze afsluiters een weerstand opleveren die de systeemeigenschappen nadelig beïnvloed.

11

ingenieursburo

4.2

VERBINDEND LEIDINGWERK

Aan de hand van een rekenmodel, waarmee de leidingweerstanden bepaald kunnen worden, is de minimale binnendiameter van het benodigde leidingwerk bepaald. Deze dient minimaal 8 mm te zijn waardoor, met name bij lage tankdrukken, nog een voldoende grote gasflow door het systeem kan worden geleverd. Het leidingwerk tussen de CNG-componenten bestaat uit naadloos getrokken roestvaste pijp met een buitendiameter van 12,7 mm (W) en een binnendiameter van 8,6 mm. Voor de bevestiging van het leidingwerk aan de CNG-componenten zijn W

swagelok knelfïttingen gebruikt. Als handafsluiter is een

kogelkraan met een Vs" doorlaat toegepast. De geselecteerde componenten en knelfïttingen laten een werkdruk van 300 bar toe.

4.3


Het noodzakelijke leidingwerk tussen voertuigcilinders en de gasdoseereenheid op een voertuig, is gesimuleerd door 7,5 m extra leidingwerk met 12 bochten te monteren tussen de cilinders en het reduceerventiel. Tijdens de beproeving is gemeten in hoeverre dit leidingwerk invloed heeft op de praktische benuttingsgraad van de cilinders of response van het systeem.

4.4

BYPASS-SCHAKELING

De bypass-schakeling bestaat uit een lucht bediende actuator met klep en een drukschakelaar in het hoge druk leidingwerk. De bypass-schakeling verbindt de hogedrukzijde van het reduceerventiel met de lagedrukzijde. Via deze bypass staat de doseereenheid in directe verbinding met de CNG-cilinders. 12

ingenieursburo

De luchtbediende actuator met klep wordt door een drukschakelaar aangestuurd. De actuator is "normally closed" uitgevoerd waardoor de klep sluit op het moment dat er zich een storing voordoet in het perslucht- of elektrische circuit van het voertuig.

4.5

FILTER

In het lagedruk leidingwerk is een 5fxm filterelement opgenomen ter bescherming van de doseereenheid tegen vocht en vuil. Omdat het filter zich in de gereduceerde druksectie van 5-7 bar bevindt is een kunststof filter toegepast. Het filter is geschikt voor een maximum druk van 14 bar.

4.6

OVERDRUKBEVEILIGINGEN

Ter bescherming van de componenten zijn zowel in de hogedruk als lagedruk sectie overdrukbeveiligingen gemonteerd. De hogedruksectie is met een overdrukbeveiliging gelimiteerd op 200 bar, de lagedruk sectie op 10 bar.

4.7

REDUCEERVENTIEL

Het reduceerventiel verlaagt de gastankdruk tot de werkdruk van de doseereenheid. De afkoeling die hierbij optreedt als gevolg van de expansie over het reduceerventiel wordt gecompenseerd door een interne warmtewisselaar. De toe- en afvoer van de warmtewisselaar worden aangesloten op een extern warmwaterbad. Dit warmwaterbad simuleert het in de praktijk toegevoerde koelwater van de motor.

13

ingenieursburo

Voor deze toepassing is een speciaal voor dit doel ontwikkeld Amerikaans prototype reduceerventiel getest. Het reduceerventiel levert, afhankelijk van de tankdruk, een secundaire druk tussen de 5 en 7 bar.

Specificaties van het reduceerventiel zijn:

Fabrikaat

ITT-Conoflow (U.S.A)

Leverancier

Masonika

Type

#F6AE9C968AC

Medium

CNG

Maximum inlaatdruk

248 bar

Minimum inlaatdruk

17 bar

Gereduceerde druk

7 bar

Maximale flow

67,9 mVh

Koelwater flow

2 - 8 l/min

Temperatuur bereik

-40 - 125 °C

4.8

DOSEEREENHEID

De doseereenheid bevindt zich in de praktijk tussen het lagedruk filter en de gas/lucht menger, waaraan de gevraagde gashoeveelheid dient te worden geleverd. De doseereenheid betreft een Mass-Flow-Controller F-206 AC. Deze elektronisch werkende doseereenheid geeft een gasmassa af, die recht evenredig is met het aangeboden 0 - 5 Vdc stuursignaal. Het opgenomen vermogen bedraagt 10 W bij een voedingsspanning van 24 Vdc. Deze spanning wordt standaard in zwaardere voertuigen gebruikt.

14

ingenieursburo

De doseereenheid bestaat uit een meetorgaan, regelklep en besturings-elektronica. De besturings-elektronica stuurt afhankelijk van het aangeboden 0 - 5 Vdc stuursignaal de regelklep aan waarop een gasmassa tussen 0 - 32 kg/h wordt afgegeven. Het met een thermische sensor uitgeruste meetorgaan bepaalt de massaflow en koppelt deze waarde terug naar de besturings-elektronica. De besturingselektronica regelt de gasmassa hierop eventueel bij. Bij een uitval van de elektrische voeding sluit de MFC de gastoevoer af. Het motormanagement van een voertuig kan in de praktijk rechtstreeks de benodigde gasmassa aan de MFC opgeven.

De MFC functioneert ook bij hogere afleverdrukken zodat deze doseereenheid tevens toepasbaar is op motoren die van een turbo zijn voorzien. De turbo brengt de verbrandingslucht onder verhoogde druk in de cilinders. Het aardgas dat in de gas/lucht menger met de verbrandingslucht wordt gemengd, dient dan op een hogere druk te worden aangeleverd.

De stationaire gas/lucht verhouding wordt door het motormanagement geregeld waardoor het voertuig op het juiste stationaire toerental wordt gehouden.

Specificaties van de doseereenheid zijn:

Fabrikaat

: Bronkhorst High-tech b.v.

Type

: F-206AC-FA-55-V

Bereik

: 0,8 - 40 nm3/h aardgas

Voordruk

: tot 20 bar abs

Nadruk

: 1 bar abs

15


ingenieursburo

Nauwkeurigheid

: ± 1 % full scale

Temperatuur coëfficiënt

: 0,05 % per °C

Druk coëfficiënt

: 0,1 % per bar

Opgenomen vermogen

: 10 W

4.9

FLOWMETER

Aan het afleverpunt van de doseereenheid is een mechanische flowmeter gemonteerd. Deze flowmeter functioneert als controle instrument voor het systeem tijdens de beproeving.

Specificaties van de flowmeter zijn:

Fabrikaat

: Brooks Instrument BV

Type

: GT1000

Medium

: lucht

Gecalibreerd op

: 20°C en 1 bara

Flow

: 45 nmVh

16

ingenieursburo

5.

SYSTEEMBEPROEVING

In het Innova-Practicum zijn ten behoeve van het ontwikkelde CNG-systeem een aantal systeembeproevingen

uitgevoerd. De verschillende

relevante

proceswaarden zijn geregistreerd middels opnemers en een datalogger, zodat de resultaten van de metingen in een later stadium geïnterpreteerd en grafisch gepresenteerd kunnen worden. De minimale registratietijd van de apparatuur bedraagt 1 seconde.

Omwille van ondermeer de veiligheid is lucht als medium gebruikt.

5.1


Uit drukmetingen blijkt dat het drukverlies over het leidingwerk klein is. Het leidingwerk van 7,5 m met knelkoppelingen dat ter simulatie van een voertuiginstallatie is aangebracht heeft een doorlaat van 8,6 mm. Bij een hoge tankdruk (en de daarbij behorende lage gassnelheden) is de drukval over het leidingwerk verwaarloosbaar klein. Bij het bereiken van een lage tankdruk (en de daarbij behorende hoge gassnelheid) treedt een maximale drukval van 2,5 bar op. Over het gebied met lage tankdruk is de drukval over het leidingwerk geregistreerd en zijn in figuur 3 van bijlage III de resultaten weergegeven. De optredende drukval over het toegepaste leidingwerk is gemeten bij het maximale luchtdebiet. Bij gebruik van aardgas als medium bedraagt de omgerekende drukval maximaal 1,5 bar.

17

ingenieursburo

5.2

REDUCEERVENTIEL

5.2.1 Minimale voordruk Sterk bepalend voor de benuttingsgraad van de aardgasinhoud is de laagste voordruk waarbij het reduceerventiel de maximale gasstroom nog kan leveren. Daarom is deze minimale of benodigde voordruk voor het reduceerventiel afzonderlijk bepaald. Om deze druk te kunnen bepalen zijn er zowel voor als na het reduceerventiel druksensoren in het leidingwerk opgenomen. Tevens is na het reduceerventiel de gasstroom (flow) gemeten. De voordruk waarbij het reduceerventiel niet meer in staat is de maximale gasstroom van 40 nmVh te leveren, wordt als de laagste voordruk van het reduceerventiel beschouwd.

Voor deze meting zijn twee (lucht)cilinders van elk 50 liter gebruikt om de tijdsduur van de meting te beperken. De cilinders zijn voorafgaande aan de meting met een compressor op een druk van 200 bar gebracht. Op elke cilinder bevinden zich twee afsluiters (zie hoofdstuk 4.1). Tijdens de meting is een continue maximale gasstroom van 40 nmVh door het systeem geleid. De bypass is bij deze meting buiten werking gesteld.

Het reduceerventiel blijkt als minimale voordruk 2 bar nodig te hebben om de maximale gasstroom te kunnen leveren. De secundaire druk stijgt 1 bar wanneer de tankdruk van 200 naar 2 bar daalt ( zie figuur 4a en 4b bijlage 3).

5.2.2

Temperatuurseffecten

Het reduceerventiel bevat een interne warmtewisselaar om ondermeer verstoppingen door hydraatvorming te voorkomen. Met name bij hoge tankdrukken treedt sterke expansie op over het ventiel, gepaard gaand met sterke afkoeling.

18

ingenieursburo

Om optredende effecten te kunnen bepalen, zijn temperatuursensoren opgenomen op de tank en zowel voor als na het reduceerventiel. Door het reduceerventiel is continu de maximale gasstroom (40 nmVh) geleid waardoor, als gevolg van de adiabatische expansie, de benodigde afkoeling maximaal is. De temperatuurdaling die optreedt, zal afhankelijk zijn van de druk in de gastank (= druk voor het reduceerventiel) en de secundaire druk (= druk na het reduceerventiel). Voor lucht geldt bij deze verschildrukken over het reduceerventiel een berekende temperatuurdaling van :

± 30°C bij een drukdaling van 200 - 7 bar. ± 3°C bij een drukdaling van 1 5 - 7 bar.

Voor het medium aardgas geldt een berekende temperatuurdaling van :

± 75°C bij een drukdaling van 200 - 7 bar. ± 4°C bij een drukdaling van 15-7 bar

Voor deze meting zijn twee (lucht)cilinders van elk 50 liter gebruikt. De cilinders zijn voorafgaande aan de meting met een compressor op een druk van 200 bar gebracht. De koelwatertemperatuur (warmwaterbad) is bij de meting ingesteld op 75 °C.

Figuur 5 in bijlage III toont het opgetreden temperatuurverloop. Naarmate de cilinderdruk daalt, neemt de expansie over het reduceerventiel af. Naarmate de expansie afneemt, wordt het gas warmer en benadert de (koelwatertemperatuur.

19

ingenieursburo

Voor conventionele CNG-systemen levert deze veranderlijke gastemperatuur onnauwkeurigheden op in de dosering. Bij dergelijke systemen dient de gastemperatuur dan ook met een extra warmtewisselaar na het reduceerventiel op een constantere temperatuur te worden gebracht. De massflowcontroller werkt vrijwel onafhankelijk van temperatuur zodat er geen extra warmtewisselaar nodig is. Bij maximale expansie over het reduceerventiel komt de minimum temperatuur niet onder de 16°C. Bij de meting is continu de maximale gashoeveelheid doorgeleid, overeenkomend met een voertuig dat lange tijd op vollast rijdt. In de praktijk is een dergelijke langdurige maximale gasdoorstroming niet realistisch, zodat de gemeten temperaturen als minimum temperaturen kunnen worden beschouwd. Door te extrapoleren kan worden bepaald dat bij het gebruik van aardgas in deze situatie een minimumtemperatuur van ca 10°C zou optreden. Bij deze temperatuur is hydraatvorming niet waarschijnlijk. Mogelijk kan bij het wegrijden met koude motor (lage koelwatertemperatuur) en een lage gastemperatuur een veel lagere eindtemperatuur worden bereikt. Om dit te voorkomen kan een elektrisch verwarmingselement voor het ventiel (P = 0,5 kW) een praktische oplossing bieden. Dit punt verdient aandacht bij verdere praktische implementatie.

5.3

RESPONSE VAN HET SYSTEEM

Onder de response van het systeem wordt verstaan de "reactie" van het systeem op een wijziging van de gevraagde gashoeveelheid (setpoint). Om de response te kunnen bepalen is aan de doseereenheid handmatig een gasvraag ingesteld. Het setpoint is ingesteld in de vorm van een sprongfunctie en een taludfunctie.

20

ingenieursburo

Bij een sprongfunctie wordt in een zeer korte tijd (t < 1 sec) de gasvraag van 0 nmVh verhoogd naar 40 nm3/h. Bij een taludfunctie wordt deze gasvraag in een aantal seconden verhoogd.

De afgegeven gasstroom is vervolgens gemeten en geregistreerd. Uit de meting kan het regelgedrag van de doseereenheid worden opgemaakt met betrekking tot: de tijdsduur waarin het systeem de ingestelde waarde bereikt, de afwijking van de ingestelde waarde (offset), en de demping (over- en undershoot).

Voor het bepalen van de werking van de MFC is naast de onder 4.2.1 genoemde sensoren ook de aan de MFC opgegeven gasstroom (setpoint) geregistreerd. De gasopslag waaruit de lucht wordt onttrokken bestond bij deze meting uit 4 cilinders van elk 50 liter. Bij hoge tankdrukken zijn geen responseverschillen waar te nemen. Bij een lage tankdruk worden deze verschillen wel waarneembaar. De metingen waren dan ook hoofdzakelijk gericht op het systeemgedrag in dit lage drukgebied. Beschouwing van deze gegevens geeft een indicatie tot welke voordruk het systeem bruikbaar is. Voor deze meting wordt de MFC handmatig aangestuurd.

Met de MFC als doseereenheid kan uit figuur 6 van bijlage III worden afgelezen dat het systeem een response heeft op het ingestelde signaal, die binnen de minimale scantijd (1 seconde) valt. Deze responsietijd wordt als ruim voldoende geacht voor de toepassing. Bij een reduceer voordruk (tankdruk) van 4,3 bar kan de ingestelde 40 nm3/h gasstroom niet meer door het systeem worden geleverd (werkelijke gasstroom). Vanaf deze tankdruk is een duidelijke afwijking tussen de ingestelde en werkelijke gasstroom af te lezen.

21

ingenieursburo

5.4

BYPASS-SCHAKELING

De bypass-schakeling bevindt zich bij het reduceerventiel en sluit het reduceerventiel kort op het moment dat de gasdruk bij de drukschakelaar de ingestelde schakeldruk bereikt.

De verschildruk die benodigd is voor de goede werking van het reduceerventiel vervalt op het moment dat het reduceerventiel is kortgesloten. Op deze wijze kan de doseereenheid in principe de gasstroom van 40 nmVh bij een lagere tankdruk te leveren doordat deze rechtstreeks vanuit de gastank wordt gevoed.

Bij de al eerder genoemde meting (figuur 6) bleek dat het systeem bij een voordruk van 4,3 bar niet meer in staat was de maximale gasstroom te leveren. In dezelfde opstelling is bij 8 bar de bypass ingeschakeld. Het systeem blijkt dan tot een voordruk van 2,4 bar de maximale gasstroom te kunnen leveren. De response is tot dit punt onveranderd gebleven (zie figuur 7 bijlage III).

De procentuele verbeterde benutting van de tankinhoud bij de toepassing van een bypass-schakeling bedraagt :

100 *

De "winst" bedraagt slechts 1% van het totale volume. Hieruit blijkt dat de benuttingsgraad van het systeem dermate hoog is dat een bypass in de praktijk niet noodzakelijk zal blijken te zijn.

22

i n g e n ieu rsbu ro

5.5

TRILLINGEN

Het ontwikkelde systeem zal in de praktijk op een voertuig moeten functioneren. In een voertuig treden trillingen op, die een slecht functioneren of korte levensduur van het systeem kunnen veroorzaken. De trillingen die door de motor of het wegdek worden veroorzaakt worden aan de voertuigcarrosserie doorgegeven. Deze trillingen in de carrosserie zijn afhankelijk van het functioneren van de motorophanging en schokbrekers van het voertuig. Berekend is dat de motor een maximale trilling kan veroorzaken van 100 Hz bij een toerental van 2000 tpm. Rijdend over een klinkerweg kunnen theoretisch trillingen in het voertuig optreden van 330 Hz. De carrosserietrillingen zullen in de praktijk, door de dempende werking van de motorophanging en schokbrekers, een veel lagere frequentie aannemen.

Om een indruk te krijgen of het systeem tegen dergelijke trillingen bestand is, zijn alle componenten op een triltafel gemonteerd. Met deze triltafel werden de componenten gedurende een week aan frequenties tussen 10 en 50 Hz met amplituden van 1,5 mm blootgesteld. Geen van de componenten vertoonde na afloop een defect of verminderde werking.

23

ingenieursburo

6.

POSITIE VAN DE COMPONENTEN OP HET VOERTUIG

De juiste plaatsing van de componenten op het voertuig kan een positieve bijdrage leveren aan de veiligheid, werking en de kosten van het systeem. Door het reduceerventiel dicht bij de gastank te plaatsen is een minimum aan hoge druk leidingwerk benodigd. Gebleken is dat het systeem nog functioneert bij een tankdruk, welke onder de normale secundaire afleverdruk van het reduceerventiel ligt. Dit impliceert dat de positie van het reduceerventiel in het systeem niet limiterend werkt op de te bereiken benuttingsgraad en doseernauwkeurigheid. Het dicht bij de gastanks plaatsen is om deze reden dan ook verantwoord mogelijk.

De doseereenheid dient echter om een snelle gaslevering te kunnen garanderen, dicht bij de gas/lucht menger te worden geïnstalleerd.

24

ingenieursburo

7.

SYSTEEMKOSTEN

Investering Een indicatie van de materiaal- en montagekosten voor een CNG-systeem met een Masonika reduceertoestel en een massflowcontroUer als doseereenheid is:

• reduceertoestel

:ƒ

800,=

• doseereenheid

:ƒ

6.200,=

•

:ƒ

150,=

• leidingwerk

:ƒ

4.000,=

• manometer

:ƒ

Totaal

: ƒ 11.400,=

filter

250,= +

De hier opgenomen bedragen voor de componenten zijn gebaseerd op de kosten voor aanschaf van de proefinstallatie. De geraamde kosten voor met name het leidingwerk (inclusief montage) zijn voertuigafhankelijk: onder andere bepaald door afstanden tussen gastanks en motor en de toegankelijkheid.

In deze investeringskosten zijn de kosten van de tanks (incl. smeltveiligheden, handafsluiters en automatische afsluiters) niet opgenomen.

25

ingenieursburo

8.

CONCLUSIES

Aan de hand van de proefresultaten kan het volgende worden geconcludeerd.

• De dimensionering van het systeem garandeert een optimaal regelgedrag over een tankdruk-bereik van 200 tot 4 bar, waardoor binnen dit traject geen vermogens verlies van de motor te verwachten is. Met het ontwikkelde systeem is het daarom mogelijk om de gasinhoud van voertuigtanks tot 98% te benutten. Dit blijkt een significante verbetering ten opzichte van de momenteel op autobussen, zoals van het Aardgas Bus Circulatieplan (ABC) toegepaste installaties. Deze hebben een benuttingsgraad van maximaal 80%.

• Temperatuurvariaties van het gas, veroorzaakt door afkoeling bij meer of minder sterke expansie van het aardgas in combinatie met opwarming door motorkoelwater, alsmede drukvariaties in de secundaire reduceerventieldruk hebben een zeer beperkte invloed op de nauwkeurigheid van dosering. Zonder voldoende temperatuur- en drukcompensatie kan daardoor bij conventionele doseersystemen een onnauwkeurigheid tot ca. 20% ontstaan. Bij toepassing van een MassFlowController (MFC) als doseereenheid bedraagt dit maximaal 2%.

• Gecombineerd met een motormanagementsysteem van een voertuig kan de gewenste gasmassa door middel van een lineair elektrisch stuursignaal via de MFC aangestuurd worden.Het systeem levert de opgegeven gashoeveelheid binnen een seconde aan de gas/luchtmenger.

• Het systeem is in de beproeving bestand gebleken tegen trillingen. 26

ingenieursburo

Bij dit systeem is het mogelijk gebleken om de hoge gastankdruk direct na de tank te reduceren. Hierdoor worden veiligheidsrisico's en kosten, voortvloeiend uit het gebruik van een hogedruk leidingsysteem, tot een minimum beperkt. Dit heeft geen nadelige invloed op de benuttingsgraad van de opgeslagen gashoeveelheid en de doseerbaarheid naar de motor.

De gasdoseereenheid dient bij voorkeur dicht bij het afnamepunt te worden geplaatst, waardoor de dosering naar de motor snel op de veranderende vraag kan reageren.

Op grond van de positieve resultaten kan het verder beproeven en demonstreren van de pilot-installatie in combinatie met een aardgasmotor zinvol plaatsvinden.

27

ra ingenieursburo

BIJLAGE I

STAPPENPLAN CNG-PROJECTEN

Fase 1 Evaluatie

Fase 3A Ontwerp pilot inst. Hydr. verplaatsing

Fase 3B Ontwerp pilot inst. gerobotiseerd vullen

Fase 2 Optimalisatie

Fase 3C Ontwerp verrijking CNG met LPG

Fase 3D Ontwerp systeem tussen aardgasnet en voertuïgtank

Fase 3E Ontwerp systeem tussen voertuigtank en gas/luchtmenger

Fase 4D Demonstratie in Innova practicum

Fase 4E Demonstratie met aardgasbus 2)

Y Fase 4A Demonstratie pilot inst. Hydr. verplaatsing 1) Innova practicum

Fase 4B Demonstratie pilot ïnst. gerobotiseerd vullen 1) Innova practicum

2) bestaand station ^

2) bestaand station 1^

1 Fase 5 Ontwerp station op praktijkschaal

1) In relatie tot vervolg ABC-projekt. 2) In relatie tot DAF—aardgasbus projekt.

I

I

Fase 6 Demo station 1) op praktijkschaal

AU. RIGHTS RESERVED. UNAUlHORtZED DISOOSURE OR REPR0OUCT10N PROHIBHED. NOT TO BE USED IN ANY WAY HARMFUL TO INNOGAS B.V.

Client:

Title:

in. van Verkeer en Waterstaat Project:

Uitwerking Stappenplan

DGV/695 Drawn by. P.O. Box 404 4200 AK Gorinchem NL Phone (0)1830 35466 ingenioursburo

Telefax: (0)1830 32362

Pro|ect nr:

10054

W.dU. Date:

17-2-'93

Drawlng nn

10054-019

Rev.


i n g e n i e u r s b u xo

BIJLAGE II SYSTEEMBESCHRIJVING

Vulaansluiting bedieningskast

c c

Buffer rek V26 + klepstandmelder

50 Liter VI

V2

V3

naar gasmenger

leidingwerk (7,5m)

V4

V5

TRILTAFEL (frequentie geregeld)

V6

afblaas denper H17 heater

ALL RIGHTS RESERVED. UNAU7H0RIZED 01SCLOSURE OR REPR0DUCT10N PROHIBITED. NOTTOBE USED IN ANY WAY HARMFUL TO INNOGAS B.V.

Client:

Title:

Min. van Verkeer en Waterstaat Project:

DGV/1141

P&ID Testopstelling on board equipment in Innova Practicum Drawn by.

P.O. Box 404 4200 AK Gortnchem NL Phone: (0)1830 35466

Ingenisursburo

Telefax: (0)1830 32362

Project nn

13024

W.dU. Date:

2-6-94

Rev.

Drawing nn

13024002

B

ingenieursburo

Figuur 1 CNG-componenten

In het hogedruk leidingwerk is opgenomen 1 handafsluiter 2 druksensor 3 drukschakelaar 4 bypassklep + actuator 5 reduceerventieltoestel 6 temperatuursensor 7 overdrukbeveiliging

In het lagedruk leidingwerk is opgenomen 8 filter 9 druksensor 10 temperatuursensor 11 overdrukbeveiliging 12 massflowcontroller

ingenieurs buro

Figuur 2 Meetopstelling

13

leidingwerk (simulatie)

14

trilmotor

15

hogedruk manometer

16

lagedruk manometer

17

warmwateibad met pomp

18

bedieningkast

19

flowmeter

20

handafsluiter

ingenieursburo

BIJLAGE III BEPROEVINGSRESULTATEN

H


Figuur 3 - Drukval leidingwerk tussen tank en reduceer. Einde leidingwerk

Begin leidingwerk

(O

3

4 Tijd (min)

7

7,5

Voordruk (bar)

Voordruk (bar)

CJ

O

o

o

ui

Ül

o ^

1

1 1 1 1

) \

er I O

\ \ 1 1 1 1

H

(D

o:

3

f

3

3 «-•

—h

o

LJV-"" .j?

O

Tj

3

3

f

U)

CD

ro

Nadruk (bar)

Nadruk (bar)


Figuur 5 - Temperatuurverloop voor / na reduceer - • Voor reduceer

Na reduceer

1 (0

b o

miw nm inruim TIIHIIII IIIII nul inmtii IIIM IIIH nn iiin IIIU IIIII iiniiin iinnmi iirtiun nnr HIM nrt HUI iimtnn fw»rua mm» innimiiinmiiiiiiiiriiiiiiiiinirriinininninitii

200

100 Tankdruk (bar)

150

Figuur 6 - Systeemresponsie massflowcontroller Ingesteld» gasatroom

gasatroom

1 10

50 c

40

a

\ __ _

30

8

inen

1*0 bar ;

20 :

ra CD

10 :

0

I

t"-"-

0

10

I I I I I , I . I I I I

20

I I I I I

I I I

30 Tijd

40 (sec)

I 1 I I I

50

1

60

/N.


Figuur 7 - Systeemresponsie massf lo wcontro lier + bypassschakeüng ingestelde gasatroom

• WerkallJ<e gasatroom

gastankcnx

50 c

1 10

o

2 O)

ca

(3

O

10

20

50

30 Tijd (sec)

50

70

80

LUCHT MENGER"; Fase 3E en 4E1

Recommend Documents