CC BY
19Микропроцессорная система управления газоводородным автомобилем с бортовым генератором водорода
Н.В. Бурцев,
аспирант Рыбинской Государственной Авиационной Технологической Академии (РГАТА) имени П.А. Соловьева, В.А. Бурцев,
главный конструктор ООО «Газомотор-Р»
В данной статье рассматриваются общие вопросы создания принципиально новой многоуровневой микропроцессорной системы управления рабочим процессом многотопливного двигателя и варианты ее практической реализации на примере автомобиля «Соболь» с газовым двигателем ЗМЗ 40522, оборудованного бортовым генератором синтез-газа.
Ключевые слова: адаптивное управление, математические модели, микропроцессорные системы, двигатель внутреннего сгорания, синтез-газ, экология, топливная эффективность.
Microprocessor control system for methane-hydrogen vehicle with the on-board synthesis gas generator
N.V. Burtsev, V.A. Burtsev
This article describes common questions of designing an all-new microprocessor control system for multi-fuel engine and also the practical realisation of such system on the automobile «Sobol» with gas engine «ZMZ 40522», supplied with the on-board synthesis-gas generator.
Key words: adaptive control, mathematical models, microprocessor systems, internal combustion engine, synthesis gas (syngas), ecology, fuel efficiency.
Истощение запасов углеводородного топлива и ухудшение экологии ставят перед человечеством серьезные задачи по поиску эффективных технологий использования этого сырья, а также поиска нового альтернативного топлива. Одним из перспективных вариантов такого топлива является водород или водородсодержащие газовые смеси, получаемые при конверсии углеводородных топлив.
Поскольку основную долю углеводородного топлива на сегодня потребляет транспорт, то удобнее всего вопросы рационального использования водорода рассмотреть в этой области. Отметим, что попытки перевести двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на чисто водородное топливо ведутся давно, но заметных результатов не достигнуто, что связано со следующими причинами: автомобиль с водород-
ным ДВС имеет малый пробег, плохую динамику при выполнении требований по экологии, повышенную опасность и высокую стоимость, а самое главное - не создана инфраструктура водородных заправок [1]. Выход из этой ситуации можно найти, используя водород в составе синтез-газа, как инициирующую добавку, улучшающую качество сгорания моторного топлива. Синтез-газ можно получать непосредственно на борту транспортного средства, конвертируя часть основного топлива и используя его затем в качестве добавки к топливу, подаваемому в двигатель [2].
Практическая реализация двигателя, работающего на компримиро-ванном природном газе (КПГ) с добавлением фактически второго топлива - синтез-газа, требует создания принципиально новой многоуровневой микропроцессорной системы управления рабочим процессом многотопливного двигателя. Рассмотрим проблемы ее практической реализации на примере автомобиля «Соболь» с газовым двигателем ЗМЗ 40522, оборудованного бортовым генератором синтез-газа.
Экспериментальные работы на моторном стенде, которые были проведены на ОАО «ЗМЗ», показали, что добавки такого синтез-газа по своему физико-химическому воздействию на процесс сгорания равносильны добавкам чистого водорода. Однако выяснилось также, что при работе двигателя на больших нагрузках добавки водорода более 10-12% по объему резко ухудшают показатели двигателя, увеличивается содержание оксидов азота, снижается крутящий момент, двигатель начинает работать значительно жестче. Оставалось только одно - адаптировать известную технологию получения синтез-газа к новым условиям, то есть разработать компактную, дешевую, динамичную систему, способную работать совместно с ДВС, адаптируя параметры управления двигателем и генератором синтез-газа при изменении частоты вращения коленчатого вала (КВ) двигателя, нагрузки на него, внешних условий и т.п.
Упрощенная структурная схема газового двигателя со встроенным генератором синтез-газа показана на рис. 1.
Основная часть газового топлива подается непосредственно в газовый двигатель, а часть - на генератор синтез-газа (ГСГ), где метан преобразуется на катализаторе методом парциального окисления в синтез-газ, состоящий из 34% водорода, 16% СО, остальное - азот N и немного оставшегося метана (2,5%), а также СО2 (2,8%). Охлажденный синтез-газ подается в воздушный ресивер ДВС, как второе топливо или как инициирующая добавка к основному топливу. Величина замещения основного топлива синтез-газом, в общем случае, является величиной переменной и зависит от нагрузки на двигатель, режима его работы, частоты вращения КВ двигателя и прочих факторов.
Наши первые исследования в использовании синтез-газа в газовом ДВС показали, что задача эта очень непростая и зависит от множества тесно связанных между собой факторов:
■ каталитические реакторы, а это основа генераторов синтез-газа, получались громоздкими, а время их запуска составляло более 30 мин, что неприемлемо для любого транспорта;
■ микропроцессорные блоки управления газовым двигателем и ГСГ должны синхронно решать задачи по формированию топливной смеси из двух видов топлив и воздуха для обеспечения устойчивого горения ее в ДВС в зависимости от режимов работы двигателя и нагрузки на него;
■ при запуске каталитического реактора во время розжига образуются дымные газы, которые отравляют двигатель и ухудшают его экологические показатели.
Понадобилась многолетняя работа, прежде чем был разработан генератор синтез-газа с приемлемыми характеристиками по производительности, времени розжига (готовности к работе), проведены его автономные испытания, создана микропроцессорная система управления генератором, произведена адаптация этой системы с соответствующей микропроцессор-
Рис. 1. Упрощенная структурная схема газового двигателя со встроенным генератором синтез-газа
ной системой газового ДВС. Последняя модификация генератора синтез-газа, экспериментально опробованная на Заволжском моторном заводе с двигателем ЗМЗ-40522.10 и установ-
ленная на автомобиле «Соболь», приведена на структурной схеме (рис. 2).
КПГ поступает из баллонов, установленных на автомобиле, на редуктор высокого давления (РВД),
Рис. 2. Структурная схема газового двигателя с встроенным ГСГ последней модификации, установленного на автомобиле «Соболь»
Рис. 3. Структурная схема микропроцессорной системы управления генератором синтез-газа
снижающего давление газа до 10 бар. Далее газ поступает на электроуп-равляемый газовый редуктор (ЭГРК), давление на выходе которого регулируется электронным блоком управления (БУ) газовым ДВС. Подача газа в двигатель дозируется четырьмя газовыми форсунками, установленными на общей рампе (аккумуляторная газовая система с переменным давлением газа в рампе) и обеспечивающими распределенную фазированную подачу газа индивидуально в каждый цилиндр ДВС. Дроссельная заслонка (ДЗ) регулирует подачу воздуха в ДВС, а, следовательно, и величину крутящего момента, развиваемого двигателем. Все необходимые вычислительные операции, управление зажиганием и подачей соответствующего количества топливовоздушной смеси, регулирование ее состава в ДВС выполняет электронный блок (МПСУ ДВС).
Часть газового топлива из РВД поступает на дополнительный газо-
вый редуктор (РГ), еще раз снижающий давление газа до 2 бар, а затем через регулятор расхода газа (РРГ) поступает на вход каталитического риформера. На второй вход каталитического риформера через регулятор расхода воздуха (РРВ) поступает необходимое его количество для протекания каталитической реакции. В режиме розжига каталитического риформера в начале работы воздушно-газовая смесь поджигается принудительно электроискровым спосо-
бом. После достижения в риформере рабочей температуры (около 600°С) принудительное зажигание выключается, и реакция окисления идет за счет собственного тепловыделения. Количество синтез-газа, поступающего в двигатель, регулируется блоком управления ГСГ. С учетом того, что работа ДВС с добавками синтез-газа происходит при более высоких значениях а (до 1,8), штатный лямбда-зонд был заменен на широкодиапазонный лямбда-зонд ШЛЗ LG-1 (Lamda Gable)
Рис. 4. Структурная схема связанного управления ДВС и ГСГ
фирмы «Innovate motorsport» с диапазоном измерения а от 0,5 до 2,2.
В ходе экспериментальных работ на моторном стенде на ОАО «ЗМЗ» выявлены интересные закономерности, для выявления которых потребовалась разработка адаптивного совместного управления ранее не связанных электронных систем управления ДВС и ГСГ:
■ рабочий состав газовоздушной смеси (метан плюс синтез-газ) по условиям наиболее эффективной работы двигателя является переменной величиной, которая зависит от нагрузки на двигатель и частоты вращения КВ, а также от теплового состояния двигателя (работа с переменными значениями а от 0,95 до 1,8);
■ коэффициент замещения метана синтез-газом является нелинейным и зависит от частоты вращения КВ двигателя, режима работы двигателя (нагрузка, холостой ход, принудительный холостой ход), температуры двигателя;
■ угол опережения зажигания ДВС при работе на смеси метана и синтез-газа также отличается от углов, адаптированных для работы ДВС на метане;
■ на переходных режимах (ускорение, торможение, принудительный холостой ход, работа ДВС на оборотах холостого хода) также требуется коррекция параметров работы ДВС.
На рис. 3 приведена более подробная структурная схема микропроцессорной системы управления генератором синтез-газа.
На структурной схеме выделены два основных канала управления: канал подачи и измерения количества воздуха, подаваемого в риформер, а также канал подачи природного газа. Микропроцессорный блок управления отрабатывает по заданным алгоритмам режимы работы риформера (розжиг, работа, выключение риформера), обрабатывает датчики и управляет исполнительными механизмами системы. Изменение параметров работы системы производится с персонального компьютера, подключенного через адаптер.
Рис. 5. Микропроцессорная система управления ГСГ (без риформера): 1 - отсечной воздушный клапан; 2 - измеритель расхода воздуха; 3 - блок управления; 4 - регулятор воздуха; 5 - компрессор; 6 - воздушный фильтр; 7 - катушка зажигания; 8 - измеритель расхода газа; 9 - регулятор расхода газа; 10 - отсечной газовый клапан
Реализация связанного управления двух независимых микропроцессорных систем показана на примере структурной схемы (рис. 4).
Для реализации связанного управления в структуру газового ДВС был введен широкодиапазонный лямбдамер, который обеспечивает измерение суммарной а в диапазоне от 0,5 до 2,0. Кроме того, в состав обоих электронных блоков управления были введены новые программно-аппаратные средства, обеспечивающие
обмен необходимой информацией между двумя электронными системами. В качестве информационной среды был выбран современный быстродействующий СА^интерфейс, с помощью которого модуль адаптера позволяет в автоматическом режиме не только управлять параметрами рабочего режима ДВС, но и изменять параметры ГСГ в связи с потребностями ДВС на всех режимах работы.
На рис. 5 приведен реальный состав микропроцессорной системы
синтез-газа несколько меньше, чем на стационарных режимах работы двигателя на моторном стенде, однако, по СО и СН автомобиль легко соответствует требованим «Евро-4» при базовых показателях «Евро-2». Высокое содержание оксидов азота объясняется тем, что на автомобиле установлен серийный каталитический нейтрализатор на основе платинородиевых сплавов, который не обеспечивает восстановление азота из его оксидов при работе на природном газе. Исследования, проведенные профессором МАДИ Хачияном А.С., показали, что при замене штатного катализатора на катализатор, выполненный на основе палладия, эффективность его при работе двигателя на метане по восстановлению азота обеспечивает содержание оксидов азота на уровне требований «Евро-4».
Результаты дорожных испытаний автомобиля «Соболь» с интегрированным ГСГ приведены в табл. 3. Дорожные испытания проводились также и во время участия автомобиля «Соболь» в автопробеге «Голубой коридор» по маршруту Рыбинск - Санкт-Петербург - Москва - Рыбинск в сентябре 2008 г. с общим пробегом более 3500 км.
В апреле 2009 г. автомобиль «Соболь» с интегрированным ГСГ демонстрировался на всемирной выставке в Ганновере (Германия). Нетрадиционный подход к генерированию во-дородсодержащих газов непосредственно на борту автомобиля вызвал интерес у иностранных автомобильных фирм. Ниже на рис. 8 показан момент замера содержания вредных выбросов в отработавших газах двигателя при работе на синтез-газе представителям дирекции выставки «Ганновер-2009».
Выводы
С полной уверенностью можно констатировать, что разработанная микропроцессорная система управления ДВС, интегрированного с генератором синтез-газа на автомобиле, обеспечила устойчивую и эффективную работу двигателя на метане с добавками синтез-газа, адаптируя
управления ГСГ с датчиками и исполнительными механизмами, на рис. 6 - каталитический риформер.
Расположение ГСГ в подкапотном пространстве автомобиля «Соболь» показано на рис. 7.
Эффективность работы ДВС с интегрированным ГСГ, созданным на базе двигателя ЗМЗ-40522.10, приведена в табл. 1 и 2.
Ниже в табл. 2 приведены результаты испытаний автомобиля «Соболь» с двигателем ЗМЗ-40522.10 («Евро-2»), интегрированным с бортовым генератором синтез-газа в ФГУП ГНЦ НАМИ в ноябре 2008 г.
Из табл. 1 видно, что при динамических испытаниях на беговых барабанах эффективность от добавок
Таблица 1
Показатели эффективности применения синтез-газа в ДВС при испытаниях на моторном стенде
Режим работы ДВС, мин-1 Снижение выбросов СО, разы Снижение выбросов CH+NOx, разы Снижение расхода топлива, %
1088 13,6 13 16,7
1861 19,2 215 12,5
2886 6,5 36 15,8
3694 7,5 6,9 4,3
Таблица 2
Результаты испытаний автомобиля «Соболь» на беговых барабанах,
сумма г/км
Наименование CO СН NOx СО2
Бензин, холодный цикл 1,559 0,164 0,971 308,04
Метан, холодный цикл 1,924 0,165 0,477 232,67
Метан плюс синтез-газ 0,814 0,045 1,069 214,03
«Евро-3» 5,22 0,29 0,21
«Евро-4» 2,27 0,16 0,11
3. Не требуются на борту дистиллированная вода и электролизер.
4. Резко снижаются вредные выбросы в отработавших газах ДВС, в том числе и СО2.
5. Реализуется возможность работы двигателя на бедных смесях (с а до 1,8), что невозможно на традиционном топливе, благодаря этому за счет снижения насосных потерь экономится основное топливо.
6. Не применяются драгоценные металлы, что позволяет массово применять эту технологию.
7. Разработанная адаптивная микропроцессорная система связанного управления обеспечивает наибольшую эффективность от добавок синтез-газа в ДВС по сравнению с постоянной долей водорода к метану (гайтановые смеси).
рабочий процесс двигателя в широком диапазоне изменяющихся параметров как топливной смеси, так и нагрузки на двигатель в рабочем диапазоне скоростных характеристик. Она продемонстрировала следующие преимущества этой технологии по сравнению с серийными образцами транспортных средств, работающих на природном газе:
1. Полностью используются потенциальные возможности природного газа с высоким (25%) содержанием водорода, высоким (130 ед.) октановым числом и способностью легко реформироваться в синтез-газ.
2. Не требуется изменение инфраструктуры снабжения топливом транспортного средства.
Таблица 3
Показатели эффективности применения синтез-газа в ДВС при дорожных испытаниях
Двигатель - ЗМЗ-40522.10 Вид топлива
Бензин, л КПГ, м3 КПГ+ синтез-газ, м3
Контрольный пробег, км 2235 2235 2235
Номинальная мощность, лс (на моторном стенде) 123 103 103
Максимальная скорость, км/ч 120 120 120
Время разгона, с
0-100 км/ч (1-5 передачи) 32 34 42
60-100 км/ч (3 передача) 12 14 16
60-100 км/ч (4 передача) 17 21 27
80-120 км/ч (5 передача) 42 42 55
Вместимость заправочных емкостей 50 39 39
Стоимость топлива, руб. 24 8 8
Расход на 100 км пробега (движение в колонне с V=75 км/ч) 11,5 10,5 8-9
Затраты на 100 км пробега, руб. 276 84 72
Пробег на одной полной заправке 434 371 433
одним топливом, км
Литература
1. Бризицкий О.Ф., Терентьев В.Я., Христолюбов А.П., Золотарс-кий И.А., Кириллов В.А., Собянин В.А., Садыков В.А., Мирзоев Г.К., Сорокин А.И. Разработка компактных устройств для получения синтез-газа из углеводородного топлива на борту автомобиля в целях повышения топливной экономичности и экологических характеристик автомобилей.
- Альтернативная техника и экология. 2004, № 11.
2. Бризицкий О.Ф., Терентьев В.Я. Водородная энергетика и транспорт. - Промышленные ведомости. 2007, № 10.
3. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т. 2. - Многомерные, нелинейные,оптимальные и адаптивные системы: учебн. пособие М.: ФИЗ-МАТЛИТ, 2004. - С. 464.
4. Бурцев Н.В., Бризицкий О.Ф., Кириллов В.А., Комаров В.М., Со-бянин В.А. Применение элементов адаптивного управления в системе управления метано-водородным двигателем внутреннего сгорания.
- Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Информационные технологии. - Том 7. 2009, № 2.
