Управление подачей СПГ в топливной системе двигателя

m

Альтернативные топлива

Управление подачей СПГ в топливной системе двигателя

А.И. Цаплин, профессор, заведующий кафедрой Пермского НИПУ, д.т.н., С.В. Бочкарев, профессор Пермского НИПУ, д.т.н., И.Г. Друзьякин, доцент Пермского НИПУ, к.т.н.

Представлена математическая модель, позволяющая прогнозировать частоту внешних воздействий на топливную систему двигателя с СПГ в автоматизированном динамическом режиме. Показана функциональная схема управления двигателем, адекватно реагирующая на динамику изменения давления в топливной системе.

Ключевые слова: сжиженный природный газ, двигатель, алгоритм управления, расчет.

По сравнению с традиционными газовые топлива обладают рядом преимуществ [1]. У них выше детонационная стойкость, шире пределы воспламенения, обеспечивающие более устойчивую работу двигателя, они полнее сгорают, что повышает экологические характеристики. Применение компримированного природного газа (КПГ) обусловливает необходимость его хранения под большим давлением (до 26 МПа), что предполагает значительные массу и габаритные размеры баллонов, снижает запас хода транспортных средств.

Наметившаяся в последние годы тенденция применения сжиженного природного газа (СПГ) [2], хранящегося при температуре -164 °С и давлении 0,1 МПа, позволяет значительно уменьшить массогабаритные характеристики топливных баков и повысить запас хода. Однако свойства СПГ обусловливают определенные объективные трудности в его использовании. В результате теплообмена с окружающей средой подаваемое в двигатель топливо претерпевает фазовый переход и оказывается в газожидкостном состоянии [3, 4]. При этом скорость образования газообразной фазы приводит к росту давления в топливной системе двигателя, зависящего от его теплоизоляционных и расходных характеристик, что создает дополнительные риски как для пользователей транспортных средств, так и для окружающих. Скорость повышения давления в топливопроводе зависит от расхода СПГ: при малых расходах давление нарастает быстрее, а при прекращении подачи СПГ (остановка двигателя) давление достигает максимального значения, превышение которого может привести к разрушению газотопливной аппаратуры. Для исключения аварийной ситуации топливная система должна функционировать в автоматическом режиме.

Пример автоматизированной системы на основе программируемых логических контроллеров и сенсорной панели для визуализации и управления дан в работе [5].

Однако в этой работе не указана частота управляющих воздействий.

Автоматизированная система должна реагировать на динамику изменения давления с частотой, зависящей от режима работы двигателя. Возникает задача разработки математической модели, позволяющей прогнозировать частоту внешних воздействий с помощью автоматизированной системы управления двигателем, работающей в условиях нестационарности.

Постановка задачи

В макромодель топливопровода как объектуправления (рис. 1) введены следующие обозначения: и - управляющее воздействие; Тос - температура окружающей среды; в - потребляемый массовый расход; Т, р - температура и давление СПГ. Контролируемыми параметрами состояния СПГ являются давление и температура. Эти переменные полностью характеризуют агрегатное состояние при заданной начальной фазе вещества и определяют способ и направление воздействия на процесс подачи СПГ в двигатель.

Для управления подаваемым СПГ следует поддерживать давление в топливопроводе на определенном уровне р>рт.п , зависящем от температуры. Существующие технологические ограничения определяют один путь стабилизации давления - через управление скоростью потока, то есть расходом.

Альтернативные топлива

^Ooui.^*

Целью управления является поддержание давления в топливопроводе в области допустимых значений при наименьших затратах времени. Последнее определяется как решение задачи минимизации времени изменения давления, то есть как задача о быстродействии.

Как показано в [3], из-за образования газообразной фазы метана давление в топливопроводе растет во времени от начального давления рн по линейному закону

р = р +—^—г, MVQ

где К - универсальная газо вая постоянная; Т0 - абсолютная температура кипения; Ф1 - поток подводимой теплоты на единицу длины топливопровода (удельный поток тепла); I - длина топливопровода; М - масса моля метана; V- объем топливопровода; 0 - удельная теплота испарения СПГ; t - время.

С учетом объема топливопровода V=п О2 ¿/4 формула (1) принимает вид

Р = Ри +

Параметр Значение

Внутренний диаметр топливопровода 0, м 0,03

Длина топливопровода L, м 1

Массовый секундный расход б, кг/с 5,1-10-3

Плотность жидкого метана рж, кг/м3 422

Удельная теплота испарения 0, кДж/кг 511

Удельный поток тепла Ф^ Вт/м 2

Масса моля метана М, г/моль 0,016

Универсальная газовая постоянная Я, Дж/(мольК) 8,314

Температура кипения СПГ 70, К 111,7

и

_fcl

О Ртш Pnom Р

Рис. 2. График изменения управляющего воздействия

Мл£>2(2

Полученная зависимость показывает изменение давления, вызванное внешним теплоподводом в зависимости от размеров топливопровода. Формула (2) показывает, что для поднятия давления р от некоторого начального значения рн до номинального рпот требуется выдержка времени, которая и определит продолжительность управления топливопроводом t

В формуле (3) скорость изменения давления в топливопроводе составит

4ЯГ0Ф£ _ 4-8,3-111,7-2 _

М%И20~ 0,016-ЗД4-0,032-51Ы03 ~

= 3,2-102 Па/с.

При изменении давления р - рн более чем 104 Па продолжительность управления внешними воздействиями на топливопровод составит

*МР-Рп)/

¡г

4ЯГ0Ф£ MTZD2Q

= 104/3,2-102 «30с.

Мтг£>2£>

В качестве примера оценим время управления топливопроводом с жидким метаном при исходных данных, представленных в таблице.

Характеристики топливопровода и СПГ, принятые в расчете

Алгоритм управления

При разработке алгоритма управления [6] необходимо учитывать изменение расхода в: минимальный расход G . =0, то есть не может быть отрицательным, а максималь-

т|п ' г- -1 '

ный втах определяется перепадом давления в топливопроводе при полностью открытых исполнительных механизмах. В этом случае закон изменения расхода (управления) принимает следующий вид

[С^.где^

[0, где

Исходя из того, что закрытому клапану соответствует и = 0, а открытому и = 1, закон управления можно представить следующим образом:

1, при

G =

U =

[0, при t<tK

Начало процесса управления определяется уровнем минимального давления СПГ в топливопроводе, поэтому для задания времени начала управления требуется ввести обратную связь по уровню минимального давления (рт|п), которая может быть реализована на реле давления. При введении непрерывной обратной связи по уровню давления закон управления (рис. 2) принимает следующий вид:

Г1' При Р > .Рпот

и =

10, при p<pv

<Ш

Альтернативные топлива

На схеме контроля состояния СПГ в топливопроводе и управления исполняющими механизмами (рис. 3) стрелками показаны места размещения устройств для измерения давления р и температуры T, управляющих сигналов, поступающих на отсечные клапаны Ц и Ц2, расходов на входе G1 и выходе G2 топливопровода, температуры окружающей среды Тос. Применительно к модели топливопровода контролируемому давлению р соответствует минимальное рт.п , сигналу управления Ц - сигнал Ц,, массовому расходу G - расход G2. Сигнал управления Ц служит для аварийного перекрытия топливопровода, массовый расход G1 требуется для учета подаваемого в двигатель СПГ.

Комбинации дискретных сигналов Ц и Ц дают четыре возможных варианта управления подачей СПГ в двигатель.

1. Ц1=Ц2=1 - нормальная подача СПГ, то есть переменные, характеризующие температуру и давление в топливопроводе, лежат в допустимых пределах, топливопровод открыт с обоих концов, и происходит подача СПГ в двигатель.

2. Ц1=и2=0 - подача СПГ прекращена (G1=G2=0), топливопровод перекрыт с обоих концов. Остатки СПГ переходят из жидкого состояния в газообразное, что сопровождается ростом давления [3].

3. Ц1=1; Ц2=0 - входной клапан открыт, выходной закрыт. Растущее давление может привести к разрыву топливопровода.

4. Ц1=0; Ц2=1 - выходной клапан открыт, входной закрыт. Такое состояние, обычно являющееся кратковременным, необходимо для сброса давления в топливопроводе.

Задающий узел

1 'PllO

Узел сравнения

Исполнительное устройство

U

Pmini C^max)

Вычислитель

Трубопровод

Рпш

Р,т

Измерительное устройство

Рис. 4. Функциональная схема системы управления

Все варианты управления топливопроводом позволяют поддерживать давление в допустимых пределах, поддержание температуры обеспечивается расходом СПГ.

Принципы построения автоматизированной системы контроля подачи СПГ в двигатель и технические величины, подлежащие измерению, показаны на рис. 4. Алгоритм работы системы, реализующей поддержание параметров состояния СПГ, заключается в следующем. Непрерывно измеряются текущие давление и температура. Выявляются минимальное текущее давление и максимальная температура. Полученное значение температуры служит для расчета минимального допустимого давления, которое сравнивается с текущим. Снижение текущего давления ниже минимально допустимого переводит сигнал управления в нулевое значение, что приводит к перекрытию топливопровода.

После достижения номинального давления сигнал управления принимает значение 1, топливопровод открывается, и происходит поддержание давления и температуры на допустимом уровне.

Таким образом, задача управления давлением в топливопроводе в области допустимых значений при наименьших затратах времени решается как задача о быстродействии [6]. Предложенные математическая модель и алгоритм могут оказаться полезными для управления подачей СПГ в двигатель.

Статья выполнена в рамках работ по Постановлению Правительства 2010 г. №218 о создании высокотехнологичных производств.

Литература

1. Пронин Е.Н., Порожняков С.А. Газ на транспорте

- один из ста шагов вперед // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 2 (26). - С. 30-31.

2. Кисуленко Б.В., Аникеев С.А. Требования к автомобилям, использующим в качестве топлива сжиженный природный газ // Автомобильная промышленность. - 2013. -№ 4. - С.10-11.

3. Цаплин А.И., Бочкарев С.В. Моделирование теплообмена при подаче СПГ в двигатель // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 3 (21). - С. 66-69.

4. Цаплин А.И., Бочкарев С.В. Оценка энергозатрат при подаче СПГ в двигатель // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 6 (24). - С. 68-70.

5. Цаплин А.И., Бочкарев С.В., Друзьякин И.Г. Управление устройством подачи криогенного топлива в энергоустановку // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012.

- № 3 (27). - С. 30-32.

6. Лукас В.А. Теория управления техническими системами: учебное пособие для вузов / В.А. Лукас - 4-е изд., испр. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. - 676 с.

I ..ifffflrmnTr,.-. Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (35), октябрь 2013 г.