PROJEKT BADAWCZY „Innowacyjna ekologiczna instalacja CNG do silników wysokoprężnych ograniczająca emisję szkodliwych składników spalin wraz z mobilnym stanowiskiem diagnostyczno-montażowym”

Krótki opis projektu:

Głównym celem projektu jest opracowanie i wdrożenie do dystrybucji oryginalnej, uniwersalnej, ekologicznej i całkowicie polskiej instalacji dwupaliwowej zapewniającej zasilanie silników samochodów ciężarowych (głównie ciągników siodłowych) mieszaniną oleju napędowego (ON) i gazu ziemnego (CNG) w przypadku modernizacji tych silników polegającej na montażu instalacji zasilania silnika sprężonym gazem ziemnym (CNG).

Rozwiązanie to pozwoli na zmniejszenie zużycia paliwa podstawowego (ON), poprzez wykorzystywanie mieszaniny ON i CNG pochodzącego z regazyfikacji skroplonego gazu ziemnego LNG. Opracowane rozwiązanie powinno pozwolić również na zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin (przede wszystkim cząstek stałych i tlenków azotu).

Celem pośrednim projektu jest opracowanie mobilnego stanowiska diagnostyczno-dynamometrycznego, które będzie wykorzystywane podczas montażu opracowanej w ramach projektu instalacji dwupaliwowego zasilania silnika (ON/CNG). Stanowisko to umożliwi szybką diagnostykę silnika konwertowanego pojazdu, sprawdzenie stanu silnika (podstawowych parametrów użytecznych oraz składu spalin) przed konwersją, weryfikację poprawności pracy silnika po dokonanej na stanowisku modernizacji (instalacji dwupaliwowego zasilania ON/CNG), w tym kalibrację zamontowanej instalacji w warunkach zbliżonych do eksploatacyjnych. Możliwość przemieszczania stanowiska – mobilność – umożliwia realizację ww. prac praktycznie w dowolnym miejscu wskazanym przez zamawiającego modernizację pojazdu.

Projekt jest realizowany przez konsorcjum:

• GASLUX Sp. z o. o.– Lider Projektu,
• Wojskowa Akademia Techniczna – konsorcjant, odpowiedzialny za przeprowadzenie badań hamownianych silnika i weryfikację poprawności pracy instalacji zasilania ON/CNG. Kierownik Projektu ze strony WAT – dr inż. Mirosław Karczewski.

Co udało się do tej pory zrobić, postępy – który etap został zakończony?

W ramach realizacji Etapu III, obejmującego badania przemysłowe, wykonano prace mające na celu modernizację hamownianego (dynamometrycznego) stanowiska badawczego znajdującego się w Zakładzie Silników i Inżynierii Eksploatacji IPiT WIM WAT. Stanowisko wyposażone w hamulec wodny Zollner o mocy 1250 kW zostało przystosowane do prowadzenia wielowariantowych badań, na podstawie których określone zostaną optymalne proporcje dawkowania poszczególnych paliw (ON i CNG) do silnika, aby uzyskać wysokie wartości parametrów użytecznych (zbliżone do parametrów silnika zasilanego tylko ON) przy jednocześnie możliwie niskim zużyciu oleju napędowego i małych stężeniach substancji toksycznych w gazach spalinowych, przy braku spalania stukowego.

Ze względu na nowatorski charakter projektu konieczne było zaprojektowanie i wykonanie instalacji zasilania CNG do posiadanego przez WAT stanowiska dynamometrycznego. Prace projektowe poprzedzone były analizą warunków, w których będzie badany zmodernizowany układ zasilania (ON/CNG). Na podstawie tej analizy określono także parametry, które będą mierzone na stanowisku. W oparciu o dokonaną w tym zakresie całościową analizę dobrano i częściowo zakupiono wymaganą podczas badań aparaturę pomiarową.

W ramach realizacji tego etapu projektu:

• zbudowano stanowisko dynamometryczne w oparciu o silnik VOLVO D13C460, stosowany w ciągnikach siodłowych FH-13 firmy VOLVO,
• dostosowano kabinę pomiarową do wymogów pomieszczeń laboratoryjnych przeznaczonych do prowadzenia prac badawczych z wykorzystaniem sprężonego gazu ziemnego CNG. Obecnie jest to kabina dźwięko i gazoszczelna w wykonaniu Ex, wyposażona w system sygnalizacji pożarowej, detektor metanu z systemem automatycznego wentylowania, instalację elektryczną oraz system kontroli dostępu,
• stworzono (zbudowano) systemu wysokociśnieniowego (ciśnienie max. 200 bar) magazynowania gazu ziemnego służącego do zasilania stanowiska badawczego wraz z układem jego przygotowania (redukcja ciśnienia itp.) i dostarczania do stanowiska,
• sprawdzono (przetestowano) elementy stanowiska badawczego – silnik, system magazynowania, dostarczania oraz wtryskiwania do jego układu dolotowego gazu ziemnego, aparaturę pomiarową oraz systemy bezpieczeństwa,
• zakupiono wysokospecjalizowaną aparaturę pomiarową.

a)	b)
c)	d)
Rys. 1. Stanowisko diagnostyczno-dynamometryczne w budynku nr 68: a) magazyn gazu wraz z instalacją magazynowania w butlach, b) widok kabiny sterowniczej i kabiny pomiarowej w wykonaniu Ex, c) wyposażenie kabiny sterowniczej, d) silnik na stanowisku badawczym

W etapie V w trakcie prac rozpoznawczych wykonano układ doprowadzenia paliwa CNG do silnika oraz zamontowaną przed prototypową wersje układu zasilania CND dostarczoną przez Lidera Projektu.

Przebieg montażu i wstępne próby pracy silnika z zainstalowaną instalacją gazową potwierdziły możliwość konwersji silnika do jednoczesnego jego zasilania olejem napędowym i paliwem gazowym. Przyjęte rozwiązania poszczególnych układów stanowiska są poprawne. Rozwiązania techniczne zastosowane w zainstalowanej na silniku instalacji gazowej są poprawne i umożliwiają w kolejnych etapach realizacji projektu wykonanie zaplanowanych badań instalacji dwupaliwowej. Wszystkie układy zostały poddane badaniom weryfikacyjnym, określono również kryteria poprawności ich działania, wyznaczone na podstawie norm badawczych lub wymagań wskazanych przez producentów urządzeń. Wszystkie stosowane na stanowisku urządzenia i systemy pomiarowe uznano za sprawne.

a)	b)
Rys. 2. Stanowisko diagnostyczno-dynamometryczne w budynku nr 68: a) silnik Volvo z zamontowaną szyną gazową, b) okno programu sterującego instalacją CNG

W ramach II etapu projektu zrealizowano również zakupy unikatowej aparatury badawczej. Zakupiono między innymi:

• Analizator gazów spalinowych wykorzystujący metodę spektroskopii w podczerwieni z zastosowaniem transformaty Fouriera - FTIR, który umożliwia jednoczesne analizę do 60 składników spalin. Analizator wykorzystuje zjawisko spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni - mierzy absorpcję światła w cząsteczkach gazu wykorzystując drgania molekularne. Absorpcja odbywa się w zamkniętej komórce, w której światło podczerwone jest odbijane kilka razy, dając określonej długości ścieżki. W przypadku selektywnych zastosowań gazowych, absorpcją można zmierzyć pojedynczą częstotliwość, dając wynik pomiaru dla jednego gazu. Wykorzystując spektrometr FTIR można mieć wgląd do pełnego widma IR, umożliwiając wykrycie pików absorpcji dla wszystkich gazów w próbce jednocześnie. Korzystając z oprogramowania chemometrycznego oraz odpowiednich zestawów kalibracyjnych widm przy znanych stężeniach, pełne widmo można rozdzielić na odpowiedzi każdego gazu.
• Licznik cząstek stałych (PM) ELPI®+ w spalinach wraz z wyposażeniem, wykorzystujący zjawisko impakcji, który umożliwia rozdział frakcyjny cząstek stałych w spalinach poprzez średnice aerodynamiczne w zakresie od 6 nm do 10 µm z podziałem na 13 przedziałów. Licznik cząstek stałych ELPI®+ umożliwia pomiar rozkładu wielkości cząstek stałych w strumieniu objętości gazów występujących podczas różnych procesów energetycznych i mechanicznych, w których takie cząstki są generowane, np. w czasie procesów spalania i pomiarów emisji, badań urządzeń do oczyszczania spalin, pomiarów emisji cząstek stałych spalin w trakcie ruchu pojazdu czy też emisji cząstek powstających podczas procesu zużywania hamulców.

Rys. 3a. Impaktorowy licznik cząstek stałych (PM) ELPI®+ wraz z wyposażeniem


Rys. 3b. Interfejs programu impaktora

Obecnie w ramach etapu VI realizowane są badania wersji docelowej sterownika w zakresie:

• badania silnika zasilanego dwupaliwowo - ON/CNG - przy różnych dawkach i proporcjach ON do CNG,
• opracowania map realizacji wtrysku ON i CNG do innych silników na podstawie wyników badań wykonanych na docelowym mobilnym stanowisku diagnostyczno-montażowym,
• badania silnika zasilanego dwupaliwowo ON/CNG z wykorzystaniem opracowanych map wtrysku,
• oceny wpływu zasilania dwupaliwowego ON/CNG na emisję toksycznych składników spalin.

Ostatnim etapem prac realizowanych w WAT będzie ocena zaprojektowanego i wykonanego przez Lidera Projektu prototypu stacji diagnostycznej, który zostanie poddany weryfikacji pod kątem poprawności działania urządzeń pomiarowych oraz sprawdzenia opracowanych procedur pomiarowych, obsługowych i bezpieczeństwa. W ramach tego etapu do weryfikacji w ww. zakresie użyty zostanie pojazd z typem silnika przebadanym wcześniej na stanowisku dynamometrycznym. Umożliwi to porównanie wyników uzyskanych na hamownianym stanowisku badawczym oraz z wynikami pomiarów uzyskanymi na mobilnym stanowisku diagnostyczno-montażowym, co stanowić będzie podstawę do ewentualnej kalibracji instalacji i przyrządów. Po realizacji tych przedsięwzięć możliwe będzie prowadzenie badań dla dowolnego silnika (innych typów silników stosowanych w samochodach ciężarowych).

Projekt jest realizowany w ramach:
Nazwa konkursu: Ścieżka dla Mazowsza
Umowa Nr. MAZOWSZE/0123/19-00
Temat: Innowacyjna ekologiczna instalacja CNG do silników wysokoprężnych ograniczająca emisję szkodliwych składników spalin wraz z mobilnym stanowiskiem diagnostyczno-montażowym.