ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012 Stanisław W. Kruczyński 1, Piotr Orliński 2, Dariusz Jakubczyk 3 ANALIZA WYBRANYCH PARAMETRÓW PROCESU SPALANIA OLEJU RYDZOWEGO JAKO SAMOISTNEGO PALIWA LUB JAKO KOMPONENTU OLEJU NAPĘDOWEGO W SILNIKU PERKINS 1104C 1. Wstęp Przeprowadzone badania oleju rydzowego jako alternatywnego paliwa do silników o zapłonie samoczynnym są kontynuacją pracy badawczej zapoczątkowanej rok wcześniej. Głównym celem badań było sprawdzenie powtarzalności parametrów efektywnych uzyskanych przy zasilaniu tego samego silnika badawczego tym samym paliwem alternatywnym pochodzącym z różnych rynków - do badań przedstawionych w niniejszych artykule olej został pozyskany od producenta niemieckiego (w poprzednich badaniach użyto oleju rydzowego pochodzącego od polskiego producenta). Porównawczo użyto ponownie handlowego oleju napędowego dostępnego na rynku, spełniającego normę PN-EN 590. Tabela1. Wybrane parametry użytkowe oleju rydzowego (L100) 1 dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński, prof. PW - Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów 2 dr inż. Piotr Orliński - Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów 3 mgr inż. Dariusz Jakubczyk - Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów 29

2 Rydze, z których pozyskano paliwo do badań są rośliną oleistą. Głównym ich produktem są nasiona o zawartości do 40% oleju na suchą masę. Rydze charakteryzują: odporność na szkodniki i chwasty, łatwa aklimatyzacja, uprawa bez konieczności stosowania środków odżywczych i pestycydów [2, 3, 4]. W tabeli 1 przedstawiono wybrane parametry użytkowe oleju rydzowego. 2. Stanowisko badawcze (hamownia silnikowa) Badania eksperymentalne paliw: oleju rydzowego (L100), jego mieszaniny z olejem napędowym w proporcji 50:50 (L50) oraz paliwa wzorcowego - oleju napędowego (ON), przeprowadzono w hamowni silnikowej Politechniki Warszawskiej na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych. Prace badawcze wykonano na silniku badawczym Perkins 1104C-44 przy wykorzystaniu aparatury pomiarowej firmy Schenck i firmy AVL. Dane techniczne silnika badawczego przedstawiono w tabeli 2. Schemat stanowiska badawczego przedstawiono na rysunku 1. Aparatura firmy Schenck umożliwiła sterowanie pracą silnika i obciążeniem hamulca. Przy użyciu urządzenia CEB II mierzono emisję substancji emitowanych przez silnik takich, jak: CO, CO 2, O 2, HC, NO x oraz współczynnik nadmiaru powietrza λ. Pomiaru emisji cząstek stałych PM dokonano przy użyciu analizatora AVL 415. Natomiast aparat AVL IndiSmart umożliwił pomiar ciśnienia i ciepła w komorze spalania. W celu zapewnienia powtarzalności pomiarów, badania przeprowadzono na ustabilizowanym cieplnie silniku. Dla każdego z badanych paliw zostały wyznaczone trzy charakterystyki: zewnętrzna (prędkościowa) i dwie obciążeniowe. Tabela 2. Dane techniczne silnika Perkins 1104C-44 [1] Silnik o zapłonie samoczynnym Poerkins 1104C-44 Parametr Wartość Jednostka Liczba cylindrów 4 - Rodzaj wtrysku bezpośredni - Stopień sprężenia 19,3 - Pojemność skokowa 4400 cm 3 Moc nominalna silnika 60 kw Prędkość obrotowa mocy nominalnej 2200 obr/min Maksymalny moment obrotowy 294 Nm Prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego 1400 obr/min 30

3 Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego [1]: 1 - silnik Perkins 1104C-44; 2 - wlot powietrza; 3 - wylot spalin; 4 - hamulec elektrowirowy Schenck; 5 - piezoelektryczny czujnik ciśnienia AVL GM12; 6 - rejestrator kąta obrotu wału korbowego; 7 - wzmacniacz sygnału; 8 - system indykowania AVL IndiSmart; 9 - analizator emisji cząstek stałych AVL 415; 10 - analizator spalin AVL CEB II; 11 - zestaw gazów wzorcowych; 12 komputer 3. Wyniki badań Na rysunkach od 2 do 11 przedstawiono wyniki badań uzyskane na silniku badawczym Perkins 1104C-44 przy wykorzystaniu aparatury firmy AVL. Otwarte wykresy indykatorowe przebiegu ciśnienia w cylindrze zostały wykonane po uśrednieniu z pięćdziesięciu cykli i dla lepszego zilustrowania przedstawione w zakresie o OWK. 31

4 Rys. 2. Uśredniony otwarty wykres indykatorowy-charakterystyka zewnętrzna, n=1400 obr/min Rys. 3. Uśredniony otwarty wykres indykatorowy-charakterystyka zewnętrzna, n=2200 obr/min 32

5 Rys. 4. Uśredniony przyrost ciśnienia w cylindrze w funkcji kąta obrotu wału korbowego- charakterystyka zewnętrzna, n=1400 obr/min Rys. 5. Uśredniony przyrost ciśnienia w cylindrze w funkcji kąta obrotu wału korbowego- charakterystyka zewnętrzna, n=2200 obr/min 33

6 Rys. 6. Uśredniony przebieg wydzielania ciepła-charakterystyka zewnętrzna, n=1400 obr/min Rys.7. Uśredniony przebieg wydzielania ciepła-charakterystyka zewnętrzna, n=2200 obr/min 34

7 Rys. 8. Otwarty wykres indykatorowy, niepowtarzalność procesu spalania badanych paliw dla 50 cykli (charakterystyka zewnętrzna 2200 obr/min): A) L100 (olej rydzowy), B) L50 (50% olej rydzowy + 50% olej napędowy), C) ON (olej napędowy) Na podstawie przebiegu ciśnień w komorze spalania z 50 cykli pomiarowych wyznaczono wskaźnik niepowtarzalności maksymalnych ciśnień µ pmax. Wynosi on odpowiednio dla oleju rydzowego (L100) µ pmax = 0,0048, dla jego mieszaniny z olejem napędowym (L50) µ pmax = 0,0039 oraz dla oleju napędowego (ON) µ pmax = 0,005. Rys. 9. Wskaźniki emisji substancji toksycznych badanych paliw w teście C1 wg normy ISO

8 Rys. 10. Kąty opóźnienia samozapłonu α ops dla trzech badanych paliw Rys. 11. Charakterystyka zewnętrzna. Wpływ prędkości obrotowej silnika na zmianę sprawność ogólnej silnika Podsumowanie Analizując wyniki uzyskane na silniku badawczym zasilanym eksperymentalnymi paliwami można stwierdzić, że: 1) Zasilanie silnika paliwem L100: - wpływa na wzrost maksymalnego ciśnienia spalania na charakterystyce zewnętrznej średnio o około 4,8%, - wpływa na spadek kątów opóźnienia samozapłonu średnio z wartości 11,7 [ OWK] do 10,6 [ OWK], - nie wypływa na wzrost niepowtarzalność procesu spalania, - wpływa na obniżenie sprawności ogólnej silnika na charakterystyce zewnętrznej średnio o około 11%, 36

9 - wpływa na zwiększenie emisji jednostkowych CO, NO x oraz HC w cyklu badania ISO 8178 C1, - nie wpływa na zmianę poziomu emisji jednostkowej PM w cyklu badania ISO 8178 C1. 2) Zasilanie silnika paliwem L50: - wpływa na spadek maksymalnego ciśnienia spalania na charakterystyce zewnętrznej średnio o około 2,5%, - wpływa na wzrost kątów opóźnienia samozapłonu średnio z wartości 11,7 [ OWK] do 11,9 [ OWK], - nie wypływa na wzrost niepowtarzalność procesu spalania, - wpływa na wzrost sprawności ogólnej silnika na charakterystyce zewnętrznej średnio o około 5,5%, - wpływa na wzrost emisji CO, NO x w cyklu badania ISO 8178 C1, - wpływa na spadek emisji HC w cyklu badania ISO 8178 C1, - nie wpływa na zmianę poziomu emisji jednostkowej PM w cyklu badania ISO 8178 w teście C1. Literatura: [1] Ambrozik A., Kruczyński P., Orliński P.: Wpływ zasilania silnika o ZS paliwami alternatywnymi na wybrane parametry procesu spalania oraz emisję składników toksycznych spalin, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 2(78)/ , [2] Bernardo A., Howard-Hildige R., O'Connell A., Nichol R., Ryan J., Rice B., Roche E., Leahy J.J.: Camelina oil as a fuel for diesel transport engines. Industrial Crops and Products, Volume 17, Issue 3, May 2003, , [3] Fröhlich A., Rice B.: Evaluation of Camelina sativa oil as a feedstock for biodiesel production. Industrial Crops and Products. Volume 21, Issue 1, January 2005, 25-31, [4] Jęczmionek Ł.: Olej z lnianki siewnej (Camelina sativa) szansa rozwoju biopaliw II generacji?. Nafta-Gaz. 09/ Streszczenie W ramach niniejszej pracy zaprezentowano wyniki badań oleju rydzowego pozyskanego z rynku niemieckiego pod kątem jego zastosowania jako samoistnego biopaliwa lub jako komponentu paliwa do silników o zapłonie samoczynnym. Objęły one zarówno sprawdzenie wpływu na parametry pracy silnika badawczego jak i na poziom emisji szkodliwych substancji. Uzyskane wyniki badań potwierdziły prawidłowy przebieg procesu spalania oraz jego powtarzalność, niezależnie od rynku pozyskania paliwa. Słowa kluczowe: paliwa alternatywne, olej z lnianki, silnik rolniczy 37

10 THE ANALYSIS OF SELECTED PARAMETERS OF THE COMBUSTION PROCESS OF CAMELIA SATIVA OIL AS A FUEL OR A FUEL-COMPONENT ON A PERKINS 1104C ENGINE Summary This article presents the result of a study of Camelia Sativa oil, obtained in Germany, with the intention of use as biofuel or a component of biofuel for diesel engines. The study was conducted to verify both the effect on the parameters of a working test-engine as well as the emission of toxic compounds. The test results confirmed the correct conduction of the combustion process and its reliability to perform in the same manner, no matter of the fuels origin. Keywords: alternative fuels, camelina sativa oil, agricultural engine, 38