Logistyka - nauka. Logistyka 5/ Krzysztof Człapiński 1, Marek Klimkiewicz 2, Katarzyna Botwińska 3, Remigiusz Mruk 4, Paweł Obstawski 5

Transkrypt

1 Krzysztof Człapiński 1, Marek Klimkiewicz 2, Katarzyna Botwińska 3, Remigiusz Mruk 4, Paweł Obstawski 5 Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Ocena rozkładu temperatury zewnętrznej silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego olejem napędowym oraz nieprzetworzonym olejem rzepakowym za pomocą pomiarów termowizyjnych 6 Wstęp Zadaniem logistyki jest zapewnienie sprawnego przepływu materiałów i informacji w procesie produkcji z maksymalnym wykorzystaniem zdolności produkcyjnych. Aby zapewnić sprawny przepływ czynników w łańcuchu wartości przeprowadza się coraz częściej monitoring in line systemów produkcyjnych. Jedną z technik za pomocą której można przeprowadzić obserwacje urządzeń pracujących w różnych warunkach jest termowizja [14]. Za pomocą obrazu termograficznego można ocenić parametry pracy urządzenia w czasie normalnej pracy przy obciążeniu, a także wykryć usterki, których nie widać gołym okiem i w ten sposób zapobiec awarii systemu. Przykładem badań termowizyjnych może być porównanie temperatur podczas nagrzewania silnika zasilanego paliwem konwencjonalnym i alternatywnym. W ostatnich latach ze względu na potrzebę zastępowania źródeł energii z surowców kopalnych źródłami odnawialnymi w wzrosło zainteresowanie olejem rzepakowym jako biopaliwem. Prekursorem, który zastosował olej pochodzenia roślinnego do zasilania silnika spalinowego był Rudolf Diesel, który już pod koniec XIX obawiał się, że zasoby ropy naftowej mogą się wyczerpać. Olej rzepakowy do zasilania silników o zapłonie samoczynnym wykorzystuje się głównie w formie przetworzonej w postaci bioestrów [8], ale także duże zainteresowanie jest stosowaniem do zasilania silników nieprzetworzonego oleju rzepakowego [1], [4], [16], [17]. Wiele firm produkujących ciągniki ma w swojej ofercie modele z silnikami przystosowanymi do pracy na oleju rzepakowym. Olej rzepakowy ma odmienne właściwości fizykochemiczne w porównaniu do oleju napędowego [2], [6], [3], [13]. Na przykład olej rzepakowy charakteryzuje się około 10 krotnie większą lepkością od oleju napędowego w temperaturze 20 o C. Zastosowanie do zasilania silnika o zapłonie samoczynnym paliwa o innych właściwościach fizykochemicznych niż przewidziane przez konstruktora silnika wpływa na zmianę przebiegu spalania i powoduje zmianę wielu parametrów pracy silnika, co wiąże się z różnymi problemami w eksploatacji silników [5], [7]. Celem badań było porównanie zewnętrznej temperatury pracy wybranych elementów silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego olejem napędowym i nieprzetworzonym olejem rzepakowym. 1 mgr inż. K. Człapiński, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Organizacji i Inżyierii Produkcji 2 dr hab. inż. M. Klimkiewicz, prof. SGGW, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Organizacji i Inżyierii Produkcji 3 mgr inż. K. Botwińska, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Organizacji i Inżyierii Produkcji 4 dr inż. R. Mruk, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Organizacji i Inżyierii Produkcji 5 dr hab. inż. P. Obstawski, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Podstaw Inżynierii 6 Artykuł recenzowany Logistyka 5/

2 Przegląd literatury Do pomiary temperatury silnika wykorzystano metodę termowizyjną, w której określa się moc promieniowania w zakresie podczerwieni. Pomiary gradientów temperatur silnika spalinowego prowadzili też Setlak i Kuś [15]. Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego emitują promieniowanie podczerwone. Ze wzoru przedstawionego przez Max Planck a wynika, że moc promieniowania ciała zależy od jego temperatury w funkcji długości fali [12]. Przeprowadzenie pomiarów temperatury na rzeczywistych obiektach wiąże się z pracą na powierzchniach o różnej emisji promieniowania podczerwonego i dlatego wykorzystuje się powierzchnię modelową ciała doskonale czarnego, dla którego rozkład promieniowania jest niezależny od widma padającego na jego powierzchnię promieniowania. Całkowita moc wyemitowaną przez ciało doskonale czarne z jednostki powierzchni w danej temperaturze można określić z prawa Stefana- Boltzmana: gdzie: E strumień energii promienistej ciała (W/m 2 ), σ = 5, ( W/m 2 K 4 )-stała Stefana-Boltzmana, T temperatura ciała doskonale czarnego (K). E = σ T 4 (1) Zdolność emisyjną ciała wyraża się jako moc wypromieniowaną przez jednostkę powierzchni tego ciała w jednostkowym przedziale długości fali [12]: E(λ, T) = dw e dλ (2) gdzie: dw e - energia promieniowania elektromagnetycznego w przedziale długości fali od λ do dλ, wysyłanego w ciągu jednostki czasu przez jednostkę powierzchni ciała, λ długość fali. Ciała stałe odbiegają na ogół dość znacznie od modelu ciała doskonale czarnego. Ich zdolność emisji charakteryzowana jest przez względną zdolność emisyjną ε nazywaną emisyjnością będącą ilorazem zdolności emisyjnej badanego ciała i ciała doskonale czarnego. W kamerach termowizyjnych stosuje się coraz częściej niechłodzone detektory mikrobolometryczne podczerwieni, które przetwarzają promieniowanie w celu uzyskania obrazu termograficznego [9]. Dokładny pomiar temperatury zewnętrznej powierzchni, w skład której wchodzą elementy z różnych materiałów, za pomocą kamery termowizyjnej jest trudny do przeprowadzenia z powodu różnej emisyjności materiałów, która jest główną przyczyną błędów pomiarowych [10], [11]. Błędy te minimalizuje się stosując odpowiednie procedury pomiaru. Zastosowane metody badawcze Badania rozkładu temperatury silnika z zapłonem samoczynnym przeprowadzono na silniku zamontowanym w samochodzie osobowym marki Ford Fiesta 1.8D z wtryskiem pośrednim, wyposażonym w dodatkową instalację podgrzewającą umożliwiającą zasilanie silnika nieprzetworzonym olejem rzepakowym. Badania termowizyjne przeprowadzono za pomocą kamery termowizyjnej VIGOcam v50 pracującej w zakresie spektralnym 8-14 µm z detektorem w postaci niechłodzonej macierzy mikrobolometrycznej (384 x 288 pikseli). Zastosowano obiektyw szerokokątny 18 mm. W celu wprowadzenia do oprogramowania kamery termowizyjnej dokładnej wartości emisyjności zastosowano metodę porównawczą z użyciem mate- 94 Logistyka 5/2015

3 riału o znanej wysokiej emisyjności [11]. Na powierzchnię silnika, na której określano temperaturę naklejano odcinek czarnej taśmy, dla której przyjmowano emisyjność równą 0,98. Przy pomiarze temperatury powierzchni silnika do programu kamery wprowadzano taką wartość emisyjności, aby temperatury określone przez kamerę termograficzną na powierzchni taśmy i pokrywy były na zbliżonym poziomie. Kamerę zamocowaną na statywie umieszczono w odległości 1 metra od badanej powierzchni silnika. W ramach badań określano rozkład temperatury zewnętrznej silnika wysokoprężnego zasilanego olejem napędowym oraz czystym olejem rzepakowym. Pierwszy eksperyment polegał na pomiarze temperatury na powierzchni poszczególnych elementów silnika podczas nagrzewania od chwili rozruchu silnika do momentu osiągnięcia przez silnik ustalonej temperatury pracy zasilając silnik kolejno olejem napędowym i rzepakowym. Obrazy termowizyjne były rejestrowane przez kamerę w trybie sekwencyjnym w odstępach czasu co 5 s. Potem przeprowadzono pomiary temperatur w ustalonych warunkach pracy silnika na dwóch badanych paliwach. W badaniach wykorzystano standardowy olej napędowy zimowy IZ-35 oraz olej rzepakowy dostarczony przez firmę Basic Components Sp. Z o.o. Olej rzepakowy w temperaturze 40 o C charakteryzował się lepkością kinematyczną 35,4 mm 2 /s, a w temperaturze 100 o C lepkością 8,1 mm 2 /s. Gęstość oleju w temperaturze 20 o C wynosiła 0,916 g/cm 3. Wyniki badań Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy termogram przedstawiający rozkład temperatury na poszczególnych elementach silnika zasilanego olejem napędowym po upływie piętnastu sekund od chwili uruchomienia zimnego silnika. Z termogramu wynika, że w fazie początkowej najwyższe zewnętrzne temperatury występują w obrębie poszczególnych komór spalania, natomiast najniższe na styku głowicy silnika z pokrywą zaworów. Na rozkład temperatury wpływ mają jeszcze świece żarowe podgrzewające wstępne komory spalania. W okolicy styku wtryskiwaczy z głowicą temperatura średnio wynosi 22,8 C. Rys. 1. Rozkład temperatur na poszczególnych elementach silnika po piętnastu sekundach od chwili włączenia Na rysunku 2 przedstawiono termogram wykonany po upływie 985 sekund od chwili uruchomienia silnika zasilanego olejem rzepakowym. Najwyższym i bardzo wyrównanym poziomem temperatury kształtującym się w przedziale 87,5-90,3 C charakteryzował się obrys komory spalania. Temperatura głowicy silnika pomiędzy komorami spalania zawierała się w przedziale od 81,5 C do 82,1 C. Analizując rozkład temperatury na wtryskiwaczach można wyróżnić trzy obszary. Pierwszy w przedziale temperatur 73,1-80,4 C znajdował się na styku wtryskiwacza z komorą spalania, drugi w połowie wysokości wtryskiwacza o zakresie temperatur C oraz trzeci na styku wtryskiwacza z przewodem paliwowym o temperaturze Logistyka 5/

4 w przedziale C. Należy zauważyć również, że wzrosła temperatura przewodów paliwowych średnio do 49 C na styku z wtryskiwaczami oraz do 38 C w dalszej części. Średnia temperatura pokrywy zaworów ustaliła się na poziomie 51 C. W analizowanym przypadku można powiedzieć, że silnik osiągnął stan ustalony stan pracy. Rys. 2. Rozkład temperatur na poszczególnych elementach silnika po czasie 985 s od chwili włączenia Na rysunku 3 przedstawiono porównanie średnich wartości temperatury zewnętrznej głowicy silnika w okolicach komory spalania silnika zasilanego olejem napędowym i rzepakowym. W czasie od 600 sekundy do osiągnięcia przez silnik ustalonej temperatury pracy wyższe wartości temperatur występują przy zasilaniu silnika olejem rzepakowym. Rys. 3. Porównanie przebiegu temperatur podczas nagrzewania powierzchni głowicy w okolicach komory spalania silnika zasilanego olejem napędowym i rzepakowym Na rysunku 4 przedstawiono średnie temperatury wtryskiwaczy w czasie nagrzewania się silnika przy zastosowaniu wyżej opisanych paliw. Z wykresu wynika, że w czasie nagrzewania (od 50 sekundy do 380 sekund) średnie temperatury wtryskiwaczy silnika zasilanego olejem napędowym jak i rzepakowym miały podobne wartości natomiast w czasie od 380 sekund do uzyskania stanu ustalonego temperatura wtryskiwacza przy zasilaniu silnika olejem rzepakowym osiągała wyższy poziom niż przy zasilaniu silnika olejem napędowym. 96 Logistyka 5/2015

5 Rys. 4. Porównanie przebiegu średnich temperatur wtryskiwaczy w czasie nagrzewania się silnika zasilonego olejem napędowym i rzepakowym W celu porównania przeanalizowano też termogramy powierzchni silnika uzyskane dla silnika zasilanego olejem napędowym i olejem rzepakowym w ustalonych warunkach pracy silnika. Z przeprowadzonego porównania temperatur dla dwóch zastosowanych paliw wynika, że temperatura maksymalna i średnia dla całej obserwowanej powierzchni silnika zasilanego olejem rzepakowym była średnio wyższa o 3-5 o C w porównaniu do silnika zasilanego olejem napędowym. Wnioski Z dokonanej analizy pomiarów termowizyjnych wynika, że wartości temperatury na powierzchniach wybranych elementów silnika oraz czas osiągania ustalonej temperatury pracy zależą od typu paliwa jakim zasilany jest silnik. Elementy silnika takie jak głowica i wtryskiwacze osiągały wyższe temperatury przy zasilaniu go olejem rzepakowym. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można stwierdzić, że temperatura maksymalna i średnia dla całego obszaru głowicy silnika przy zasilaniu silnika olejem rzepakowym była średnio wyższa o 3-5 C w porównaniu do pracy silnika na oleju napędowym. Również czas potrzebny do osiągnięcia przez silnik ustalonej temperatury pracy był krótszy o około dwie minuty przy zasilaniu go olejem rzepakowym. Różnica wynika z różnych właściwości fizykochemicznych porównywanych paliw i w wyniku tego różnych mechanizmów spalania paliw. Wysoka temperatura przewodów wysokiego ciśnienia tuż przy wtryskiwaczach oraz wtryskiwaczy na styku z głowicą silnika świadczy o nagrzaniu się oleju rzepakowego i w związku z tym zmniejszeniu jego lepkości, co ułatwia proces jego rozpylania w czasie wtrysku. Streszczenie W artykule opisano wykorzystanie badań termograficznych do oceny stanu urządzeń. Zaprezentowano termogramy wybranych elementów silnika z zapłonem samoczynnym zasilanego olejem napędowym oraz zasilanego olejem rzepakowym. Badania termowizyjne przeprowadzono podczas procesu nagrzewania się silnika oraz w ustalonych warunkach pracy biegu jałowego. Na podstawie sporządzonych termogramów wygenerowano średnie wartości temperatur zewnętrznych poszczególnych elementów silnika. Z dokonanej analizy średnich wartości temperatur wynika, że wyższe temperatury pracy osiągają elementy silnika zasilanego olejem rzepakowym. THE USE OF THERMOGRAPHY TO ASSESS THE STATE OF THE OBJECTS ON THE EX- AMPLE OF THE DIESEL ENGINE-POWERED WITH ALTERNATIVE FUEL Abstract The article describes the use of thermographic research to assess the condition of equipment. Thermal images of selected elements of the diesel engine fueled with rapeseed oil and diesel fuel were presented. Logistyka 5/

6 Studies were carried out during the engine warm-up and under steady state conditions during no-load operation. Thermal images were used to generate the average outdoor temperature of individual engine components. Analysis average temperature values show that a higher operating temperature reaches components of engine powered with rapeseed oil. Bibliografia [1] Ambrozik A., Kurczyński D.: Comparative evaluation of load characteristics of diesel engine fueled with diesel fuel and vegetable fuel mixture. MOTROL, 8A/2006. s [2] Bocheński C.I. Biodiesel - paliwo rolnicze.: Wyd. SGGW Warszawa [3] Cieślikowski B., Ślipek Z.: Zmienność cech oleju rzepakowego w warunkach przechowywania. Inżynieria Rolnicza. Nr 13 (88)/2006. s [4] Dzieniszewski G.: Analiza możliwości zasilania silnika Diesla surowym olejem rzepakowym. Inżynieria Rolnicza. Nr 12 (87)/2006. s [5] Dzieniszewski G.: Wybrane problemy stosowania biopaliw do zasilania silników z zapłonem samoczynnym. Inżynieria Rolnicza. Nr 10 (108)/2008. s [6] Jakóbiec J., Bocheńska A., Ambrozik A.: Modification of physical, chemical and functional properties of rapeseed fuel. Inżynieria Rolnicza. Nr 4 (129)/2011. s [7] Klimkiewicz M., Mruk R., Słoma J., Wojdalski J., Jobbágy J., Simoník J., Varga R.: Ocena uszkadzalności jednostki napędowej ciągnika rolniczego zasilanego olejem rzepakowym metodą drzewa zdarzeń ETA. Inżynieria Rolnicza. Nr 2 (143)/2013. s [8] Kupczyk A., Borowski P., Powałka M., Ruciński D.: Biopaliwa transportowe w Polsce. Stan aktualny i perspektywy. WEMA Warszawa, [9] Madura H., Sosnowski T., Bieszczad G.: Termowizyjne kamery obserwacyjne budowa, zastosowania i krajowe możliwości realizacji. Przegląd Elektrotechniczny 9/2014. s 5-8. [10]Minkina W.: Podstawy pomiarów termowizyjnych część III- problemy metrologiczne, interpretacja wyników. Pomiary Automatyka Kontrolna. Nr 11/2001. s [11]Minkina W.: Pomiary termowizyjne- przyrządy i metody. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej Częstochowa. ss. 242, [12]Oliferuk W.: Termografia podczerwieni w nieniszczących badaniach materiałów i urządzeń. Biuro Gamma Warszawa [13]Osiak J., Klimkiewicz M., Mruk R., Roszkowski H., Słoma J., Wojdalski J.: Wpływ parametrów wytłaczania na zimno oleju rzepakowego w prasie ślimakowej na wybrane właściwości fizyko-chemiczne produktu jako paliwa silnikowego. Inżynieria Rolnicza. Nr 2/2013 (143). s [14]Rochatka T., Badanie termowizyjne mostków ciepla w nadwoziach chłodniczych. Logistyka Nr 6/2011. s [15]Setlak R., Kuś P.: Badania cieplne silnika spalinowego samochodu osobowego w aspekcie zastosowania systemu napędowego Mild Hybrid. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 86/2010. s [16]Szlachta Z.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi. WKIŁ Warszawa [17]Wcisło G.: Możliwości zasilania olejem rzepakowym silników wysokoprężnych w pojazdach rolniczych. Inżynieria Rolnicza. Nr 10 (52)/ s Logistyka 5/2015