WPŁYW PRZEDWTRYSKU NA ZAJWISKA FALOWE W ZASOBNIKOWYM UKŁADZIE WTRYSKOWYM SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM

Transkrypt

1 USTRZYCKI Adam Dr inż JAWORSKI Artur Dr inż. KUSZEWSKI Hubert Dr inż. Politechnika Rzeszowska Katedra Silników Spalinowych i Transportu WPŁYW PRZEDWTRYSKU NA ZAJWISKA FALOWE W ZASOBNIKOWYM UKŁADZIE WTRYSKOWYM SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu dawki przedwtrysku na przebieg procesu wtrysku, a w szczególności na wielkość pulsacji ciśnienia w układzie, które mają wpływ na dokładność dawkowania. Badaniom poddano cztery różne wtryskiwacze, które zasilano paliwami o różnych parametrach fizykochemicznych. Badania prowadzono dla wtrysku dwufazowego o zmiennych parametrach. W trakcie badań rejestrowano m.in. przebiegi szybkozmienne ciśnień w przewodzie wtryskowym, na podstawie których określano maksymalne ciśnienia w układzie i występujące pulsacje tego ciśnienia. 1. WPROWADZENIE Zalety zasobnikowego systemu zasilania powodują, że są one obecnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem konstrukcyjnym układu wtryskowego w silnikach o zapłonie samoczynnym. Wynika to przede wszystkim z możliwości realizacji wtrysku w dowolnym momencie obrotu wału korbowego, która jest efektem rozdzielenia procesu tłoczenia paliwa przez pompę od wtrysku paliwa do komory spalania silnika, za który odpowiedzialny jest sterowany elektrycznie wtryskiwacz. Umożliwia to wtrysk paliwa w kilku fazach, także np. opóźniony w stosunku do GMP celem zwiększenia temperatury spalin podczas regeneracji filtra cząstek stałych. Zastosowanie przedwtrysku służy z kolei do ograniczenia prędkości przyrostu ciśnienia w komorze spalania, co ogranicza twardą pracę silnika. Rozdzielenie procesu tłoczenia od wtrysku paliwa pozwala także na uzyskanie stosunkowo wysokich wartości ciśnienia nawet przy małych prędkościach obrotowych silnika, co zapewnia prawidłowe rozpylenie paliwa także w tych warunkach pracy silnika spalinowego. Skutkuje to bardziej efektywnym wykorzystaniem paliwa oraz obniżeniem poziomu zanieczyszczenia spalin. Tłoczenie przez pompę paliwa do zasobnika umiejscowionego w pobliżu wtryskiwaczy, z którymi połączony jest stosunkowo krótkimi przewodami wtryskowymi, ma ograniczać także zjawiska falowe w przewodach wtryskowych i wtryskiwaczu [16]. Na przebieg zjawisk falowych w przewodach układu wtryskowego ma wpływ, poza długością tych przewodów, prędkość rozchodzenia się dźwięku w paliwie, gdyż z taką prędkością rozchodzi się fala ciśnienia. Prędkość dźwięku w paliwie jest uzależniona od modułu ściśliwości i gęstości paliwa, a te z kolei uzależnione są od ciśnienia paliwa [3,9]. Niektórzy badacze uwzględniają jeszcze wpływ odkształceń przewodu na przebieg zjawisk falowych [3]. Pulsacje ciśnienia w układzie będące wynikiem zjawisk falowych wpływają negatywnie na dokładność dawkowania, szczególnie w przypadku niewielkich wartości dawki, jak to ma miejsce w przypadku przedwtrysku lub dawek podczas pracy silnika z małymi obciążeniami. Zmiany dawkowania wynikające z wahań ciśnienia we wtryskiwaczu, który w tego typu układzie jest odpowiedzialny za wielkość dawki paliwa podawanego do cylindra, mogą negatywnie wpływać na pracę silnika, zwiększając niepowtarzalność kolejnych cykli [,11,13,14,1]. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań mających na celu określenie 248

2 wpływu parametrów wtrysku dwufazowego przy zastosowaniu różnych paliw i wtryskiwaczy na przebieg zjawisk falowych w układzie. 2. STANOWISKO BADAWCZE I METODYKA BADAŃ Badania przeprowadzono na opracowanym stanowisku badawczym (rys. 1), którego głównym elementem był stół probierczy typu EPS-81 firmy Bosch. Ze względu na prowadzone badania paliw o odmiennych od oleju probierczego właściwościach, których producent stanowiska nie dopuszcza do eksploatacji, opracowano odrębny układ hydrauliczny z elektronicznym pomiarem dawki paliwa. Sygnały szybkozmienne rejestrowano za pomocą karty pomiarowej AT-MIO-16E-1 firmy National Instruments o maksymalnej częstotliwości próbkowania wynoszącej 1 MHz z 12 bitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Rejestracji sygnałów dokonywano z rozdzielczością kątową wynosząca, obrotu wałka pompy. Rejestrowano następujące przebiegi szybkozmienne: ciśnienie w przewodzie wtryskowym za szyną, ciśnienie w przewodzie przed wtryskiwaczem, sygnały sterujące pracą wtryskiwacza (przebieg napięcia i prądu wtryskiwacza). Ciśnienie w przewodzie wysokociśnieniowym mierzono za pomocą torów pomiarowych z czujnikami piezorezystywnymi firmy Kistler o zakresie pomiarowym 2 MPa. Pompa wysokociśnieniowa typu CR/CP1K3/R/1- S firmy Bosch, była wyposażona w regulator ciśnienia sterowany za pomocą opracowanego układu sterującego. Do połączenia szyny paliwowej z wtryskiwaczem zastosowano przewód wtryskowy o długości 1 mm, na którego końcach umieszczono adaptery mocujące czujniki ciśnienia. Paliwo wtryskiwano do komory wypełnionej paliwem o objętości ok. 3 dm 3. Pomiar wydatku realizowano za pomocą przepływomierzy z czujnikami Coriolisa typu MicroMotion firmy Emmerson, które poza masowym pomiarem przepływu, pozwalały na pomiar gęstości i temperatury przepływającego paliwa. W celu zmniejszenia wahań temperatury paliwa podczas pracy, układ wyposażono w chłodnice paliwa, których zadaniem było chłodzenie paliwa z wtryskiwacza i jego przelewu oraz przelewu pompy wysokiego ciśnienia. Przepływ cieczy chłodzącej przez chłodnice był sterowany zaworami elektromagnetycznymi uruchamianymi przez sterownik układu na podstawie zmierzonych temperatur przed każdą z chłodnic. Dokładny schemat hydrauliczny stanowiska przedstawiono w pracy [2]. Sterownik układu sterował ponadto regulatorem ciśnienia paliwa w zasobniku oraz pracą wtryskiwacza. Zadaniem sterownika było również, przesyłanie za pomocą transmisji szeregowej do komputera nadzorującego pracę sterownika, zmierzonych oraz nastawionych parametrów pracy układu wtryskowego. Wszystkie te parametry, odczytywane co 1 sekundę, zapisywano do pliku pomiarowego. W badaniach wykorzystano paliwa o zbliżonych właściwościach, których podstawowe parametry przedstawiono w tabeli 1 i 2. Badania przeprowadzono dla czterech różnych wtryskiwaczy sterowanych elektromagnetycznie: pięciootworkowego z silnika Fiat 1.3 MultiJet o oznaczeniu (W83), pięciootworkowego z silnika Peugeot 2. HDI o oznaczeniu (W44), sześciootworkowego z silnika Mercedes 2,3 CDI o oznaczeniu (), pięciootworkowego o oznaczeniu z czujnikiem wzniosu iglicy (). 249

3 Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1-stół probierczy Bosch EPS-81, 2-pompa wysokociśnieniowa, 3-zawór regulacji ciśnienia wyjściowego pompy, 4-szyna, -zawór regulacji ciśnienia w szynie, 6-badany wtryskiwacz, 7-komora wtryskowa, 8, 9, 1- chłodnice wtryskiwanego paliwa, przelewu wtryskiwacza i paliwa powrotnego z pompy wysokociśnieniowej, 11,12-przepływomierze z czujnikami Coriolisa do pomiaru dawki wtryskiwanego paliwa i przelewu wtryskiwacza, 13-zbiornik paliwa, 14-pompa zasilająca, 1-czujnik ciśnienia w szynie, 16, 17- piezorezystywne czujniki ciśnienia typu 467A2A firmy Kistler, 18, 19-termopary do pomiaru temperatury paliwa w komorze wtryskowej oraz przelewu wtryskiwacza, 2-czujnik położenia i prędkości obrotowej wałka pompy typu 36C firmy AVL, 21, 22-wzmacniacze sygnału typu 4618A firmy Kistler, 23- mikroprocesorowy sterownik sterujący pracą układu wtryskowego, 24-komputer do akwizycji sygnałów wolnozmiennych i zarządzania sterownikiem, 2-komputer sterujący stołem probierczym, 26-komputer z kartą pomiarową do akwizycji przebiegów szybkozmiennych 2

4 W trakcie badań realizowany był wtrysk dwufazowy, którego parametry przedstawiono na rys. 2. Wartość kąta wyprzedzenia przedwtrysku p była stała i wynosiła 9, natomiast wartość kąta wyprzedzenia dawki głównej ulegała zmianie i wynosiła 6, 7 i 8. Czas przedwtrysku wynosił t p =, ms, natomiast czas dawki głównej t g = 1 ms. Na rys. 3 przedstawiono przykładowy przebieg wzniosu iglicy zarejestrowany podczas badań. Tabela 1. Paliwa wykorzystane podczas badań procesu wtrysku [7] Udział [% obj.] Oznaczenie paliwa Olej napędowy bez biododatków Estry metylowe oleju rzepakowego FAME ON1 B1 ON1 1 - B B2 8 2 Tabela 2. Podstawowe parametry badanych paliw [4,6] Gęstość 1 Lepkość Oznaczenie paliwa [kg/m 3 kinematyczna 2 Wartość opałowa ] [mm 2 [kj/kg] /s] ON , B7 83 2, B , Gęstość mierzono w temperaturze 22 ºC, 2 Lepkość mierzono w temperaturze 4 ºC. Badania prowadzono dla trzech wartości ciśnienia w zasobniku wynoszących 7, 1 i 12 MPa. W trakcie badań utrzymywano stałą wartość temperatury w zbiorniku paliwa i stałą wartość napięcia zasilania, ze względu na ich wpływ na pracę układu wtryskowego [1,8,1]. Q t p + t g = t wtr t p t g p GMP Rys. 2. Schemat realizacji strategii wtrysku dwufazowego 21

5 p n=1 obr/min, t wtr =1. ms ciśnienie za szyną ciśnienie przed wtryskiwaczem Kąt obrotu wałka pompy, 1 1 wznios iglicy hi [ m] Kąt obrotu wałka pompy, 1 1 napięcie na wtryskiwaczu prąd wtryskiwacza U [V], I [A] Kąt obrotu wałka pompy, Rys. 3. Przykład zarejestrowanych przebiegów szybkozmiennych: ciśnienia w przewodzie za szyną i przed wtryskiwaczem, wzniosu iglicy oraz napicia i prądu wtryskiwacza 3. WYNIKI BADAŃ Na rys. 4 przedstawiono zmiany dawki wtryskiwanej przez analizowane typy wtryskiwaczy w zależności od kąta wyprzedzenia dawki głównej przy stałym kącie wyprzedzenia dawki przedwtrysku wynoszącym 9. Jak widać, niezależnie od zastosowanego paliwa czy wtryskiwacza, przy małej odległości kątowej dawki przedwtrysku od dawki głównej wynoszącej (kąt wyprzedzenia dawki głównej wynosi wówczas 8 ), Wartość dawki znacząco się zwiększa. Wynika to z faktu, że iglica wtryskiwacza nie zdąży opaść, przed rozpoczęciem wtrysku dawki głównej. 22

6 a) 8 7 W83 W44 ON1 B7 B2 6 Q w [mg/wtrysk] b) 8 7 W83 W44 ON1 B7 B2 6 Q w [mg/wtrysk] c) 8 7 W83 W44 ON1 B7 B2 6 Q w [mg/wtrysk] Rys. 4. Dawka wtryskiwanego paliwa Q w w zależności od kąta wyprzedzenia dawki głównej dla badanych paliw przy prędkości obrotowej n = 1 obr/min, czasie wtrysku t wtr = 1, ms oraz ciśnieniu w szynie: a) p rail = 7 MPa, b) p rail = 1 MPa, c) p rail = 12 MPa 23

7 a) 4 4 W83 W44 ON1 B7 B2 3 p w b) 4 4 W83 W44 ON1 B7 B2 3 p w c) 4 4 W83 W44 ON1 B7 B2 3 p w Rys.. Maksymalna amplituda ciśnienia paliwa w przewodzie przed wtryskiwaczem Δp w w zależności od kąta wyprzedzenia dawki głównej dla badanych paliw przy prędkości obrotowej n = 1 obr/min, czasie wtrysku t wtr = 1, ms oraz ciśnieniu w szynie: a) p rail = 7 MPa, b) p rail = 1 MPa, c) p rail = 12 MPa 24

8 4 4 W83 W44 ON1 B7 B2 3 p w p rail p rail p rail p rail Rys. 6. Maksymalna amplituda ciśnienia paliwa w przewodzie przed wtryskiwaczem Δp w w zależności od ciśnienia w szynie p rail dla badanych paliw przy realizacji wtrysku jednofazowego dla t wtr = t g = 1, ms i prędkości obrotowej n = 1 obr/min Przy większych odległościach kątowych przedwtrysku i dawki głównej, wartość dawki utrzymuje się na stałym poziomie, przy czym dla wtryskiwaczy W83, W44 i można zauważyć niewielki spadek dawki paliwa przy zmniejszaniu odległości kątowej pomiędzy kolejnymi fazami wtrysku z 2 do 1 dla większych wartości analizowanych ciśnień (1 i 12 MPa). Zmiany te są powodowane pulsacjami ciśnienia będących efektem wtrysku niewielkiej dawki paliwa podczas przedwtrysku. Następujący po nim wtrysk główny w zależności od tego, w którym miejscu fali ciśnienia nastąpi (rys. 3), może rozpoczynać się przy znacznie większych lub mniejszych ciśnieniach, gdyż amplituda pulsacji ciśnienia w układzie może dochodzić nawet do MPa (rys.). Wielkość pulsacji ciśnienia w układzie zależy przede wszystkim od parametrów konstrukcyjnych zastosowanego wtryskiwacza, jednakże uwidacznia się tu także wpływ parametrów paliwa zwłaszcza dla większych ciśnień (rys. b i c). Większe wahania ciśnienia ze względu na rodzaj zastosowanego paliwa występują w przypadku większych odległościach pomiędzy poszczególnymi fazami wtrysku. Na zmianę parametrów paliwa w największym stopniu reagują wtryskiwacze W44 oraz W83. Wielkość pulsacji ciśnienia przy zastosowaniu wtrysku dwufazowego jest w przypadku większych odległości pomiędzy fazami znacząco większa niż dla wtrysku jednofazowego (rys. i 6). 4. WNIOSKI Z przeprowadzonych badań procesu wtrysku wynika, że zastosowanie wtrysku dwufazowego może powodować większe wahania ciśnienia w układzie wtryskowym szczególnie w przypadku, gdy odległości kątowe pomiędzy poszczególnymi fazami wtrysku są większe. Zastosowanie przedwtrysku powoduje pulsacje ciśnienia, które podczas wtrysku dawki głównej mogą powodować zmiany w dawkowaniu. Zmiana wzajemnego rozmieszczenia faz wtrysku powoduje, że wtrysk główny może być realizowany w chwili, gdy ciśnienie jest wysokie ( grzbiet fali ), lub wówczas gdy jest niskie. Fale ciśnienia rozchodzą się z prędkością dźwięku w paliwie, która zależna jest od parametrów paliwa. Ponieważ prędkość rozchodzenia się fali ciśnienia nie zależy w bezpośredni sposób od prędkości obrotowej, stąd też jej zmiana nawet przy zachowaniu tego samego wzajemnego położenia kątowego faz wtrysku może powodować nieoczekiwane różnice w dawkowaniu, pomimo zachowania także pozostałych warunków pracy układu takich jak czas wtrysku, czasy poszczególnych jego 2

9 faz oraz założone ciśnienie w układzie wysokiego ciśnienia. W efekcie może to skutkować zwiększoną niepowtarzalnością wtrysku i pracy całego silnika. Maksymalne wahania ciśnienia zależą od wzajemnego położenia kątowego faz wtrysku oraz typu wtryskiwacza i są większe niż dla wtrysku jednofazowego nawet dwukrotnie, w przypadku wtryskiwacza W44 i najwyższego ciśnienia analizowanego ciśnienia wynoszącego 12 MPa. Wpływ rodzaju paliwa jest mniejszy ze względu na zbliżone właściwości paliw, a największe wahania ciśnienia występują dla oleju napędowego. Najmniejsze zmiany wielkości pulsacji na skutek zmiany paliwa wykazują wtryskiwacze i, dla których występują także najmniejsze różnice w dawkowaniu przy zastosowaniu analizowanych paliw. Podsumowując można stwierdzić, że zastosowanie wtrysku wielofazowego może powodować zwiększone wahania ciśnienia w układzie, co może powodować zmniejszenie dokładności dawkowania i wynikających z tego niekorzystnych skutków dla pracy silnika spalinowego. LITERATURA [1] Balawender K., Kuszewski H., Ustrzycki A.: Wpływ wybranych parametrów sygnału sterującego wtryskiwaczem na proces wtrysku paliwa w układzie zasilania typu CommonRail. Journal of KONES, Vol. 16, No. 2/29. [2] Balawender K., Lejda K., Ustrzycki A.: Stanowisko badawcze wtryskowych układów Common rail zasilanych paliwami różnego typu. No 23 `211, Вісник Національного транспортного університету, Київ 211. [3] Falkowski H., Hauser G., Janiszewski T., Jaskuła A.: Układy wtryskowe silników wysokprężnych. WKŁ Warszawa [4] Jaworski A., Kuszewski H., Ustrzycki A.: Wpływ biododatków na parametry energetyczne paliw stosowanych w spalinowych napędach środków transportu. Вісник Національного транспортного університету, No 23`211, Kijów 211. [] Jaworski A., Kuszewski H., Ustrzycki A.: Wpływ rodzaju paliwa na poziom ciśnień w zasobnikowym układzie wtryskowym silnika o zapłonie samoczynnym. Науково-виробничий журнал Проектування, виробництво, та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів, Національний транспортний університет, No 2, Lviv 212. [6] Kuszewski H., Jaworski A., Ustrzycki A.: Oznaczanie lepkości kinematycznej wybranych paliw zastępczych stosowanych w transporcie samochodowym. Вісник Національного транспортного університету, No 2`212, Kijów 212. [7] Lejda K., Balawender K., Jaworski A, Kuszewski H., Ustrzycki A., Woś P.: Analiza determinantów dokładności procesu wtrysku paliwa w wysokociśnieniowych systemach zasilania spalinowych napędów środków transportu. Sprawozdanie merytoryczne z projektu badawczego nr N N , Rzeszów 212, (praca niepublikowana). [8] Lejda K., Ustrzycki A.: Effect of supply voltage on the dosage of fuel in injection system the Common Rail type. Journal of Polish CIMAC, Vol. 4, No. 2, 29. [9] Sebyła A.: Metoda bezpośredniego pomiaru modułu sprężystości paliwa w funkcji ciśnienia i temperatury. Prace Instytutu Lotnictwa, Nr 1, [1] Ustrzycki A.: Wpływ parametrów sygnału sterującego wtryskiwaczem elektromagnetycznym na dawkowanie paliwa w zasobnikowym układzie wtryskowym. Вісник Національного транспортного університету, No. 2, Київ 29. [11] Ustrzycki A.: Wpływ zjawisk falowych na proces dawkowania paliwa w układzie wtryskowym typu Common Rail silnika wysokoprężnego. Науково-виробничий журнал Проектування, виробництво, та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів, Національний 26

10 транспортний університет,, No 16, Lviv 29. [12] Ustrzycki A.: Wpływ podstawowych parametrów wtrysku na wielkość pulsacji ciśnienia w układzie wtryskowym typu Common Rail. Науково-виробничий журнал Проектування, виробництво, та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів, Національний транспортний університет, No 19, Lviv 211. [13] Ustrzycki A.: Wpływ sygnału sterującego wtryskiwaczem na zjawiska falowe w zasobnikowym układzie wtryskowym. Mat. XX Międzynarodowej Konferencji Naukowej SAKON 6 nt. Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdów samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych. Zarządzanie i marketing w motoryzacji, Rzeszów 29. [14] Ustrzycki A.: Badania pulsacji ciśnienia w systemie Common Rail z elektromagnetycznymi wtryskiwaczami różnego typu. [w] Systemy i środki transportu samochodowego, Monografia seria Transport, tom 2, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 211. [1] Ustrzycki A., Kuszewski H.: Comparative study of fuel injection at common rail system using different types of fuel. Journal of Kones Powertrain and Transport, Vol. 18, No. 3. [16] Ustrzycki A., Kuszewski H., Woś P.: The effect of length of high pressure pipes on injection process in common rail system of diesel engine, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 17, No.3, Warszawa 21. EFFECT OF PRE-INJECTION ON WAVE PHENOMENA IN THE COMMON RAIL SYSTEM OF DIESEL ENGINE The paper presents the study results regarding the effect of a pre-injection on the injection process, with particular reference to the pressure pulsations in the fuel injection system which have an impact on fuel dosing. The study for four different injectors supplied by fuels with different physicochemical parameters. The study was conducted for two-phase injection with variable parameters. During the tests, the pressures in high pressure pipe were recorded, which were used to determining the pressure pulsations. 27