BADANIA NOWEGO SYSTEMU SPALANIA W SILNIKU DWUSUWOWYM MAŁEJ MOCY BADANIA NOWEGO SYSTEMU SPALANIA W SILNIKU DWUSUWOWYM MAŁEJ MOCY

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 02 No. 3 4 ISSN BADANIA NOWEGO SYSTEMU SPALANIA W SILNIKU DWUSUWOWYM MAŁEJ MOCY Wiesław Glinka, Stanisław Siwiec Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej, Nowowiejska 21/25, Warszawa glinka@itc.pw.edu.pl. Eugeniusz Budny, Janusz Przastek Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego, Racjonalizacji 6/, Warszawa eb@imbigs.org.pl Abstract Description of the new combustion system in a low power two-stroke engine and research results are presented in the paper. The engine of 30 kw power at 000 rpm was installed at the test stand equipped with an eddy-current dynamometer, exhaust-gas analyzers, electronic fuel scales and computer system for measurement of pressure inside the cylinder. Two options of combustion system of combustible mixture earlier formed by carburetor, without and with water injection into the inlet channel, were studied. Measurements of torque, power, fuel consumption, maximum of combustion pressure and emission of toxic components of exhaust-gases were done in the whole range of engine operation. Measurement results for 50, 75 and 90 % engine load and conclusions drawing from research are presented in the paper. BADANIA NOWEGO SYSTEMU SPALANIA W SILNIKU DWUSUWOWYM MAŁEJ MOCY Streszczenie W artykule przedstawiono opis i wyniki badań nowego systemu spalania w silniku dwusuwowym małej mocy. Silnik o mocy 30 kw przy n = 000 obr/min zainstalowany został na silnikowym stanowisku badawczym wyposażonym w hamulec elektrowirowy, analizatory spalin, elektroniczną wagę paliwową oraz komputerowy system pomiaru ciśnienia w cylindrze. Badania przedstawione w referacie obejmują dwa warianty systemu spalania mieszaniny palnej wytworzonej w gaźniku: bez wtrysku i z wtryskiem wody do kanału dolotowego do cylindra. Przeprowadzono pomiary: momentu obrotowego, mocy, zużycia paliwa, maksymalnego ciśnienia spalania oraz emisji szkodliwych składników spalin w całym zakresie pracy silnika. W referacie przedstawiono wyniki pomiarów dla 50, 75 i 90 % otwarcia przepustnicy oraz wnioski wynikające z przeprowadzonych badań. 1. Wstęp W ciągu ostatnich kilku lat, małej mocy silnik dwusuwowy stał się na nowo obiektem zainteresowania ośrodków badawczych na świecie. Powodem tego, są potencjalne możliwości, zatrzymanego w pewnym okresie, rozwoju tego silnika oraz szereg jego zalet w stosunku do silnika czterosuwowego (wyższe wskaźniki mocy i sprawności, prostota konstrukcji, niższe koszty wytwarzania i inne).w oparciu o powyższe przesłanki podjęto w naszym zespole niniejszą pracę badawczą. Głównym celem przeprowadzonych badań było dokonanie oceny wpływu zmian w systemie tworzenia mieszaniny palnej i spalania w silniku dwusuwowym ZI małej mocy. Jednocylindrowy silnik o mocy 30 kw przy n = 000 obr/min zainstalowany został na bazowym 97

2 silnikowym stanowisku badawczym [1] wyposażonym w hamulec elektrowirowy, analizatory spalin, elektroniczną wagę paliwową oraz komputerowy system pomiaru ciśnienia w cylindrze. W oparciu o wcześniej przeprowadzone badania modelowe i laboratoryjne [2,3], zdecydowano się na ukierunkowanie niniejszych badań dwojako: a. poprzez zmianę składu mieszaniny palnej doprowadzonej do cylindra, b. poprzez zastosowanie odpowiedniej konstrukcji zasobnika umieszczonego bezpośrednio przed świecą zapłonową. W pierwszym przypadku celem prac było istotne obniżenie emisji NO x w spalinach, a w drugim przypadku - zbadanie wpływu sturbulizowanego zapłonu strumieniowego na sprawność silnika i możliwość zastosowania uboższych mieszanin palnych. Punktem odniesienia były wyniki badań silnika bazowego. Dla obu wariantów badań dokonano określonych przeróbek silnika. Zmianę składu mieszaniny palnej dokonywano poprzez doprowadzenie sterowanej elektronicznie dawki pary wodnej do kanału zasilającego cylinder - pomiędzy skrzynią korbową napełnianą z gaźnika mieszaniną benzyny i powietrza, a oknami dolotowymi w tulei cylindrowej. W drugim przypadku, przed świecą zapłonową, która została odsunięta od cylindra, umieszczono zasobnik którego objętość wynosiła ok. 5 % objętości komory spalania i którego wlot od strony cylindra miał odpowiednie przewężenie. W referacie przedstawiono wyniki badań dla pierwszego przypadku - wtrysku pary wodnej do cylindra. 2. Stanowisko badawcze Dla wykonania badań wymienionych na wstępie, rozbudowano bazowe silnikowe stanowisko badawcze na stanowisko, którego schemat przedstawia rys Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1 silnik, 2 hamulec, 3 pulpit sterujący, 4 sterownik przepustnicy, 5 zbiornik paliwa, 6 waga paliwowa, 7 analizator spalin, czujnik ciśnienia, 9 wzmacniacz, 10 komputer, 11 przekaznik obrotowo-impulsowy, sterownik wtryskiwacza, 13 wtryskiwacz, 14 piec grzewczy, 15 butla-syfon, butla ze sprężonym powietrzem, 17 butla z propanem-butanem 9

3 Silnik motocyklowy (1) HONDA CRM250AR został sprzężony, poprzez łańcuchowe koła zębate, z chłodzonym wodą hamulcem elektrowirowym (2). Sygnał z hamulca przekazywany jest do pulpitu sterującego (3), z którego można sterować obciążeniem hamulca oraz siłownikiem regulacji otwarcia przepustnicy (4). Paliwo dostarczane jest grawitacyjnie ze zbiornika (5) poprzez elektroniczną wagę paliwową (6) Spaliny pobierano z rury wydechowej do analizatora spalin (7). Poprzez głowicę, do komory spalania wprowadzono czujnik ciśnienia (). Wzmacniacz (9) przekazywał sygnał do komputera (10). Na wale silnika zamontowano przekaźnik impulsowo-obrotowy (11) przekazujący impulsy co 1 o obrotu wału do urządzenia () sterującego pracą wtryskiwacza wody (13).Urządzenie to sterowało czasowo (w ms) dawką wody, oraz określonym kątowo względem GMP silnika początkiem wtrysku. Woda do wtryskiwacza dostarczana była z układu syfonowego, który stanowiła butla (15) częściowo wypełniona wodą z poduszką powietrzną. Ciśnienie nad lustrem wody zadane było z butli () i wynosiło ok. 4 bary. Woda po wyjściu z wtryskiwacza była podgrzewana w piecu (14) i jako para wprowadzana była do przewodu dolotowego, łączącego skrzynię korbową silnika z przestrzenią nad tłokiem. Aby uzyskać parę wodną zwinięto spiralę z rurki miedzianej (do której wtryskiwano sterowaną dawkę wody) i obłożono ją cegłą szamotową chroniącą przed utratą ciepła. Od dołu umieszczono palnik zasilany gazem propan-butan z butli (17). Tak powstał piec grzewczy (14) dostarczający parę wodną do silnika. Aby określić ilość podawanej do cylindra pary wodnej wykonano charakterystykę wydatku wtryskiwacza w funkcji czasu jego otwarcia, który był zadawany ze sterownika () w granicach od 1 do 10 ms. W całym zakresie prowadzonych badań stosowano stałą dawkę pary wodnej. Przy doborze tej dawki uwzględniono masowy stosunek ilości pary wodnej do masy ładunku mieszaniny paliwa z powietrzem w cylindrze. W trakcie badań zwracano uwagę, aby cała dawka wody została zamieniona na parę. 3. Wyniki badań Badania prowadzone były w całym obszarze obciążeń silnika w zakresie prędkości obrotowej od 00 obr/min do 9000 obr/min. Silnik bazowy na charakterystyce zewnętrznej uzyskiwał maksymalną moc N = 30 kw przy n = 000 obr/min i maksymalny moment obrotowy M = Nm przy n = 6500 obr/min. W przedstawianym w referacie etapie badań wykonano charakterystyki prędkościowe: mocy, momentu obrotowego i jednostkowego zużycia paliwa, oraz analizę emisji NO x w spalinach i przebieg ciśnienia w cylindrze dla trzech położeń otwarcia przepustnicy: 50, 75 i 90%. Uzyskane wyniki pomiarów dla silnika bazowego przy powyższych otwarciach przepustnicy porównano z wynikami przy zmienionym składzie mieszaniny palnej poprzez dodatek pary wodnej. Rysunki 2 do 4 przedstawiają charakterystyki pracy silnika dla trzech wariantów obciążenia, każdorazowo dla mieszaniny palnej bez wody i z dodatkiem pary wodnej. Na podstawie przedstawionych na rysunkach 2 4 charakterystykach prędkościowych silnika można stwierdzić, że tak moc jak i moment obrotowy przy zmianie składu mieszaniny palnej poprzez dodanie pary wodnej spadają o około 5% w zakresie swych maksymalnych wartości. Natomiast jednostkowe zużycie paliwa zmniejsza się dość wyraźnie w zakresie niższych prędkości obrotowych i niższych obciążeń silnika 99

4 24 24 N Ne Mo [Nm] 30 Mo Ne [kw] g e [g/kwh] Mo [Nm] 30 Mo Ne [kw] g e [g/kwh] ge ge Rys. 2. Charakterystyka prędkościowa silnika przy obciążeniu 50% Rys. 3. Charakterystyka prędkościowa silnika przy obciążeniu 75% 24 Ne Mo [Nm] 30 Mo Ne [kw] g e [g/kwh] ge Rys. 4. Charakterystyka prędkościowa silnika przy obciążeniu 90% 100

5 Na rysunkach 5 7 przedstawiono wyniki pomiarów emisji NO x w spalinach dla powyższych trzech wariantów obciążenia i dwóch składów mieszaniny palnej NO x [ppm] 0 0 NO x [ppm] n[obr/min] Rys. 5. Emisja NO x w funkcji prędkości obrotowej silnika przy obciążeniu 50% Rys. 6. Emisja NO x w funkcji prędkości obrotowej silnika przy obciążeniu 75% 500 NO x [ppm] Emisja NO x w spalinach, istotna z punktu widzenia ekologii, wykazuje znaczną obniżkę przy zmianie mieszaniny palnej. Wykres dla obciążenie silnika 50% (rys. 5) w całym zakresie prędkości obrotowej wykazuje obniżenie emisji rzędu 25 do 35%. W miarę wzrostu obciążenia silnika (rys.6 i 7) zmniejszenia emisji stopniowo maleją. Rys. 7. Emisja NO x w funkcji prędkości obrotowej silnika przy obciążeniu 90% Na rysunkach do 10 przedstawiono wyniki komputerowych pomiarów w systemie ESAM dla maksymalnych ciśnień w cylindrze. 101

6 pmax [bar] pmax [bar] Rys.. Ciśnienie maksymalne w funkcji prędkości obrotowej silnika przy obciążeniu 50% 70 n[obr/min] Rys. 9. Ciśnienie maksymalne w funkcji prędkości obrotowej silnika przy obciążeniu 75% 60 pmax [bar] 50 Wykresy zmian maksymalnego ciśnienia w cylindrze silnika, przedstawione na rysunkach 10, wykazują znaczne (rzędu 15 do 25%) spadki ciśnienia w przypadku zmiany składu mieszaniny palnej przez dodanie pary wodnej. Rys. 10. Ciśnienie maksymalne w funkcji prędkości obrotowej silnika przy obciążeniu 90% Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań, mając na względzie zastosowaną (dostępną) przez nas aparaturę, szczególnie przy pomiarze emisji NO x oraz ciśnienia, nie możemy jednoznacznie podać ilościowych wartości wyżej wymienionych parametrów. Natomiast analiza otrzymanych charakterystyk silnika, jak i wykresy emisji NO x i ciśnienia wyraźnie pokazują obraz jakościowy z którego możemy określić tendencje zmian parametrów przy zmianie składu mieszaniny palnej. 102

7 Wykonane charakterystyki prędkościowe w całym zakresie obciążeń silnika pokazują spadek mocy i momentu obrotowego w przypadku wtrysku pary wodnej. Różnica tych parametrów wzrasta z prędkością obrotową osiągając ok. 5 % w ich zakresach maksymalnych (000 obr/min - moc maksymalna i 6500 obr/min - maksymalny moment obrotowy). Natomiast jednostkowe zużycie paliwa zmniejsza się w zakresie niższych prędkości obrotowych i niższych obciążeń silnika. Stosowany przez nas system wtrysku pary wodnej miał na celu głównie obniżenie temperatury w komorze spalania, co powoduje obniżenie emisji NO x. Na podstawie wykonanych wykresów obserwujemy obniżenie emisji NO x w granicach aż 25 do 35 % dla obciążenia silnika 50 %. Ze wzrostem obciążenia spadek emisji zmniejsza się stopniowo. Należy jednak stwierdzić, że pomimo niezbyt korzystnego spadku mocy i momentu obrotowego przy wtrysku pary wodnej rekompensata w postaci spadku emisji NO x jest bardzo istotna z punktu widzenia ekologii. Obserwowany na wykresach spadek ciśnienia maksymalnego, tak dla przypadku bez wtrysku jak i z wtryskiem pary wodnej ze wzrostem obciążenia silnika mógł być spowodowany działaniem układu recyrkulacji spalin, w który wyposażony był badany przez nas silnik. Bibliografia 1. Glinka W., Siwiec S., Chłosta M., Przastek J.: Stanowisko do badania silnika dwusuwowego małej mocy, Conf. Proc. 27 th International Scientific Conf. on Comb. Engines - KONES 01, Jastrzębia Góra, Glinka W., Gut Z., Budny E., Przastek J.: Model Studies of Fuel Injection, Conf. Proc. 1 th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Seattle, USA, Budny E., Przastek J., Glinka W., Gut Z.: Model Studies of Combustion Process in Constant Volume Chamber Using Fuel Injector, Mediterranean Combustion Symposium, Sharm El-Sheikh, Egypt,