INFLUENCE OF DIESEL ENGINE FUELLING WITH MINERAL AND VEGETABLE FUELS ON THE INJECTION PROCESS AND FUEL STREAM DISINTEGVATION

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 3 INFLUENCE OF DIESEL ENGINE FUELLING WITH MINERAL AND VEGETABLE FUELS ON THE INJECTION PROCESS AND FUEL STREAM DISINTEGVATION Andrzej Ambrozik 1, Stanisaw Kruczyski 2, Janusz Jakóbiec 3, Stanisaw Orliski 4 1. Politechnika witokrzyska, Wydzia MiBM, Katedra Pojazdów i Sprztu Mechanicznego, Kielce Al. Tysiclecia PP 7, silspal@tu.kielce.pl, 2. Politechnika Warszawska, Wydzia SiMR, Instytut Pojazdów, Warszawa ul. Narbutta 84, skruczyn@simr.pw.edu.pl, 3. Instytut Technologii Nafty, Kraków, Kraków ul. ukasiewicza 1, j.jakobiec@itn.com.pl 4. Politechnika Radomska, Wydzia Mechaniczny, Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn, Radom ul. Chrobrego 45, tel. (048) , walorl@wp.pl. Abstract The paper presents investigation results of the engine AD3.152 fuelled with mineral oil EKODIESEL PLUS-50 and vegetable oil BIODIESEL D-FAME that allows determining injection rate and injected fuel stream disintegration. The tests were made basing on extremal speed characteristic of engine using engine test bench with measurement system of high-speed pressure parameters and lift of injector needle. The aim of the tests was to comparison influence of self-ignition feeding mineral fuel Ekodiesel Plus 50B with select vegetable fuel BIODIESEL D-FAME. Using fuels of different physicochemical properties to compression-ignition engines requires high accuracy of diagnostic parameters measurements in order to learn differences in processes of injection and combustion. Necessity of fulfilling more and more strong standards, concerning emission of toxic components of exhaust gases, forces users of diesel engines to posses quick and precision methods of their technical state assessment and particularly of a combustion process and of injection equipment technical state. Analysis of the obtained diagrams of fuel pressure in the injection pipe and injection needle lift allows determining fuel outlaw rate from the atomizer and fuel stream disintegration info drops. Experimentally obtained indicator diagrams of cylinder pressure were also applied. Keywords: diesel engine, investigation, engine diagnostics, ecological fuels, and environment, combustion processes WPYW ZASILANIA SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPONIE SAMOCZYNNYM PALIWEM MINERALNYM I ROLINNYM NA PROCES WTRYSKU ORAZ ROZPAD STRUGI PALIWA Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki bada silnika AD3.152 zasilanego paliwem mineralnym Ekodiesel Plus 50B oraz rolinnym BIODIESEL D-FAME pozwalajce wyznaczy prdkoci wtrysku oraz rozpad strugi paliwa wtryskiwanej do cylindra na krople. Badania wykonano na bazie zewntrznej prdkociowej charakterystyki silnika z wykorzystaniem stanowiska hamownianego wyposaonego w system pomiarowy parametrów szybkozmiennych cinie oraz przemieszcze wzniosu iglicy wtryskiwacza. Badania przeprowadzono w celu porównania wpywu zasilania silnika paliwem mineralnym Ekodiesel Plus 50B oraz wybranym paliwem rolinnym BIODIESEL D-FAME. Zastosowanie paliw o rónych waciwociach fizykochemicznych do silników wysokoprnych wymaga duych dokadnoci pomiarów parametrów diagnostycznych celem poznania wystpujcych rónic w procesach wtrysku i spalania silników zasilanych tymi paliwami. Spenianie coraz bardziej rygorystycznych norm w emisji skadników toksycznych spalin zmusza wspóczesnego uytkownika silników spalinowych o zaponie samoczynnym do posiadania szybkich i precyzyjnych metod oceny jego stanu technicznego, a szczególnie procesu spalania oraz stanu technicznego

2 A. Ambrozik, S. Kruczyski, J. Jakóbiec, S. Orliski aparatury wtryskowej. Analiza eksperymentalnie sporzdzonych wykresów cinienia paliwa w przewodzie wtryskowym i wzniosów iglicy wtryskiwacza umoliwia wyznaczenie: prdkoci wypywu paliwa z rozpylacza oraz rozpad strugi paliwa na krople, wykorzystujc do tego równie eksperymentalne wykresy indykatorowe cinie w cylindrze silnika. Sowa kluczowe: silniki spalinowe, badania hamowniane, diagnostyka silnika, paliwa ekologiczne, rodowisko, procesy spalania 1. Wstp Wzrastajce ceny oleju napdowego spowodoway decyzje Rafinerii Trzebina o wznowieniu produkcji estrów metylowych kwasów tuszczowych oleju rzepakowego, zgodnie z wymaganiami jakociowymi dla paliwa (EMKOR) FAME (Fatty Acid Methyl Ester) okrelonymi norm PN-EN Proces wtrysku paliwa jest zoonym, okresowo powtarzajcym si szybkozmiennym procesem zachodzcym w aparaturze wtryskowej. Jednym z do atwo uzyskiwanych i wiarygodnych róde informacji o przebiegu procesu wtrysku s wykresy cinienia paliwa w przewodzie wtryskowym i wzniosu iglicy wtryskiwacza. Ekonomiczne, energetyczne i ekologiczne wskaniki pracy silnika w bezporedni sposób zale od wykresu indykatorowego cinienia w cylindrze i przebiegu zmiany w/w wielkoci w ukadzie zasilania silnika paliwem. 2. Cel bada Celem bada jest ocena wpywu zasilania silnika AD3.152 pracujcego wedug zewntrznej charakterystyki prdkociowej dwoma rodzajami paliw ekologicznych tj. wglowodorowym, niskosiarkowym olejem napdowym EKODIESEL PLUS 50B, oraz estrami metylowymi kwasów oleju rzepakowego BIODIESEL D-FAME na: wartoci urednionych ze 100 cykli pracy silnika cinie paliwa w przewodzie wtryskowym, wartoci prdkoci wtrysku paliwa wyznaczone w oparciu o w/w urednione wykresy, prdkoci i czas rozpadu strugi na krople oraz kty i czasy penetracji tej strugi paliwa w cylindrze. 3. Stanowisko badawcze oraz wielkoci fizykochemiczne paliw Badania przeprowadzono na stanowisku, na którym zainstalowano silnik o zaponie samoczynnym AD3.152, z bezporednim wtryskiem paliwa wyposaonym w aparatur wtryskow typ. DPA 3328 F-510 [2]. Stanowisko wyposaone byo w system pomiarowy umoliwiajcy pomiar cinie i innych wielkoci szybkozmiennych. Wybrane waciwoci fizykochemiczne badanych paliw: wglowodorowego EKODIESEL PLUS 50B i rolinnego BIODIESEL D-FAME przedstawiono w tabeli 1. Schemat stanowiska badawczego przedstawia rys.1. 22

3 Influence of Diesel Engine Fuelling with Mineral and Vegetable Fuels on the Injection Process Rys.1. Schemat stanowiska badawczego [2]: 1 silnik AD3.152, 2 hamulec wodny HS 75, 3 czujnik temperatury oleju, 4 czujnik temperatury czynnika chodzcego silnik, 5 - nadajnik kta obrotu wau korbowego firmy INTROL Pozna, 6 - komputer PC z kart pomiarow, 7 czujnik cinienia w komorze spalania, 8 - szafa sterowania i kontroli, 9 zestaw wzmacniaczy sygnaów, 10 czujnik wzniosu iglicy wtryskiwacza, 11 czujnik cinienia paliwa w przewodzie wtryskowym, 12 czujnik temperatury paliwa. Fig.1. Test stand scheme [6]: 1- engine AD3.152, 2- water brake HS75, 3- detector of oil temperature, 4- detector of temperature of engine liquid coolant, 5- transducer of crankshaft rotation angle, 6- computer, 7- pressure detector in combustion chamber, 8- control cubicle, 9- signal amplifiers set, 10- detector of injector needle lift, 11- detector of fuel pressure in injection pipe, 12- detector of fuel temperature. Tabela 1. Wybrane wasnoci fizykochemiczne paliw zastosowanych w badaniach [4] Table 1. Selected physicochemical characteristics of examined fuels [4] PARAMETR EKODIESEL PLUS 50 B BIODIESEL D-FAME Liczba cetanowa 51,5 51,3 Gsto w 20 o C [10 3 kg/m 3 ] 0,836 0,882 Lepko kinematyczna w 40 o C [10-6 m 2 /s] 2,75 4,52 Warto opaowa [MJ/kg] 43,4 38,9 Napicie powierzchniowe , N/m 3,47 3,55 Wasnoci fizykochemiczne dla paliwa naturalnego okrelono wg PN-EN 590, za paliwa FAME wg. PN-EN 590: Opis metody bada W punkcie pomiarowym, odpowiadajcemu prdkoci obrotowej maksymalnego momentu obrotowego n Mo = 1400 obr/min zewntrznej charakterystyki prdkociowej silnika, zarejestrowano 100 kolejnych przebiegów cinienia w cylindrze, cinienia paliwa w przewodzie 23

4 A. Ambrozik, S. Kruczyski, J. Jakóbiec, S. Orliski wtryskowym oraz wzniosów iglicy wtryskiwacza, przy staym ustawieniu nominalnego kta dynamicznego pocztku toczenia paliwa, równego dpt =15 OWK. Na podstawie zmierzonych wielkoci wyznaczono urednione wartoci: cinienia w cylindrze, cinienia paliwa w przewodzie wtryskowym, wznios iglicy wtryskiwacza. Po wstpnym przygotowaniu wykresu indykatorowego do dalszej jego analizy obliczano: warto dawki paliwa (m p ) spalonego w czasie 1-go cyklu pracy silnika, wedug zalenoci [3]: Ge m p = 30 n c [kg/cykl] (1) G e godzinowe zuycie paliwa, kg/h, n prdko obrotowa wau korbowego, obr/min, c ilo cylindrów. Pocztkow prdko wypywu strumienia paliwa z wtryskiwacza u p (w przekroju wylotowym rozpylacza) obliczano z zalenoci: 2p [m / s] (2) up p - rónica cinienia cieczy przed otworkiem rozpylacza i cinienia orodka do którego ciecz jest wtryskiwana, Pa, - gsto cieczy, kg/m 3, - wspóczynnik wypywu zaley od konstrukcji rozpylacza. Obliczenie liczby Webera [5]: 2 ou d We [m / s] (3) o - gsto orodka gazowego, do którego nastpuje wtrysk paliwa, kg/m 3, u - prdko cieczy w orodku gazowym, d - rednica otworka rozpylacza WZM, DSL-150 A-38 silnika AD3.152, która jest równa d = 0,28 mm, - napicie powierzchniowe, N/m. Krople paliwa powstae w wyniku pierwotnego rozpadu strugi paliwa ulegaj dalszemu rozpadowi pod warunkiem, e nie uderz o ciank komory spalania. Zakadajc krytyczn warto liczby Webera, (We kr = 10 14) mona okreli maksymaln prdko kropli (o okrelonej rednicy), powyej, której natepuje jej rozpad: ukr We kr [m / s] (4) d o Wtórny rozpad kropel nastpuje na skutek dziaania siy oporów aerodynamicznych ruchu kropel w orodku, w którym panuje podwyszone cinienie gazu. 24

5 Influence of Diesel Engine Fuelling with Mineral and Vegetable Fuels on the Injection Process Obliczenia rednicy d kr [1], dla badanych paliw i kilku wzgldnych prdkoci (u) przeprowadzono wedug wzoru: We (5) kr dkr 2 g u - napicie powierzchniowe, N/m, - gsto orodka (dla M omax i n= 1400 obr/min jest = 10,5 kg/m 3 ), We kr - krytyczna warto liczby Webera, u - krytyczne prdkoci kropel. redni rednic kropel obliczano ze wzoru empirycznego w zalenoci od parametrów wtrysku paliwa. redni rednic Sautera (d 32 ) tj. rednic jednorodnego zbioru zastpczych kropel o takiej samej sumarycznej objtoci i takiej samej sumarycznej powierzchni wszystkich kropel jak w danym zbiorze o okrelonym widmie rozpylenia, obliczano ze wzoru zaproponowanego przez Hiroyasu i Kadot [5]: 0,135 0,121 0,131 A( p) [ m] (6) d V 32 g pj p - nadcinienie wtrysku (warto rednia), Pa, V pj - jednostkowa dawka paliwa, mm 3 /cykl, A- staa wtryskiwacza, A = 3,8. Warto wielkoci A obliczono ze wzoru: l A 3 0,28 (7) d gdzie dla badanego rozpylacza WZM, DSL-150 A-38 silnika AD3.152 jest: l - dugo kanalika rozpylacza 4 mm, d - rednica otworka rozpylacza 0,28 mm. Penetracja strugi paliwa zaley od rónicy cinienia wtrysku paliwa i cinienia w cylindrze, gstoci orodka gazowego i gstoci cieczy p, za w mniejszym stopniu od rednicy otworka rozpylacza d. Wedug Hiroyasu [5] chwilow penetracj strugi mona wyznaczy z zalenoci: Dla t t rozpadu, 1/ 2 2(pw p s 0,39 c) t (8) p Dla t> t rozpadu, 1/ 4 2(pwpc) 1/ 2 s 2,95 dt (9) o 25

6 gdzie czas do chwili rozpadu wynosi: A. Ambrozik, S. Kruczyski, J. Jakóbiec, S. Orliski t rozpadu W powyszych zalenociach oznaczono: p w - cinienie wtrysku, Pa, p c - cinienie w cylindrze, Pa, o, p - gsto gazu i paliwa, kg/m 3. Kt rozpylenia strugi, wg Abramowicza [1] jest: 29 d g (10) 1/ 2 o(pwpc) tg 2 o 0,13 1 p p (11) p - nadcinienie wtrysku (warto rednia), Pa, 5. Wyniki bada Na rysunku 2, przedstawiono porównanie przebiegu cinienia paliwa w przewodzie wtryskowym dla badanych paliw, przy prdkoci obrotowej n = 1400 obr/min, odpowiadajcej maksymalnemu momentowi obrotowemu. W tabeli 2 przedstawiono maksymalne wartoci cinienia w przewodzie wtryskowym, pocztkow i krytyczn prdko strumienia wtryskiwanego paliwa do cylindra silnika AD3.152 pracujcego wedug zewntrznej charakterystyki prdkociowej i przy maksymalnym obcieniu silnika. Rys. 2. Przykadowe urednione zalenoci cinienia paliwa w przewodzie wtryskowym od kta obrotu wau korbowego, przy zasilaniu silnika AD3.152 rónymi paliwami i przy prdkoci obrotowej silnika n=1400 obr/min Fig. 2. Exemplary dependences between fuel pressure in injection pipe versus crankshaft rotation angle for the engine AD3.152 fuelled with examined fuels the engine speed n= 1400 rpm 26

7 Influence of Diesel Engine Fuelling with Mineral and Vegetable Fuels on the Injection Process Tabela 2. Maksymalne wartoci cinienia paliwa w przewodzie wtryskowym i prdko pocztkowa oraz prdko krytyczna strumienia wtryskiwanego paliwa w silniku AD3.152 pracujcym wedug zewntrznej charakterystyki prdkociowej i przy obcieniu silnika M omax oraz n= 1400 obr/min, zasilanego rónymi paliwami Table 2. Maximal values of fuel pressure in the injection pipe and initial and critical speed of the stream of injected fuel in the AD3.152 engine working according the external speed characteristic, at maximal load M omax and n= 1400 rpm for investigated fuels Rodzaj paliwa Cinienie paliwa przed otwarciem rozpylacza Prdko pocztkowa strumienia Prdkoci krytyczne kropli P, Pa w p, m/s w e, m/s Paliwo naturalne EKODIESEL PLUS 50-B EKODIESEL PLUS 50-B ,92 158,84 paliwo rolinne BIODIESEL D-FAME BIODIESEL D-FAME ,80 164,18 Przy zasilaniu silnika paliwami rolinnymi wystpuj wysze cinienia paliwa przed otworem wylotowym z wtryskiwacza, co powoduje wiksze prdkoci wypywu paliwa. Tabela 3. rednia rednica kropel paliwa wg. Sautera Table 3. Mean diameter of fuel drops according to Sauter Nazwa parametru Dawka paliwa Mm 3 / cykl rednia rednica Sautera d 32 m Paliwo naturalne EKODIESEL PLUS 50-B Paliwo rolinne BIODIESEL D-FAME ,2 38,85 Obliczone ze wzoru (10) czasy rozpadu na krople rónych paliw, chwilowe penetracje strugi obliczone wg wzoru (8, 9), przy n Momax = 1200 obr/min i o = 10,5 kg/m 3 przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4.Czasy rozpadu na krople rónych paliw, chwilowa penetracja strugi paliwa przy n Momax = 1200 obr/min Table 4. Time of fuel disintegration into drops and momentareons penetration of fuel stream at n Momax = 1200 rpm Parametr Czasy rozpadu [ms] Chwilowa penetracja strugi [mm] dla t t rozpadu Chwilowa penetracja strugi [mm] dla t> t rozpadu Paliwo naturalne EKODIESEL PLUS 50-B Paliwo rolinne BIODIESEL D-FAME 0,535 0, W tabeli 5 przedstawiono kty rozpylenia rónych paliw, przy pracy silnika AD3.152 wedug charakterystyki obcieniowej i prdkoci obrotowej wau korbowego n= 1400 obr/min 27

8 A. Ambrozik, S. Kruczyski, J. Jakóbiec, S. Orliski Tabela 5. Kty stoka rozpylenia paliw, przy pracy silnika AD3.152 wg charakterystyki obcieniowej i prdkoci obrotowej wau korbowego n = 1400 obr/min Table 5. Cone angle of investigated fuels atomization at the work of AD3.152 engine according to load characteristic and at the engine speed n= 1400 rpm Kty rozpylenia Paliwo naturalne EKODIESEL PLUS 50-B Paliwo rolinne BIODIESEL D-FAME Wedug Abramowicza 0,1384 0,1366 tg /2 tg /2 7, 50 o 7, 40 o 7. Wnioski Na podstawie otrzymanych wyników bada silnika AD3.152 zasilanego paliwami ekologicznymi: tj. mineralnym EKODIESEL PLUS 50B oraz paliwem rolinnym BIODIESEL D- FAME i pracujcego wedug charakterystyki obcieniowej przy n=1400 obr/min, mona sformuowa nastpujce wnioski: - wartoci urednionych przebiegów cinie rónych paliw w przewodzie wtryskowym s wiksze o 7.7% przy zasilaniu silnika paliwem rolinnym BIODIESEL D-FAME w porównaniu z paliwem wglowodorowym EKODIESEL PLUS 50B przy obcieniu silnika M omax n=1400 obr/min. Ponadto badania wykazay, e: - badane paliwa charakteryzuj si porównywalnym napiciem powierzchniowym, zarówno paliw pochodzenia mineralnego jak i rolinnego, - rednia rednica Sautera badanych paliw rolinnych jest mniejsza ni paliw wglowodorowych, - rednice krytyczne kropel d kr paliw wglowodorowych s wiksze ni paliw rolinnych, gównie z uwagi na ich wiksze napicie powierzchniowe, - pocztkowe prdkoci wtryskiwanego strumienia paliw rolinnych i wglowodorowych s porównywalne, - czasy rozpadu badanych paliw i chwilowa penetracja strug dla badanych paliw okazay si porównywalne, - celowym jest prowadzenie dalszych bada procesów wtrysku paliwa przy zasilaniu silnika zarówno paliwami pochodzenia mineralnego jak i rolinnego. 8. Literatura [1] Abramowicz, G. N., Theory of Turbulent Jets M.I.T, Press Cambridge. Mas, [2] Dokumentacja stanowiska pomiarowego, IEPiM, Politechnika Radomska, Radom [3] Falkowski, H., Ukady wtryskowe silników wysokoprnych. WK, Warszawa [4] PKN ORLEN S.A., Rafineria Trzebinia, wiadectwa jakoci paliw, [5] Orzechowski, Z., Prywer, J., Rozpylanie cieczy, WNT, Warszawa