Wpływ ustawienia kąta wyprzedzenia wtrysku na procesy zachodzące w komorze spalania silnika rolniczego zasilanego biopaliwami

Transkrypt

1 ORLIŃSKI Stanisław 1 Wpływ ustawienia kąta wyprzedzenia wtrysku na procesy zachodzące w komorze spalania silnika rolniczego zasilanego biopaliwami WSTĘP Obecnie optymalizacja procesu spalania wymieniana jest jako główny środek ograniczenia emisji szkodliwych składników spalin i zmniejszenia zużycia paliwa. Spośród eksperymentalnych metod badań procesów zachodzących w komorze spalania silnika spalinowego można wyróżnić [1]: indykowanie silnika pomiar przebiegu zmian ciśnienia w cylindrze silnika uzupełniany pomiarami: przebiegu zmian ciśnienia wtrysku paliwa, wzniosu iglicy wtryskiwacza i wzniosu zaworów, w funkcji kąta obrotu wału korbowego silnika lub położenia tłoka w cylindrze, badania optyczne obejmujące wizualizacje procesów zachodzących w przestrzeni roboczej silnika. Obecnie indykowanie jest metodą powszechnie stosowaną. Metodyka rozwiązywania zagadnienia polegającego na wyznaczaniu charakterystyk ciśnień podczas procesu spalania w oparciu o eksperymentalnie wyznaczone wykresy indykatorowe silnika zasilanego paliwami o różnych właściwościach fizykochemicznych wymaga zastosowania dokładnych pomiarów wielkości charakteryzujących rzeczywisty przebieg procesów roboczych w cylindrze [1]. Pomiarów wielkości szybkozmiennych w silnikach produkowanych seryjnie można dokonywać bez wprowadzania w nich zmian konstrukcyjnych, które mogłyby istotnie zmieniać własności silnika. Indykowanie jest wiarygodną i powtarzalną procedurą badawczą, dostarczającą dokładnych informacji o rzeczywistych procesach zachodzących w silniku. Pozwala ono na rejestrację chwilowych wartości parametrów procesów zachodzących w cylindrze i umożliwia analizę wpływu różnych czynników na ich przebieg. Informacje uzyskane z indykowania cylindra silnika są podstawą do diagnozowania i optymalizacji procesu spalania oraz pozwalają na jakościową ocenę jego pracy. Rozwój systemów komputerowych oraz czujników pomiarowych sprawił, że pomiar szybkozmiennych wielkości silnika, w szczególności ciśnienia w cylindrze, spełnia wymagania stawiane w zakresie dokładności pomiarów. Dokładność ta umożliwia otrzymanie istotnych i wiarygodnych wielkości oceniających pracę badanych silników. Indykowanie ciśnienia w cylindrze stało się obecnie standardową metodą badawczą stosowaną w dziedzinie tłokowych silników spalinowych. Ekonomiczne, energetyczne i ekologiczne wskaźniki pracy silnika w bezpośredni sposób zależą od przebiegu wykresu indykatorowego, a ten z kolei ma wpływ na ocenę procesu spalania za pomocą charakterystyk wydzielania ciepła [1]. Paliwa pochodzenia roślinnego mają inne właściwości fizykochemiczne w porównaniu do paliw mineralnych, stąd występują różnice między nimi w procesie tłoczenia, rozpylania oraz spalania. Lepkość i gęstość paliwa wpływa na jakość procesu jego rozpylenia, a to z kolei decyduje o przebiegu procesu spalania i emisji toksycznych składników spalin. Napięcie powierzchniowe wpływa na średnicę kropel i zasięg strugi rozpylonego paliwa. Większe wymiary kropel i bardziej zwarty kształt strugi powodują wzrost jej zasięgu. Im większa lepkość i napięcie powierzchniowe tym większy jest zasięg strugi rozpylonego paliwa. Paliwo przeznaczone do zasilania szybkoobrotowych silników o ZS powinno zatem zapewniać [7]: prawidłowe funkcjonowanie całego układu zasilania, w tym szczególnie układu wtryskowego, 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Mechaniczny, walorl@wp.pl 4855

2 prawidłowy i efektywny proces spalania, tworzenie możliwie jak najmniejszej ilości szkodliwych składników spalin. Dlatego w stosunku do układów wtryskowych stawiane są następujące wymagania [5]: wtrysk musi nastąpić w ściśle określonej chwili, bowiem nawet niewielkie odchylenia zwiększają znacznie zużycie paliwa, toksyczność spalin oraz głośność, ciśnienie wtrysku paliwa powinno być dostosowane do warunków pracy silnika (np. obciążenie, prędkość obrotowa), wtrysk powinien kończyć się w sposób natychmiastowy, aby uniknąć niekontrolowanych dotrysków zwiększających emisję szkodliwych składników spalin. Jedną z najpoważniejszych przyczyn niepowtarzalności kolejnych cykli pracy silnika jest niepowtarzalność wtrysku w silnikach o zapłonie samoczynnym, różna masa dawki paliwa w kolejnych cyklach oraz z samej natury stochastyczny proces rozpylania i mieszania paliwa z powietrzem w cylindrze silnika. Zagadnienie to jest przedmiotem licznych badań [7]. CEL BADAŃ Celem badań była ocena wpływu zasilania silnika PERKINS typ 1104C-E44T olejem napędowym (ON) oraz porównawczo estrem z lnianki L-100 i mieszaniną o składzie objętościowym (V/V) L-10 (90% ON+10% estru z lnianki) poprzez porównanie przebiegu ciśnień spalania ze 100-cykli uzyskanych z pomiarów eksperymentalnych w stanach ustalonych według obciążeniowej charakterystyki przy trzech ustawieniach kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa. 1. OPIS METODY BADAŃ STANOWISKO BADAWCZE ORAZ WYBRANE PARAMETRY FIZYKOCHEMICZNE BADANYCH PALIW Metodyka badań Przedmiotem badań były trzy paliwa. Jako paliwo odniesienia przyjęto handlowy olej napędowy, dostępny na stacjach paliwowych. Pozostałymi paliwami były mieszanka estru metylowego oleju z lnianki o udziałach 10% i estru metylowego oleju z lnianki 100%. Badania eksperymentalne badanych paliw wykonano na silniku badawczym Perkins 1104C-E44T (wyprodukowanym w 2010 roku) przy wykorzystaniu aparatury pomiarowej firmy Schenck oraz systemu parametrów szybkozmiennych AVL (adoptowanego do tego silnika). Charakterystyki obciążeniowe wyznaczono w punktach pomiarowych maksymalnego momentu obrotowego M o.max, Nm przy 1400, obr./min i maksymalnej mocy efektywnej N e.max, kw przy 2000, obr./min, rejestrowano 100 kolejnych przebiegów ciśnienia spalania w cylindrze i ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym oraz wzniosu iglicy wtryskiwacza, przy trzech ustawieniach kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa, równych: A= ww - 12 OWK, B= ww - 7 OWK, i C= ww - 17 OWK. Obciążenia silnika przez hamulec były następujące: 100%, 75%, 50%, 25%. Wykorzystując zmierzone wielkości wyznaczano: ciśnienie w komorze spalania P spl [bar], Na rysunku 1 pokazano metodykę wyznaczania podstawowych wielkości procesu spalania z wykresu indykatorowego zaś na rysunku 2 uśredniony ze 100 cykli pracy wykres indykatorowy. 4856

3 Rys. 1. Metodyka wyznaczania podstawowych wielkości procesu spalania z wykresu indykatorowego [7] p c [MPa] 7 6 p c max p c max [MPa] [ o OWK] i= Rys.2. Przykładowy, uśredniony wg 100 cykli wykres indykatorowy [7] Stanowisko badawcze Stanowisko badawcze oparte zostało o czterocylindrowy silnik o zapłonie samoczynnym Perkins 1104C-E44T (Euro Stage II) wyprodukowany w 2010 roku (rys. 3). Model ten został wyposażony w turbosprężarkę oraz rzadko spotykany układ dwóch sterowników. Pierwszy odpowiada za nadzorowanie pracy silnika, natomiast drugi umieszczony na rozdzielaczowej pompie wtryskowej Bosch VP-29/30. Silnik Perkins 1104C-E44T jako źródło napędu ma zastosowanie głównie w ciągnikach rolniczych i spełnia normy dotyczące emisji składników toksycznych spalin EU Stage II (Nonroad Diesel Engines) w wersji G. Stanowisko wyposażone było także w system pomiarowy umożliwiający wyznaczenie parametrów roboczych silnika oraz szybkozmiennych ciśnień czynnika roboczego [4]. 4857

4 Rys. 3. Schemat blokowy stanowiska badawczego [4]: 1 silnik PERKINS 1104C-E44T; 2 wlot powietrza; 3 wylot spalin; 4 hamulec elektrowirowy SCHENCK; 5 piezoelektryczny czujnik ciśnienia; 6 rejestrator kąta obrotu wału korbowego; 7 wzmacniacz sygnału; 8 system indykowania AVL IndiSmart; 9 analizator stężeń cząstek stałych; 10 analizator spalin AVL CEB II; 11 droga grzana; 12 zestaw gazów wzorcowych; 13 komputer pomiarowy Charakterystyka i właściwości fizykochemiczne badanych paliw W tabeli 1 przedstawiono porównanie wybranych właściwości fizykochemicznych zastosowanych w badaniach paliw mających wpływ na proces wtrysku i spalania. W związku z tym, że mieszanka L- 10 zawiera więcej niż 7% objętościowo estru metylowego pochodzącego z oleju rydzowego należy je potraktować jako biopaliwo i w związku z tym jej właściwości fizykochemiczne powinny odnosić się do normy dla paliwa typu biodiesel (EN 14214). Paliwa stosowane w czasie badań: ON paliwo mineralne olej napędowy (EkoDiesel ULTRA B), L-10 (mieszanina v/v: 10% ester metylowy kwasów oleju rydzowego i 90% oleju napędowego, L-100 (Ester metylowy kwasów oleju rydzowego - 100%). Tab. 1. Wybrane wyniki badań fizykochemicznych mieszanin estru z lnianki z olejem napędowym [8] Parametr olej napędowy ON L-10 L-100 Liczba cetanowa 52,4 (min. 51) 51,6 49 Wartość opałowa [MJ/kg] 43,2 42,5 38,9 Gęstość w temperaturze 15 C [kg/m 3 ], 835, ,7 Lepkość kinematyczna [mm 2 /s] (~40 C) 2,64 3,26 4,50 Napięcie powierzchniowe 10 2 [N/m] 3, ,65 Temperatura zapłonu [ C] Temperatura zablokowania zimnego filtra [ C] 2. ANALIZA OTRZYMANYCH WYNIKÓW BADAŃ Badanie wszystkich paliw realizowano w takich samych warunkach prędkościowoobciążeniowych pracy silnika. Badania były wykonywane przy dwóch charakterystycznych prędkości obrotowych wału korbowego tego silnika. Prędkości odpowiadającej maksymalnej jego mocy (

5 obr/min) oraz prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego generowanego przez silnik (1400 obr/min). Na potrzeby badań była dokonywana regulacja kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa. W tabeli 2 przedstawiono maksymalne ciśnienia spalania przy n= 1400 obr/min uśrednionych ze 100-cykli pracy silnika dla wybranych obciążeń silnika przez hamulec. Tab. 2. Wybrane wyniki maksymalnych ciśnień spalania przy n= 1400 obr/min Prędkość obrotowa n= 1400 obr/min Kąt wyprzedzenia wtrysku paliwa ww= A= 12 o OWK, B= 7 o OWK, C= 17 o OWK, Paliwa- ON, L-10, L-100 ON P c.max. [bar] L-10 P c.max. [bar] L-100 P c.max. [bar] Obciążenie A B C A B C A B C 10% % % % % Na rysunkach 4-15 pokazano wybrane z badań uśrednione ze 100-cykli przebiegi ciśnienia spalania przy prędkości obrotowej n= 2000 obr/min dla wybranych obciążeń silnika. Rys. 4. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 100% dla paliwa ON i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C Rys. 5. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 100% dla paliwa L-10 i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C 4859

6 Rys. 6. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 100% dla paliwa L-100 i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C Rys. 7. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 75% dla paliwa ON i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C Rys. 8. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 75% paliwa L-10 i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C 4860

7 Rys. 9. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 75%dla paliwa L-100 i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C Rys. 10. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 50% dla paliwa ON i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C Rys. 11. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 50% paliwa L-10 i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C 4861

8 Rys. 12. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 50%dla paliwa L-100 i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C Rys. 13. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 25% dla paliwa ON i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C Rys. 14. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 25% dla paliwa LN10 i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C 4862

9 Rys. 15. Porównanie przebiegów ciśnienia spalania P spl [bar] przy n=2000 obr/min i obciążeniu silnika 25% dla paliwa LN-100 i trzech kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa A, B i C WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań laboratoryjnych można stwierdzić, że badane paliwa: różnią się między sobą właściwościami fizykochemicznymi (tab. 1), spełniają wybrane wymagania normy EN 590 oraz EN (tab. 1). Analizując uzyskane wyniki z badań hamownianych można stwierdzić, że: podczas badań maksymalnych ciśnień spalania P c.max. silnika PERKINS przy prędkości n= 1400 obr/min występowało większe P c.max. dla paliwa L-100 w stosunku do paliw ON i L-10 przy kącie C= 17 o OWK, natomiast paliwo ON wykazało P c.max. najmniejsze w całym przedziale obciążeń silnika (tab. 2) i pozostałych kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa kącie A i B. przy porównaniu wyników badań P c.max. pomiędzy badanymi paliwami przy prędkości n=2000 obr/min i wybranych obciążeniach silnika występowało większe P c.max. dla paliwa L-100 przy obciążeniu 100% i dla najwcześniejszego kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa C, bezwzględna różnica procentowa pomiędzy L-100 a pozostałymi badanymi paliwami zarówno dla różnych obciążeń i dla kątów B i C jest większa Rp= 1,5-7% dla paliwa L-100 (rys. 4 - rys. 15), największe przyrosty ciśnień w komorze spalania zarejestrowano dla paliw L10 i L100 przy kącie wyprzedzenia wtrysku paliwa C przy wszystkich obciążeniach silnika, badania hamowniane wykazały wpływ: gęstości, lepkości oraz napięcia powierzchniowego oraz kąta wyprzedzenia wtrysku wielkość ciśnienia spalania w cylindrze silnika, na uśrednionych wykresach przyrostów ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania zainicjowanie samozapłonu następuje później o około 1-3 o OWK dla oleju napędowego w porównaniu do mieszanin L-10 i L-100 przy dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego silnika n=1400 obr/min i n=2000 obr/min, na co mają wpływ głównie właściwości fizykochemicznych badanej mieszaniny i estru z lnianki, zmiana kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa ma istotny wpływ na ciśnienie w cylindrze podczas procesu spalania. Wyniki badań wskazują, że jest możliwe stosowanie estrów metylowych oleju lniankowego jako komponentu oleju napędowego do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Właściwości fizykochemiczne badanej mieszanki L-10 spełniają wartości głównych parametrów narzucanych przez normę dla oleju napędowego - EN 590 i EN Proces ich spalania nie odbiega znacząco od tego wyznaczonego w przypadku oleju napędowego. Należałoby jednak pamiętać, że celowym byłoby zbadanie pozostałych parametrów w/w norm, a nie przedstawionych w tym artykule. 4863

10 Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane wyniki badań ciśnienia spalania podczas zasilania silnika doładowanego PERKINS typ 1104C-E44T olejem napędowym (ON) oraz porównawczo estrem z lnianki L-100 i mieszaniną o składzie objętościowym (v/v) L-10 (90% ON+10% estru z lnianki). Badania realizowano przy trzech ustawieniach kątach wyprzedzenia wtrysku paliwa (standardowym oraz wcześniejszym i późniejszym w stosunku do niego). Do badań wykorzystano typowe stanowisko hamowniane z wyposażonym w system pomiarowy parametrów szybkozmiennych pracy silnika. W celu wyznaczenia różnic w procesie spalania w/w paliw w badaniach zastosowano aparaturę pomiarową firmy AVL służącą do kompleksowego wyznaczania parametrów szybkozmiennych ze 100-cykli jego pracy. Zastosowanie paliw o różnych właściwościach fizykochemicznych do silników o zapłonie samoczynnym wymaga dużych dokładności pomiarów parametrów diagnostycznych celem poznania występujących różnic w procesach wtrysku i spalania silników zasilanych tymi paliwami. Spełnianie coraz bardziej rygorystycznych norm w emisji składników toksycznych spalin zmusza współczesnego użytkownika silników spalinowych o zapłonie samoczynnym do posiadania szybkich i precyzyjnych metod oceny jego stanu technicznego, a szczególnie procesu spalania oraz stanu technicznego aparatury wtryskowej Badania wykazały, że rodzaj paliwa o różnych właściwościach fizykochemicznych i różne kąty wyprzedzenia wtrysku paliwa mają istotny wpływ na proces spalania. Wpływ ten przejawia się w oddziaływaniu na zużycie paliwa, na wskaźniki energetyczne, emisję toksycznych składników ze spalinami oraz emisję akustyczną. Influence of placing the angle of overtaking injection to happening lawsuits in a combustion chamber of the agricultural engine powered of biofuel Abstract In the article chosen research findings of burning the pressure while powering the engine charged up were introduced Perkins 1104C-E44T type with diesel oil (ON) and comparatively with camelina ester L-100 and mixture about volume composition (v/v) L-10 (ON-10%/ camelina ester - 90%). Examinations were being carried out at three placing overtaking the fuel injection in angles (standard and earlier and more late with respect to it). A typical post was used for examinations brakes with equipped with the measuring system of fast-changeable parameters of the work of an engine. In order to outline differences in the process of burning mentioned above fuels in examinations measuring apparatus of the AVL company serving for comprehensive outlining were applied of fast-changeable parameters from 100-cycle of its work. Using fuels about different properties physicochemical to engines about the self-ignition requires the big curacies of the measurements of diagnostic parameters to get to know appearing differences in processes of injection and burning engines out powered with these fuels. Fulfilling rigorous norms more and more in emission of elements of the toxic exhaust fumes is forcing the contemporary user of internal-combustion engines about the self-ignition to have fast and precise methods of estimation of its technical state particularly the process of burning and the technical state of injection apparatus. Examinations demonstrated, that kind of fuel about different properties physicochemical and different angles of overtaking the fuel injection have the essential influence on the process of burning. This influence is showing in the influence to the fuel consumption, for energy signs, the broadcasting of toxic ingredients with the exhaust fumes and acoustic emission.. BIBLIOGRAFIA 1. Ambrozik T.:,,Impact of nozzle orifice diameter of fuel spray parameters and emissions of exhaust gas harmful components. 10-th European Conference of young research and science workers TRANSCOM 2013, Słowacja, Żilina Section 6, s , 2013r. 2. Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P.:,,Impact of exhaust gas recirculation on basic parameters of the engine operation. 10-th European Conference of young research and science workers TRANSCOM 2013, Słowacja, Żilina s r. 3. Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P.: Charakterystyki wydzielania ciepła podczas procesu spalania oleju napędowego i estrów oleju rzepakowego, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 1(92), s , Warszawa

11 4. Dokumentacja techniczna stanowiska badawczego. Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych. Politechnika Warszawska, Warszawa Kruczyński S., Orliński P.: Combustion of methyl esters of various origins in the agricultural engine. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, p., ISSN , New Deli Kruczyński S., Performance and emission of CI engine fuelled with camelina sativa oil, Energy Conversion and Management, Vol. 65, January 2013, p Orliński P., Wybrane zagadnienia procesu spalania paliw pochodzenia roślinnego w silnikach o zapłonie samoczynnym, Instytut Naukowo Wydawniczy SPATIUM, Radom Świadectwo jakości badanych paliw, Zakład Produktów Naftowych, WMTiW, UTH Radom