ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(89)/2012

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(89)/2012 Krzysztof Rokicki 1, Krzysztof Szczurowski 2, Przemysław Szulim 3, Kamil Lubikowski 4 STANOWISKO DO DIAGNOSTYKI PRACY SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM W RÓŻNYCH WARUNKACH KLIMATYCZNYCH 1. Wstęp W ramach Grantu Dziekańskiego pt. System do testowania nowych metod diagnostycznych w pojazdach stanowisko do diagnostyki pracy silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym w różnych warunkach klimatycznych podstawowym zadaniem projektu była budowa stanowiska do badań silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym, poprzez adaptację posiadanego przez Instytut Pojazdów silnika spalinowego ZS typu Yanmar L70 do zasilania go w systemie Common-Rail oraz przygotowanie układu sterowania systemem wtryskowym. Niniejsza praca przedstawia zakres prac przeprowadzonych przy budowie stanowiska. 2. Główne założenia i budowa stanowiska Stanowisko zostało zaprojektowane w taki sposób, aby możliwe było badanie silnika w komorze klimatycznej posiadanej przez Zintegrowane Środowiskowe Laboratorium Systemów Mechatronicznych Pojazdów i Maszyn Roboczych na Wydziale SiMR Politechniki Warszawskiej, dostępnej dla wykonawcy projektu. Badanie silnika w różnych warunkach klimatycznych (wilgotności i temperatury powietrza chłodzącego oraz podawanego do układu dolotowego) jest szczególnie ważne w zadaniach optymalizacji parametrów pracy układu zasilania, ukierunkowanych np. na minimalizację ilości szkodliwych związków chemicznych w spalinach lub na maksymalizację sprawności energetycznej silnika. Silnik spalinowy typu Yanmar L70, dostępny dla wykonawcy projektu, fabrycznie zabudowany był w agregacie prądotwórczym typu Pramac Seria E E4500 wraz z generatorem prądu 230/400V 50Hz, który w połączeniu z odbiornikiem mocy będzie pełnił funkcję hamownicy. Taki układ pozwala na zadawanie obciążania silnika w przedziale od kilku do 100% jego mocy. Stanowisko zostanie również w najbliższym czasie przystosowane do zasilania silnika w systemie wielopaliwowym, w układzie zasilania olejem napędowym lub biopaliwem z dodatkiem gazu LPG lub CNG, podawanego do kolektora dolotowego. Stanowisko umożliwia badanie pracy silnika pod kątem doboru optymalnych parametrów pracy układu zasilania w różnych warunkach pracy rozruchu zimnego silnika, pracy na biegu jałowym, z częściowym i pełnym obciążeniem zarówno w konfiguracji jedno jak i wielopaliwowej. 1 mgr inż. Krzysztof Rokicki, doktorant, Instytut Pojazdów, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska 2 dr inż. Krzysztof Szczurowski, adiunkt, Instytut Pojazdów, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska 3 mgr inż. Przemysław Szulim, doktorant, Instytut Pojazdów, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska 4 mgr inż. Kamil Lubikowski, doktorant, Instytut Pojazdów, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska 121

2 Dostępny silnik Yanmar L70 (Rys. 1, Tab. 1) był dobrą bazą do budowy wyżej wymienionego stanowiska. Jego wymiary oraz moc pozwalają na prowadzenie badań tego silnika wewnątrz posiadanej przez Zintegrowane Środowiskowe Laboratorium Systemów Mechatronicznych Pojazdów i Maszyn Roboczych komory klimatycznej. Prosta, jednocylindrowa konstrukcja ułatwiła przebudowę układu zasilania na system Common-Rail. Konieczna była wymiana wtryskiwacza paliwa na nowoczesny wtryskiwacz piezoelektryczny CR oraz zabudowa na stanowisku: pompy wysokiego ciśnienia z silnikiem elektrycznym, zasobnika paliwa z czujnikiem ciśnienia oraz przewodów wysokociśnieniowych. Rys. 1. Silnik typu Yanmar L70 Tabela 1: Podstawowe dane techn. silnika Moc konstrukcyjna 6.0 KM przy 3600rpm Moc maksymalna 6.7 KM przy 3600rpm Liczba cylindrów 1 System chłodzenia powietrzem Średnica x skok tłoka 78 x 62 mm Pojemność skokowa 296 cm 3 Do przebudowy silnika oraz budowy stanowiska zastosowano następujące podzespoły: Wtryskiwacz piezoelektryczny Common-Rail firmy Continental typ 03L B, pochodzący z silnika grupy VW 1.6 TDI (2010/2011 rok), 122

3 Pompa wysokociśnieniowa Common-Rail firmy Continental typ 03L E, pochodząca z silnika grupy VW 1.6 TDI (2010/2011 rok), Zasobnik Common-Rail, pochodzący z silnika grupy VW 1.6 TDI (2010/2011 rok), Pompa wstępnego przetłaczania oraz filtr paliwa. Aby zapewnić wysokie ciśnienie paliwa, niezależnie od prędkości obrotowej silnika spalinowego, zdecydowano się na zabudowanie na stanowisku dodatkowego silnika elektrycznego, który napędza wysokociśnieniową pompę CR - niezależnie od pracy silnika diesla. Wybrano silnik elektryczny o mocy 3,0 kw, zasilany poprzez falownik celem sterowania prędkością obrotową. Rys. 2. Schemat ideowy stanowiska. Rysunek 2 przedstawia schemat ideowy stanowiska, z zaznaczonym obwodem paliwa niskiego i wysokiego ciśnienia oraz połączeniami elektrycznymi. Ze względu na fakt, że silnik spalinowy musi być połączony z ramą za pomocą elastycznych poduszek, a pompa paliwa jest zamocowana do niej na sztywno mogą one drgać względem siebie. Konieczne, więc było wykorzystanie elastycznych przewodów paliwowych Common-Rail. 123

4 Rys. 3. Projekt ramy wykonany w programie CAD. Rys. 4. Stanowisko w trakcie prac montażowych. 124

5 3. Sterowanie pracą układu wtryskowego Uruchomienie silnika pod kontrolą systemu Common-Rail jest kolejnym etapem prac. Wymaga ono oprogramowania sterownika układu wtryskowego, wykonanego specjalnie do tego zadania. Na rynku dostępny jest szeroki wybór uniwersalnych sterowników do silników o zapłonie iskrowym, natomiast do silników o zapłonie samoczynnym wybór takich urządzeń jest bardzo ograniczony. Początkowo rozważano zakup uniwersalnego sterownika wtryskiwaczy piezoelektrycznych, działającego pod kontrolą środowiska programistycznego LabVIEW, takiego jak np. Direct Injector Driver Module Kit firmy Drivven [1] - jednak ze względu m. in. na wysoką cenę zdecydowano wykorzystać zestaw kart analogowocyfrowych firmy National Instruments oraz unikatowy wzmacniacz, dedykowany do zasilania stosów piezoelektrycznych. Sterowanie pracą silnika tj. odczytem położenia i prędkości wału korbowego, ciśnienia paliwa w zasobniku oraz sterowaniem układami wykonawczymi zaworem regulacji ciśnienia paliwa, stosem piezoelektrycznym we wtryskiwaczu, wtryskiwaczem gazu będzie wykonywane przez specjalnie napisany program w języku LabVIEW. W tym momencie trwają prace nad algorytmem sterowania. Sterownik pozwoli na precyzyjny dobór parametrów pracy takich jak czas otwarcia wtryskiwacza, kąt wyprzedzenia wtrysku, ciśnienie paliwa w zasobniku oraz dawkowanie paliwa gazowego poprzez sterowanie czasem otwarcia wtryskiwacza LPG/CNG. Układ będzie posiadał system akwizycji danych w celu ich późniejszej analizy. Planuje się również badania efektywności pracy ogniw Peltiera w układzie wydechowym silnika. [2]. Literatura: [1] DI Driver Module Kit User s Manual D Rev E3, {Dostępny : [2] Krzysztof Szczurowski: Analiza możliwości zastosowania ogniw Peltiera w zadaniu kogeneracji energii z układu chłodzenia silnika spalinowego (Analysis of the possibilities of use of Peltier cells in cogeneration of energy from a combustion engine s cooling system). Zeszyty Naukowe IP, Nr. 2(83),2011, pp Streszczenie Praca przedstawia zakres prac przeprowadzonych przy przebudowie silnika Yanmar L70, obejmującej zmianę systemu wtrysku paliwa na Common-Rail oraz budowę dedykowanego sterownika układu wtryskowego. Powstałe stanowisko badawcze umożliwia prowadzenie eksperymentów w komorze klimatycznej, przy zasilaniu silnika w systemie dwu-paliwowym (diesel, bio-diesel, LPG or CNG). Badanie silnika w różnych warunkach klimatycznych (wilgotności i temperatury powietrza chłodzącego oraz podawanego do układu dolotowego) jest szczególnie ważne w zadaniach optymalizacji parametrów pracy układu zasilania, ukierunkowanych np. na minimalizację ilości szkodliwych związków chemicznych w spalinach lub na maksymalizację sprawności energetycznej silnika. Słowa kluczowe: silnik o ZS, komora klimatyczna, system Common-Rail 125

6 TEST STAND FOR EXPERIMENTAL STUDIES OF IMPACT OF CLIMATIC CONDITIONS ON THE WORK OF A BI-FUEL ENGINE Abstract Paper presents the range of works on the diesel engine Yanmar L70, which was equipped with common rail system and specially designed injection system control unit. The test stand will allow the engine to work in a climate chamber and will also be prepared to supply motor with bi-fuel system (diesel, bio-diesel, LPG or CNG). The engine test at different climatic conditions (humidity and temperature of cooling air and temperature of air supplied to the intake) is particularly important in optimization the performance of engine, in eg. in tasks focused on minimizing the amount of harmful chemicals in the exhaust gases or to maximize the energy efficiency of the engine. Keywords: diesel engine, climate chamber, Common-Rail injection 126