Badania stanowiskowe koncepcji wtryskiwacza wodorowego

Transkrypt

1 Adam MAJCZAK Politechnika Lubelska Wydział Mechaniczny Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych Badania stanowiskowe koncepcji wtryskiwacza wodorowego Streszczenie W artykule przedstawiono koncepcję innowacyjnej konstrukcji wtryskiwacza gazowego. Założenia konstrukcyjne wtryskiwacza odnosiły się do zasilania silnika spalinowego niskociśnieniowym wtryskiem wodoru. Opracowano konstrukcję wtryskiwacza i wykonano prototyp. Prototyp poddano badaniom stanowiskowym mierząc wpływ czasu otwarcia wtryskiwacza i ciśnienie wtrysku na zwłokę otwierania oraz wydatek masowy. Artykuł zawiera wyniki badań stanowiskowych. Całość kończą wnioski i spostrzeżenia. 1. Wprowadzenie Ze względu na stale kurczące się zapasy ropy naftowej, która jest głównym surowcem do produkcji paliw konwencjonalnych, konieczne jest poszukiwanie alternatywnych nośników energii. Stosowanie paliw takich jak benzyna lub olej napędowy powinno być ograniczane również ze względu na emisję szkodliwych związków powstających podczas ich spalania. Z tego względu coraz popularniejsze stają się systemy zasilania gazowego. Obecnie najczęściej wykorzystuje się w tym celu gazy LPG oraz CNG. W przyszłości szersze zastosowanie z pewnością znajdzie wodór ze względu na swoje niezaprzeczalne zalety w postaci niemalże nieograniczonych zasobów oraz przede wszystkim zerowej emisji związków toksycznych powstających w czasie spalania tego paliwa. Zastosowany system zasilania gazowego musi spełnić rygorystyczne wymagania dotyczące składu mieszanki w całym zakresie pracy silnika. Jednym z najważniejszych elementów układu jest wtryskiwacz podający paliwo do układu dolotowego lub bezpośrednio do komory spalania. Element ten powinien zapewniać odpowiednią dawkę paliwa niezbędną do prawidłowej pracy silnika. W referacie przedstawiono koncepcję konstrukcji wtryskiwacza przeznaczonego do niskociśnieniowego wtrysku wodoru jak również wyniki badań stanowiskowych, które odbyły się na stanowisku badawczym. 2. Model wtryskiwacza Obiektem badań jest eksperymentalny elektromagnetyczny wtryskiwacz gazu. Głównym elementem wtryskiwacza jest ruchomy rdzeń sterujący otwieraniem oraz zamykaniem wylotu gazu. W czasie, gdy przez uzwojenie cewki płynie prąd tłoczek zostaje przyciągnięty do obudowy dolnej co powoduje przepływ gazu z komory ciśnieniowej do wylotu. Gdy prąd przestaje płynąć rdzeń zostaje podniesiony przez sprężynę. Zamykanie powinno być również wspomagane przez wysokie ciśnienie panujące w komorze pod tłoczkiem. Rezystancja cewki wynosi 2Ω. Przekrój wtryskiwacza przedstawiono na rysunku 1.

2 Rys. 1. Przekrój analizowanego wtryskiwacza 3. Stanowisko badawcze Badania odbyły się na stanowisku przeznaczonym do badania wtryskiwaczy gazowych należącym do katedry Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych Politechnikii Lubelskiej. Czynnikiem roboczym jest sprężone powietrze. Stanowisko składa się z kompresora ze zbiornikiem, układu osuszającego powietrze wraz z regulatorem ciśnienia oraz układu sterującego umożliwiającego dobór parametrów pracy wtryskiwacza. W skład stanowiska wchodzi również: masowy przepływomierz powietrza - pozwalający określić masę powietrza wypływającego z wtryskiwacza a tym samym określenie jego wydatku masowego, czujnik ciśnienia powietrza MPX250 umieszczony na wylocie pozwala na określenie czasu opóźnienia zamykania wtryskiwacza (potrzebny jest również pomiar napięcia prądu płynącego w obwodzie), sonda prądowa pomiar natężenia prądu płynącego w obwodzie pozwala na określenie czasu opóźnienia otwarcia wtryskiwacza. Odczyt wyników przeprowadzany jest przy użyciu karty pomiarowej NI9215. Schemat stanowiska pomiarowego przedstawia rysunek 2. Rys. 2. Schemat stanowiska pomiarowego

3 4. Wyniki badań Badania przeprowadzono dla następujących wartości ciśnienia zasilania: 100, 200, 300, 400 oraz 500 kpa. Ustalono częstość kolejnych wtrysków, odpowiadającą prędkości obrotowej silnika 1500 obr/min, załączanie ciągłe prądu 3 ms oraz wypełnienie PWM równe 30% %. Wydatek wtryskiwacza określany jest na podstawie pomiaru napięcia przepływomierza a następnie przeliczany na wartość przepływu masowego. Czas otwarcia wtryskiwacza określany jest z przebiegu natężenia prądu płynącego w obwodzie. Czas zamykania określa się na podstawie analizy napięcia prądu oraz pomiaru ciśnienia na wylocie z wtryskiwacza. Przykładowy przebieg wartości analizowanych parametrów z oznaczeniem czasu otwarcia oraz zamknięcia wtryskiwacza przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Przebieg analizowanych parametrów dla nadciśnienia zasilania 500 kpa Badania pozwoliły na określenie wpływu ciśnienia zasilania na czas otwarcia wtryskiwacza. Wykres przedstawiający zależność przedstawiono na rysunku 4. Analiza wykresu pozwala stwierdzić, że ciśnienie zasilania ma znaczny wpływ na czas otwarcia wtryskiwacza, dla 100 kpa czas ten wynosi ok. 1 ms natomiast dla ciśnienia 500 kpa jest dłuższy o ponad 0,5 ms. Nie zmienia się natomiast maksymalny prąd płynący w obwodzie. Rys. 4. Wpływ nadciśnienia zasilania na czas otwarcia wtryskiwacza

4 Różnice w czasach otwierania wtryskiwacza w zależności od ciśnienia zasilania wpływają również na przebieg ciśnienia na wylocie z wtryskiwacza. Wzrost ciśnienia zasilania powoduje wydłużenie czasu stabilizowania się ciśnienia w przewodzie wylotowym. Różnica ta zawiera się w przedziale ok. 1 ms. Maksymalne zarejestrowane ciśnienie na wylocie wynosiło ok. 210 kpa przy ciśnieniu zasilania równym 500 kpa. Przebiegi ciśnienia na wylocie wtryskiwacza przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Przebiegi ciśnienia na wylocie wtryskiwacza Przeprowadzone badania pozwoliły również na sporządzenie charakterystyk wydatku masowego wtryskiwacza w zależności od czasu wtrysku oraz ciśnienia zasilania. Na rysunku 6 przedstawiono przebieg tej charakterystyki dla ciśnienia zasilania równego 400 kpa. Na przedstawionej charakterystyce można zauważyć, że minimalny czas wtrysku niezbędny do tego aby wtryskiwacz zaczął pracować przy danym ciśnieniu wynosi 1,2 ms. W początkowej fazie występują nieznaczne zakłócenia w przebiegu charakterystyki, która staje się idealnie liniowa po około 3,5 ms, tak więc minimalny czas wtrysku powinien być zbliżony do tej wartości. Jeżeli będzie on zbyt krótki praca wtryskiwacza będzie niestabilna. Rys. 6. Charakterystyka wtryskiwacza dla nadciśnienia 400kPa

5 Na rysunku 7 przedstawiono charakterystyki wtryskiwaczaa dla wszystkich wartości zasilania użytych podczas badań. Można zaobserwować, że najmniejsze zakłócenia w przebiegu charakterystyki występują dla nadciśnienia 300 kpa. Maksymalny zarejestrowany wydatek masowy dla ciśnienia 500 kpa i czasu wtrysku 12,75 ms wyniósł 55 mg. Rys. 7. Zależność masy wtrysku od czasu wtrysku dla pięciu wartości nadciśnienia wtrysku 5. Podsumowanie Eksperymentalną konstrukcję wtryskiwacza gazowego charakteryzuje krótki czas zwłoki otwarcia, który nawet dla ciśnienia zasilania równego 500 kpa nie przekracza 2 ms. Jednakże analiza charakterystyk wykazuje zakłócenia pracy wtryskiwacza dla czasu wtrysku poniżej 4 ms. Badania wykonane zostały na modelu, którego jakość wykonania była relatywnie niska co mogło wpłynąć na otrzymane wyniki. Poprawienie jakości wykonania oraz użycie bardziej odpowiednich materiałów powinno pozwolić na poprawę pracy wtryskiwacza. Nie zmienia to jednak faktu, że otrzymane charakterystyki są bardzo obiecujące, głównie ze względu na osiąganie dosyć dużych wydatków masowych oraz możliwość pracy przy nadciśnieniu 500 kpa. W systemie zasilania wodorem jest to niezbędne ze względu na małą gęstość gazu. Dalszy rozwój konstrukcji wtryskiwacza będzie prowadzony w kierunku osiągnięcia większej stabilności oraz powtarzalności działania dla małych czasów wtrysku. 6. Literatura [1] Verhelst S., Wallner T.: Hydrogen-fueled internal combustion engines, Progress in Energy and Combustion Science 35 (2009). [2] Hari Ganesh R., Subramanian V., Balasubramanian V., Mallikarjuna J.M., Ramesh A., Sharmaa R.P.: Hydrogen fueled spark ignition engine with electronically controlled manifold injection: An experimental study. [3] Hydrogen properties. Module 1, Hydrogen fuel cell engines and related technologies. College of Desert; Revision O, December 2001.

6 [4] Escalante Soberanis M.A., Fernandez A.M.: A review on the technical adaptations for internal combustion engines to operate with gas/hydrogen mixtures, International journal of hydrogen energy (2009) 1 7 [5] Wendeker M., Czarnigowski J., Jakliński P., Małek A., Grabowski Ł., Barański G., Sochaczewski R., Podleśny M.: Stanowisko do badań prehomologacyjnych dla pojazdów wyposażonych w układ sekwencyjnego wtrysku gazu LPG: Silniki spalinowe 2007, nr 2007-SC3 Stand research of the hydrogen injector concept Summary The paper presents an innovative design concept of the gas injector. Injector design intent related to the internal combustion engine powered low-pressure hydrogen injection. New construction of the injector was developed and create. The prototype has been investigated by measuring the impact injector opening time and injection pressure to delay the opening and massive expense. The paper includes the results stand. The whole end conclusions and observations.