Wpływ zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku na parametry pracy silnika turbodoładowanego z komorą wirową spalania zasilanego paliwem rzepakowym

Transkrypt

1 Wpływ zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku na parametry pracy silnika turbodoładowanego z komorą wirową spalania zasilanego paliwem rzepakowym Tomasz Stoeck, Andrzej Borodyn Politechnika Szczecińska, Wydział Mechaniczny Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych Szczecin, Al. Piastów 19, tstoeck@vp.pl Streszczenie - MoŜliwość wykorzystania paliw alternatywnych w znacznie szerszej skali niŝ to ma miejsce obecnie oraz podstawa regulacja silnika, pozwoli ograniczyć zadymienie spalin dla znacznej grupy pojazdów do poziomu wymaganego obowiązującymi normami ekologicznymi. Takie podejście do tematu nie wymaga ingerencji w budowę samego silnika lub montaŝu dodatkowych urządzeń oczyszczających spaliny. Przedstawione w referacie wyniki badań eksperymentalnych dotyczą silnika produkcji niemieckiej typu CY. Keywords: compression ignition engine, smokiness, vegetable fuel 1. WSTĘP W ostatnich latach obserwuje się wzrost zapotrzebowania na alternatywne paliwa płynne, co wynika przede wszystkim z ograniczonych zasobów paliw kopalnych, rosnących kosztów ich wydobycia oraz konieczności ochrony środowiska naturalnego. W przypadku silników z zapłonem samoczynnym największe znaczenie przypisuje się olejom roślinnym, które przetworzone do postaci estrów metylowych, mogą być stosowane jako samodzielne paliwo lub jako komponent mieszanin z olejem napędowym. Zgodnie z dyrektywami obowiązującymi w Unii Europejskiej produkcja i dystrybucja paliw tego rodzaju będzie w dalszym ciągu intensyfikowana, co zagwarantuje systematyczny wzrost ich wykorzystania w ogólnym zuŝyciu paliw ciekłych na rynku motoryzacyjnym. Zgodnie z przewidywaniami do roku 2010 emisja toksycznych składników spalin ze środków transportu powinna zostać zredukowana do ok. 1/3 poziomu z roku 1995 [1]. Z badań prowadzonych w róŝnych ośrodkach naukowych krajowych i zagranicznych wynika jednoznacznie, Ŝe zasilanie silnika z zapłonem samoczynnym estrem metylowym oleju rzepakowego (RME - Rape Methyl Ester), skutkuje znacznym obniŝeniem emisji sadzy czyli zadymienia spalin. Niestety przewaŝnie obserwuje się równieŝ spadek parametrów dynamicznych silnika, których wyznacznikiem są moment obrotowy czy moc efektywna. Dodatkowym problemem jest wzrost zuŝycia paliwa roślinnego w stosunku do zasilania silnika tradycyjnym olejem napędowym. Przykładowo według Oleksiaka i Bedyka [2] róŝnice przy zasilaniu silnika tymi paliwami mogą kształtować się w granicach 5 10%. W celu optymalizacji procesu spalania i zminimalizowania niekorzystnych aspektów przy stosowaniu estru metylowego oleju rzepakowego, przeprowadzono zmianę jego nastaw fabrycznych. W niniejszym referacie przedstawiono wyniki badań prowadzonych na silniku typu CY, a parametrem regulowanym był kąt wyprzedzenia wtrysku. 2. OBIEKT BADAŃ I METODYKA POMIARU Obiektem prowadzonych badań był czterosuwowy, turbodoładowany silnik z zapłonem samoczynnym typu CY firmy Volkswagen, o wtrysku pośrednim do komory wirowej Ricardo Comet Mark V. Jednostkę napędową wyposaŝono w turbospręŝarkę Garret, urządzenie III generacji charakteryzujące się m. in. odśrodkową spręŝarką, dośrodkową turbiną oraz zastosowaniem ułoŝyskowania pływającego ślizgowego. Jest to korzystne rozwiązanie, gdyŝ wykorzystanie przez

2 producenta turbiny dośrodkowej w przeciwieństwie do osiowej, znacząco poprawia właściwości dynamiczne. W poszczególnych cyklach pomiarowych silnik zasilano estrem metylowym oleju rzepakowego i porównawczo olejem napędowym (ON). Wykorzystano do tego celu stanowisko badawcze z hamulcem hydraulicznym typu HH-1, układem sterującym, urządzeniami do pomiaru zuŝycia paliwa oraz zadymienia spalin. Hamulec ten cechuje się parametrami wymaganymi do zdjęcia charakterystyk zewnętrznych badanego silnika, w pełnym zakresie jego prędkości obrotowych i obciąŝeń. Określenie ilości zuŝywanego paliwa moŝliwe było dzięki masowej miernicy elektronicznej, którą włączono w obieg zasilania przystosowanego do poboru danego rodzaju paliwa. Zadymienie spalin oceniano na podstawie pomiaru współczynnika absorpcji promieniowania podczerwonego w dymomierzu typu MDO 2 firmy MAHA. Badania rozpoczęto przy maksymalnej wartości kąta wyprzedzenia wtrysku, a w poszczególnych cyklach pomiarowych zmniejszano tę nastawę co 7 OWK przed GMP (górnym martwym połoŝeniem) tłoka. W rezultacie regulację prowadzono dla następujących wartości rozpatrywanego parametru: 40, 33, 26 (ustawienie fabryczne, nominalne), 19 oraz 12 OWK przed GMP tłoka. 3. WYNIKI BADAŃ Wyniki badań przedstawiono w formie powierzchniowych charakterystyk zewnętrznych momentu obrotowego (M o ), jednostkowego zuŝycia paliwa (g e ) oraz zadymienia spalin, wyraŝonego współczynnikiem absorpcji promieniowania podczerwonego (k). Rys. 1. Powierzchniowa charakterystyka zewnętrzna momentu obrotowego silnika CY zasilanego RME w funkcji kąta wyprzedzenia wtrysku (α ww ) Analizując charakterystykę przedstawioną na rysunku 1 moŝna zauwaŝyć, iŝ regulacja kąta wyprzedzenia wtrysku w stosunku do ustawień zalecanych przez producenta w zasadzie nie przyniosła korzystnych rezultatów. Dla nastawy nominalnej (26 o OWK) uzyskano bowiem

3 maksymalny moment obrotowy, który wyniósł 105,6Nm przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika 3000min -1. Warto podkreślić, Ŝe podobną sytuację zaobserwowano w przypadku, gdy jednostkę napędową zasilano porównawczo tradycyjnym olejem napędowym. Zmiana kąta wyprzedzenia wtrysku w poszczególnych cyklach badawczych zawsze skutkowała zmniejszeniem omawianego parametru pracy, co było szczególnie odczuwalne w rejonie średnich i wyŝszych prędkości obrotowych ( min -1 ). Przebieg przedstawionej charakterystyki wskazuje, Ŝe najbardziej intensywny spadek momentu obrotowego w odniesieniu do maksimum uzyskano dla nastawy 12 o OWK przed GMP tłoka i wyniósł on 13,9Nm przy 3000min -1. Natomiast róŝnice przy zwiększaniu kąta wyprzedzenia wtrysku w stosunku do ustawień fabrycznych nie były juŝ tak widoczne. Dla skrajnego ustawienia (40 o OWK) moment obrotowy wyniósł 104,2Nm przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika 3000min -1, a biorąc pod uwagę przeprowadzoną analizę niepewności pomiarowych moŝna przyjąć, Ŝe spadek ten mieści się w granicach błędu pomiaru. Rys. 2. Powierzchniowa charakterystyka zewnętrzna jednostkowego zuŝycia paliwa silnika CY zasilanego RME w funkcji kąta wyprzedzenia wtrysku (α ww ) Biorąc pod uwagę przebieg powierzchniowej charakterystyki zewnętrznej pokazanej na rysunku 2 moŝna wnioskować, Ŝe w aspekcie ekonomicznym zmiana kąta wyprzedzenia wtrysku równieŝ nie jest wskazana. Zdecydowanie najniŝsze jednostkowe zuŝycie paliwa wynoszące 303,5g/kWh uzyskano dla nastawy nominalnej przy min -1, ale i dla pozostałych prędkości obrotowych wartości omawianego parametru pracy były wyjątkowo niskie. Podobnie jak w przypadku momentu obrotowego, najbardziej niekorzystną okazała się regulacja zmniejszająca kąt wyprzedzenia wtrysku do 12 o OWK przed GMP tłoka. Dla takiego ustawienia jednostkowe zuŝycie paliwa wzrosło do 363,5g/kWh przy 1200min -1 oraz do wartości maksymalnej 440g/kWh przy 3600min -1. Warto nadmienić, Ŝe identyczny sposób regulacji w przypadku silnika zasilanego olejem napędowym był równieŝ najmniej efektywny. Nie zmienia to jednak faktu, Ŝe stosowanie

4 estru metylowego oleju rzepakowego mającego mniejszą wartość opałową, skutkowało i tak większym zuŝyciem paliwa średnio o 10%. Dlatego taki sposób regulacji wydaje się być z punktu widzenia ekonomicznego całkowicie nieuzasadniony. Z kolei zwiększanie kąta wyprzedzenia wtrysku powodowało znacznie mniej intensywny wzrost danego parametru pracy. Przykładowo dla nastawy 40 o OWK przed GMP tłoka największa wartość jednostkowego zuŝycia paliwa wyniosła 382,8g/kWh przy prędkości obrotowej 3600min -1. Rys. 3. Powierzchniowa charakterystyka zewnętrzna współczynnika absorpcji promieniowania podczerwonego silnika CY zasilanego RME w funkcji kąta wyprzedzenia wtrysku (α ww ) Korzyści wynikające zarówno z prowadzonej regulacji, jak i zasilania badanego silnika paliwem rzepakowym, dają się zauwaŝyć w zasadzie dopiero przy analizie charakterystyki przedstawionej na rysunku 3. Zmniejszanie kąta wyprzedzenia wtrysku w stosunku ustawień zalecanych przez producenta, skutkuje widocznym ograniczeniem poziomu zadymienia spalin. Przy nastawie 12 o OWK przed GMP tłoka współczynnik absorpcji był zdecydowanie najniŝszy w całym zakresie prędkości obrotowych i zawierał się w granicach 0,12 0,59m -1. Odwrotną sytuację zaobserwowano w przypadku zwiększania kąta wyprzedzenia wtrysku od wartości nominalnej. Dla nastaw (26, 33 i 40 OWK) występują juŝ wyraźnie widoczne dwa maksima występujące przy 1200min -1 i 3600min -1. Przy regulacji 40 o OWK przed GMP tłoka poziom zadymienia był najwyŝszy, a dla podanych prędkości obrotowych wyniósł odpowiednio: 1,64m -1 i 1,56m -1. Bez względu jednak na zmianę ustawień prowadzonych w poszczególnych cyklach pomiarowych, zasilanie silnika estrem metylowym oleju rzepakowego w porównaniu z olejem napędowym, skutkowało blisko 40 50% spadkiem zadymienia spalin. Przykładowo stosowanie paliwa ropopochodnego i zmiana ustawienia na 40 o OWK przed GMP tłoka, spowodowało wzrost współczynnika absorpcji promieniowania podczerwonego do wartości 3,07m -1 przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika 1200min -1. Warto nadmienić, Ŝe dopuszczalny poziom zadymienia spalin dla silników turbodoładowanych wynosi 3,07m -1 lub 72% HRT (w skali

5 Hartridga) [3, 4]. Dla pozostałych prędkości obrotowych i tej nastawy poziom zadymienia spalin nie był juŝ tak wysoki, ale znacząco przekraczał wartości uzyskiwane przy stosowaniu paliwa roślinnego. 4. PODSUMOWANIE Jedną z istotniejszych wad silnika z komorą wirową jest stosunkowo duŝe jednostkowe zuŝycie paliwa, na które składają się m. in.: straty ciepła wynikające ze znacznego stosunku powierzchni komory spalania do jej całkowitej objętości, straty przepływu ładunku pomiędzy komorą wirową a przestrzenią nad tłokiem, ograniczenie maksymalnych ciśnień i temperatur zmniejszających sprawność obiegu [5, 6]. Podkreślić równieŝ naleŝy, Ŝe ze względu na niŝsze zawartości węgla i wodoru w cząsteczkach, wartość opałowa estru metylowego jest mniejsza niŝ tradycyjnego oleju napędowego. Ponadto ze względu na wyŝszą lepkość i gęstość od paliwa ropopochodnego, ilość energii dostarczonej do cylindra będzie mniejsza, chociaŝ niekoniecznie tak duŝa jakby to wynikało ze zmniejszonej wartości opałowej. Skutkuje to wzrostem zuŝycia paliwa, co przy wcześniej wymienionych niedogodnościach konstrukcyjnych, stanowi znaczący problem z punktu widzenia ekonomicznego. Pomimo ograniczenia poziomu zadymienia spalin badanego silnika przy zmniejszeniu kąta wyprzedzenia wtrysku wydaje się, Ŝe zmiana tego parametru regulacyjnego w stosunku do ustawień fabrycznych nie jest wskazana. JuŜ samo zasilanie jednostki napędowej paliwem roślinnym, przyniosło wymierne rezultaty w tym aspekcie, a dodatkowa regulacja wpłynęła niekorzystnie na pozostałe parametry jego pracy (równieŝ na te, które w referacie nie zostały omówione np. moc efektywną czy godzinowe zuŝycie paliwa). Wynika to przede wszystkim ze specyficznych właściwości fizykochemicznych estru metylowego oleju rzepakowego, który charakteryzuje się dodatkowymi wiązaniami tlenu w cząsteczkach i bardzo niską zawartością siarki. Badania prowadzone w laboratorium silnikowym Katedry Eksploatacji Pojazdów Samochodowych Politechniki Szczecińskiej wykazały, iŝ zdecydowanie lepsze rezultaty przy zmianie kąta wyprzedzenia wtrysku uzyskano dla wersji wolnossącej omawianego silnika (typ JK). Wynika z tego, Ŝe sam fakt zastosowania przez producenta systemu turbodoładowania do układu zasilania, wpływa korzystnie na pracę jednostki napędowej zasilanej paliwem roślinnym. W celu dalszej optymalizacji naleŝało by prowadzić zmianę innych parametrów regulacyjnych, np. ciśnienia wtrysku czy objętościowej dawki paliwa. 5. LITERATURA [1] T. Stoeck, Aspekt ekonomiczny i ekologiczny stosowania paliw rzepakowych do zasilania silnika z zapłonem samoczynnym, Autobusy nr 1-2, (Radom: Wydawnictwo Autobusy Sp. z o.o., 2006), [2] S. Oleksiak, I. Bedyk, Biopaliwa w Unii Europejskiej - promocja i uwarunkowania, Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji nr 101 (Warszawa: Wydawnictwo Eksplonaft, 2002), [3] K. Trzeciak, Diagnostyka samochodów osobowych, (Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 2002) [4] Praca zbiorowa pod redakcją C. Bocheńskiego, Badania kontrolne samochodów, (Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 2000) [5] J. Merkisz, Ekologiczne problemy silników spalinowych, Tom 2, (Poznań: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 1999) [6] J. A. Wajand, J. T. Wajand, Tłokowe silniki spalinowe średnio i szybkoobrotowe, (Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2000) THE INFLUENCE OF INJECTION ADVANCE ANGEL CHANGE ON OPERATING PARAMETS TURBOCHARGET ENGINE WITCH ROTATIONAL CHAMBER SUPPLIED BY VEGETABLE FUEL

6 Abstract - Possibility of using alternative fuels in the scale much larger than it is currently practiced and basic regulation of engine would allow to reduce smoking for the considerable group vehicles to level complying with currently effective ecological standards. Such attitude does not require any intervention into the construction of the very engine or installation of additional equipment treating exhaust gases. Results of the experimental tests presented in the report concern an engine of German make type CY.