INFLUENCE OF DIESEL ENGINE FUELLING WITH MINERAL AND VEGETABLE FUELS ON THE ANGLE OF INJECTION ADVANCE AND CHARACTERISTICS OF HEAT EMISSION

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 2 INFLUENCE OF DIESEL ENGINE FUELLING WITH MINERAL AND VEGETABLE FUELS ON THE ANGLE OF INJECTION ADVANCE AND CHARACTERISTICS OF HEAT EMISSION Andrzej Ambrozik 1, Stanisaw Kruczyski 2, Janusz Jakóbiec 3 Stanisaw Orliski 4 1 Politechnika witokrzyska, Wydzia ZiMK, Instytut Modelowania Procesów, 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 , walorl@wp.pl. Abstract The paper presents investigation results of the engine AD3.152 fuelled with hydrocarbon fuel EKODIESEL PLUS 50B and vegetable fuel EKODIESEL PLUS 50B that allow to determine the angle of injection advance and characteristics of heat emission during the combustion process. Analysis of the obtained diagrams of fuel pressure in, the injection pipe enables to determine fuel pressure increase rate. The combustion process is a compound, periodically repeated high-frequency process going inside a cylinder of the piston-combustion engine. One from enough easily obtained and authoritative sources of information on the course processes reaching inside the cylinder is the indicatory diagram. Economical, energy-related and ecological indicators work of the engine with immediate way are relative to the course of the indicatory diagram, and this in turn is relative to the process of the combustion estimated by means of the characteristics of heat release. As result of research constated that was useful conduct of further research processes of the fuel injection and courses of the relative quantity of heat release during the process of the combustion, at the power supply of the engine both fuels mineral origin as and vegetable. Keywords: transport, combustion engines, fuel feed, alternative fuels, injection advance WPYW ZASILANIA SILNIKA O ZAPONIE SAMOCZYNNYM PALIWEM MINERALNYM I ROLINNYM NA KT WYPRZEDZENIA WTRYSKU I CHARAKTERYSTYKI WYDZIELANIA CIEPA Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki bada silnika AD3.152 zasilanego paliwem mineralnym (wglowodorowym) EKODIESEL PLUS 50B oraz rolinnym BIODIESEL D-FAME pozwalajce wyznaczy kt wyprzedzenia wtrysku oraz charakterystyki wydzielania ciepa podczas procesu spalania. Analiza eksperymentalnie wyznaczonych wykresów przebiegu cinienia paliwa w przewodzie wtryskowym i wzniosu iglicy wtryskiwacza umoliwia wyznaczenie kta wyprzedzenia wtrysku. Wyznaczanie charakterystyk wzgldnej prdkoci wydzielania si ciepa podczas procesu spalania przeprowadzono w oparciu o eksperymentalnie sporzdzone wykresy indykatorowe silnika. Proces spalania jest zoonym, okresowo powtarzajcym si szybkozmiennym procesem zachodzcym wewntrz cylindra tokowego silnika spalinowego. Jednym z do atwo uzyskiwanych i wiarygodnych róde informacji o przebiegu procesów zachodzcych wewntrz cylindra jest wykres indykatorowy. Ekonomiczne, energetyczne i ekologiczne wskaniki pracy silnika w bezporedni sposób zale od przebiegu wykresu indykatorowego, a ten z kolei zaley od procesu spalania ocenianego za pomoc charakterystyk wydzielania ciepa. W wyniku bada stwierdzono, e celowym jest prowadzenie dalszych bada procesów wtrysku paliwa i przebiegów wzgldnej iloci wydzielajcego si ciepa podczas procesu spalania, przy zasilaniu silnika zarówno paliwami pochodzenia mineralnego jak i rolinnego. Sowa kluczowe: transport, silniki spalinowe, zasilanie, paliwa alternatywne, wyprzedzenie wtrysku

2 A. Ambrozik, S. Kruczyski, J. Jakóbiec, S. Orliski 1. Wstp Proces spalania jest zoonym, okresowo powtarzajcym si szybkozmiennym procesem zachodzcym wewntrz cylindra tokowego silnika spalinowego. Jednym z do atwo uzyskiwanych i wiarygodnych róde informacji o przebiegu procesów zachodzcych wewntrz cylindra jest wykres indykatorowy. Ekonomiczne, energetyczne i ekologiczne wskaniki pracy silnika w bezporedni sposób zale od przebiegu wykresu indykatorowego, a ten z kolei zaley od procesu spalania ocenianego za pomoc charakterystyk wydzielania ciepa. Pod pojciem charakterystyk wydzielania ciepa rozumiemy wzgldn ilo i prdko wzgldnej iloci ciepa wydzielajcego si podczas procesu spalania z uwzgldnieniem ciepa traconego do cianek komory spalania [1]. Ocena jakoci pracy silnika zasilanego paliwami o rónych waciwociach fizykochemicznych wymaga zastosowania dokadnych pomiarów wielkoci opisujcych rzeczywisty przebieg procesów roboczych w cylindrze. 2. Cel bada Celem bada jest ocena wpywu zasilania silnika AD3.152 pracujcego wedug zewntrznej charakterystyki prdkociowej dwoma rodzajami paliw ekologicznych, to jest wglowodorowym, niskosiarkowym olejem napdowym EKODIESEL PLUS 50B, oraz estrami metylowymi kwasów oleju rzepakowego BIODIESEL D-FAME na: o wartoci kta wyprzedzenia wtrysku ww ze 100 cykli pracy silnika, o wzgldnej iloci prdkoci wydzielajcego si ciepa x podczas spalania, ze 100 cykli pracy silnika. 3. Stanowisko badawcze oraz waciwoci fizykochemiczne paliw Badania przeprowadzono na stanowisku wyposaonym w silnik o zaponie samoczynnym AD3.152 z bezporednim wtryskiem paliwa, wyposaonym w aparatur wtryskow typu DPA 3328 F-510 [2]. Stanowisko wyposaone byo w system pomiarowy umoliwiajcy pomiar wielkoci szybkozmiennych. Schemat stanowiska badawczego przedstawiono na rys.1. Wybrane waciwoci fizykochemiczne badanych paliw: wglowodorowego EKODIESEL PLUS 50B i rolinnego BIODIESEL D-FAME przedstawiono w tabeli Opis metody bada Na rys.2. pokazano przebieg wzniosu iglicy wtryskiwacza oraz rozwinity wykres indykatorowy cinienia w cylindrze z zaznaczeniem któw wyprzedzenia wtrysku i kata opónienia samozaponu. Ilustracj graficzn metody wyznaczania okresu opónienia samozaponu przedstawiono na rys.3. Przecicie charakterystyki T() wyznaczonej dla procesu sprania, przy zaoeniu, e czynnikiem roboczym jest powietrze, z krzyw T() wyznaczon dla GMP przy zaoeniu, e czynnikiem roboczym s produkty zupenego i cakowitego spalania paliwa jest punktem rozpoczcia procesu spalania. Krzyw T() dla procesu sprania sporzdzano dla, za krzyw T() dla ww procesu spalania sporzdzano dla GMP. W kadym, co 200 obr/min punkcie pomiarowym nalecym do zewntrznej charakterystyki prdkociowej silnika, rejestrowano 100 kolejnych przebiegów cinienia w cylindrze i przewodzie wtryskowym oraz wzniosu iglicy wtryskiwacza, przy staym ustawieniu nominalnego kta dynamicznego pocztku toczenia paliwa, równego dpt =17 OWK. Na podstawie zmierzonych wielkoci wyznaczano:

3 Influence of Diesel Engine Fuelling with Mineral and Vegetable Fuels on the Angle of Injection Advance and kt wyprzedzenia wtrysku paliwa, przebieg cinienia w cylindrze. Rys.1. Schemat stanowiska badawczego [2]: 1- komputer z wbudowan kart pomiarow KPCI 3110 firmy Keithley, 2 przetwornik obrotowo impulsowy firmy Intron, 3 przepywomierz paliwa, 4 silnik AD3.152, 5 hamulec, 6 szafa sterowania hamulcem i kontroli parametrów pracy silnika, 7 generator podstawy czasu, 8 modu pomiaru prdkoci obrotowej wau korbowego, 9 wzmacniacz sygnau Fig.1. Diagram of the test stand [2]: 1 computer with Keithley KPCI 3110 measurement card, 2 encoder of crankshaft angle, 3 fuel flow meter, 4 tested engine AD3.152, 5 engine brake, 6 steering module of engine brake, 7 time base generator, 8 engine crankshaft speed control module, 9 amplifier of piezosensor signal Tabela 1. Wybrane wasnoci fizykochemiczne paliw zastosowanych w badaniach [4, 5] Table 1. Selected physicochemical characteristics of examined fuels [4, 5] 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 Wasnoci fizykochemiczne dla paliwa naturalnego okrelono wg PN-EN 590, za paliwa FAME wg. PN-EN 590:2005 Rys.2. Przebieg wzniosu iglicy wtryskiwacza (h), cinienia paliwa w przewodzie wtryskowym (p w ) oraz otwarty wykres indykatorowy (p c ) z zaznaczeniem któw [2]: dpt kt dynamicznego pocztku toczenia, ww kt wyprzedzenia wtrysku, os kt opónienia samozaponu, Fig.2. Course of injector needle lift (h), fuel pressure in the injection pipe (p w ) and opened indicator diagram (p c ) with marked angles [2] : dpt dynamic pumping beginning angle, ww injection advance angle, os self ignition delay angle

4 A. Ambrozik, S. Kruczyski, J. Jakóbiec, S. Orliski Rys.3. Ilustracja graficzna metody wyznaczania kta opónienia samozaponu [2]: ww kt wyprzedzenia wtrysku paliwa, ps kt pocztku spalania Fig.3. Graphic illustration of self-ignition delay period calibration method [2]: ww beginning of fuel injection, ps beginning of combustion process znaczenie wzgldnej iloci wydzielonego ciepa w czasie procesu spalania przeprowadzono w oparciu o równanie I zasady termodynamiki i równanie stanu w postaci [1]: dq x du pdv dq pv MRT sc dq dys. (1) Dzielc t zaleno przez cakowit ilo wydzielonego ciepa z cakowitego i zupenego spalenia dawki paliwa o wartoci opaowej W u otrzymujemy: lub w postaci cakowej: dx = dx i + dx sc + dx dys (2) x = x i + x sc + x dys. (3) Ilo ciepa wydzielonego ze spalania dawki paliwa obliczamy ze wzoru: dq x = g obieg W u dx; Q x = g obieg W u, (4)

5 Influence of Diesel Engine Fuelling with Mineral and Vegetable Fuels on the Angle of Injection Advance and gdzie: efektywny wspóczynnik wydzielania ciepa podczas procesu spalania. Ciepo przekazane do cianek komory spalania obliczano ze wzoru: dq sc = sc F dt. (5) Wielko sc wyznaczano wedug znanych zalenoci empirycznych podawanych w literaturze specjalistycznej. Wielko F jest powierzchni wymieniajc ciepo, za warto dt mona i i 1 zastpi wielkoci skoczon t =, w której jest ktem obrotu wau korbowego. W 6 n prezentowanej, w artykule metodyce zaoono, ze zjawisko dysocjacji podczas procesu spalania jest nieznaczne i przyjto, e Q dys = 0. Po przeksztaceniach i zastpieniu róniczek rónicami skoczonymi oraz wykorzystaniu zaproponowanej przez Woschniego zalenoci do obliczania wspóczynnika przejmowania ciepa sc, otrzymano wzór na obliczanie wzgldnej iloci ciepa wydzielajcego si podczas spalania, w postaci: gdzie: x g 1 1 pi pi k Wu k 1 2 obieg sc 110 D 1 i i 1 sc F T T 6 n gobieg Wu 0,2 T sr temperatura gazów w cylindrze, T sc temperatura cianek cylindra, F powierzchnia wymieniajca ciepo. s n 2,28 30 V V 2 i i 1 Vi Vi 1 pi pi 1 0,8 sc 0,8 0, 53 pisr Tsr, (6) Warto prdkoci wzgldnej iloci wydzielajcego si ciepa wyznaczamy ze wzoru: 5. Wyniki pomiarów kta wyprzedzenia wtrysku paliwa xi xi 1 x. (7) i i 1 Na rysunku 4 w postaci graficznej przedstawiono porównanie kta wyprzedzenia wtrysku dla paliw EKODIESEL PLUS 50B oraz BIODIESEL D-FAME, przy pracy silnika AD3.152 wedug zewntrznej charakterystyki prdkociowej w przedziale prdkoci obrotowych wau korbowego od n= 1000 do n = 2000 obr/min, urednione ze 100 cykli wtrysków paliwa. 6. Wyniki bada procesu wydzielania ciepa Rysunek 5 przedstawia urednione ze 100 cykli co 200 obr/min porównanie prdkoci wzgldnej iloci ciepa wydzielajcego si podczas procesu spalania w funkcji kta obrotu wau korbowego silnika AD3.152 pracujcego wg. zewntrznych charakterystyk prdkociowych w

6 A. Ambrozik, S. Kruczyski, J. Jakóbiec, S. Orliski przedziale prdkoci obrotowej (n= obr/min) i zasilanego paliwami: EKODIESEL PLUS 50B oraz BIODIESEL D-FAME. ww, o OWK EKODIESEL PLUS 50B BIODIESEL D-FAME n, obr/min Rys.4. Porównanie urednionego dla 100-cykli wtrysków paliwa kta wyprzedzenia wtrysku dla paliw: EKODIESEL PLUS 50B oraz BIODIESEL D-FAME, przy pracy silnika AD3.152 wedug zewntrznej charakterystyki prdkociowej, w przedziale prdkoci obrotowych wau korbowego silnika od n= 1000 do 2000 obr/min Fig. 4. Comparison of the fuel injection angle averaged for 100 injection cycles for EKODIESEL PLUS 50B and BIODIESEL D-FAME, for engine work according to external speed characteristic, at the speed from the range rpm Rys. 5. Porównanie prdkoci wzgldnej iloci wydzielajcego si ciepa x podczas procesu spalania w funkcji obrotu wau korbowego silnika AD3.152 co 200 obr/min w przedziale n= obr/min zasilanego badanymi paliwami Fig. 5. Exemplary diagram of relative rate of heat emission x during combustion process versus crankshaft rotation angle of the AD3.152 engine fuelled with investigated fuels

7 Influence of Diesel Engine Fuelling with Mineral and Vegetable Fuels on the Angle of Injection Advance and 7. Wnioski Na podstawie wyników bada otrzymanych przy zasilaniu silnika dwoma paliwami ekologicznymi tj. niskosiarkowym olejem napdowym EKODIESEL PLUS 50B oraz paliwem rolinnym - ester metylowy kwasów oleju rzepakowego BIODIESEL D-FAME, mona sformuowa nastpujce wnioski: - wartoci urednionych przebiegów kta wyprzedzenia wtrysku okazay si wiksze w caym zakresie prdkoci obrotowych silnika tj. od obr/min przy zasilaniu go paliwem rolinnym BIODIESEL D-FAME w porównaniu z zasilaniem go paliwem wglowodorowym EKODIESEL PLUS 50B, - maksymalna prdko wydzielajcego si ciepa osiga wiksze wartoci przy zasilaniu silnika paliwem BIODIESEL D-FAME w porównaniu z zasilaniem go paliwem EKODIESEL PLUS 50B w badanym zakresie warunków pracy silnika, - celowym jest prowadzenie dalszych bada procesów wtrysku paliwa i przebiegów wzgldnej iloci wydzielajcego si ciepa podczas procesu spalania, przy zasilaniu silnika zarówno paliwami pochodzenia mineralnego jak i rolinnego. Literatura [1] Ambrozik, A., Wybrane zagadnienia procesów cieplnych w tokowych silnikach spalinowych, Wydawnictwo Politechniki witokrzyskiej, Kielce [2] Dokumentacja Techniczna.: Stanowisko pomiarowe parametrów pomiarowych szybkozmiennych cinie, IEPiM Politechnika Radomska, Radom [3] Khacyjan, A. S., Labieckas, G. S., Vlianie charakteristik vpryska raspylivania topliwa na proces tieplovydelenija i pokazateli dizela s nadduvom, Dvigatelestrojenie Nr 6, [4] Polski Koncern Naftowy ORLEN S.A, wiadectwa jakoci paliw, Pock [5] Rafineria Trzebinia, wiadectwa jakoci paliw FAME, Trzebinia 2006.

8