Badania procesu spalania mieszanin oleju napędowego i surowego oleju rzepakowego jako element projektowania wyrobu 4

Transkrypt

1 Remigiusz Mruk, Marek Klimkiewicz 2, Katarzyna Botwińska 3 Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Badania procesu spalania mieszanin oleju napędowego i surowego oleju rzepakowego jako element projektowania wyrobu 4 Wstęp Projektowanie wyrobu to proces interdyscyplinarny, który ma na celu zamianę pomysłu w produkt. Jednym z etapów jest tzw. projekt koncepcyjny, który uwzględnia tworzenie wariantów rozwiązań, ocenę ich przydatności zgodnie z kryteriami techniczno ekonomicznymi a także opracowanie koncepcji wyrobu oraz techniki jego wytwarzania. [2], [2]. W logistycznych procesach produkcyjnych niezwykle istotne jest optymalizowanie kosztów. Na przeciw tej potrzebie wychodzi postęp technologiczny i rozpowszechnianie się technologii informacyjnych, dzięki którym są możliwe wirtualne symulacje gotowego wyrobu zanim takowy powstanie. Pozwala to na analizę rozwiązań techniczno konstrukcyjnych nowych wyrobów, przebiegu ich pracy a w efekcie analizy ekonomicznej danego obiektu czy zjawiska, oraz jego optymalizację. Programy komputerowego wspomagania projektowania są w obecnych czasach nieodłącznym elementem realizacji procesu wytwarzania danego wyrobu, gdyż pomagają zaoszczędzać czas i niwelują niepotrzebne koszty. Niektóre wyroby muszą przejść znaczną liczbę prób ich użycia, lub też zoptymalizowanie ich zastosowania. W pracy skupiono się na badaniach mieszaniny oleju napędowego i surowego oleju rzepakowego jako alternatywnego źródło zasilania silników wysokoprężnych. Stosowanie coraz większych ilości paliw pochodzenia biologicznego w silnikach o zapłonie samoczynnym z uwagi na odmienność ich cech prowadzi do zmian w procesie spalania w komorach silnika [], [5], [6], [7]. W związku z brakiem wystarczającej obiektywnej informacji w dostępnej literaturze o wpływie biopaliw na układy wtryskowe oraz procesy spalania konieczne jest przeprowadzenie badań eksperymentalnych, które pozwolą określić zjawiska obecne w czasie procesu spalania przy zmianie rodzaju paliwa oraz mogą być pomocne w optymalizacji parametrów silników. Zastosowany w eksperymencie system Common Rail jest układem, który w silnikach z zapłonem samoczynnym stosowanych do napędu pojazdów i maszyn rolniczych zastępuje układy wtryskowe o klasycznej budowie. Wspomniany system ze względu na występowanie bardzo wysokich ciśnień roboczych wymaga bardzo dużej precyzji wykonania w czasie produkcji [4]. Także warunki eksploatacji systemów CR wymagają stosowania paliwa o wysokiej jakości oraz czystości [0], []. Celem realizowanych badań było uzyskanie pełnej informacji o procesach roboczych w układzie Common Rail i procesach spalania mieszanin oleju napędowego i surowego oleju rzepakowego. Zakres prac obejmował: opracowanie stanowiska badawczego, metodyk pomiarowych oraz algorytmów sterowania stanowiskiem badawczym; badania oraz modelowanie charakterystyki wydajnościowej wtryskiwacza Common Rail przy zmianie parametrów roboczych; wykorzystanie uzyskanej charakterystyki wydajnościowej wtryskiwacza do budowy algorytmu sterującego procesem wtrysku paliwa; badania oraz modelowanie procesu spalania w komorze o stałej objętości. dr inż. Remigiusz Mruk adiunkt, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Katedra Organizacji i Inżynierii Produkcji 2 dr hab. inż. Marek Klimkiewicz, prof. SGGW, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Katedra Organizacji i Inżynierii Produkcji 3 mgr inż. Katarzyna Botwińska doktorantka, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Katedra Organizacji i Inżynierii Produkcji 4 Artykuł recenzowany Logistyka 5/

2 Zastosowane metody badawcze Zostało opracowane stanowisko badawcze, które pozwala na uzyskanie parametrów pracy układu wtryskowego Common Rail odpowiadających warunkom rzeczywistym w silniku wysokoprężnym [3], poprzez możliwość zmiany takich parametrów jak: prędkość obrotowa pompy wysokiego ciśnienia, temperatura w układzie paliwowym, ciśnienie paliwa oraz dawka paliwa (zależna od czasu wysterowania wtryskiwaczy). Schemat ogólny stanowiska badawczego został przedstawiony na rysunku. Wtryskiwacz badawczy System sterujący Element grzejny Czujnik temperatury System pomiarowy Układy regulacyjne Zbiornik zasobnikowy Manometr Moduły pomiarowe Regulator ciśnienia Czujnik temperatury Czujnik ciśnienia Sygnały elektryczne Przepływ paliwa Silnik elektryczny i falownik Czujnik prędkości obrotowej Pompa wysokociśnieniowa Filtr paliwa Element grzejny Zbiornik paliwa Pompa zasilająca Rys.. Ogólny schemat opracowanego stanowiska badawczego zasobnikowego układu wtryskowego. W stanowisku badawczym został użyty zasobnikowy układ [4]. Z układu tego w stanowisku badawczym zostały wykorzystane następujące elementy: pompa zasilająca, której zadaniem jest dostarczenie paliwa do następnych elementów układu, filtr paliwa o wielkości porów około 5 μm wykorzystywany do oczyszczania paliwa, pompa wysokociśnieniowa umożliwiająca tłoczenie paliwa, zbiornik zasobnikowy pozwalający na utrzymanie wymaganego ciśnienia w układzie wtryskowym, czujnik ciśnienia paliwa, regulator ciśnienia umożliwiający utrzymanie wymaganej wartości ciśnienia w obwodach wysokociśnieniowych, wtryskiwacz, którego zadaniem jest dostarczenie rozpylonego paliwa w określonym czasie. W stanowisku paliwo zostaje wtryskiwane do przygotowanej komory o stałej objętości, której przekrój przedstawiono na rysunku 2. Powala ona na uzyskanie stabilnej temperatury pracy w zakresie ºC i utrzymanie ciśnieni początkowego powietrza dla realizacji poprawnego procesu spalania. 398 Logistyka 5/205

3 G F E D C B A G F E D C B A Logistyka - nauka max 00 ºC Płyta Górna Korpus max 600 ºC Rys. 2. Komora Tor regulacji spalania temperatury o stałej w objętości komorze badawczej wykorzystana w eksperymencie. 0 NapieSteru TempeZadan TempeZadan Do opracowania systemu sterowania TempeMierz układem Common Rail zostało wykorzystane środowisko MA Gain NapiePID TLAB wraz z narzędziami Simulink, Real-Time Workshop (6) Target i Scope NapieMierz xpc Target [8], [9]. W środowisku tym zostały NapieGener Id: KorekZeraPrzet opracowane modele funkcjonowania TempeKomorRegul poszczególnych torów umożliwiających regulację podstawowych parametrów roboczych układu (rys. Scope (xpc) 3.). Analog Input Płyta Dolna Tor regulacji cisnienia w komorze badawczej Digital Output 0 CisnieZadan Gain2 Analog Input 5 2 NapieMierz AUTOR RYSUNKU DATA CisniKomorRegul MRUK CisniMierz NAZWA PLIKU OBUDOWA2.VSD NAZWA STRONY SKALA (2) ZLOZENIE Tor regulacji cisnienia w ukladzie wtryskowym Common Rail : 2 MATERIAŁ ILOŚĆ Target Scope Id: 2 Scope (xpc) 0 CisnieCRZadan Gain3 (2) Ster CisniCRZadan CisniCRMierz NapieMierz PIDWy jsc 2 0 Pulse Gen. 2 CisniCRRegul Analog Input 3 2 (6) Target Scope Id: 3 Scope (xpc) 2 4 Rys. 3. Ogólny schemat opracowanego modelu funkcjonowania istotnych systemów sterowania i regulacji procesów roboczych na stanowisku badawczym. Na rysunku 3 zawarto także elementy graficzne, które odpowiadają za współpracę z układami peryferyjnymi (inicjowanie podczas startu oprogramowania, pobieranie sygnałów poprzez przetworniki analogowo cyfrowe, generowanie napięciowych sygnałów sterujących oraz przedstawianie kluczowych parametrów na ekranie monitora). Przedstawiony sposób integracji elementów sprzętu i oprogramowania pozwala na szybkie budowanie kompletnych systemów bez głębokiej znajomości zasad konfigurowania modułów pomiarowych oraz funkcjonowania systemu. Regulacja wartości ciśnienia w układzie Common Rail ze względu na krótkie czasy odpowiedzi systemu na zadane wymuszenia zewnętrzne (rzędu ms) wymagała zastosowanie szybkich metod obróbki sygnału celem wyliczenia wartości sterujących. Do opracowania omawianego algorytmu został wykorzystany system czasu rzeczywistego (Real-Time) - moduł xpc Target współpracujący z pakietem MATLAB. Realizowany eksperyment zawierał zakresy zmienności następujących parametrów: paliwa: olej napędowy, olej rzepakowy i ich mieszaniny; temperatura w komorze spalania [ºC]: 350, 425, 500, 575; Logistyka 5/

4 ciśnienie w komorze spalania [MPa]: 0,5, 0,7, 0,9; ciśnienie w układzie Common Rail [MPa]: 65, 00, 35; współczynnik nadmiaru powietrza λ [ ]:,25, 2,5, 3,75, 5. W badaniach zastosowano olej rzepakowy wytworzony w jednostce z wykorzystaniem prasy ślimakowej do tłoczenia na zimno. Następnie surowy olej rzepakowy został poddany procesowi dokładnej filtracji aby zanieczyszczenia znajdujące się w nim spełniały wymagania układów wtryskowych Common Rail. Uzyskane przebiegi chwilowego ciśnienia w komorze spalania z wykorzystaniem czujnika piezoelektrycznego zostały poddane analizie pod kątem określenia podstawowych parametrów charakteryzujących proces spalania (opóźnienie samozapłonu, czas spalania i przyrost ciśnienia) zgodnie z metodyką przedstawioną na rysunku 4. Rys. 4. Parametry przyjęte do analizy przebiegów ciśnienia. Wyniki badań W wyniku przeprowadzenia eksperymentu uzyskano przebiegi chwilowych wartości ciśnienia w komorze, które zostały rejestrowane od chwili podania sygnału sterującego dla wtryskiwacza paliwa. Na rysunkach 5 i 6 zostały przedstawione wybrane przebiegi chwilowych wartości ciśnienia w komorze spalania odpowiednio dla skrajnych temperatur przyjętych w eksperymencie. Jak wynika z wykresów na rysunku 5 przy temperaturze początkowej komory 350ºC procesy spalania czystego oleju rzepakowego oraz jego mieszanin charakteryzują się znacznie większym opóźnieniem i dłuższym czasem spalania przy niższych wartościach wzrostu ciśnienia. Rys. 5. Wybrane przebiegi ciśnienia w komorze spalania uzyskane w eksperymencie dla różnych paliw i parametrów roboczych: temperatura początkowa 350ºC; ciśnienie początkowe 0,9[MPa]; ciśnienie wtrysku 00 [MPa]; współczynnik nadmiaru powietrza λ=, Logistyka 5/205

5 W przypadku spalania paliw w wysokich temperaturach początkowych w komorze spalania (575ºC) przebiegi dla oleju rzepakowego i jego mieszanin zbliżają się do kształtu przebiegu procesu spalania dla oleju napędowego. Powoduje to zmniejszenie różnic co do wartości charakterystycznych opisujących procesy spalania. Rys. 6. Wybrane przebiegi ciśnienia w komorze spalania uzyskane w eksperymencie dla różnych paliw i parametrów roboczych: temperatura początkowa 575ºC; ciśnienie początkowe 0,9[MPa]; ciśnienie wtrysku 00 [MPa]; współczynnik nadmiaru powietrza λ=,25. Przedstawienie analiz W celu uzyskania informacji o wpływie zmiennych wykorzystywanych w ramach badań na proces spalania paliw w komorze (na podstawie przyjętych charakterystycznych parametrów spalania) zostało przeprowadzone oszacowanie współczynników korelacji cząstkowych dla zebranego materiału badawczego. Poniżej w tabeli zostały przedstawione wyniki takiego oszacowania, odpowiednio dla procesu spalania oleju napędowego oraz oleju rzepakowego, które uzyskały największe wartości umożliwiające uwzględnienie ich przy budowę ilościowych modeli regresyjnych. Tab.. Wybrane wyniki współczynników korelacji cząstkowych. Temperatura początkowa Tk Ciśnienie początkowe Opóźnienie Olej napędowy samozapłonu to -0,624-0,555 0,057 Przyrost ciśnienia ps -0,53 0,823 0,099 Opóźnienie Olej rzepakowy samozapłonu to -0,956-0,82-0,053 Przyrost ciśnienia ps 0,82 0,524 0,062 pk Współczynnik nadmiaru powietrza Z wykorzystaniem metod regresji wielomianowej wielowymiarowej zostały dobrane postacie modeli, które uzyskały zadowalające stopnie dopasowania do wartości wyników badań przy jak najprostszym zapisie matematycznym. W tabeli 2 przedstawiono postacie modeli matematycznych dla czasu opóźnienia oraz przyrostu ciśnienia w komorze w funkcji temperatury początkowej i ciśnienia początkowego oraz współczynniki dopasowania modeli. Nie uwzględniono w tym zapisie zmian wartości współczynnika nadmiaru powietrza ze względu na jego bardzo mały wpływ na wartości wyników. pcr Logistyka 5/205 40

6 Tab. 2. Wyniki procesu doboru parametrów modeli regresyjnych. Typ równania R 2 Olej napędowy to=atk 2 + A2Tk + A3pk 2 + A4pk + A5 0,850 ps=atk 2 + A2Tk + A3pk 2 + A4pk + A5 0,850 Olej rzepakowy to=atk 2 + A2Tk + A3pk 2 + A4pk + A5 0,968 ps=atk 2 + A2Tk + A3pk 2 + A4pk + A5 0,968 Na podstawie opracowanych modeli ilościowych zostały utworzone wykresy przedstawiające zmiany czasu opóźnienia samozapłonu i ciśnienia spalania w funkcji temperatury początkowej w komorze oraz ciśnienia początkowego w komorze dla oleju napędowego oraz oleju rzepakowego (rys. 7, 8) Rys. 7. Powierzchnie przedstawiające zmiany uzyskane z wykorzystaniem modeli matematycznych dla oleju napędowego: a) czas opóźnienia samozapłonu to, b) ciśnienie spalania ps. Rys. 8. Powierzchnie przedstawiające zmiany uzyskane z wykorzystaniem modeli matematycznych dla oleju rzepakowego: a) czas opóźnienia samozapłonu to, b) ciśnienie spalania ps. Wnioski Na podstawie uzyskanych wyników badań oraz ich analizy można sformułować następujące wnioski: opracowane stanowisko badawcze wraz z komorą spalania o stałej objętości pozwala uzyskać powtarzalne i precyzyjne parametry procesu spalania; stanowisko posiada znacznie szerszy zakres zmian parametrów roboczych niż można uzyskać w rzeczywistym silniku z zapłonem samoczynnym; analiza materiału badawczego pozwoliła na budowę modeli regresyjnych charakteryzujących się wysokimi stopniami dopasowania co potwierdza występowanie tylko praktycznie nieistotnych zakłóceń losowych; 402 Logistyka 5/205

7 opracowane stanowisko może stanowić istotne wsparcie dla procesu projektowania nowych wyrobów w postaci biopaliw; zastosowana metodyka pomiarowa w eksperymencie może być podstawą oceny jakości procesów spalania zastosowanych innych biopaliw oraz mieszanin w porównaniu z olejem napędowym, co usprawni procesy projektowania nowych mieszanek paliwowych i pomoże zredukować koszty logistyczne. Streszczenie W związku z dyrektywami europejskimi, dotyczącymi sektora biopaliw, konieczne jest podejmowanie wszelkich działań, mających na celu upowszechnianie i wdrażanie paliw alternatywnych. W niniejszej pracy przedstawiono element projektowania wyrobu w postaci analizy procesu spalania mieszanki paliwowej oleju napędowego z surowym olejem rzepakowym. Badania przeprowadzono w komorze spalania o stałej objętości i zadanych parametrach. Uzyskane przebiegi umożliwiają ocenę podobieństwa oraz różnic w procesie spalania klasycznego oleju napędowego i oleju z biododatkiem rzepakowym. Stanowi to istotny element w projektowaniu wyrobu jakim jest nowa ekologiczna mieszanka paliwowa. Dzięki znajomości przebiegu procesu spalania można ocenić przydatność i możliwość wdrożenia wyrobu. Słowa kluczowe: silnik wysokoprężny, paliwa alternatywne, olej rzepakowy, układ wtryskowy Common Rail. THE STUDIES OF COMBUSTION PROCESSES MIXTURES OF DIESEL OIL WITH RAW RAPESEED OIL AS A PART OF PRODUCT DESIGN Abstract In connection with the European directives concerning the biofuel sector, it is necessary to take any action, to dissemination and implementation of alternative fuels. This paper presents an element of product design in the form of analysis of the combustion process fuel mixture of diesel with raw rapeseed oil. Research were conducted in constant-volume chamber combustion and the defined parameters. The resultant waveforms enable the assessment of the similarity and differences in the combustion process of conventional diesel oil and rapeseed bio component. This is an important element in the design of the product which is the new eco-fuel mixture. With the knowledge of the combustion process can assess the suitability and able to implement the product. Keywords: diesel engine, alternative fuels, rapeseed oil, common rail injection system. Literatura [.] Bocheński C Dymienie a konstrukcja i eksploatacja silników wysokoprężnych stosowanych w rolnictwie. Wydawnictwo SGGW, Warszawa. [2.] Gołembska E Kompendium wiedzy o logistyce. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. [3.] Górski K., Smignis R., Longwic R Comparative analysis of selected combustion parameters in the diesel engine powered with biodiesel - ethanol blends. Logistyka 204, nr. 3, s [4.] Hoffman K., Humeml K Das Common-Rail- Einspritzsystem-ein neues Kapitel der Dieseleinspritztechnik. MTZ 58 (997) 0. [5.] Klimkiewicz M., Błaszczuk K., Mruk R., Tucki K Modelowanie wtrysku paliwa do komory spalania w silniku z zapłonem samoczynnym przy użyciu środowiska AVL Fire. Inżynieria Rolnicza. Nr 2 (43). s. 3-2 [6.] Klimkiewicz M., Mruk R., Oleszczak P.202. Experimental test of common rail diesel engine supplied with diesel fuel - rape seed oil mixtures, Journal of KONES Powertrain and Transport 202, Vol. 9, nr 3, s [7.] Lotko W. Górski K. 20 Biopaliwa do silników o zapłonie samoczynnym. Logistyka 20, nr. 6, s Logistyka 5/

8 [8.] Matlab 200a. Real-Time Workshop Toolbox. The MathWorks Inc. Natick. [9.] Matlab 200b. xpc Target Toolbox. The MathWorks Inc. Natick. [0.] Orliński S Zasilanie paliwami typu bioe-diesel silnika rolniczego na wybrane parametry procesu wtrysku. Logistyka 204, nr. 6, s [.] Orliński S Wpływ ustawienia kąta wyprzedzenia wtrysku na procesy zachodzące w komorze spalania silnika rolniczego zasilanego biopaliwami. Logistyka 204, nr. 3, s [2.] Pająk E., Klimkiewicz M., Kosieradzka A Zarządzanie Produkcją i usługami. Polskie Wydawnictwo Ekonomiczne, Łódź. [3.] Słoma J., Olejnikowski J., Mruk R., Osiak J., Roszkowski H., Wojdalski J., Klimkiewicz M. 20. The computer controlled test bench for research of diesel engine powered with unprocessed rapeseed oil fuels, W: International conference on innovative technologies : IN-TECH 20: proceedings. - Bratislava, s [4.] Zbielski C Tendencje w zasilaniu szybkoobrotowych silników o zapłonie samoczynnym. Monografia, Łódź. 404 Logistyka 5/205