Ocena wskaźników ekonomiczno-energetycznych i ekologicznych turbodoładowanego silnika o zapłonie wymuszonym 1.2 TSI

Transkrypt

1 ŁAGOWSKI Piotr 1 Ocena wskaźników ekonomiczno-energetycznych i ekologicznych turbodoładowanego silnika o zapłonie wymuszonym 1.2 TSI WSTĘP Na początku XIX wieku podstawowym czynnikiem stymulującym rozwój silników spalinowych była niedoskonałość ich konstrukcji oraz dążenie do zwiększenia ich niezawodności, trwałości i możliwości zastosowania do napędu pojazdów samochodowych. Coraz ostrzejsze normy określające dopuszczalne limity emisji szkodliwych składników spalin, niskie zużycie paliwa, a także wysokie wymagania ekologiczne związane z cyklem życiowym silnika w tym jego recyklingu wymuszają dalsze doskonalenie ich konstrukcji. Ze względu na ochronę środowiska nadal dużym zagrożeniem jest emisja gazowych, toksycznych składników spalin, dwutlenku węgla oraz cząstek stałych stanowiących barierę rozwoju obecnych silników spalinowych o zapłonie samoczynnym i iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Największym wyzwaniem dla producentów silników jest spełnienie normy emisji Euro 6 obowiązującej od 2014r., której limity są wielokrotnie mniejsze od obowiązujących w poprzednich latach. Wymagania te spowodowały istotny rozwój układów zasilania silników o ZS i ZI, układów neutralizacji szkodliwych składników spalin, a także zastosowanie zaawansowanych układów sterowania silników. Rozwój tych układów spowodował zbliżenie konstrukcyjne silników o ZI i ZS, czego efektem jest wykorzystywanie zalet obu silników oraz eliminacja ich wad [7]. 1. KIERUNKI ROZWOJU SILNIKÓW O ZI Silniki spalinowe pozostaną na długo podstawowym źródłem napędu pojazdów. Normy ograniczające emisję związków szkodliwych zmuszają konstruktorów do poszukiwania technologii zmniejszających szkodliwe oddziaływanie silników na środowisko [1,2]. Na przełomie lat 70-tych i 80-tych w silnikach o zapłonie iskrowym wprowadzono zasilanie wtryskowe oraz trójfunkcyjne katalizatory spalin. Spowodowało to pewną stagnację ich rozwoju, która trwała do połowy lat 90-tych. W tym czasie osiągi silników o zapłonie samoczynnym zbliżyły się do silników o ZI, w tym zużycie paliwa tych pierwszych było znacznie mniejsze. Spowodowało to zmniejszenie konkurencyjności silników o ZI w stosunku do silników o zapłonie samoczynnym [6,7]. Dopiero w ostatnich latach można zaobserwować intensywny rozwój silników o zapłonie iskrowym co związane jest z rosnącymi wymaganiami dotyczącymi ich osiągów i normami dotyczącymi ochrony środowiska naturalnego [3]. Intensywny rozwój silników spalinowych o zapłonie iskrowym obserwowany w ostatnich latach, związany jest z zastosowaniem w nich takich układów jak: zmniejszonych wymiarów głównych silników w tym ich pojemności skokowej tzw. downsizingu, układów doładowujących z chłodzeniem powietrza doładowującego w tym turbodoładowania, doładowania mechanicznego oraz impulsowego, elektronicznie sterowanych układów recyrkulacji spalin z ich chłodzeniem, nowoczesnych układów zasilania w tym wtrysku bezpośredniego z zaawansowanym układem sterowania jego przebiegiem oraz układem umożliwiającym wysokie ciśnienie wtrysku sięgające 200bar, wielozaworowych układów rozrządu z układami zmienny faz i wzniosu zaworów, oraz układów dolotowych oddziaływujących na zawirowanie i turbulencję czynnika roboczego w cylindrze, udoskonalonych katalitycznych układów oczyszczania spalin, 1 Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Machine Design, Department of Automotive Vehicles and Transportation; Kielce, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Phone ; p.lagowski@tu.kielce.pl 3899

2 systemów diagnostyki pokładowej. Rozwój silników o zapłonie iskrowym oprócz doskonalenia samej konstrukcji związany jest z rozwojem układu zasilania silnika w paliwo. Rozwój ten spowodował, że stosowany od ponad stu lat gaźnik zastąpiono najpierw wtryskiem jednopunktowym, a następnie wtryskiem wielopunktowym do kanału dolotowego, który obecnie dominuje [7]. Opisywane we wstępie wymagania stawiane nowym konstrukcjom silników spalinowych spowodowały dalszy rozwój układów zasilania w tym zastosowanie w silnikach o ZI bezpośredniego wtrysku paliwa do komory spalania. Idea zastosowania układów wtryskowych w silnikach o zapłonie iskrowym pojawiła się już w latach osiemdziesiątych XIX wieku. Układy te miały jednak wiele wad i niedoskonałości. Szybki rozwoju konstrukcji gaźników, spowodował brak zainteresowania wtryskowymi układami zasilania silników w paliwo. Dalszy rozwój układów wtryskowych benzyny związany jest z pracami firm Robert Bosch, DVL oraz Bendix. Prace firmy DVL zaowocowały w 1937 roku wprowadzeniem do silników Daimler-Benz oraz Junkers bezpośredniego wtrysku benzyny do komory spalania w czasie suwu dolotu. Rok później firma Bendix wprowadziła gaźnik wtryskowy, który odpowiada dzisiejszemu układowi zasilania z jednopunktowym wtryskiem paliwa. Prace nad układami bezpośredniego wtrysku benzyny prowadzone przez firmę Daimler-Benz doprowadziły do wprowadzenia przez nią w 1954 roku pierwszego seryjnie produkowanego samochodu tj. Mercedes- Benz 300SL, zasilanego mechanicznym bezpośrednim wtryskiem benzyny do cylindra. Układy te miały jednak istotne wady takie jak: wysoka cena, skomplikowana budowa, niska niezawodność oraz brak możliwości dokładnego sterowania składem mieszanki. Do rozwoju współczesnych układów zasilania wtryskowego silników benzynowych przyczyniły się prace firmy Bendix oraz Caproni, która skonstruowała pierwsze urządzenie wtryskowe sterowane elektromagnetycznie, po raz pierwszy zastosowane w 1938 roku w samochodzie Alfa Romeo 2.5L. Opracowania firmy Bendix dotyczące sterowania wtryskiwaczami elektromagnetycznymi w tym dawką paliwa w zależności od warunków pracy silnika, zostały zakupione przez firmę Bosch i stało się podstawą wprowadzonego w 1966 roku układu wtrysku benzyny D-Jetronic [6]. Uwzględniając historię rozwoju wtryskowych układów zasilania silników o zapłonie iskrowym można stwierdzić, że obserwowane w ostatnich latach szerokie zastosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa w silnikach o ZI nie jest już nowym rozwiązaniem. Konieczność uzyskania dużych mocy silników ZI i zwiększania ich sprawności spowodowała, że konstruktorzy powrócili do tego układu zasilania w tym każdy producent oznacza go własnymi symbolami takimi jak: GDI, HPI czy FSI. Do głównych elementów tego układu zasilania należy zaliczyć: zbiornik paliwa, pompę niskiego ciśnienia umieszczoną w zbiorniku paliwa, pompę wysokiego ciśnienia wraz z regulatorem, wtryskiwacze paliwa, wspólny zasobniku paliwa wraz z czujnikiem ciśnienia, podobnie jak ma to miejsce w układach zasilania silników o ZS z układem Common Rail. Aby zapewnić odpowiednią jakość rozpylenia paliwa w cylindrze, pompa tłoczy paliwo do wspólnej listwy pod ciśnieniem od 5 do 20 MPa. Wartość ciśnienia zależy od warunków pracy silnika. Do korzyści ze stosowania tego układu zasilania można zaliczyć: wtrysk paliwa do cylindra już w czasie sprężania powoduje chłodzenie powietrza wewnątrz cylindra zmniejszając ryzyko wystąpienia spalania stukowego. Umożliwia to zwiększenie stopnia sprężania w stosunku do silników z układem pośredniego wtrysku paliwa, wzrost stopnia napełniania cylindrów poprzez zastosowanie większego stopnia sprężania i braku paliwa w układzie dolotowym, mniejsza emisja węglowodorów w czasie nagrzewania silnika przez nieosiadanie paliwa na ściankach cylindra, większe ciśnienie użyteczne przez stosowanie wielokrotnego wtrysku paliwa, pozwalającego także na zwiększenie kąta wyprzedzenia zapłonu, wtrysk wielofazowy umożliwiający także skrócenie czasu nagrzewania katalizatora, a tym samym mniejszą emisję szkodliwych składników spalin w fazie nagrzewania silnika, zmniejszone zużycia paliwa, oraz poziom emitowanego hałasu. Wzrost parametrów termodynamicznych w tym średniej maksymalnej temperatury spalania w silnikach z bezpośrednim wtryskiem paliwa powoduje jednak niekorzystny wpływ na emisję 3900

3 tlenków azotu. Jest to kompensowane stosowaniem zewnętrznej i wewnętrznej recyrkulacji spalin przez stosowanie zmiennych faz rozrządu oraz zaawansowanych układów neutralizacji spalin w tym katalizatorów utleniających, akumulacyjnych itp. Praca silnika na mieszankach ubogich wymaga zastosowania szerokopasmowych sond lambda. Ponadto do wad tych układów należy zaliczyć większe straty energii związane z koniecznością uzyskania większych ciśnień wtrysku i energii zużywanej na pracę urządzenia zmniejszającego emisję tlenków azoty w tym klap wprowadzających zawirowanie ładunku w cylindrze, zaworu recyrkulacji spalin. Przewaga zalet tego typu układów zasilania nad wadami powoduje coraz szersze ich stosowanie w silnikach pojazdów osobowych [6]. W silnikach z bezpośrednim wtryskiem benzyny realizowany jest proces spalania według trzech trybów pracy takich jak: praca na mieszance ubogiej, uwarstwionej λ=2 4, stan przejściowy podczas którego silnik pracuję na mieszance ubogiej lub jednorodnej oraz tryb pracy na mieszance tylko stechiometrycznej. W nowych konstrukcjach silników o zapłonie iskrowym oprócz stosowania zaawansowanych układów wtryskowych stosuje się jako kierunek rozwoju tzw. downsizing, który polega na zmniejszaniu wymiarów głównych silnika, w tym jego pojemności skokowej. Jest to realizowane przez poprawę wskaźników pracy silnika odniesionych najczęściej do jednostki objętości skokowej silnika. Zastosowanie przez konstruktorów downsizingu pozwala na zmniejszeniem zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników ze spalinami. Ponadto poza zmniejszaniem wymiarów głównych silnika, stosuje się elektronicznie sterowane wysokociśnieniowe układy doładowania oraz do budowy silników wykorzystuje się materiały konstrukcyjne, które mogą przenieść większe obciążenia mechaniczne i cieplne [5]. Wyżej opisane zmiany konstrukcyjne zmniejszają straty cieplne silnika i jego masę, zwiększając jednocześnie jego sprawność oraz obniżając zużycie paliwa. Przykładem stosowania downsizingu mogą być silniki marki Volkswagen 1.2 i 1.4 TSI z bezpośrednim wtryskiem paliwa, gdzie osiągi silnika 1.4 TSI odpowiadają osiągom klasycznego silnika o objętości skokowej 2.3 dm 3, przy jednoczesnym mniejszym zużyciu paliwa o ok. 20% [4]. 2. OBIEKT BADAŃ Obiektem badań był silnik o zapłonie iskrowym firmy Volkswagen 1.2 FSI, spełniający normę emisji spalin Euro V. Silnik ten rozwija maksymalną moc 77 kw przy prędkości obrotowej 5000 obr/min i maksymalny moment obrotowy 175 Nm osiągany w zakresie prędkości obrotowych od 1500 do 4100obr/min. Silnik ten jest przykładem rozwoju silników spalinowych tzw. downsizingu. W celu obniżenia masy silnika kadłub wykonany jest ze stopu aluminium, w którym umieszczono tuleje cylindrowe z żeliwa szarego. Silnik posiada jeden wałek rozrządu napędzany łańcuszkiem, który w nowszych wersja silnika producent zastąpił paskiem zębatym. Silnik posiada po dwa zawory na cylinder dzięki czemu straty energii są mniejsze niż przy zastosowaniu większej ilość zaworów. Ponadto dla efektywniejszego odprowadzenia ciepła zawory wylotowe wypełnione są sodem. Na pokrywy napędu rozrządu zastosowano lekkie materiały. Pokrywę dolną wykonano z magnezu, górną zaś z tworzywa sztucznego. Ponadto w celu ograniczenia strat tarcia zredukowano średnicę czopów głównych wału korbowego, co wymagało zastosowania dużo lepszych materiałów na panewki [9]. W silniku zastosowano układ zasilania z bezpośrednim wtryskiem paliwa, które wtryskiwane jest do cylindrów pod maksymalnym ciśnieniem 150bar. W układzie zasilania zastosowano pięciootworowe, elektromagnetyczne wtryskiwacze paliwa. Wtryskiwacze mogą zrealizować do trzech dawek paliwa na jeden cykl pracy silnika. W celu poprawy osiągów, w układzie dolotowym silnika zastosowano małą turbosprężarkę z intercoolerem umieszczonym w kolektorze dolotowym. Sterowanie ciśnieniem doładowania odbywa się za pomocą sterowanego elektronicznie zaworu upustowego. Ponadto silnik wyposażono w nowoczesny układ chłodzenia, w skład którego wchodzą dwa niezależne systemy chłodzące przy czym każdy z nich posiada osobną pompę oraz chłodnicę. Turbosprężarka i intercooler posiadają osobny system chłodzenia wyposażony w pompę elektryczną. System ten umożliwia niezależną pracę tego układu niezależnie od układu chłodzącego silnik, który z kolei wyposażony jest w pompę napędzaną mechanicznie od wału korbowego. Dzięki takiemu 3901

4 rozwiązaniu istnieje możliwość automatycznego schładzania turbiny przy wyłączonym silniku. Ponadto pompa układu chłodzenia silnika napędzana paskiem klinowym od wału korbowego może być wyłączana co skraca okres nagrzewania silnika. W układzie wydechowym silnika zastosowano katalizator spalin oraz dwie sondy lambda. Pierwsza sonda lambda umieszczona za turbosprężarką w układzie wydechowym pozwala na wyznaczanie rzeczywistego współczynnika nadmiaru powietrza zaś druga diagnozuje sprawność działania katalizatora [9]. Elektroniczny system sterujący pracą silnika 1.2 TSI realizuje sterowanie: wartością dawki paliwa i jej podziałem, kątem wyprzedzenia zapłonu i wtryskiem paliwa, ciśnieniem paliwa w listwie paliwowej, ciśnieniem doładowania przez zmianę położenia zaworu upustowego, prędkością obrotową silnika przy jego pracy na biegu jałowym, maksymalną prędkością obrotową wału korbowego silnika oraz pracą układu chłodzenia w tym pompą napędzaną mechanicznie i elektrycznie. W tabeli 1 przedstawiono podstawowe dane techniczne badanego silnika. Tab. 1. Podstawowe dane techniczne silnika 1.2 TSI 77kW [9] Parametr Jednostka Wartość Układ cylindrów - rzędowy Liczba cylindrów, c - 4 Rodzaj wtrysku - bezpośredni Rodzaj wtryskiwaczy - elektromagnetyczne, pięciootworowe Kolejność pracy cylindrów Stopień sprężania, - 10,5 Średnica cylindra, D m Skok tłoka, S m 75, Pojemność skokowa silnika, V ss m 3 1, Moc nominalna silnika, N e kw 77 Prędkość obrotowa mocy nominalnej, n N obr/min 5000 Maksymalny moment obrotowy silnika, M e Nm 175 Prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego, n M obr/min Prędkość obrotowa biegu jałowego, n bj obr/min STANOWISKO BADAWCZE Stanowisko hamowniane składa się z ramy stalowej, na której osadzony jest hamulec elektrowirowy o mocy 200 kw z wraz z całą aparaturą pomiarowo kontrolną, i sterowanym silnikiem spalinowym o zapłonie wymuszonym firmy Volkswagen 1.2 TSI. Stanowisko przedstawiono na rysunku

5 Rys. 1. Hamowniane stanowisko silnikowe z silnikiem VW 1.2TSI i hamulcem elektrowirowym Silnik 1.2 TSI wyposażony jest w układ zasilania z bezpośrednim wtryskiem paliwa i spełnia normę emisji spalin EURO 5. Silnik sterowany jest za pomocą elektronicznej jednostki sterującej ECU. Oprócz oryginalnego sterownika, stanowisko wyposażone jest w zewnętrzny badawczy sterownik silników o zapłonie wymuszonym firmy NIRA. Sterownik ten zapewnia dostęp do konfiguracji parametrów sterowania silnikiem dobieranych podczas strojenia ECU do silnika, dotyczących: sterowania układem zasilania, czasów i faz wtrysku, kata wyprzedzenia zapłonu, ciśnienia wtrysku paliwa, sterowania układem doładowania, chłodzenia oraz innymi elementami wykonawczymi silnika. W szafie sterowniczej stanowiska znajduje się komputer stacjonarny wraz z jednostką sterująca stanowiskiem AMX211 firmy Automex. System ten umożliwia jednoczesne sterownie dwuwymiarowym obiektem nieliniowym jakim jest silnik spalinowy, którego obciążenie powoduje hamulec elektrowirowy. Możliwe jest sterowanie wychyleniem organu wykonawczego przepustnicy w sposób liniowy lub przy wykorzystaniu cyfrowych regulatorów PID. Jednocześnie sterowanie prądem hamulca realizowane jest również za pomocą cyfrowych regulatorów PID. Zarówno regulatory sterujące bezpośrednio pracą silnika jak i hamulca mogą pracować w trybie utrzymywania stałej wartości momentu obciążającego silnik oraz stałej prędkości obrotowej. System może pracować z aktywnym jednym lub dwoma regulatorami. Istnieje możliwość zastosowania pięciu różnych rodzajów pracy sterownika zwanych trybami. Moduł sterujący wyposażony jest w graficzny wyświetlacz dotykowy (GUI) oraz dwa impulsatory. Głównym zadaniem układu jest zapewnienie komunikacji użytkownika z modułem pomiarowym w tym odczyt parametrów i wydawanie poleceń. Może się to odbywać dwojako: bezpośrednio poprzez ekran dotykowy lub za pośrednictwem ethernetu poprzez komputer. Moduł sterujący komunikuje się z modułem pomiarowym z wykorzystaniem magistrali CAN. Oprogramowanie oraz czujniki zainstalowane na stanowisku umożliwiają pomiar warunków atmosferycznych panujących w otoczeniu stanowiska, co jednocześnie daje możliwość automatycznego redukowania wyników badań do warunków normalnych. W skład stanowiska wchodzi masowy grawimetryczny dawkomierz paliwa firmy Automex ATMX 2040, umożliwiający precyzyjny pomiar zużycia paliwa z dokładnością 0,1 %. Stanowisko wyposażone jest w przepływomierz powietrza SENSYFOLW ig firmy ABB zapewniający pomiar wydatku przepływu powietrza w zakresie od 0 720kg/h z dokładnością 0,1%. Ponadto stanowisko wyposażone jest w trzy płaszczowe wymienniki ciepła chłodzone wodą w obiegu zamkniętym, które umożliwiają chłodzenie: hamulca, czynnika chłodzącego silnik oraz paliwa. Każdy z wymienników ciepła na wlocie wody wyposażony jest w elektrozawór sterowany z szafy sterowniczej. Stanowisko wyposażone jest także w układ do pomiaru temperatur składający 3903

6 się z czujników termoelektrycznych i rezystancyjnych. Układ ten umożliwia pomiary temperatury: przed i za wymiennikiem ciepła chłodzącym powietrze doładowujące oraz przed i za wymiennikiem chłodzącym ciecz w układzie chłodzenia, paliwa na wyjściu z listwy zasilającej, spalin przed sprężarką i za katalizatorem oraz oleju w misce olejowej i głowicy silnika oraz temperatury paliwa w układzie zasilania. Ponadto stanowisko wyposażone jest w sześć przetworników ciśnienia S-10 firmy WIKA, które umożliwiają pomiary cienienia: powietrza doładowania, cieczy w układzie chłodzenia, spalin w układzie wydechowym, oleju w głowicy silnika i ciśnienia w skrzyni korbowej. Do pomiaru stężenia w spalinach tlenu O 2, tlenku i dwutlenku węgla CO, CO 2, węglowodorów HC, tlenków azotu NOx oraz współczynnika składu mieszanki λ zastosowano pięciogazowy analizator spalin AVL DiCom 4000, wyposażony w moduł umożliwiający pomiar zadymiania spalin w silnikach o ZS. 4. WYBRANE WYNIKI BADAŃ Podczas badań eksperymentalnych silnik VW 1.2 TSI zainstalowany na hamowni silnikowej pracował według charakterystyk obciążeniowych dla prędkości obrotowych wału korbowego silnika równych n=1500, 2500 i 3500 obr/min i zasilany był handlową benzyną bezołowiową Pb98. W trakcie realizacji badań rejestrowano wartości mocy użytecznej silnika Ne, użytecznego momentu obrotowego Mo, godzinowego zużycia paliwa G h oraz wartość ciśnienia doładowania p d. Dysponując wymienionymi zarejestrowanymi wartościami obliczano jednostkowe zużycie paliwa ge, Wykorzystując opisany wyżej analizator spalin AVL DiCom 4000 zarejestrowano stężenie w spalinach tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO2, węglowodorów HC, tlenków azotu NOx, tlenu O2 oraz współczynnik nadmiaru mieszanki λ. Pomiarów stężenia składników spalin dokonano przed katalizatorem. Wartości wymienionych wyżej wskaźników pracy badanego silnika przedstawiono w tabelach od 3 do 5. Tab. 3. Wybrane wskaźniki pracy silnika VW 1.2 TSI pracującego według charakterystyki obciążeniowej dla prędkości obrotowej n = 1500 obr/min M o [Nm] N e [kw] G e [kg/h] g e [g/kwh] p d [bar] CO CO 2 O 2 HC, NO x Lp ,56 1,33 854,94 0,299 0,86 13,4 1, , ,13 1,33 424,14 0,384 0,81 13,6 0, , ,68 1,72 368,38 0,465 0,84 13,6 0, , ,28 1,74 277,50 0,535 0,80 13,7 0, , ,07 2,32 287,43 0,633 0,77 13,8 0, , ,51 2,69 282,49 0,704 0,75 13,8 0, , ,07 2,94 265,39 0,772 0,74 13,8 0, , ,63 3,24 256,31 0,855 0,71 13,8 0, , ,36 3,56 248,26 0,92 0,68 13,9 0, , ,41 3,83 248,33 1,007 0,66 13,9 0, , ,82 4,15 232,94 1,132 0,65 14,0 0, , ,39 4,68 241,55 1,232 0,63 14,0 0, , ,08 5,08 253,17 1,282 0,62 14,0 0, , ,25 5,52 259,73 1,368 0,61 14,0 0, , ,10 5,97 258,27 1,468 0,61 14,0 0, , ,11 6,43 255,95 1,66 0,62 14,0 0, , ,66 7,04 264,17 1,777 0,62 14,1 0, , ,20 7,47 264,80 1,829 0,63 14,1 0, , ,80 7,83 262,85 1,882 0,64 14,0 0, ,001 λ 3904

7 Tab. 4. Wybrane wskaźniki pracy silnika VW 1.2 TSI pracującego według charakterystyki obciążeniowej dla prędkości obrotowej n = 2500 obr/min M o [Nm] N e [kw] G e [kg/h] g e [g/kwh] p d [bar] CO CO 2 O 2 HC, NO x Lp ,65 1,73 651,09 0,286 0,69 13,7 0, , ,28 2,23 422,89 0,366 0,74 13,7 0, , ,92 2,65 334,96 0,441 0,76 13,6 0, , ,48 3,39 323,84 0,519 0,80 13,6 0, , ,12 3,80 289,78 0,598 0,86 13,6 0, , ,71 3,78 240,92 0,672 0,88 13,6 0, , ,35 4,89 266,66 0,748 0,93 13,6 0, , ,07 5,43 257,66 0,835 0,94 13,5 0, , ,47 5,94 252,90 0,904 0,89 13,6 0, , ,72 6,49 242,81 0,949 0,79 13,8 0, , ,79 7,11 246,84 1,055 0,71 13,9 0, , ,42 7,75 246,82 1,159 0,69 13,9 0, , ,26 8,15 237,98 1,262 0,68 13,9 0, , ,64 9,06 247,23 1,347 0,70 13,9 0, , ,18 9,67 246,78 1,432 1,28 13,7 0, , ,26 11,24 265,87 1,524 2,32 13,2 0, , ,79 12,37 276,27 1,649 3,51 12,4 0, , ,74 13,64 291,91 1,751 4,83 11,5 0, , ,51 13,91 286,74 1,803 4,69 11,7 0, ,866 Tab. 5. Wybrane wskaźniki pracy silnika VW 1.2 TSI pracującego według charakterystyki obciążeniowej dla prędkości obrotowej n = 3500 obr/min M o [Nm] N e [kw] G e [kg/h] g e [g/kwh] p d [bar] CO CO 2 O 2 HC, NO x Lp ,78 2,78 735,06 0,299 0,73 13,6 0, , ,54 3,31 439,01 0,381 0,76 13,6 0, , ,11 3,97 357,67 0,453 0,66 13,8 0, , ,76 3,90 264,13 0,531 0,65 13,9 0, , ,57 5,48 294,80 0,608 0,66 13,8 0, , ,07 6,26 283,80 0,675 0,69 13,8 0, , ,81 7,08 274,53 0,756 0,67 13,9 0, , ,73 7,87 264,70 0,839 0,68 13,8 0, , ,96 8,45 256,46 0,909 0,66 13,8 0, , ,10 9,24 249,17 1,032 3,15 12,8 0, , ,50 10,53 259,99 1,057 1,28 13,6 0, , ,12 11,60 262,99 1,15 1,81 13,3 0, , ,04 11,53 240,00 1,245 3,25 12,5 0, , ,56 13,99 271,31 1,329 3,40 12,3 0, , ,84 15,05 274,47 1,415 3,94 12,2 0, , ,91 15,17 257,46 1,524 4,64 11,7 0, , ,26 18,49 296,94 1,65 6,59 10,6 0, , ,83 18,69 283,93 1,786 7,17 10,1 0, , ,70 17,56 259,40 1,816 7,52 9,90 0, ,792 Na rysunkach 2 i 3 przestawiono sporządzone na podstawie wyników badań eksperymentalnych charakterystyki obciążeniowe badanego silnika VW 1.2 TSI dla prędkości obrotowych n = 1500, 2500, 3500obr/min. Na charakterystykach tych, w funkcji zmiany obciążenia silnika wyrażonego momentem obrotowym Mo, przedstawiono przebiegi zmian godzinowego G h oraz jednostkowego zużycia paliwa g e. λ λ 3905

8 Rys. 2. Charakterystyka obciążeniowa silnika VW 1.2 TSI sporządzona dla prędkości obrotowej: a) n = 1500 i b) n=2500 obr/min Rys. 3. Charakterystyka obciążeniowa silnika VW 1.2 TSI sporządzona dla prędkości obrotowej n = 3500 obr/min N rysunkach 4 i 5 przedstawiono przebiegi zmian stężeń podstawowych szkodliwych składników spalin przed katalizatorem silnika 1.2 TSI pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy n=1500, 2500 i 3500obr/min. Rys. 4. Emisja podstawowych składników spalin silnika 1.2 TSI pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika: a) n = 1500obr/min, b) n=2500 obr/min 3906

9 Rys.5. Emisja podstawowych składników spalin silnika 1.2 TSI pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika n = 3500obr/min PODSUMOWANIE Silnik VW 1.2 TSI, będący obiektem badań jest jednym z najnowocześniejszych silników o zapłonie iskrowym, który należy do rodziny EA211 zapoczątkowanych już w latach 70-tych. Ponadto jest mocniejszą wersją silnika 1.2 TSI, produkowanego także w słabszej wersji o mocy 63kW i momencie obrotowym 160 Nm. Uzyskanie wysokiej mocy silnika 77kW i momentu obrotowego 175Nm zrealizowano o drogą zastosowania downsizingu w tym układu zasilania z bezpośrednim wtryskiem paliwa umożliwiającym wtrysk paliwa pod maksymalnym ciśnieniem 160bar, zastosowaniem turbodoładowania oraz zmian konstrukcyjnych umożliwiających zwiększenie sprawności silnika. Otrzymane wyniki badań hamownianych silnika 1.2 TSI, potwierdzają wysokie osiągi badanego silnika przy niewielkiej emisji szkodliwych składników spalin. Silnik charakteryzuje się dobrą elastycznością dzięki wysokiemu momentowi obrotowemu, którego wartość maksymalna dla trzech badanych prędkości obrotowych jest nieznacznie większa od tej podanej przez producenta. Minimalne jednostkowe zużycie paliwa g e =232,94 g/kwh otrzymano przy n=1500obr/min i M o = 110 Nm. Największe znaczenie ze względu na ochronę środowiska naturalnego ma emisja tlenków azotu NO x, która jest największa przy prędkości obrotowej wału korbowego n = 3500obr/min. Związane jest to z wysoką temperaturą spalania przy tej prędkości obrotowej. Ponadto z wyników pomiarów wynika, że silnik charakteryzuje się także wysoką emisją tlenku węgla, szczególnie dla prędkości n=2500obr/min i n=3500obr/min co wynika z pracy silnika na bogatej mieszane szczególnie przy większych obciążeniach. Silniki charakteryzuje także wysoka emisja węglowodorów, które z kolei są największe w zakresie małych obciążeń przy n=1500obr/mim. Zastosowanie w silniku bezpośredniego wtrysku paliwa, turbosprężarki z sterowanym wydatkiem, katalizatora z sondą lambda w układzie wydechowym oraz zaawansowanego systemu sterowania tymi układami pozwoliło na spełnienie przez niego wysokich wymagań dotyczących ekonomicznoenergetycznych i ekologicznych wskaźników pracy silnika. Streszczenie Współczesne tłokowe silniki spalinowe o zapłonie wymuszonym z bezpośrednim wtryskiem paliwa charakteryzują się parametrami pracy porównywalnymi z parametrami silników o zapłonie samoczynnym. Są to silniki powszechnie stosowane do napędu samochodów osobowych. Charakteryzują się one małymi objętościami skokowymi, mniejszymi masami i wymiarami gabarytowymi oraz mniejszą hałaśliwością w porównaniu z silnikami starszych generacji. 3907

10 Postęp w obecnie stosowanych silnikach o zapłonie wymuszonym spowodowany jest przede wszystkim zastosowaniem w nich nowoczesnych, elektronicznie sterowanych układów zasilania z bezpośrednim wtryskiem paliwa oraz wydajnych układów doładowujących. W artykule przedstawiono wybrane wyniki badań nowoczesnego turbodoładowanego silnika o zapłonie wymuszonym 1.2 TSI z bezpośrednim wtryskiem paliwa. W czasie badań silnik pracował według trzech wybranych charakterystyk obciążeniowych. Badania przeprowadzono na stanowisku hamownianym znajdującym się w Laboratorium Silników Cieplnych Politechniki Świętokrzyskiej. Assessment of the economic, energy and ecological indicators of turbocharged positive ignition 1.2 TSI engine Abstract Modern, piston, internal combustion, positive ignition engines with direct fuel injection show performance parameters that are comparable with the parameters of the compression ignition engines. They are widely used to power automobile vehicles. They are characterised by small displacement volume, lower mass and dimensions and they generate less noise when compared with older generation engines. Advancements in presently used positive ignition engines result mainly from the use of modern, electronically controlled fuelling systems with direct fuel injection and also of efficient supercharging systems. The paper presents selected test results for the modern, turbocharged, positive ignition 1.2 TSI engine with direct fuel injection. In the tests, the engine operated under three selected load characteristics. The tests were performed at the engine test bench at the Laboratory of Heat Engines of the Kielce University of Technology. BIBLIOGRAFIA 1. Ambrozik A.: Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych, Politechnika Świętokrzyska, Kielce Ambrozik A.:,,Podstawy teorii tłokowych silników spalinowych. Publikacja bezpłatna, przeznaczona dla studentów kierunku studiów "Edukacja techniczno-informatyczna". Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych. Warszawa ISBN Ambrozik A., Ambrozik T., Łagowski P., Skrobacki Z.: Assessment os selected operational indycators of Scania engine and bus fuelled by etanol. Problems of Maintenance of Sustainable Technological Systems, Wydawnictwo Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne s , Brzeżański M.: Volkswagen 1.4 TSI nowa generacja silników o zapłonie iskrowym. Silniki spalinowe Nr 3/2005 (122), s Brzeżański, M., Śliwiński, K., Downsizing nowy kierunek rozwoju silników samochodowych. Silniki Spalinowe, nr 2/2004 (119), s Kneba Z., Makowski S.: Zasilanie i sterowanie silników. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Merkisz J.: Tendencje rozwojowe silników spalinowych. Silniki Spalinowe, nr 1/2004 (119), s Rokosch U.: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Volkswagen AG Group Research Environment Affairs Product.: The TSI Engine Environmental Commendation Background Report. Wolfsburg