Wpływ wzbogacania w tlen powietrza zasilającego na zużycie paliwa przez silnika ZI, pracujący na biegu jałowym

Transkrypt

1 Artur Nemś Politechnika Wrocławska Wpływ wzbogacania w tlen powietrza zasilającego na zużycie paliwa przez silnika ZI, pracujący na biegu jałowym Wprowadzenie Energetyka zawodowa napotyka współcześnie na wiele problemów. Dwa z nich są dominujące i trudne do rozwiązania od dłuższego czasu. Dotyczą one szybkiego zużywania paliw kopalnych oraz emisji zanieczyszczeń. Obecnie podejmowane próby działań mających na celu zmniejszenie wagi tych problemów znacznie więcej uwagi poświęcają ochronie środowiska. Przykładem może być podpisanie, przez wiele państw, protokołu z Kioto. W przemyśle motoryzacyjnym pojawiła się dyrektywa EURO, regulująca ilość emitowanych szkodliwych składników spalin z silników samochodowych, do których zalicza się: tlenki azotu, tlenek węgla, węglowodory czy cząstki stałe [15]. Aby zmniejszyć wagę drugiego problemu, jakim jest szybkie wyczerpywanie paliw kopalnych, nie wykonano tak znaczących kroków. Niska sprawność silników spalinowych powoduje znaczące zużycie paliw, a praca silnika na biegu jałowym (praca bez oddawania mocy na zewnątrz układu) jest najbardziej widocznym przykładem ich marnowania. Jeśli weźmie się pod uwagę, że przemysł motoryzacyjny jest jednym z największych rynków zbytu paliw ciekłych, to okazuje się, że problem jest nie tylko trudny do rozwiązania, ale jego ważność znacząco wzrasta. W ostatnich latach problem kosztów ponoszonych na skutek korków ulicznych, czyli miejsc w których silnik najczęściej i najdłużej pracuje bez obciążenia, został zauważony. W 2010 r. ukazała się Informacja o wynikach kontroli działań podejmowanych na rzecz usprawnienia systemu transportowego w największych miastach w Polsce przygotowana przez Najwyższą Izbę Kontroli. Pojawił się również raport pt. European Green City Index przygotowany przez Economist Inteligence Unit oraz zestawienie rankingowe najbardziej zakorkowanych europejskich miast, w którym polskie miasta zajmowały wysokie pozycje [9]. Z raportu przygotowanego przez Deloitte wynika, że koszt korków w kilku największych miastach Polski wyniósł, w roku 2010, około 4 mld PLN (tabela 1) [9]. Tabela 1. Koszt korków ulicznych dla pracujących i dla gospodarki w 2010 r. Koszt korków ulicznych poniesiony przez pracujących (tys. PLN) Koszt korków ulicznych poniesiony przez gospodarkę (tys. PLN) Dziennie Miesięcznie Rocznie Dziennie Miesięcznie Rocznie Katowice Łódź Gdańsk Poznań Wrocław Kraków Warszawa Razem Źródło: Nachyła D. i inni, Raport o korkach w 7 największych miastach Polski Warszawa, Łódź, Wrocław, Kraków, Katowice, Poznań, Gdańsk Wynik tych kalkulacji uwzględnia wiele czynników, ale do głównych należy zaliczyć pracę silnika na biegu jałowym, czyli stan w którym silnik pracuje z zerową sprawnością ogólną, a proces spalania przebiega niecałkowicie i niezupełnie. Podjęto już działania mające na celu zmniejszenie korków w wielkich 9509

2 miastach, jednak na skutek wciąż zwiększającej się ilości pojazdów w Polsce, problem ten cały czas pozostaje nierozwiązany. Inną możliwością ograniczenia kosztów wynikających z zatłoczenia ulic jest zmniejszenie zużycia paliwa przez silnik. Jednym ze sposobów może być zastosowanie, do zasilania, powietrza wzbogacanego w tlen. Taki sposób spalania daje wiele korzyści opisanych szeroko w [1,2,3,4,5,6,7,8,11,12,13,14,17,18,19,20,21]. Jednak dotychczas nie były prowadzone badania pokazujące skutki dodawania tlenu do powietrza zasilającego silnik, podczas jego pracy na biegu jałowym. Problem dostarczania,w sposób ciągły powietrza, o zwiększonym stężeniu tlenu, do silnika, został już rozwiązany [16], Taki sposób prowadzenia procesu spalania mógłby okazać się bardzo atrakcyjny. Szczególnie jeśli wpływałby korzystnie na parametry silnika nie tylko podczas jego pracy przy obciążeniu całkowitym lub częściowym, ale także w przypadku braku obciążenia. Opis stanowiska i badań doświadczalnych W celu wyznaczenia parametrów silnika pracującego bez obciążenia zostało przygotowane, wg schematu przedstawionego na rysunku 1, a stanowisko pomiarowe (rysunku 2). Rys. 1. Schemat stanowiska do badania biegu jałowego silnika spalinowego zasilanego powietrzem wzbogaconym w tlen; 1 układ do objętościowego pomiaru zużycia paliwa, 2 mieszalnik gazów, 3 analizator tlenu, 4 czujnik tensometryczny, 5 rejestrator danych, 6 czujnik ciśnienia, 7 czujnik kąta obrotu wału korbowego, 8 łożyska toczne Do najważniejszych elementów stanowiska należą: Silnik jednocylindrowy, czterosuwowy silnik spalinowy, wyposażony w układ gaźnikowy i starter ręczny. Dane techniczne zostały zawarte w tabeli 2, Układ mieszania gazów wymiennik mieszankowy znajdujący się w układzie dolotowym, składający się ze spirali zwiększającej zawirowania, znajdującej się w zbiorniku cylindrycznym, Analizator tlenu o zakresie pomiarowym tlenu 0 100%, Rejestrator danych komputer PC, wyposażony w dwurdzeniowy procesor 3,2 GHz, 8 GB Ram, 500 GB Rom, wyposażony w oprogramowanie LabVIEW. Układ pomiarowy w skład którego wchodzi: Encoder czujnik rejestrujący obrót wału korbowego, wyposażony w podziałkę 400 impulsów/obrót wału, Piezoelektryczny czujnik ciśnienia zamieszczony w świecy zapłonowej, o zakresie pomiarowym bar, 9510

3 Logistyka nauka Przetwornik sygnału, zamieniający ładunek wysyłany przez czujnik ciśnienia w pc na sygnał napięciowy 0 10V, Jednopunktowy czujnik tensometryczny o nośności 7 kg, 16 bitowa karta pomiarowa PCI wraz z terminalem, o maksymalnej szybkości 250 ks/s, posiadająca 16 wejść i wyjść cyfrowych, 2 wyjścia analogowe i jeden kanał zegarowy o częstotliwości 10 MHz. Wyskalowane naczynie szklane o pojemności 100 ml, o podziałce 0,2 ml, służące do wyznaczania ubytku paliwa, Układ odprowadzenia spalin, Stacja pogodowa wyposażona w barometr, termometr i higrometr. Tabela 2. Dane techniczne badanego silnika spalinowego Parametr Wartość Typ 4-suwowy, 1-cylindrowy Chłodzenie powietrzne Moc maksymalna (przy 4000 obr/min), KM Objętość skokowa, cm 2, Czas pracy ciągłej, h 2,2 Pojemność oleju, l 0,37 Prędkość nominalna, obr/min 3600 Typ startera ręczny Wymiary (długość, szerokość, wysokość), mm 460, 350, 380 Masa, kg 19,8 Źródło: Karta katalogowa produktu Rys. 2. Stanowisko doświadczalne do wyznaczania parametrów pracy biegu jałowego silnika spalinowego zasilanego powietrzem wzbogaconym w tlen Badania pracy silnika zasilanego powietrzem atmosferycznym W pierwszym etapie badań zostały wyznaczone parametry pracy silnika zasilanego powietrzem atmosferycznym. Podczas wykonywania pomiarów parametrami regulowanymi były: kąt otwarcia przepustnicy i otwarcie zaworu dyszy biegu jałowego. Otwarcie zaworu zostało oznaczone poprzez obrót śruby dyszy 9511

4 biegu jałowego i rejestrowane co 0,5 obrotu śruby regulacyjnej, która odpowiadała o 180 (1 to 360 obrotu śruby, itd.). Kąt otwarcia przepustnicy nie przekraczał wartości około 8, ponieważ w wyższym zakresie następował bardzo szybki wzrost prędkości obrotowej. W tej części badań zostały wykonane 43 serie pomiarowe, które obejmowały wszystkie możliwe warianty nastaw dwu regulowanych parametrów. Wśród parametrów rejestrowanych były: seria pomiarowa, data i godzina pomiaru, ciśnienie, temperatura i wilgotność otoczenia, stężenie tlenu w kanale dolotowy, temperatura oleju w skrzyni korbowej, prędkość obrotowa, ciśnienie w cylindrze, siła nacisku na czujnik tensometryczny, kąt obrotu wału korbowego, mierzony w czasie ubytek paliwa, nastawa przepustnicy, nastawa zaworu dyszy biegu jałowego. Badania pracy silnika zasilanego mieszanką wzbogaconą w tlen Rejestracja danych, dla silnika pracującego na mieszance wzbogaconej w tlen, nie różniła się od wykonywanej wcześniej. Dodany został jeden parametr regulacyjny, jakim było stężenie tlenu w zasysanym powietrzu. W pierwszej części tych badań stężenie to wynosiło kolejno: 21%, 23%, 25%, 27%, 29% i 31% objętości. W następnych etapach wartość stężenia była wynikowa. Zakres regulacji parametrów był ograniczony poprzez maksymalną prędkość obrotową, wynoszącą 4000 obr/min. Wartość ta wynikała z występowania dla tej prędkości mocy maksymalnej (przy obciążeniu silnika). Ponadto wysoka prędkość obrotowa nie jest charakterystyczna dla pracy silnika na biegu jałowym. Analiza wyników silnika zasilanego powietrzem wzbogaconym w tlen Badania nad silnikiem do którego doprowadzane powietrze było wzbogacane w tlen, zostały podzielone na trzy etapy. Każdy z nich miał dostarczać osobnej wiedzy i stanowić kolejny krok w określeniu zużycia paliwa przez silnik pracujący na biegu jałowym i zasilany mieszanką wzbogaconą w tlen. Pierwszy etap badań (rysunek 3) polegał na doprowadzeniu do silnika pracującego bez obciążenia, dodatkowej ilości tlenu. 9512

5 Zwiększenie zawartości tlenu, w doprowadzanym, do silnika, powietrzu Wzrost ilości spalanego paliwa Wzrost prędkości obrotowej (prawie niezmienne straty mechaniczne) Zmniejszenie kąta otwarcia przepustnicy Zmniejszenie kąta otwarcia zaworu biegu jałowego Mniejszy przepływ powietrza (i paliwa) Mniejsza ilość podawanego paliwa z układu biegu jałowego Zmniejszenie obrotów silnika Zmniejszenie zużycia paliwa Rys. 3. Blokowe przedstawienie pierwszego etapu badań Jak wynika z danych zamieszczonych na rysunku 4, prędkość obrotowa rośnie wraz ze wzrostem stężenia tlenu. Jest tak dlatego, że współczynnik nadmiaru powietrza, dla stanu pracy biegu jałowego, jest poniżej jedności. Powoduje to, że nadmiar paliwa, który nie był spalany podczas pracy silnika na powietrzu atmosferycznym, został wykorzystany po doprowadzeniu dodatkowej ilości tlenu. Potwierdza to fakt, że wzrost prędkości obrotowej był tym mniejszy im zawór dyszy biegu jałowego był bardziej przymknięty. Najmniejszy wzrost średniej prędkości wystąpił dla całkowicie zamkniętego zaworu dyszy biegu jałowego, dla którego współczynnik nadmiaru powietrza jest bliski jedności. Rys. 4. Zależność średniej prędkości obrotowej od stężenia tlenu w doprowadzanym powietrzu, dla różnych pozycji otwarcia zaworu biegu jałowego 9513

6 Jeśli przeanalizuje się zużycie paliwa w przeliczeniu na obrót wału korbowego (rysunek 5) to zużycie to wzrasta wraz ze wzrostem stężenia tlenu i otwarcia dyszy biegu jałowego. Niemniej jednak dla przypadku całkowitego zamknięcia dyszy zużycie w przeliczeniu na obrót zmalało. Mogło to być spowodowane dopaleniem części paliwa stanowiącej wcześniej (przy zasilaniu silnika powietrzem atmosferycznym) stratę niecałkowitego i niezupełnego spalania. Rys. 5. Zależność zużycia paliwa przeliczonego na obrót wału korbowego od stężenia tlenu w doprowadzanym powietrzu, dla różnych pozycji otwarcia zaworu biegu jałowego Ponieważ uzyskanie wysokiej prędkości obrotowej nie jest celem pracy silnika na biegu jałowym, w drugim etapie prędkość ta została ustalona na stałym poziomie poprzez regulację stężenia doprowadzanego tlenu w powietrzu zasysanym przez silnik oraz poprzez sterowanie otwarciem przepustnicy (rysunek 6). Zwiększenie zawartości tlenu, w doprowadzanym, do silnika, powietrzu Wzrost ilości spalanego paliwa Wzrost prędkości obrotowej (prawie niezmienne straty mechaniczne) Zmniejszenie kąta otwarcia przepustnicy Zmniejszenie kąta otwarcia zaworu biegu jałowego Mniejszy przepływ powietrza (i paliwa) Mniejsza ilość podawanego paliwa z układu biegu jałowego Zmniejszenie obrotów silnika Zmniejszenie zużycia paliwa Rys. 6. Blokowe przedstawienie drugiego etapu badań 9514

7 Charakterystyka przedstawiona na rysunku 7, dla różnych zależności kata otwarcia przepustnicy od stężenia tlenu i otwarcia zaworu dyszy biegu jałowego, pokazała, że możliwe jest znaczne przymknięcie przepustnicy dzięki nieznacznemu wzbogaceniu mieszanki paliwowo-powietrznej tlenem. Rys. 7. Zależność minimalnego kąta otwarcia przepustnicy od stężenia tlenu w doprowadzanym powietrzu, dla różnych pozycji otwarcia zaworu biegu jałowego (przy stałej prędkości obrotowej) Jak wynika z rysunku 8, znaczne otwarcie zaworu dyszy biegu jałowego i wzbogacenie mieszanki powoduje wzrost zużycia paliwa przeliczonego na jeden obrót wału korbowego. Warto zauważyć, że dla kąta otwarcia przepustnicy wynoszącego 3,2 oraz zaworu dyszy biegu jałowego na 2,5 obrotu, uzyskuje się najmniejsze zużycie paliwa. Rys. 8. Zależność zużycia paliwa na obrót od stężenia tlenu w doprowadzanym powietrzu, dla różnych pozycji otwarcia zaworu biegu jałowego (przy stałej prędkości obrotowej) W ostatnim etapie badań (rysunek 9) parametrami regulowanymi były: nastawa przepustnicy, otwarcie zaworu dyszy biegu jałowego i stężenia tlenu. Celem było sprawdzenie zakresu pracy silnika zasilanego mieszanką wzbogaconą w tlen. 9515

8 Rys. 9. Blokowe przedstawienie trzeciego etapu badań Jak wynika z rysunku 10, praca silnika, do którego doprowadzany był dodatkowy tlen, zwiększyła się o 3 nastawy, dla których silnik, zasilany powietrzem atmosferycznym, nie pracował. Rys. 10. Obszar pracy silnika ZI na biegu jałowym, dla powietrza atmosferycznego i mieszanki wzbogaconej w tlen; biały silnik nie pracował, fioletowy obszar pracy na powietrzu atmosferycznym, niebieski obszar pracy na powietrzu wzbogaconym w tlen Warto zwrócić uwagę na punkt zaznaczony kółkiem na rysunku 10, dla którego praca silnika charakteryzuje się najmniejszym zużyciem paliwa. Dla silnika pracującego na powietrzu atmosferycznym jest to 9516

9 3,2 otwarcia przepustnicy i 2,5 obrotu zaworu dyszy biegu jałowego. Dla silnika do którego było doprowadzane powietrze o zawartości 26,5% tlenu punkt pracy o najniższym zużyciu paliwa otrzymano dla 0,5 otwarcia przepustnicy i otwarcia zaworu dyszy o 2,5 obrotu. Na rysunku 11 przedstawiono prędkość obrotową i godzinowe zużycie paliwa dla dwu porównywanych stanów stabilnej pracy. Różnica w prędkości obrotowej wynosząca blisko 250 obr/min spowodowała zmniejszenie godzinowego zużycia paliwa o 44 mm 3 /h. Ze względu na fakt, że zmniejszeniu uległa prędkość obrotowa jak i godzinowe zużycie paliwa postanowiono przeliczyć zużycie paliwa na obrót wału korbowego. Jak wynika z rysunku 12, zużycie to również uległo zmniejszeniu, co może świadczyć o tym, że poprawie uległ proces spalania. Rys. 11. Prędkość obrotowa i zużycie paliwa w funkcji otwarcia przepustnicy i zaworu biegu jałowego dla minimalnych punktów pracy silnika zasilanego powietrza atmosferycznego i mieszanką wzbogaconą w tlen Rys. 12. Zużycie paliwa przeliczone na obrót w funkcji otwarcia przepustnicy i zaworu biegu jałowego dla minimalnych punktów pracy silnika zasilanego pow. atm. i mieszanką wzbogaconą w tlen 9517

10 Podsumowanie Z uwagi na problemy jakie napotyka współczesny przemysł motoryzacyjny konieczne jest poszukiwanie nowych technologii usprawniających pojazdy samochodowe, a przede wszystkim silniki spalinowe. Dotychczas prowadzone prace badawcze pokazują, że jedną z obiecujących metod jest zastosowanie powietrza modyfikowanego tlenem do zasilania silników. Ze względu na fakt, że obecnie nie ma problemu aby zapewnić ciągłą dostawę tlenu do silnika samochodowego [16] taki sposób rozwiązania problemu, jakim jest wysokie zużycie paliwa, może okazać się bardzo korzystny. W literaturze brakowało jednak badań dla silnika zasilanego mieszanką wzbogaconą w tlen podczas pracy silnika bez obciążenia. Dlatego autor postanowił uzupełnić ten obszar o badania doświadczalne dla takiego stanu pracy. Jak wykazano, w kilku etapach badań, niewielkie naddatki tlenu powodują wyraźne zmiany w pracy silnika. Jest tak głównie ze względu na fakt, że silnik pracujący na biegu jałowym jest zasilany mieszanką bogatą (λ<1), a dodanie tlenu powoduje wykorzystanie paliwa, które występuje w nadmiarze. Przeprowadzone badania pokazały, że nie tylko jest możliwe zmniejszenie godzinowego zużycia paliwa ze względu na możliwą mniejszą prędkość obrotową, ale także zmniejszenie zużycia paliwa przeliczonego na obrót wału. Może to świadczyć o tym, że poprawie uległ proces spalania. Może mieć to istotny wpływ na emisje, współcześnie bardzo ograniczanych, zanieczyszczeń. Streszczenie Artykuł zawiera wyniki badań doświadczalnych, których celem było wykazanie możliwości zmniejszenia zużycia paliwa przez silnik spalinowy zasilany mieszanka wzbogaconą w tlen. Przedstawiono wyniki trzech etapów badań. W każdym z nich opisano wpływ naddatku tlenu na różne parametry pracy silnika. Otrzymane wyniki pozwalają stwierdzić, że tak prowadzony proces spalania może stanowić jedno z możliwych rozwiązań pozwalających zmniejszyć zużycie paliwa przez pojazdy poruszające się w warunkach miejskich. Słowa kluczowe: silnik spalinowy, mieszanka wzbogacona w tlen, zużycie paliwa EFFECT OF OXYGEN ENRICHMENT OF AIR SUPPLY ON FUEL CONSUMPTION BY SPARK-IGNITION ENGINE WHEN IDLING Abstract The article presents results of experimental studies aimed at demonstrating the possibility of reducing fuel consumption in an internal combustion engine supplied with a oxygen-enriched mixture. The results of three stages of research has been shown. Each one describes the effect of the addition of oxygen to the various parameters of the engine. The results allow to conclude that such carried out the combustion process can be one of the possible solutions to reduce fuel consumption by vehicles moving in urban conditions. Keywords: heat engine, oxygen-enriched mixture, fuel consumption Literatura [1] Akansu S. O., Kahraman N., Ceper B., Experimental study on a spark ignition engine fuelled by methane hydrogen mixtures, International Journal of Hydrogen Energy 32, 2007, s [2] Bisio G., Bosio A., Rubatto G., Thermodynamics applied to oxygen enrichment of combustion air, Energy Conversion and Management 43, 2002, s

11 [3] Callaghan K., Nemser S., Johanson W., Oxygen-enriching membranes for reduced cold-start emissions, SAE papers , [4] Kajitani S., Clasen E., Campbell S., Rhee K. T., Partial-Load Operations of Spark-Ignition Engine With Oxygen Enriched Air, SAE papers , 1993 [5] Kajitani S., Sawa N., McComiskey T., Rhee K. T., A spark ignition engine operated by oxygen enriched air, SAE papers , 1992 [6] Killingsworth N. J., Rapp V. H., Flowers D. L., Aceves S. M., Chen J.Y., Dibble R., Increased efficiency in SI engine with air replaced by oxygen in argon mixture, Proceedings of the Combustion Institute 33, 2011, s [7] Li G., Li L., Xiao G. F.: Oxygen-Enriched Combustion of the First Cycle During Cold Start In a LiQuefied Petroleum Gas Spark-Ignition Engine, Journal of Automobile Enginering, Vol. 220, [8] Maxwell T. T., Jones J. C., Setty V., The Effect of Oxygen-Enriched Air on the Performance and Emissions of An Internal Combustion Enrgine, SAE papers , [9] Nachyła D., Antczak R., Frańczak H., Mikołajczak R., Beim M., Krassowski T., Raport o korkach w 7 największych miastach Polski Warszawa, Łódź, Wrocław, Kraków, Katowice, Poznań, Gdańsk, Raport Deloitte Polska, [10] Nemś A., Modelowanie zjawisk cieplnych i przepływowych w silnikach cieplnych wewnętrznego, praca doktorska, PRE nr 3/2013. [11] Ng H. K., Sekar R. R., Kraft S. W., Stamper K. R., The potential benefits of intake air oxygen enrichment in spark ignition engine powered vehicle, SAE papers , [12] Ng H. K., Sekar R. R., Potential benefits of oxygen-enriched intake air in a vehicle powered by a spark-ignition engine, Technical Report ANL/ESD/TM-64, Apr., [13] Poola R. B., Ng H. K., Sekar R. R., Baudino J. H., Colucci C. P., Utilizing intake-air oxygen-enrichment technology to reduce cold-phase emissions, SAE papers , [14] Poola R. B., Sekar R. R., Ng H. K., Evaluation of Oxygen-Enrichment System for Alternative Fuel Vehicles, United State Department of Energy, Technical Report ANL/ESD/TM 134, Dec., [15] Strona firmy NGK, normy EURO dostęp: styczeń 2011 [16] Śliwiński K., Perspektywy zasilania silników ZI mieszanką wzbogaconą w tlen, Czasopismo Techniczne M, Wydawnictwo WPK, 2008 [17] Taljaard H. C., Jordaan C. F. P., Botha J. J., The Effect of Oxygen Content in Different Oxygenate- Gasoline Blends on Performance and Emissions in a Single Cylinder, Spark-Ignition Engine, SAE papers , 1991 [18] Vaccarino P. A., The Effect of Oxygenated Fuel, Altitude and Temperature on CO Emissions, SAE papers , 1989 [19] Wartinbee W. J., Effect of Oxygen Enriched Air on Exhaust Emission, SAE papers , 1971 [20] Wu Y. Y., Huang K. D., Improving the performance of a small spark-ignition engine by using oxygen-enriched intake air, SAE papers ,

12 [21] Xiao G. F., Qiao X. Q., Li G., Reducing Cold_Start Emissions of an Spark-Ignition Engine Using Membrane-Based Oxygen Enriched Intake Air, Jurnal of Shanghai Jiaotong, Vol. 40,