Poprawa efektywności ekonomicznej spalinowego silnika wielosuwowego

Transkrypt

1 FLASZA Janusz 1 GNOIŃSKI Antoni 2 Poprawa efektywności ekonomicznej spalinowego silnika wielosuwowego WSTĘP Rozwój gospodarczy na świecie oraz wzrost konkurencyjności pociągnął za sobą zauważalne zmiany w metodach działania podmiotów na rynku. Nowoczesna gospodarka oczekuje wysokiej jakości produktów i niskich cen, wymusza na przedsiębiorstwach ciągłe zwiększanie efektywności działania i inwestowania w nowoczesne technologie zarządzania zarówno parkiem maszynowym jak i zasobami ludzkimi. W tych warunkach podstawą do podejmowania trafnych decyzji, prowadzących do uzyskania przewagi konkurencyjnej, jest sprawne zarządzanie informacją. Inwestycje, mające na celu modernizację przedsiębiorstw, to dziś nie tylko budowa infrastruktury i majątku trwałego ale inwestycję w przetwarzanie danych stają się obecnie koniecznością, pozwalającą na przetrwanie w czasach gospodarki wolnorynkowej [2]. Przedsiębiorstwa, które potrafiły zidentyfikować zagrożenia, jakie może przynieść w przyszłości zmieniający się rynek, doceniają znaczenie szybkiego dostępu do danych o przedsiębiorstwie i jego otoczenia. Z tego też względu znaczenia nabierają narzędzia i metody pozwalające na uzyskanie danych niezbędnych do przetworzenia w celu usprawnienia funkcjonowania firmy. Wzrost zainteresowania systemami informatycznymi spowodował, że ostatnio stały się popularne takie hasło, jak e-biznes oraz wszelkiego rodzaju systemy informatyczne usprawniające zarządzanie. 1. EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA SILNIKA SPALINOWEGO W niniejszej pracy proponuje się zastosowanie modernizacji silnika zmierzającej do osiągnięcia oszczędności paliwowej. Użytkowanie silnika spalinowego obecnie jest uzależnione od jego ekonomiki paliwowej, jak również relacji wartości uzyskanych efektów (spalania) do nakładu czynników użytych do wytworzenia samego silnika. Niska efektywność ekonomiczna powoduje zwykle wzrost cen za produkt finalny, zwiększenie zapotrzebowania na energię, materiały i inne czynniki techniczno produkcyjne. Wyższa efektywność ekonomiczna stwarza możliwości obniżenia kosztów wytwarzania, zwiększa wyniki produkcyjne i zysk, co z kolei umożliwia inwestowanie. Efektywność ekonomiczna również dla silników spalinowych stanowi jeden z podstawowych sposobów oceny podejmowanych działań gospodarczych w danym przedsiębiorstwie. Jest więc celowe zastanawianie się nad wpływem różnych czynników, takich jak obciążenie silnika, na efektywność konwersji energii w układzie, [1]. Ze względu na zmniejszanie się zasobów paliw kopalnianych, głównie ciekłych paliw węglowodorowych, należy przy konstruowaniu silnika spalinowego mieć na względzie znaczne obniżenie zużycia paliwa, [2,3]. 2. SPOSÓB STEROWANIA TŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO Od 1883 roku znane są koncepcje rozwinięcia podstawowego obiegu OTTO, 1883-Samuel Gryffin, 1897 Rudolf Diesel, BAJULAZ SA, VELOZETTA, NIYKADO, Crower, Beare, India Karela. Ważnym elementem w pracy silnika jest jego sposób sterowania, przydatny zwłaszcza podczas napędzania pojazdów samochodowych. Powszechnie znane silniki typu Otto lub Diesel wyposażone są w blok cylindrów, w których umieszczone są tłoki. Blok zamknięty jest głowicą wyposażoną w 1 Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, Częstochowa, al. Armii Krajowej 17, januszflasza@o2.pl 2 Gnoiński Antoni, 16amg@wp.pl 1782

2 zawory oraz kanały wlotowe, wylotowe i chłodzące. Powszechnie stosuje się mechanizmy rozrządu pozwalające sterować zaworami przez zespół pojedynczej krzywki umieszczonej na wałku rozrządu. Standardowe silniki pracują w systemie czterosuwowym. Jak wspomniano w rozdziale 1, główne trendy rozwoju silników zmierzają w kierunku oszczędzania paliw. Oszczędności paliwowe można osiągnąć poprzez zastosowanie zaawansowanej eltroniki, wielozaworowego układu rozrządu, turbodoładowania, intercoolera, zmiennych faz rozrządu, zmiennej długości kolektora ssącego lub bezpośredniego wtrysku paliwa. Zastosowanie wspomnianych rozwiązań we współczesnych pojazdach samochodowych pozwala na spalanie bardzo ubogiej mieszanki, nawet w stosunku 1:40 paliwa do powietrza. Istota sterowania tłokowego silnika spalinowego, gdzie dokonuje się regulowanego otwierania i zamykania zaworu i/lub zaworów ssących i wydechowych oraz doprowadzania powietrza i paliwa oraz wywoływania zapłonu tak, że kolejno następują po sobie: suw ssania; suw sprężania; suw pracy; suw wydechu, System wielosuwowy polega na dodatkowym obrocie wału korbowego (najmniej jednym -360 stopni, czyli dwóm suwom). Po zakończeniu tradycyjnych czterech suwów następują suwy bierne czyli suw ssania biernego-180 stopni i suw wydechu biernego-180 stopni. Suwy te nie wpływają bezpośrednio na proces spalania, lecz są istotnym zjawiskiem w swobodnym i pozbawionym oporów cyklu pracy w systemie wielosuwowym, [4]. Pełny cykl silnika składa się z sześciu kolejnych suwów tłoka, który odbywa się w czasie trzech obrotów wału korbowego. Silniki wielosuwowe są rozwinięciem czterosuwowych, dodatkowe dwa suwy mają na celu podwyższenie sprawności silnika i obniżenie emisji szkodliwych składników spalin, Euro-5, Euro-6. Wskutek dodatkowego obrotu wału korbowego, wykorzystanemu dzięki energii kinetycznej zmagazynowanej w układzie korbowo tłokowym silnik wielosuwowy w swoim cyklu pracy jest o 30% oszczędniejszy od tradycyjnego Procesy przemiany energii w silniku spalinowym Strumień energii chemicznej Q cp,p paliwa pędnego w układzie stanowi energię napędową silnika. W przypadku silnika spalinowego podstawowym efektem użytecznym jest pozyskiwana moc mechaniczna N e [kw] dla określonej prędkości obrotowej silnika n ro [obr/s] wału korbowego, a tym samym uzyskiwanego momentu obrotowego M o [Nm/rad]. Czynnikiem nie do końca wykorzystywanym jest wygenerowana energia odpadowa, na którą składa się: ciepło chłodzenia Q ch; entalpia strumienia spalin I sp; straty ciepła odprowadzonego bezpośrednio do otoczenia Q ot. Najogólniej proces przemiany energii zachodzący w układzie tłokowego silnika spalinowego można przedstawić za pomocą efektywnej sprawności energetycznej e, wzór nr 2.1, [1]. (2.1) gdzie: N e - efektywna moc silnika spalinowego [kw], m p - strumień spalanego paliwa [kg/s], o wartości opałowej W d [kj/kg]. Wzrost sprawności energetycznej e silnika spalinowego ma podwójne znaczenie: 1. Ekonomiczne - gdyż przyczynia się do zmniejszania zużycia paliwa m p, czyli do istotnego obniżenia kosztów eksploatacyjnych. 2. Ekologiczne - gdyż przyczynia się do ograniczenia emisji n tks substancji toksycznych, emitowanych do otoczenia przez silnik spalinowy. 1783

3 Celem poprawienia efektywności energetycznej silnika spalinowego w ramach technicznych rozwiązań proponuje się [1, 5] zarówno niezależne sterowanie ruchem zaworów dolotowych, jak i ruchem zaworów wylotowych. Podstawowym wzorcem odniesienia dla rzeczywistego obiegu silnika spalinowego jest teoretyczny obieg porównawczy, Otto, Diesla, Seiliger Sbathe'a, które zawierają główne wyidealizowane etapy działania całego układu, [3]. Proponowane rozwiązanie może mieć zastosowanie zarówno w silnikach wyposażonych w jeden zawór dla każdego cylindra, jak i w silnikach wielozaworowych. W konstrukcjach wielozaworowych istnieje możliwość otwierania i zamykania w tym samym czasie zaworów ssących i wydechowych lub część zaworów ssących i wydechowych była otwierana i zamykana tylko dla suwów ssania, sprężania, pracy i wydechu, natomiast pozostałe zawory ssące oraz wydechowe były otwierane i zamykane tylko dla suwów ssania biernego i wydechu biernego. Na rys. 1., zostały przedstawione poszczególne cykle pracy silnika spalinowego wielosuwowego. Rys. 1. Schemat cyklu pracy dla silnika wielosuwowego, [opr. wł.] 1784

4 3. PRZYBLIŻONE DANE ZUŻYCIA PALIWA - ANALIZA Dokonując analizy porównawczej pojazdów z różnego segmentu zużywających paliwo napędowe, w tabeli nr 1. przedstawiono dla wybranych pojazdów zużycie paliwa. Tab. 1. Zużycie paliwa, [opr. wł.] Lp. Nazwa pojazdu Zużycie 1. Koparko ładowarka - gąsienicowa typ - R l/h 2. Lokomotywa spalinowa typu 6Da 30 l/h 3. Ciągnik siodłowy marki SCANIA typ R l/100 km 4. Autobus turystyczny l/100 km 5. Kuter morski 30 l/h 6. Samochód dostawczy 15 l/100 km 7. SUV 10,5 l/100 km 8. Samochód małolitrażowy 7 l/100 km 9. Motocykl 6 l/100 km 10. Skuter 50 2 l/100 km 11. Ciągnik rolniczy 30 l/100 km 12. Agregat prądotwórczy l/h Dla komunikacji miejskiej dokonano wstępnej analizy oszczędności wprowadzenia zmian modernizacyjnych do taboru autobusowego. Skupiono się na możliwości uzyskania oszczędności z zastosowaniem silnika spalinowego z systemem wielosuwowym. Nowe autobusy miejskie spalają średnio 40 l/100 km, stosując silnik wielosuwowy autobus miejski spalałby o 33% paliwa mniej od tradycyjnego, 40 l/100 km - 33% = 26,8 l/100 km. Oszczędności z wprowadzenia innowacji dla założenia ceny litra paliwa 5,50 PLN przedstawia poniże wyliczenie: co daje 40 l x 5,50 PLN = 220 PLN 26,8 l x 5,50 PLN = 147,40 PLN 220 PLN - 146,30 pln = 72,60 pln oszczędności na 100 km dla jednego autobusu. Zakładając, że jeden autobus miejski pokonuje w ciągu doby ok. 300 km, to spala on ok. 120 l paliwa za kwotę 660 pln. Stosując proponowane rozwiązanie silnika wielosuwowego można uzyskać: 26,8 l x 3 = 80,4 l 80,4 l x 5,50 PLN = 442,20 PLN, co daje 217,80 pln oszczędności w ciągu doby dla jednego autobusu. Zakładając, że autobus w ciągu roku pracuje 336 dni, to roczną sumą oszczędności jest kwota ,80 PLN przypadająca na jeden autobus. 336 dni x 217,80 PLN = ,80 PLN Po analizie cenowej dla obecnych warunków rynkowych koszt dostosowania tradycyjnego silnika MAN - 6 cylindrowego do pracy w systemie wielosuwowym wynosi ,00 PLN. 1785

5 WNIOSKI Analizując przedstawione założenia i wyliczenia w rozdziale 3. można stwierdzić, że komunikacja miejska może przynieść nie tylko łatwy sposób przemieszczania się z miejsca na miejsce, ale również, po zastosowaniu proponowanych zmian konstrukcyjnych, znaczne obniżenie zużycia paliwa, co przełoży się na zmniejszenie zanieczyszczeń i obniżenie CO 2. Ponadto przyniesie wymierne korzyści finansowe dla zarządzających taborem autobusowym w danym regionie, a zaoszczędzone pieniądze można przeznaczyć na zakup większej ilości autobusów. Oczywiście jest to tylko jeden z aspektów wprowadzenia silnika wielosuwowego. Analiza tematyki motoryzacyjno paliwowej wskazuje na systematyczne zwiększanie się zapotrzebowania na paliwa (Monitor Polski 2012, około 6mln ton oleju napędowego dziennie). Streszczenie Nowe autobusy miejskie spalają średnio 40 l/100 km, stosując silnik wielosuwowy, autobus miejski spalałby o 33% paliwa mniej od tradycyjnego. Oszczędności, jakie daje wprowadzenie rozwiązania innowacyjnego, dla założenia, że jeden autobus miejski pokonuje trasę ok. 300 km dziennie - roczne mogą sięgnąć kwoty ok ,00 PLN. Zachodzi więc pytanie czy warto zainwestować w modernizację taboru miejskiego? Improving of the economic efficiency of a multi-stroke internal-combustion Abstract New buses use an average of 40 l/100 km. Using multi-stroke engine, city bus can consume about 33% less fuel than the traditional one. The savings coming from the introduction of innovative solutions for the assumption that a city bus travels a route of 300 km a day - could reach an annual amount of approximately ,00 PLN. There is therefore a question of whether the funds should be invested in the modernization of urban means of urban transport? BIBLIOGRAFIA 1. Postrzednik S., Przybyła G., Żmudka Z.: Wpływ silnika spalinowego na efektywność konwersji energii w układzie. Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, ISSN , ISSN , 7-M/ Merkisz J.: Ekologiczne aspekty stosowania silników spalinowych. Poznań Postrzednik S., Żmudka Z.: Advanced Thermodynamic Cycle of Internal Eco-Engine, 28th International Symposium on Combustion, Edinburg, Scotland Gnoiński A.: Patent, PL Kowalewicz A.: Tworzenie mieszanki i spalanie w silnikach z zapłonem iskrowym. WKiŁ, Warszawa