Wpływ parametrów paliwa na niepowtarzalność procesu spalania w silniku o zapłonie samoczynnym

Transkrypt

1 Wncenty Lotko, Krzysztof Górsk, Zygmunt Trela, Robert Gelnewsk, Jerzy Maksym Wpływ parametrów palwa na nepowtarzalność procesu spalana w slnku o zapłone samoczynnym JEL: L62 DO: /atest Data zgłoszena: Data akceptacj: W artykule skupono sę na analze wskaźnka nepowtarzalnośc wybranych parametrów spalana w slnku o zapłone samoczynnym zaslanym olejem napędowym (ON) w meszanne z eterem etylo tert-butylowym (EETB). Nezbędne badana wykonano w warunkach swobodnego przyspeszana wału korbowego slnka, neobcążonego zewnętrznym momentem oporowym. Uzyskane rezultaty wskazują, że EETB dodawany do ON ne ma znaczącego wpływu na zmanę nepowtarzalnośc procesu spalana w badanym slnku. Słowa kluczowe: EETB, slnk desla, palwa alternatywne, meszanny palwowe. Wstęp W welu krajach obserwuje sę wzrost zanteresowana palwam alternatywnym do slnków spalnowych. Ma to uzasadnene ne tylko ekologczne, geopoltyczne ale równeż ekonomczne. Borąc to pod uwagę w welu śwatowych ośrodkach badawczo - rozwojowych prowadzone są prace nad zastosowanem tzw. dodatków tlenowych pochodzena roślnnego jako komponentów palw do slnków o ZS. Wykazano, że może to meć korzystny wpływ na procesy robocze slnka sprzyjać poprawe ochrony środowska naturalnego przed wpływem szkodlwych produktów procesu spalana. stneją równeż korzyśc wynkające z dywersyfkacj źródeł energ oraz stymulacj w zakrese upraw rolnczych gospodark odpadam. Ponadto, dotychczasowe wynk badań krajowych zagrancznych wskazują na korzyśc wynkające z zastosowana etanolu do slnków o ZS (SCANA w autobusach w Sztokholme). stneje także zanteresowane nnym dodatkam tlenowym do oleju napędowego w postac wybranych eterów jak np. eter etylo-tert butylowy (EETB), eter dmetylowy (DME) oraz eter detylowy (DEE). Jedną z ch stotnych cech jest nska polarność, co sprzyja bardzo dobrej meszalnośc z olejem napędowym jak równeż olejam roślnnym ch pochodnym. 1 Nepowtarzalność procesów roboczych slnka Zagadnene nepowtarzalnośc ma charakter stochastyczny nedetermnstyczny, a obe te cechy są wpsane w jego nazwę. Stochastyczność oznacza występowane czynnka losowego, który wpływa na merzoną wartość. Poszukwane zależnośc funkcyjnych wymaga węc uwzględnena tego czynnka. Zjawska stochastyczne można uchwycć z wykorzystanem narzędz uwzględnających rozkłady prawdopodobeństwa badanych wartośc, wybór narzędz statystycznych opsany jest w pozycjach lteraturowych [1, 2, 3]. Natomast nedetermnstyczny charakter zjawska oznacza, że jego rezultat, czy też uzyskane wartośc parametru mogą różnć sę mmo faktu, że warunk początkowe były dentyczne. Tak węc warunk wyjścowe, czy przyjęte założena ne pozwalają jednoznaczne wnoskować co do wynku badana, a badana przeprowadzone w tych samych warunkach mogą prowadzć do uzyskana różnych wynków. Także w tym przypadku uprawnone wnoskowane jest możlwe przy wykorzystanu aparatu statystycznego. Nepowtarzalność, podobne jak odchylene standardowe lub warancja jest jednym z podstawowych parametrów statystycznych, wykorzystywanym do scharakteryzowana zmennośc analzowanego zboru danych pomarowych. stneje wele opracowań, w których opsano cechy tych charakterystyk statystycznych [1, 2, 3]. W przypadku nepowtarzalnośc wybranego parametru jego wartość można oblczyć korzystając ze wzoru 1. X A 1 k k 1 A A A sr sr 2 A gdze: X wskaźnk nepowtarzalnośc parametru A, A wartość parametru w -tym cyklu, Asr średna arytmetyczna -tego parametru w k cykl, k lczba cykl, kolejny numer cyklu, σ odchylene standardowe parametru A. W najprostszym rozumenu nepowtarzalność jest stosunkem odchylena standardowego analzowanego parametru do jego wartośc średnej, oblczonej ze zboru uzyskanych danych pomarowych. 2 Charakterystyka pracy slnka w warunkach jego przyspeszana Badana slnków spalnowych przeprowadza sę przeważne w warunkach ustalonych stanów ch pracy. Jednakże od pewnego czasu rozwjają sę badana slnka spalnowego także w warunkach dynamcznych. Wynka to z tego, że praca slnka spalnowego w pojeźdze trakcyjnym odbywa sę przeważne w warunkach dynamcznych. Uregulowana prawne dotyczące kontrol pozomu emsj składnków toksycznych spaln w warunkach dynamcznych spowodowały znaczny wzrost zanteresowanem tą tematyką. Warunk dynamczne pracy slnka spalnowego można podzelć na ustalone neustalone. Jednym z przykładów procesu neustalonego jest swobodne rozpędzane slnka. W takch warunkach zmenna jest ne tylko prędkość obrotowa jego wału korbowego, ale równeż obcążene, stan ceplny oraz natężena przepływu czynnk roboczego [4, 5]. Do uproszczonego opsu tego procesu można zastosować ponższe równane: d J M M m M op (2) dt gdze: M - moment obrotowy ndykowany, Mm - moment obrotowy strat wewnętrznych, (1) 508 AUTOBUSY 12/2018

2 Mop - zewnętrzny moment obrotowy obcążający slnk, J - masowy moment bezwładnośc ruchomych częśc slnka sprowadzony na oś wału korbowego, ω - prędkość kątowa wału korbowego slnka, α - kąt obrotu wału korbowego, t - czas. Elementam równana (2) są: M, Mm oraz Mop opsane zależnoścam (3), (4) oraz (5): M f, h (3) gdze: h - położene elementu sterującego dawką palwa. M m g (4) Moment obrotowy obcążający slnk, równy w warunkach statycznych momentow obrotowemu użytecznemu Mo może być modelowany jako zależność funkcyjna: M op p, h (5) Jednak w warunkach rzeczywstego użytkowana slnka spalnowego przyjmuje sę założene, że [5]: (6) dj 0 d W zwązku z tym równane 2 można uproścć do postac: d J M M m M op (7) dt Natomast dla slnka spalnowego neobcążonego zewnętrzne można przyjąć: d M o M M m J f, h g (8) dt Tak stan pracy slnka o zapłone samoczynnym jest uzyskwany zmenając położene dźwgn dawkującej palwo z położena mnmalnego w maksymalne. Aby zachować porównywalne warunk początkowe tego procesu opracowano elektronczny układ sterowana pracą pompy wtryskowej palwa. Układ synchronzuje proces gwałtownego zwększena dawkowana palwa przez pompę z górnym martwym położenem tłoka w perwszym cylndrze. 3 Własnośc fzykochemczne badanych meszann palw Na podstawe przeprowadzonych badań zauważono, że dodawane EETB do ON ma zróżncowany wpływ na analzowane właścwośc fzykochemczne otrzymanych meszann. Zdecydowane najmnejszy wpływ mał dodatek EETB na zmanę gęstośc oleju napędowego. Malała ona o ok. 1% przy każdym 10% (v/v) dodatku EETB do ON (rys. 1). obnżene gęstośc palwa o ok. 1% (rys. 1), zmnejszene lepkośc knematycznej palwa o ok. 14%, spadek napęca powerzchnowego o ok. 5%, obnżene wartośc opałowej o ok. 1,6%, zmnejszene lczby cetanowej o ok. 10%. Rys. 1. Wpływ udzału (v/v) EETB w meszanne z ON na gęstość w 15 C Dodatek EETB ma równeż newelk wpływ na zmanę wartośc opałowej oleju napędowego. Dodane 40% objętoścowo EETB do ON powoduje obnżene wartośc opałowej otrzymanej w ten sposób meszanny o 6,5% (rys. 2). Rys. 2. Wpływ udzału (v/v) EETB w meszanne z ON na wartość opałową Bardzej wdoczny jest wpływ EETB na zmanę napęca powerzchnowego ON. Każdorazowemu dodanu 10% (v/v) EETB do ON towarzyszy zmnejszene wartośc napęca powerzchnowego o ok. 5% (rys. 3). Rys. 3. Wpływ udzału (v/v) EETB w meszanne z ON na napęce powerzchnowe w 20 C EETB ma wyraźny wpływ na wartość lczby cetanowej oleju napędowego. Zaledwe 10% (v/v) EETB dodanego do ON powoduje obnżene LC o ok. 13% (rys. 4). W przypadku ON zawerającego 40% (v/v) EETB stwerdzono 40%-owe obnżene wartośc LC. AUTOBUSY 12/

3 Na potrzeby prowadzonych badań przygotowano stanowsko dośwadczalne, którego schemat zaprezentowano na rysunku 6. Rys. 4. Wpływ udzału (v/v) EETB w meszanne z ON na lczbę cetanową Najwększy wpływ ma EETB na zmanę lepkośc ON. Dla meszann zawerających od 10 do 40% (v/v) EETB wartość lepkośc knematycznej była w zakrese 20 57% nższa w porównanu do ON (rys. 5). Rys. 5. Wpływ udzału (v/v) EETB w meszanne z ON na lepkość knematyczną w 40 C 4 Konfguracja stanowska badawczego Badana slnkowe zostały zrealzowane w laboratorum badawczym Zakładu Techncznej Eksploatacj Pojazdów Unwersytetu Technologczno-Humanstycznego w Radomu. Laboratorum to specjalzuje sę w badanach palw alternatywnych zastosowanu ch w slnkach o zapłone samoczynnym. Laboratorum wyposażone jest w klka generacj slnków o zróżncowanym sposobe zaslana. W badanach zastosowano slnk AD3.152, produkowany w przeszłośc przez zakłady URSUS w Warszawe. Zastosowano w nm system bezpośrednego wtrysku palwa oraz rozdzelaczową pompę wtryskową typu DPA. Szczegółowe zestawene najważnejszych danych techncznych badanego slnka AD3.152 przedstawono w tabel 1. Rys. 6. Schemat stanowska badawczego z slnkem AD3.152 Stanowsko, które pokazano w konfguracj na rysunku 6 musało być przystosowane do realzacj badań prowadzonych w warunkach przyspeszana wału korbowego slnka. Polegało to na przeprowadzenu takch prac, które pozwolły m.n. kontrolować warunk początkowe pomaru podczas realzacj badań slnkowych. W ramach tych prac opracowano m.n. system kontrol zman prędkośc obrotowej wału korbowego slnka. Dzęk temu do dalszej analzy wyberano tylko te próby przyspeszana, które rozpoczynały sę od tej samej prędkośc początkowej z założoną tolerancją tj. +/- 5 obr/mn. Ponadto opracowano system, pracujący pod kontrolą komputera, który zapewnał rozpoczęce próby przyspeszana od wtryśnęca maksymalnej dawk palwa zawsze do tego samego cylndra. 5 Właścwośc fzykochemczne meszann palw a nepowtarzalność wybranych parametrów procesu spalana 5.1 Kąt początku spalana palwa Wartośc wskaźnka nepowtarzalnośc Xαps przedstawono na rys. 7. Na jego podstawe można stwerdzć, że dla wszystkch badanych palw nepowtarzalność kąta początku spalana była porównywalne nska. Tab. 1. Specyfkacja technczna slnka AD3.152 Nazwa parametru Wartośc Lczba układ cylndrów 3-rzędowy ponowy Średnca cylndrów [mm] 91,44 Skok tłoka [mm] 127 Pojemność skokowa [cm 3 ] 2502 Stopeń sprężana 16,5 Moc znamonowa [kw/km] 34,6/47 Znamonowa prędkość obrotowa [obr/mn] 2250 Znamonowy moment obrotowy [Nm] 146,8 Maksymalny moment obrotowy [Nm] 165,4 Mnmalna prędkość obrotowa begu luzem [obr/mn] 750 System wtrysku palwa bezpośredn do cylndra Rodzaj pompy wtryskowej palwa Lucas CAV DPA Cśnene otwarca wtryskwacza palwa [MPa] 17,5 Moment bezwładnośc ruchomych częśc slnka [kg m 3 ] 0,76 Kąt dynamcznego początku tłoczena palwa [ OWK] 14 przed GMP Rys. 7. Wpływ rodzaju badanego palwa (zawartośc EETB w ON) na wskaźnk nepowtarzalnośc kąta początku spalana Wartość wskaźnka Xαps była zawarta w zakrese 0,17 0,28, co oznacza że badane palwa ne mały stotnego wpływu na zmanę początku spalana. 510 AUTOBUSY 12/2018

4 5.2 Kąt opóźnena samozapłonu palwa Xos Równeż w przypadku kąta opóźnena samozapłonu ne stwerdzono, aby nepowtarzalność tego parametru była stotne różna dla badanych palw (rys. 8). Rys. 10. Wpływ rodzaju badanego palwa na wskaźnk nepowtarzalnośc maksymalnej prędkośc narastana cśnena w cylndrze Rys. 8. Wpływ rodzaju badanego palwa na wskaźnk nepowtarzalnośc kąta opóźnena samozapłonu 5.3 Średna prędkość narastana cśnena w cylndrze (pc/)śr Na podstawe rys. 9 stwerdzono, że dodatek EETB do ON powoduje zauważalny wzrost nepowtarzalnośc (Δpc/Δα)śr Wartość tego wskaźnka wyznaczona dla EETB40 jest o ok. 36% wyższa w stosunku do ON. 5.5 Maksymalne cśnene w cylndrze Pommo zmnejszena wartośc cśneń maksymalnych panujących w cylndrze, na skutek dodana EETB do ON, ne obserwuje sę znaczącej zmany nepowtarzalnośc parametru (pc)max (poza palwem EETB40 rys. 11). Stwerdzone różnce zawerają sę w przedzale 5-12% w stosunku do ON. W przypadku porównana palw EETB40 ON stwerdzona różnca była najwększa wynosła ona ok. 37%. Rys. 9. Wpływ rodzaju badanego palwa na wskaźnk nepowtarzalnośc średnej prędkośc narastana cśnena w cylndrze 5.4 Maksymalna prędkość przyrostu cśnena w cylndrze Nepowtarzalność (dp/d)max jest porównywalna dla wszystkch testowanych palw poza EETB40 (rys. 10). Dla tego palwa obserwuje sę wzrost wartośc wskaźnka nepowtarzalnośc (dpc/dα)max o ok. 40 % w stosunku do ON. Rys. 11. Wpływ rodzaju badanego palwa na wskaźnk nepowtarzalnośc maksymalnego cśnena w komorze spalana 5.6 Kąt występowana maksymalnego cśnena w cylndrze (pc)max W przypadku kąta występowana maksymalnego cśnena w cylndrze zauważono, że najnższa nepowtarzalność tego parametru występuje dla palw EETB20 EETB30, a najwyższą dla EETB40 (rys. 12). Pommo to zaobserwowane różnce ne są znaczące można je pomnąć. AUTOBUSY 12/

5 Uzyskane rezultaty wyraźne wskazują na to, że otrzymane wartośc wskaźnka XSWD są porównywalne. Jedyne dla meszanny EETB40 nepowtarzalność XWSD jest wększa o 9% w stosunku do ON. Może to potwerdzać, że proces spalana palwa EETB40 w testowanym slnku zachodzł z wększym zaburzenam. Potwerdza to także wskaźnk nepowtarzalnośc maksymalnej prędkośc stopna wypalena dawk (rys. 15). Rys. 12. Wpływ rodzaju badanego palwa na wskaźnk nepowtarzalnośc kąta występowana maksymalnego cśnena w cylndrze slnka AD Średne cśnene ndykowane Z wynków badań wdać, że w przypadku palwa EETB40 wartość wskaźnka nepowtarzalnośc p jest wyższa w stosunku do pozostałych palw (rys. 13). Może to wskazywać, że proces spalana EETB40 przebegał z wększym zaburzenam w stosunku do spalana pozostałych testowanych meszann. Rys. 13. Wpływ rodzaju badanego palwa na wskaźnk nepowtarzalnośc średnego cśnena ndykowanego 5.8 Stopeń wypalena dawk palwa Na konec przedstawonej oceny postanowono zaprezentować współczynnk nepowtarzalnośc stopna wypalena dawk palwa XSWD (rys. 14). Rys. 15. Wpływ rodzaju badanego palwa na wskaźnk nepowtarzalnośc maksymalnej prędkośc stopna wypalena dawk Rezultaty pokazane na rysunku 15 wskazują, że maksymalna prędkość stopna wypalena dawk odczytana z charakterystyk jest podobne nepowtarzalna dla wszystkch testowanych meszann poza EETB40. Dla tego palwa zaobserwowano wzrost wartośc X(dWSD/dα)max o ok. 31% w stosunku do ON. W przypadku meszanny EETB40 proces spalana zachodzł neco naczej, tzn. z wększym zaburzenam, które ne występowały dla procesu spalana ON, oraz palw: EETB10, EETB20 EETB30. Analza wykresów ndykatorowych wskazuje, że dla palwa EETB40 częścej obserwowano problemy z samozapłonem meszank. Częścej występował on z wększym opóźnenem, co było spowodowane zmaną realzacj procesu wtrysku palwa oraz wpływem nskej LC EETB na wydłużony okres opóźnena samozapłonu. Wypadkową wszystkch dotychczas analzowanych parametrów/charakterystyk jest wskaźnk nepowtarzalnośc zman prędkośc obrotowej wału korbowego slnka AD Był on rozpatrywany w zakrese prędkośc od 920 do 1850 obr/mn. Tak dobrany zakres ne był przypadkowy, ale wynkał z charakterystyk pracy regulatora prędkośc obrotowej badanego slnka. Obserwowano, że odcęce dawk palwa w wybranej próbe występowało przy prędkośc ok obr/mn, a przy kolejnej w poblżu np obr/mn. Oznaczało to, że regulator jest elementem konstrukcyjnym slnka o dużej nepowtarzalnośc dzałana. W zwązku z tym zdecydowano analzować przyrost prędkośc obrotowej wału w zakrese od 920 do 1850 obr/mn, a węc w zakrese w którym regulator pompy wtryskowej ne oddzaływał negatywne na jej dawkowane. 5.9 Zmany prędkośc obrotowej wału korbowego slnka Jak wdać z rysunku 16 nepowtarzalność zman prędkośc obrotowej testowanego slnka w rozpatrywanym zakrese jest newelka ne przekracza wartośc 0,54%. Dla wększośc palw tzn. ON oraz EETB10, EETB20 EETB30 uzyskane wskaźnk są podobne nepowtarzalne, a stwerdzone różnce ne przekraczają wartośc 10%. Rys. 14. Wpływ rodzaju badanego palwa na wskaźnk nepowtarzalnośc stopna wypalena dawk 512 AUTOBUSY 12/2018

6 Podsumowane EETB dodawany do ON w objętośc do 30% ne ma stotnego wpływu na zmanę wartośc analzowanych parametrów roboczych slnka, jak np.: kąta początku spalana, maksymalnej wartośc cśnena w cylndrze, kąta występowana maksymalnego cśnena, średnego cśnena ndykowanego, prędkośc w procese przyspeszana wału korbowego. Dla pozostałych analzowanych parametrów można stwerdzć, że EETB meszany z ON ma newelk wpływ na zmanę wartośc ocenanych wskaźnków nepowtarzalnośc. Jedyne dla palwa EETB40 stwerdzono neco wększą nepowtarzalność analzowanych parametrów procesu spalana. Można to tłumaczyć nską LC tej meszanny, co mało wpływ na zwększony zakres zaburzena procesu spalana w stosunku do pozostałych badanych palw. Wydaje sę, że najważnejszym wskaźnkem potwerdzającym brak wpływu EETB dodawanego do ON na nepowtarzalność realzacj procesów roboczych slnka jest nepowtarzalność zman prędkośc obrotowej wału korbowego Xn , którą wyznaczono dla procesu jego przyspeszana. Wartość tego wskaźnka ne przekraczały 0,5%, co jest porównywalne z nepowtarzalnoścą prędkośc początkowej Xn880. Wartośc wszystkch badanych wskaźnków nepowtarzalnośc, które przedstawono w nnejszym artykule zawerają sę w zakrese 0,17-13,23 %. Wartość mnmalną tj. 0,17% uzyskano dla wskaźnka nepowtarzalnośc kąta początku spalana kąta występowana maksymalnego cśnena, a maksymalną 13,23% dla maksymalnej prędkośc stopna wypalena dawk palwa. Rys. 16. Wpływ rodzaju badanego palwa na wskaźnk nepowtarzalnośc zman prędkośc w procese przyspeszana wału korbowego slnka AD3.152 Jedyne dla palwa EETB40 wskaźnk nepowtarzalnośc Xn jest wększy o ok. 48% w stosunku do ON, co można tłumaczyć wcześnej opsanym zaburzenam procesu spalana tego palwa. Uzupełnenem przy wyjaśnenu przyczyn powodujących zaburzena procesu spalana (oprócz różnc parametrów wtrysku wynkających z różnych właścwośc fzykochemcznych badanych meszann palw w stosunku do ON) jest to, że parametry konstrukcyjne (kształt komory spalana, fazy rozrządu, umejscowene wtryskwaczy, wymary otworków rozpylaczy) regulacyjne slnka były optymalzowane przez jego producenta do zaslana olejem napędowym. Bblografa: 1. Jóźwak J., Podgórsk J., Statystyka od podstaw, PWE, Warszawa Sobczyk M.: Statystyka opsowa, C.H. Beck, Warszawa Starzyńska W. (red.): Podstawy statystyk, Dfn, Warszawa Longwc R., Lotko W.: Dynamczne własnośc pracy slnka o zapłone samoczynnym zaslanego nowym rodzajam palw węglowodorowych, Monografa, Wydawnctwo Poltechnk Radomskej, Radom Longwc R.: Charakterystyka dzałana slnka o zapłone samoczynnym w warunkach swobodnego rozpędzana. Wydawnctwo Poltechnk Lubelskej, mpact of fuel parameters on unrepeatablty of combuston process n desel engne The paper s focused on analyss of unrepeatablty ndex of selected combuston parameters n desel engne fuelled wth desel fuel (DF) blended wth ethyl tert-butyl ether (ETBE). Necessary tests were carred out n condtons of free acceleraton process of the engne crankshaft wthout external load. Results showed that ETBE added to DF dd not mpact sgnfcantly on unrepeatablty of combuston process n tested engne. Keywords: ETBE, desel engne, alternatve fuels, fuel blends Autorzy: prof. dr hab. nż. Wncenty Lotko - Unwersytet Technologczno-Humanstyczny w Radomu, nstytut Eksploatacj Pojazdów Maszyn, w.lotko@uthrad.pl dr hab. nż. Krzysztof Górsk - Unwersytet Technologczno- Humanstyczny w Radomu, nstytut Eksploatacj Pojazdów Maszyn, krzysztof.gorsk@uthrad.pl dr nż. Zygmunt Trela - Unwersytet Technologczno- Humanstyczny w Radomu, nstytut Eksploatacj Pojazdów Maszyn, trelaz@uthrad.pl dr nż. Robert Gelnewsk - Unwersytet Technologczno- Humanstyczny w Radomu, nstytut Eksploatacj Pojazdów Maszyn, r.gelnewsk@uthrad.pl mgr nż. Jerzy Maksym - Unwersytet Technologczno- Humanstyczny w Radomu, nstytut Eksploatacj Pojazdów Maszyn, j.maksym@uthrad.pl AUTOBUSY 12/