Charge motion and combustion processes in the combustion engine cylinder

Transkrypt

1 Artcle ctaton no: KOZAK,., et al. Charge moton and combuston processes n the combuston engne cylnder. Combuston Engnes. 2013, 154(3), ISSN ładysław KOZAK Macej BAJELEIN omasz BOOCZYK Łukasz YMANIAK PNSS 2013 SC 169 Charge moton and combuston processes n the combuston engne cylnder he paper analyzes the possbltes o mprovng the ecency and sustanablty o a combuston engne. It descrbes the man actors whch determne combuston engnes producton as well as wdespread means o decreasng ther exhaust emsson. In the analyss, the undamental laws o chemcal knetcs are reerred to combuston processes n the engne cylnder n oreder to denty the man actors that determne these processes. he paper ocuses manly on charge moton nsde the cylnder durng uel nlet and, n concluson, t shows that precse ar control allows controllng exhaust emsson to a certan extent, and consequently, allows controllng engne ecency. Keywords: charge moton, combuston, exhaust emsson pływ ruchu ładunku na proces spalana w cylndrze slnka spalnowego artykule zaprezentowano rozważana dotyczące poprawy sprawnośc oraz własnośc ekologcznych slnków spalnowych. Omówono czynnk kształtujące rozwój obecne produkowanych jednostek spalnowych, a także powszechne stosowane rozwązana obnżające ch emsję. Przedstawono podstawowe prawa knetyk chemcznej odnesono je do procesu spalana w cylndrze. Na podstawe tych praw określono najważnejsze czynnk mające wpływ na przebeg spalana. pracy skupono sę główne na procese napełnana oraz ruchu ładunku podczas suwu ssana. ykazano, że odpowedne sterowane powetrzem dostarczanym do cylndra umożlw uzyskane pewnej kontrol nad przebegem spalana, a co za tym dze pozwol wpłynąć na emsyjność oraz sprawność slnka spalnowego. Słowa kluczowe: ruch ładunku, proces spalana, emsja spaln 1. prowadzene Pommo welu wad slnka spalnowego jest on w dalszym cągu będze głównym źródłem energ w welu obszarach technk. Szczególne ważnym obszarem jest motoryzacja, w której jednostk spalnowe powszechne wykorzystywane są do napędu pojazdów. Ze względów ekonomcznych, ekologcznych oraz legslacyjnych prowadzone są neustanne dzałana dążące do uzyskana maksymalnej sprawnośc ogólnej slnka (obnżana emsj CO 2 ) z uwzględnenem ogranczeń emsj czterech podstawowych składnków toksycznych gazów wylotowych: CO, HC, PM NO x [4]. Na terene Un Europejskej dokładne regulacje dotyczące wartośc dopuszczalnych wymenonych zwązków chemcznych zawarte są w normach EUO. chwl obecnej zapowadane jest wejśce w życe lmtów EUO 6 od roku 2014 [2,3]. Konstruktorzy neustanne dążą w swoch pracach do uzyskana jak najwyższych sprawnośc slnków z jednoczesnym uwzględnenem spełnena norm ogranczających ch emsję. tym celu poszukują nowych rozwązań konstrukcyjnych, które dotyczą bezpośredno jednostk spalnowej, a także układów pozaslnkowych. rozwoju na przestrzen klkunastu lat wymenć można pojawane sę najważnejszych układów: regulacj kąta początku wtrysku (kąta zapłonu) cśnena wtrysku palwa, recyrkulacj spaln regulacj strumena spaln EG, różnego rodzaju reaktory kataltyczne, chłodzene powetrza doładowanego za sprężarką, chłodzene spaln EG, stosowane SC czy podzał dawk na częśc. Jednak ne zawsze podjęte dzałana zapewnają spełnene norm ogranczających emsję szkodlwych składnków spaln. o oznacza, że koneczne jest prowadzene dalszych poszukwań rozwązana przedstawonego problemu. Pole pracy slnków samochodów osobowych zawarte jest na ogół w następującym, orentacyjnym przedzale: na os prędkośc obrotowej od 750 (900) obr/mn do 5000 (7000) obr/mn (lczby w nawasach dotyczą slnków o zapłone skrowym), a na os obcążena mędzy momentem tarca charakterystyką pełnej mocy. Przy tak dużych zmanach koneczna jest regulacja korekcja wartośc welu parametrów pracy slnka (konstrukcyjnych, regulacyjnych tp.). ymagana do regulacj wzrastają, jeżel uwzględn sę ogranczena emsj szkodlwych składnków spaln. tym przypadku koneczną staje sę kontrola przebegu spalana. Podsumowując, potrzebny jest środek konstrukcyjny, który pozwol w sposób cągły oddzaływać na 910

2 knetykę reakcj chemcznych, najlepej bez konecznośc zatrzymywana slnka. odzaj środka wynka z teoretycznych podstaw knetyk reakcj. Dla jego wyjaśnena przytoczono podstawowe prawa knetyk. 2. Prawa knetyk chemcznej Podstawowe prawa knetyk chemcznej mają charakter enomenologczny. ch postac wykorzystano prawo statyk chemcznej, ale wyraźne zmenono jego sens, jak równeż zmenono sens stałej reakcj. Knetykę reakcj chemcznej opsuje sę najczęścej za pomocą czterech praw, zaproponowanych przez Boudarta [6]. Do wyjaśnena podmotowego problemu wykorzystane zostaną trzy perwsze. I Prawo: Szybkość neodwracalnej reakcj chemcznej r wyraża równane: r k c ) (1) ( gdze współczynnk k, zwany stałą szybkośc reakcj, jest nezależny od stężeń c reagentów. Jest on natomast zależny od temperatury. Funkcja (c ) opsuje stężena substratów produktów reakcj. przypadku komory spalana slnka substraty tworzą wszystke składnk palwa powetrza, a produktam są wszystke składnk, jake znajdują sę w komorze po zakończanu spalana. Szybkość reakcj może być denowana na różne sposoby. omawanym przypadku denowana jest jako: r (2) V gdze jest pochodną lczby postępu reakcj, denowanego jako: n de d (3) ystępujące w tych zwązkach welkośc oznaczają: V objętość komory spalana, współczynnk stechometryczny. elkość n rozumana jest jako zmana lczby mol tego składnka reakcj, jaka nastąpła w czase dt. Uwzględnając powyższe w układach zamknętych, tak jak w przypadku komory spalana slnka spalnowego, szybkość reakcj - tego składnka układu można wyrazć przez stężene c jako [1]: r V 1 dc dt (4) Jest to najczęścej stosowana dencja szybkośc reakcj przy wykorzystanu praw knetyk. II Prawo: Funkcja (c ) ma postać: ( (5) c ) c gdze loczyn rozcąga sę na wszystke składnk układu. ykładnk potęg nazywany jest rzędem reakcj. Należy zaznaczyć, że rząd reakcj ne jest welkoścą zdenowaną teoretyczne. Jego wartość wyznaczana jest na drodze eksperymentalnej. ząd reakcj λ zawarty jest w grancach: -2 λ 2. praktyce dla reakcj prostych korzysta sę często z równośc =, czego ne można rozumeć jako utożsamane sensu rzędu reakcj z sensem współczynnka stechometrycznego. III Prawo: Stała szybkośc reakcj zależy wykładnczo od temperatury. Zależność tę wyraża równane Arrhenusa w postac: E k A exp (6) gdze występują dwe stałe: współczynnk przedwykładnczy A energa aktywacj E. Sens zyczny obu stałych wynka z stnejących teor budowy mater [1]. Ne mnej ze względu na złożoność tych teor ch wartośc wyznaczane są najczęścej eksperymentalne. 3. Jakoścowa ocena knetyk reakcj chemcznych procesu spalana Ze względu na złożoność układu substratów produktów oraz warunków panujących w komorze spalana slnków spalnowych przytoczone wcześnej prawa są wykorzystywane do oblczeń loścowych w bardzo ogranczonym zakrese. Najczęścej oblczena take maja charakter wstępny ch celem jest przyblżone oszacowane skutków spalana. Natomast są one bardzo cenne do rozważań jakoścowych. takm zakrese zostaną wykorzystane w nnejszym artykule. Po perwsze wskazują skuteczny środek oddzaływana na knetykę reakcj w postac unkcj stężeń. slnkach spalnowych unkcja ta jest wykorzystana do regulacj eektu termochemcznego reakcj w postac cepła spalana. Środek ten jest na tyle skuteczny, że w połączenu z regulacją dawkowana palwa umożlwa nawet zmnejszane nerównomernośc prędkośc obrotowej slnka. Jednocześne ne jest wystarczający z punktu wdzena emsj szkodlwych składnków spaln. Po druge, w powązanu z praktyką to oznacza równeż, że w tym zakrese ne jest wystarczający wpływ eektu temperaturowego, wdocznego w II prawe knetyk (6) w postac członu wykładnczej. zwązku z tym szukać należy nnego środka konstrukcyjnego. eora przewduje tak środek. 911

3 edług teor absolutnej prędkośc spalana [1, 6] każda reakcja chemczna przebega wg schematu, który opsany zostane na przykładze najprostszej reakcj chemcznej mędzy dwoma atomam A B. Jeżel w reakcj udzał borą substrat A substrat a w wynku reakcj powstaje produkt C, to zgodne z tą teorą zawsze pojawa sę po drodze produkt pośredn A nazywany w lteraturze kompleksem aktywnym. Schemat ten zapsywany jest w postac: A + B kompleks aktywny AB produkt C (7) Kompleks aktywny ne jest jakmś szczególnym zwązkem. yróżnony został pod potrzeby teor. Podstawowym aksjomatem teor absolutnej szybkośc reakcj jest założene, że loczyn odwrotnośc czasu życa unkcj rozdzału oscylacj kompleksu aktywnego jest stałą unwersalną nezależną od rodzaju rozpatrywanej reakcj. Zatem loczyn ten lmtuje czas stnena kompleksu aktywnego, tym samym, szybkość reakcj. artość stałej A AB kompleksu aktywnego oblczyć można metodam termodynamk statystycznej [6]. ynka z nej, że: A AB AB N (8) A B gdze: odwrotność czasu życa kompleksu aktywnego, N lczbę cząsteczek w dm 3 [mol/dm 3 ], unkcję rozdzału energ. ystępującą w tym równanu ogólną unkcję rozdzału aproksymuje sę dla każdej cząstk (substratu produktu) jako loczyn unkcj rozdzału translacj, rotacj oscylacj : (9) Uwzględnając ten zwązek otrzymuje sę: A AB AB, A kb N 3 h 10 A gdze: k B stała Boltzmana (k B = 1, [J K -1 ]), h stała Plancka (h = 6, [J s], temperatura. ęcej uwag składowym pośwęcono w [1]. (10) zór (10) ujawna stnene bardzo skutecznego środka oddzaływana na knetykę reakcj, co wynka z oszacowana przytaczanego w podręcznkach chem zycznej. Dla cząsteczk dwuatomowej można znaleźć następujące oszacowane: "unkcja rozdzału energ oscylacyjnej około 10 0, unkcja rozdzału energ rotacyjnej około , unkcja rozdzału energ translacyjnej około , a unkcja rozdzału energ elektronowej około 10 0 " [6]. przytoczonym cytace zawarta jest nespójność polegająca na tym, że człony: oscylacj, rotacj elektronowy dotyczą jednej cząsteczk, a translacj mola cząsteczek. Jednak po uwzględnenu, że lczba Avogadro L A równa jest L A = 6, tak unkcja rozdzału translacj jednej cząstk osąga wartość rzędów Jak wynka z przytoczonego oszacowana w rozdzale energ zdecydowane domnuje translacja. Zatem jej zmany pownny być skutecznym środkem oddzaływana na knetykę reakcj. Fakt ten podsuwa pomysł o charakterze praktycznym. Do ruchu pochodzena temperaturowego dodane ruchu wymuszanego czynnkem zewnętrznym o charakterze zmennym mus, szczególne w warunkach komory spalana (ruch tłoka kształt komory), wywołać zmany wszystkch unkcj rozdzału wszystkch składnków reakcj, a tym samym kształtować knetykę reakcj zachodzących w komorze spalana. ranslacyjna unkcja rozdzału energ jest newątplwe wypadkową rozdzałów wszystkch substratów. Ze względu na koncepcję metody rozwązana problemu regulacj knetyk spalana podmotem opracowana jest ładunek zasysany do cylndra podczas suwu ssana. slnkach ZS oprócz powetrza, które jest głównym składnkem, w zasysanym ładunku mogą opcjonalne znajdować sę spalny EG to w znaczącej lośc. Opcjonalne, gdyż strumeń spaln EG ṁ EG jest regulowany zależne od warunków pracy slnka. warunkach charakterystyk zewnętrznej najczęścej ṁ EG = 0. Ponadto samo powetrze jest meszanną różnych gazów, w której najwększy udzał mają azot tlen. Czy zmana ta może wpływać korzystne na emsję ne pogarszając energetycznych wskaźnków pracy slnka? Podstawowym substratam reakcj zachodzących w komorze spalana są cząsteczk tlenu cząsteczk palwa (węgel wodór). Obecne są także nne składnk zarówno powetrza jak palwa (np. azot, sarka tp.) Ze względu na wymary komory spalana wszystke stosowane dotychczas zabeg konstrukcyjne w obrębe układu dolotowego kształtu komory spalana (ukształtowane denka tłoka powerzchn głowcy) mają na celu oddzaływane na ruch cząsteczek powetrza. Przede wszystkm kształtowany jest ruch postępowy wszystkch składnków powetrza, a węc translacja. raz z ną następują neuchronne zmany rotacj cząsteczek. Dzałana te są zgodne z przesłankam wynkającym z teor absolutnej szybkośc reakcj. Natomast w przypadku palwa sytuacja jest bardzej złożona. Zakładając, że ścank otworków cząstk palwa są sztywne, przy małej średncy otworków wtryskwacza duża prędkość przepływu palwa w otworkach wymusza slną rotację 912

4 cząstek palwa, szczególne w stree przyścennej otworków (dzałane czynnka lepkoścowego). Nawet przy kształce bardzo odległym od kulstego cząstk (krople) palwa będą mały tendencję do toczena sę po powerzchn ścank (o kształce walca). Natomast duża prędkość w os strug tendencję tę pownna wzmacnać. Zatem w otoczenu powerzchn strug domnować pownen ruch rotacyjny kropel palwa, natomast w rdzenu postępowy. Problemy ze spełnenem stnejących norm ogranczających dopuszczalną emsję oraz nezadowalająco duża emsja CO 2 śwadczą, że opsane wyżej zmany ne rozwązują w pełn problemu emsj. Powodem są wymagane zmenne warunk pracy slnka. zwązku z tym poszukwać należy dodatkowych środków konstrukcyjnych, które, łączne z stnejącym, umożlwą skutecznejsze oddzaływane na translację. Skuteczność oddzaływana należy rozumeć w kontekśce kształtowana translacj odpowedno do wymaganej knetyk spalana. 4. Kształtowane ruchu powetrza podczas suwu ssana dotychczasowych konstrukcjach stneje stosunkowo dużo środków oddzaływana na ruch powetrza podczas suwu ssana. Jako przykład wymenć można rozdzelene kanału dolotowego (jeden o kształce spralnym, drug usytuowany styczne względem os cylndra), głowce z dwoma lub trzema zaworam ssącym, regulacja długośc przewodu dolotowego (Aud, Volvo nn) tp. Cechą charakterystyczną wszystkch tego typu zabegów jest to, że ch oddzaływane na ruch ładunku kończy sę w momence zamknęca zaworu ssącego. Przez prawe cały suw ssana objętość komory spalana jest zamknęta. zwązku z tym pozostaje nedostępna dla oddzaływań o charakterze zewnętrznym. Mmo to stosowane zabeg są na tyle skuteczne, że pozwalają uzyskać zadawalające parametry energetyczne. o oznacza, że stnejący w momence zamknęca zaworu ssącego ruch ładunku ne zanka do momentu pojawena sę zapłonu czy samozapłonu wpływa na knetykę reakcj, ogólne spalana. Utrzymanu ruchu sprzyja symetra kształtu objętośc komory oraz kształt stan powerzchn zamykającej ruch: cylnder powerzchna walca o odpowednej chropowatośc, głowca prawe powerzchna płaska, denko tłoka symetryczne zagłębene o kształce wargowym, który słabo tłum ruch obrotowy ładunku (swrl) względem os cylndra. Zgodne z (10) ruch wywołany przez układ dolotowy może być wykorzystany jako środek oddzaływana na składową translacj cząsteczek ładunku w czase spalana. Ze względu na emsję wymagana jest jego regulacja. Powyższe uwag mają charakter ogólny dotyczą zarówno slnków o zapłone skrowym (ZI) jak slnków o zapłone samoczynnym (ZS). dalszej częśc artykułu wszelke rozważana dotyczyć będą slnków o ZS. Uwzględnając powyższe możlwośc kształtowana ruchu powetrza w momence zamknęca zaworu ssącego poszukwać należy w oddzaływanu konstrukcyjnym na układ dolotowy. Oddzaływane to pownno meć charakter zewnętrzny, tzn. realzowane przez zewnętrzną konstrukcję. Dzęk temu po ustalenu parametru konstrukcyjnego, który wykorzystany zostane w celach regulacyjnych wyposażenu konstrukcj w układ regulacj wartośc tego parametru, stane sę możlwa regulacja wpływu translacj na knetykę spalana. Oddzaływane to pownno być sprzężone z kształtowanem unkcj stężeń (5) (kształtowane przebegu doprowadzana palwa), tj. odpowednm przebegem wtrysku palwa. Eektem oddzaływana pownna być zmana kerunku wektora prędkośc cząsteczek jego wartośc. Jednocześne współczynnk napełnena slnka ne pownen ulegać znacznemu pogorszenu. Jego wartość ne pownna być zmnejszana szczególne w warunkach charakterystyk zewnętrznej, gdyż bezpośredno wpływa to na moc moment obrotowy slnka. Natomast w warunkach obcążeń częścowych beżąca wartość współczynnka napełnena ne pownna być mnejsza od wartośc progu gwarantującego uzyskane temperatury samozapłonu. Poneważ możlwośc oddzaływana zewnętrznego kończą sę w momence zamknęca zaworu ssącego w poszukwanu sposobu oddzaływana uwzględnć należy knematykę tłoka. Zmanę prędkośc ruchu ładunku na drodze konstrukcyjnej najłatwej jest uzyskać metodą dławenową przez zwężene przekroju przepływowego. Jednak ze względu na współczynnk napełnena zwężene ne pownno meć charakteru stałego. aczej pownen to być chwlowy mpuls, a węc wywołany w odpowednm momence. ym samym jego dzałane pownno polegać przede wszystkm na chwlowym zaburzenu przepływu. Poneważ zaburzene to ma przetrwać do momentu samozapłonu (prawe cały suw sprężana), węc pownno pojawć sę w momence przewdywanego pojawena sę najslnejszego oddzaływana bodźca zaburzającego na ruch ładunku. Zatem mus być to skojarzone z ruchem tłoka. ypowy charakter zman przemeszczena prędkośc tłoka w konwencjonalnym mechanzme korbowym pokazano na rys. 1. Pomnęto tutaj jednostk na os ponowej, gdyż prędkość tłoka zależy od prędkośc obrotowej wału korbowego. Maksymalna wartość prędkośc tłoka przypada na położene wału korbowego około 80 o OK po GMP. Prędkość tłoka jest bodźcem wymuszającym ruch ładunku w układze dolotowym. Ze względu na podatność gazu sprzężene mędzy prędkoścą tłoka prędkoścą ładunku ne jest sztywne. Jednak wzorując sę na rys. 1 szacunkowo można stwerdzć, że ze względu na charakter zman prędkośc 913

5 tłoka oczekwać należy, że po wykonanu około /2 obrotu prędkość przepływu zasysanego czynnka w układze dolotowym osągne wartość maksymalną. Zatem jeżel w tym momence na krótko (stotne jest otoczene kąta obrotu wału, przy którym prędkość przepływu osąga maksmum) uruchomony zostane bodzec zaburzający przepływ, to wywołane nm zaburzene ruchu ładunku będze najslnejsze, a węc najbardzej pożądane z punktu wdzena zewnętrznego oddzaływana na translację ładunku w okrese spalana. ys. 1. Przyblżony przebeg przemeszczena x prędkośc v tłoka [5] 5. Podsumowane Przedstawone w artykule prawa dotyczące knetyk chemcznej można z powodzenem wykorzystać do oblczeń zwązanych z procesem spalana w slnku spalnowym. Borąc pod uwagę złożoność tego procesu, trudno jest przeprowadzć analzę loścową, jednak w ujęcu jakoścowym oblczena take są bardzo cenne. Operając sę na przedstawonych przesłankach teoretycznych ormułowana jest teza, że procesy spalana można kontrolować kształtując ruchu ładunku przez układ rozrządu. Ocenając teoretyczne możlwośc oddzaływana na powetrze zasysane do cylndra wycągnęto wnosek, że zaburzene jego ruchu najłatwej uzyskać metodą dławenową. Z teoretycznego punktu wdzena pownno to bardzo korzystne wpłynąć na poprawę procesu spalana, zmnejszając jednocześne emsję zwązków szkodlwych w różnych warunkach pracy jednostk. he research was unded by the Natonal Scence Centre (Narodowe Centrum Nauk) research project (contract No. 5069/B/02/2011/40). Prace snansowano ze środków Narodowego Centrum Nauk projekt badawczy (umowa nr 5069/B/02/2011/40). Nomenclature/Skróty oznaczena EG Exhaust Gas ecrculaton/układ recyrkulacj spaln SC Selectve Catalytc educton/układ selektywnej redukcj kataltycznej Bblography/Lteratura [1] Atkns. P.: Physcal chemstry. PN, arszawa [2] Delph, orldwde emsson standards. Heavy Duty & O oad Vehcles 2012/2013, [3] Delph, orldwde emsson standards. Passenger Cars & Lght Duty Vehcles 2012/2013, [4] Merksz J., adzmrsk S.: he analyss o the possbltes o ulllment o EU carbon ładysław Kozak, DSc., DEng. Proessor n the Faculty o Machnes and ransport at Poznan Unversty o echnology. Dr hab. nż. ładysław Kozak proesor na ydzale Maszyn oboczych ransportu Poltechnk Poznańskej. omasz Borowczyk, MSc, Eng. PhD student n the Faculty o Machnes and ransport at Poznan Unversty o echnology. Mgr nż. omasz Borowczyk doktorant na ydzale Maszyn oboczych ransportu Poltechnk Poznańskej. doxde emsson requrements throught non constructon methods; a 2011 update. Combuston Engnes / Slnk Spalnowe nr 4/2011 (147), p , (2011). [5] Newarowsk K.: łokowe slnk spalnowe. ydane trzece. KŁ, arszawa [6] Praca zborowa: Chema zyczna. PN arszawa Macej Bajerlen, DEng. doctor n the Faculty o Machnes and ransport at Poznan Unversty o echnology. Dr nż. Macej Bajerlen adunkt na ydzale Maszyn oboczych ransportu Poltechnk Poznańskej. Łukasz ymanak, MSc, Eng. PhD student n the Faculty o Machnes and ransport at Poznan Unversty o echnology. Mgr nż. Łukasz ymanak doktorant na ydzale Maszyn oboczych ransportu Poltechnk Poznańskej. 914