AN ATTAUPT EXPLAIN IMPROVEMENT OVERALL EFFICIENCY OF DUAL CI ENGINE WITH MAINLY LPG

Transkrypt

1 Journal of KES Internal Combustion Engines No. ISSN AN ATTAUPT EXPLAIN IMPROVEMENT OVERALL EFFICIENCY OF DUAL CI ENGINE WITH MAINLY LPG Sławomir Luft, Andrzej Michalczewski Politechnika Radomska Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Al. Chrobrego, - Radom Abstract In the Department of IC Engines and Automobiles in Technical University of Radom, CI engine has been modified to dual fuelling mainly with LPG. The examination of engine shows that the overall efficiency of dual fuel engine is higher than standard one. The results of calculations shown also that thermal efficiency of dual fuel engine is higher in comparison with standard engine. PRÓBA WYJAŚNIENIA POPRAWY SPRAWNOŚCI OGÓLNEJ SILNIKA O ZAPŁIE SAMOCZYNNYM ZASILANEGO DWUPALIWOWO GŁÓWNIE LPG. WPROWADZENIE Podstawowe parametry fizykochemiczne mieszaniny gazów propan-butan (duża wartość opałowa, łatwość tworzenia mieszaniny homogenicznej, możliwość przewożenia i magazynowania tego paliwa w fazie ciekłej [, ]) jak i jego niska cena oraz rozwinięta sieć dystrybucji zachęcają do prób stosowania tego paliwa także do silników o zapłonie samoczynnym. W Zakładzie Silników Spalinowych i Pojazdów Politechniki Radomskiej opracowano dwupaliwowy układ zasilania umożliwiający spalanie homogenicznej mieszaniny LPG-powietrza w silniku o zapłonie samoczynnym. Niska wartość liczby cetanowej tego paliwa wymusiła zastosowanie systemu zapłonu wykorzystującego inicjującą zapłon dawkę oleju napędowego. Taki sposób inicjacji zapłonu homogenicznych mieszanin powietrza i paliwa o niskiej wartości liczby cetanowej LC i dużej wartości liczby oktanowej LO (zazwyczaj gazu ziemnego lub biogazu) wykorzystywany jest w dużych silnikach stacjonarnych. Publikowane są również wyniki badań silników z omawianym systemem spalania [,,,,, 9]. Realizacja systemu spalania ładunku homogenicznej mieszaniny gazu i powietrza z wykorzystaniem inicjującej zapłon dawki oleju napędowego wydaje się być krokiem w kierunku uzyskania spalania objętościowego będącego przedmiotem badań w wielu ośrodkach naukowych (np. system HCCI) []. Zaproponowany system pozwala na rozwiązanie problemu pewnego i powtarzalnego zapłonu, ściśle skorelowanego z położeniem tłoka. Omówiony w niniejszym artykule system cechuje się na pewnym zapłonem, spalanie szybko obejmuje znaczną część komory spalania, chwilą zapłonu można precyzyjnie sterować poprzez dobór kąta początku wtrysku dawki inicjującej zapłon.. OPIS UKŁADU ZASILANIA Modyfikacja układu zasilania badanego silnika o zapłonie samoczynnym polega na zabudowaniu do układu dolotowego odparowywacza-reduktora propanu-butanu oraz mieszalnika par tego paliwa z powietrzem. W próbach wykorzystano stacjonarny jednocylindrowy silnik HC

2 z leżącym cylindrem o pojemności skokowej,9 dm stanowiska badawczego przedstawiono na rys.. i stopniu sprężania ε =. Schemat 9 9 Rys.. Schemat stanowiska badawczego: - zbiorniki wyrównawcze systemu pomiaru zużycia powietrza, termometr zasysanego powietrza, - mieszalnik LPG i powietrza, - pompa wtryskowa, - silnik, - piezokwarcowy czujnik ciśnienia w komorze spalania, - hamulec elektrowirowy, - rura wylotowa spalin, 9 - sonda do pomiaru zadymienia spalin, - zespół filtrów, - analizator CO, CO, C n H m AVL DiGas, - analizator NO x Beckman 9, - układ pomiarowo rejestrujący ciśnienie spalania, - dawkomierz wagowy zużycia oleju napędowego PG, - zbiornik, - pompa przetłaczająca ciecz chłodzącą silnika, - reduktor-odparowywacz, - zbiornik z LPG, 9 - zawór regulacyjny wydatku LPG, - waga elektroniczna do pomiaru zużycia LPG, - przepływomierz laminarny typu DIGMAPP, - manometr wodny - lemniskata Regulacja mocy silnika odbywa się w wyniku zmiany wydatku par paliwa przy użyciu zaworu dławiącego. Towarzyszy temu zmiana składu mieszaniny paliwowo-powietrznej. Regulacja ta jest zatem regulacją jakościową. Skład zasysanej mieszaniny powietrzno-paliwowej zmienia się od bardzo ubogiego przy częściowych obciążeniach (λ ) i uzyskuje skład określony współczynnikiem nadmiaru powietrza λ, przy obciążeniach pełnych. Tak uboga mieszanina nawet przy pełnych obciążeniach silnika nie ulega samozapłonowi w czasie suwu sprężania w badanym silniku o stopniu sprężania ε =. Oczywiście dużą rolę odgrywa tu także duża wartość liczby oktanowej paliwa propan-butan LOB = []. Inicjująca zapłon dawka oleju napędowego wtryskiwana jest do cylindra przy użyciu typowej dla badanego silnika aparatury wtryskowej. Modernizacja silnika ogranicza się do zabudowy opisanej przystawki doprowadzającej odparowany gaz propan-butan do kolektora dolotowego silnika. Układ aparatury wtryskowej zmodernizowano jedynie w zakresie wyłączenia regulatora odśrodkowego pompy wtryskowej dla uzyskania możliwości ustalenia wartości inicjującej zapłon dawki oleju napędowego.. WYNIKI BADAŃ W laboratorium Zakładu Silników Spalinowych i Pojazdów Politechniki Radomskiej wykonano szereg charakterystyk obciążeniowych przy trzech prędkościach obrotowych (n =, i obr/min), dla trzech wartości dawki inicjującej zapłon (i zasilania standardowego) oraz dla trzech wartości kąta wyprzedzenia wtrysku (α w =, i OWK przed GMP). Charakterystyki te sporządzono dla silnika zasilanego dwupaliwowo oraz standardowo. Analiza wyników badań pozwoliła na wytypowanie optymalnych regulacji silnika ze względu na osiągi i emisję. W przypadku silnika zasilanego dwupaliwowo przyjęto wielkość dawki inicjującej zapłon, przy

3 której silnik osiągał moment obrotowy M = Nm (co stanowiło ok. % energii dostarczonej do cylindra przy pełnym obciążeniu) i kąt początku wtrysku tej dawki α w = OWK przed GMP. W silniku zasilanym standardowo pozostawiono fabryczną wartość kąta początku wtrysku α w = OWK przed GMP. g e * [J/ Ws] n= obr/min d + LPG M o g e * [J/ Ws] n= obr/min d + LPG M o [Nm] g e * [J/ Ws] n= obr/min d + LPG M o [Nm] Rys.. Porównanie jednostkowego zużycia energii dla silnika zasilanego standardowo (kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) oraz dla silnika zasilanego dwupaliwowo (dawka inicjująca d, kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) Zaobserwowano wyraźny spadek jednostkowego zużycia energii (tzn. wzrost sprawności ogólnej silnika) w zakresie dużych obciążeń (rys. ). W niniejszym artykule podjęto próbę wyjaśnienia przyczyn tak wyraźnej poprawy sprawności ogólnej silnika. Wykorzystując system po pomiaru wielkości szybkozmiennych [] wykonano pomiar ciśnień w komorze spalania badanego silnika zasilanego standardowo i dwupaliwowo. Do dalszej analizy wybrano uśrednione z kolejnych cykli przebiegi ciśnienia przy obciążeniu silnika M Nm, Nm, Nm i prędkości obrotowej n = obr/min (prędkość występowania maksymalnego momentu obrotowego). Wybór tych wartości momentu obrotowego wynikał z przebiegu krzywej jednostkowego zużycia energii g e * (rys. ). Wykonując pomiary ciśnienia mierzono również moment rozwijany przez silnik, zużycie oleju napędowego i w przypadku zasilania dwupaliwowego zużycie gazu LPG.

4 P M = Nm n= obr/min LPG + 9 ϕ [ o OWK] P M = Nm n= obr/min LPG V [dm ] Rys.. Przebiegi ciśnienia w komorze spalania dla zasilania dwupaliwowego (dawka inicjująca d, kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) i standardowego (kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) przy obciążeniu ok. M = Nm i prędkości obrotowej n = obr/min P M = Nm n= obr/min LPG + 9 ϕ [ o OWK] P M = Nm n= obr/min LPG V [dm ] Rys.. Przebiegi ciśnienia w komorze spalania dla zasilania dwupaliwowego (dawka inicjująca d, kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) i standardowego (kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) przy obciążeniu ok. M = Nm i prędkości obrotowej n = obr/min

5 P M = Nm n= obr/min LPG + 9 ϕ [ o OWK] P M = Nm n= obr/min LPG V [dm ] Rys.. Przebiegi ciśnienia w komorze spalania dla zasilania dwupaliwowego (dawka inicjująca d, kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) i standardowego (kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) przy obciążeniu ok. M = Nm i prędkości obrotowej n = obr/min. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ W czasie badań mierzono masowe zużycie oleju napędowego i LPG. Wartości te pozwoliły na wyznaczenie ciepła wydzielonego w cylindrze ze spalania oleju napędowego (zasilanie standardowe) lub oleju napędowego i LPG (zasilanie dwupaliwowe). Wykonano również indykowanie komory spalania. Przebiegi ciśnień umożliwiły wyznaczenie pracy indykowanej obiegu. Wartości powyższych parametrów pozwalają na wyliczenie sprawności cieplnej silnika z zależności: Li η c = Qd gdzie: L i praca indykowana obiegu Q ciepło wydzielone ze spalania paliwa/paliw dostarczonego do cylindrze w jednym cyklu d Tabela Wartość pracy indykowanej L i, ciepła wydzielonego ze spalania paliwa Q d, sprawności ogólnej i sprawności cieplnej silnika HC zasilanego standardowo (kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) i dwupaliwowo (dawka inicjująca d, kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) przy prędkości obrotowej silnika n = obr/min Zasilanie M o [Nm] L i [J/cykl] Q d [J/cykl] η o [-] η c [-] 9,9,9,, 9,, 9,,,,,, LPG +,9 9 9,9,9 9,,9,9

6 Powyższe obliczenia potwierdziły przypuszczenie, że wzrost sprawności ogólnej silnika zasilanego dwupaliwowo spowodowany jest wzrostem sprawności cieplnej. Sprawdzono, czy tak istotny wzrost mógł być spowodowany odparowaniem LPG przed cylindrem. Przeprowadzone obliczenia wskazywały, że przy momencie obrotowym M = Nm, energia dostarczona do cylindra w czasie spalania oleju napędowego i LPG łącznie wynosiła Q d = J/cykl, a ciepło zużyte na odparowanie LPG (przy największym udziale tego paliwa w ilości dostarczanej energii) Q p = 9, J/cykl, tj. ok. razy mniej. Odparowanie zatem LPG przed cylindrem praktycznie nie ma wpływu na wzrost sprawności ogólnej silnika. W celu sprawdzenia, czy wzrost sprawności cieplnej nie wynika ze zmiany ilość ciepła przekazywanego do układu chłodzenia przeprowadzono próbę odparowania wody. Pomiar taki był możliwy ze względu na specyficzny układem chłodzenia badanego silnika przez odparowanie wody ze zbiornika otaczającego cylinder. Zmierzono objętość wody odparowanej w ciągu godz. przy zasilaniu standardowym i dwupaliwowym. Próbę przeprowadzono w identycznych warunkach otoczenia, tego samego dnia i przy tej samej temperaturze powietrza w hamowni. Woda w silniku wrzała (specyfika układu chłodzenia), więc należy się spodziewać, że straty ciepła przez promieniowanie były porównywalne. Wyniki próby zestawiono w tabeli. Tabela Ilość wody odparowana z układu chłodzenia silnika HC w przypadku zasilania standardowego (kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) i dwupaliwowo (dawka inicjująca d, kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) przy prędkość obrotowej silnika n = obr/min Zasilanie M o [Nm] L i [kg/h] 9,9,,, 9,,,,9 LPG +,9, 9,,9 Zbudowano prosty model zerowymiarowy (tzn. przyjmujący jednakowe parametry czynnika w całej objętości komory spalania) do wyznaczenia parametrów termodynamicznych czynnika w cylindrze. Wykresach indykatorowe umożliwiły wyliczenie: najwyższej temperatury w cylindrze T max i temperatury gazów opuszczających cylinder T w. Tabela Wartość maksymalnej temperatury obiegu T max, temperatury spalin opuszczających cylinder T w i iloczynu T A obiegu silnika HC zasilanego standardowo (kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) i dwupaliwowo (dawka inicjująca d, kąt początku wtrysku α w = OWK przed GMP) przy prędkość obrotowej silnika n = obr/min Zasilanie M o [Nm] T max [K] T w [K] T A [K m ] 9,9 9 99, 9, 9, LPG +,9 9, 9 9 9

7 Ze względu na trudność jednoznacznego określenia wartości współczynnika przejmowania ciepła dla takiego układu chłodzenia, postanowiono wyliczyć parametr pośrednio mówiący o odprowadzaniu ciepła do układu chłodzenia. Jest nim całka (z suwu sprężania i rozprężania, gdyż w tym czasie można przyjąć, że układ jest zamknięty) z iloczynu temperatury panującej w danej chwili w komorze spalania przez bieżącą powierzchnię komory spalania z suwu sprężania i rozprężania (T A). Wyniki zestawiono w tabeli. Wyniki obliczeń potwierdzają przypuszczenie, że silnik zasilany dwupaliwowo ma wyższą sprawność ogólną z powodu zmniejszenia strat do układu chłodzenia oraz do układu wylotowego.. PODSUMOWANIE I WNIOSKI.. Silnik zasilany dwupaliwowo LPG i olejem napędowym osiąga w zakresie wyższych obciążeń wyższą sprawność ogólną niż silnik zasilany standardowo... Wzrost sprawności ogólnej silnika zasilanego dwupaliwowo wynika ze wzrostu sprawności cieplnej. Ilość ciepła odprowadzonego do układu chłodzenia oraz unoszonego ze spalinami jest mniejsza dla silnika zasilanego dwupaliwowo w porównaniu z przypadkiem zasilania standardowego... Zewnętrzne odparowanie LPG nie ma istotnego wpływu na wzrost sprawności ogólnej silnika... Poprawa sprawności cieplnej silnika zasilanego dwupaliwowo związana jest z odmiennym przebiegiem procesu spalania. Spalanie gazu w cylindrze odbywa się szybciej niż dużej dawki oleju napędowego i w mniejszej objętości komory spalania. Powoduje to wzrost maksymalnej temperatury obiegu i przy obciążeniu maksymalnym wzrost maksymalnego ciśnienia obiegu. Mała powierzchnia wymiany ciepła skutecznie ogranicza jego przenikanie przez ścianki komory spalania.. LITERATURA [] Kowalewicz A.: Systemy spalania tłokowych silników spalinowych. WKiŁ, Warszawa 99. [] Jarczewski M.: Propane-Butane as the Fuel to Internal Combustion Engines. Car Expert No, PZM, Warsaw 99. [] Kusaka J., Daisho Y., Kihara R., Saito T.: Combustion and Exhaust Gas Emission Characteristics of a Diesel Engine Dual-Fuelled with Natural Gas. The Fourth International Symposium COMODIA 9 Proceedings, Japan, Koyoto 99. [] Ogawa H., Chenyu L., Tosaka S., Fujiwara Y., Miyamoto N.: Combustion Mechanism Analysis, with In-Chamber Gas Composition Measurements in a Premixed Lean Compression Ignition Engine. The Fourth International Symposium COMODIA 9 Proceedings, Japan, Koyoto 99. [] Furutani M., Ohta Y., Kono M., Hasegawa M.: An Ultra-Lean Premixed Compression-Ignition Engine Concept and its Characteristics. The Fourth International Symposium COMODIA 9 Proceedings, Japan, Koyoto 99. [] Miyamoto T., Hayashi A. K., Harada A., Sasaki S., Akagawa H., Tsujimura K.: Numerical Simulation of Premixed Lean Diesel Combustion in DI Engine. The Fourth International Symposium COMODIA 9 Proceedings, Japan, Koyoto 99. [] Takatsuto R., Igarashi T., Iida N.: Auto Ignition and Combustion of DME and n-butane/air Mixtures in Homogeneous Charge Compression Ignition Engine. The Fourth International Symposium COMODIA 9 Proceedings, Japan, Koyoto 99.

8 [] Amneus P., Nilsson D., Mauss F., Christensen M., Johansson B.: Homogeneous Charge Compression Ignition Engine: Experiments and Detailed Kinetic Calculations. The th International Symposium COMODIA 9 Proceedings, Japan, Koyoto 99. [9] Kowalewicz A.: Ecological Concepts of Automotive IC Engines. FISITA 9 Proceedings, Paris, CD- ROM 9. [] Takase S., Enomoto Y., Iida N.: Combustion and Emissions of Low Heat Rejection Ceramics Methanol ATAC Engine. Proceedings of the rd International Symposium COMODIA 9 [] Różycki A.: Microcomputer System for Measurement of High Speed Parameters for IC Engines. th European Automotive Congress, Bratislava, Slovak Republic. Conference A, p.-