Wpływ kąta wyprzedzenia wtrysku na okres opóźnienia samozapłonu w silniku o zapłonie samoczynnym

Transkrypt

1 AMBROZIK Tomasz 1 KOSNO Mirosław 2 Wpływ kąta wyprzedzenia wtrysku na okres opóźnienia samozapłonu w silniku o zapłonie samoczynnym WSTĘP Obecny rozwój tłokowych silników spalinowych dotyczy doskonalenia ich procesów wewnątrzcylindrowych, jak również bezpieczeństwa ruchu napędzanymi przez nie samochodów na drogach [7]. W wielu ośrodkach naukowo badawczych prowadzi się badania, których celem jest uzyskanie jak największej ilości informacji o przebiegu termodynamicznych i termochemicznych procesach zachodzących w cylindrze i ich skutkach ekonomicznych, energetycznych i ekologicznych [1, 5, 8, 9, 10, 12]. Rzeczywisty wykres indykatorowy umożliwia wyznaczenie między innymi kąta wystąpienia początku i końca procesu spalania. Na początku procesu spalania występuje gwałtowny wzrost ciśnienia, który powoduje także gwałtowny przyrost temperatury. To z kolei powoduje wystąpienie większych stężeń tlenków azotu NO X w spalinach oraz większy poziomu hałasu. Dlatego ważnym jest, aby podczas pracy silnika w sposób ciągły kontrolować chwilę początku procesu spalania i określać okres opóźnienia samozapłonu. W pracy [15] przedstawiono wiele metod wyznaczania początku procesu spalania i okresu opóźnienia samozapłonu. W w/w artykule przedstawiono metodę wykorzystującą wyznaczane charakterystyki wydzielania ciepła, metody porównania przebiegów zmiany ciśnienia w cylindrze oraz metody analizy i oceny wykładnika politropy sprężania. W pracy [3, 4, 6] przedstawiono zależności empiryczne wyznaczone w oparciu o wzór Arrheniusa. Należy pamiętać, że podczas analizy wykresów indykatorowych ważne jest jego wygładzenie. Sposoby i metody wygładzania przebiegu ciśnienia w cylindrze podczas procesu spalania można znaleźć w pracach [2, 14 ]. Metody te do tego celu wykorzystują między innymi funkcje sklejane lub funkcje interpolujące i aproksymujące. W niniejszym artykule przedstawiono metodę umożliwiającą szybką analizę i ocenę procesów wewnątrzcylindrowych w tłokowych silnikach spalinowych wykorzystująca transformację logarytmiczną wykresu indykatorowego i przedstawienie go w układzie współrzędnych logarytmicznych. Umożliwia to, jak już wcześniej wspomniano wyznaczenie początku procesu spalania. W artykule analizowano wpływ kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa na początek procesu spalania, który umożliwia wyznanie okresu opóźnienie samozapłonu [11, 13]. 1 OBIEKT BADAŃ I APARATURA KONTROLNO POMIAROWA Badania przeprowadzono na stanowisku dynamometrycznym, w skład którego wchodził badany silnik o zapłonie samoczynnym AD3.152 UR. Dane techniczne silnika przedstawiono w tabeli 1. Ponadto stanowisko wyposażone było w hamulec elektrowirowy, szafę kontrolno pomiarową, czujniki do pomiaru przebiegu ciśnienia w cylindrze i w przewodzie wtryskowym oraz czujnik do pomiaru wzniosu iglicy. 1 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn; ; Kielce Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel , tambrozik@tu.kielce.pl 2 TSC sp. z o.o.; Kielce, ul. Krakowska 62. tsc@onet.eu 1454

2 Tab. 1. Podstawowe dane techniczne badanego silnika Silnik o zapłonie samoczynnym AD3.152 UR Parametr Jednostka Wartość Układ cylindrów - rzędowy Liczba cylindrów - 3 Rodzaj wtrysku - bezpośredni Stopień sprężania - 16,5 Pojemność skokowa silnika dm 3 2,502 Maksymalna moc silnika kw 34,6 Prędkość obrotowa mocy maksymalnej obr/min 2250 Maksymalny moment obrotowy silnika N m 168,7 Prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego obr/min 1350 Statyczny kąt wyprzedzenia wtrysku OWK 17 2 METODYKA WYZNACZANIA POCZĄTKU PROCESU SPALANIA Początek procesu spalania α ps wyznaczono w oparciu o rzeczywisty wykres indykatorowy przedstawiony w podwójnej skali logarytmicznej. Transformacja logarytmiczna rzeczywistego wykresu indykatorowego polega na przedstawieniu go we współrzędnych, gdzie wielkości i są wielkościami bezwymiarowymi, które wyznacza się z zależności (1) i (2): (1) gdzie: p c rzeczywiste wartości ciśnienia w cylindrze p o wartość ciśnienia otoczenia gdzie: V chwilowe wartości objętości cylindra V c wartość objętości komory spalania Przemianę politropową opisuje zależność: (3) gdzie: C stała Po zlogarytmowaniu równania (3) otrzymujemy: ln (4) Po podstawieniu do równania (4) wielkości z równań (1) i (2) oraz po przekształceniach wykorzystujących własności logarytmu otrzymano: (5) Wartości wielkości p o i V c są stałe, a więc równanie (5) można zapisać w postaci: (6) Oznaczając: (2) równanie (6) można przedstawić w postaci: (7) Wykorzystując rzeczywisty wykres indykatorowy wyznacza się wartości y dla wartości x odpowiadających objętością nadłonowym cylindra dla: kątów obrotu wału korbowego należących do przedziału kątowego liczonego od kąta zamknięcia zaworu dolotowego do kąta odpowiadającego początkowej procesu wtrysku paliwa (proces sprężania), kątów z przedziału liczonego od kąta obrotu wału korbowego odpowiadającego około 1455

3 50ºOWK (punkt odpowiadający mniej więcej maksymalnej temperaturze cyklu) za GZP do kata odpowiadającego początkowi otwarcia zaworu wylotowego. Znając zbiór punktów należących do przedziału określonego w punkcie a) oraz należących do przedziału określonego w punkcie b), dokonuje się aproksymacji do linii prostej tych punktów z zapewnieniem minimum średniego odchylenia kwadratowego. W wyniku tej aproksymacji otrzymuje się równanie linii odpowiadającej procesowi sprężania i rozprężania, w których współczynniki przy wielkości x są średnimi wartościami wykładnika politropy, odpowiednio procesu sprężania i rozprężania. Punkt oderwania się wykresu y=f(x) od prostych y=-n x-b dla procesu sprężania odpowiada początkowi procesu spalania, zaś punkt styczności tego wykresu do prostej przedstawiającej proces rozprężania odpowiada punktowi zakończenia procesu spalania. Znając kąt odpowiadający początkowi procesu spalania i początkowi procesu wtrysku można wyznaczyć okres opóźnienia samozapłonu. Znając kąt odpowiadający końcowi procesu spalania można wyznaczyć również kątowy okres trwania procesu spalania. Na rysunkach 1 2 przedstawiono rzeczywisty wykres indykatorowy w podwójnej skali logarytmicznej. Na rys 1 przedstawiono przypadek, gdy początek procesu spalania występuje przed GZP. Natomiast na rys. 2, gdy początek procesu spalania występuje za GZP. Na rys 2 widoczne jest charakterystyczne zagięcie wykresu indykatorowego. W tym przypadku należy tak dobrać wartość b równania y=-n 1 x+b, aby otrzymać styczną do wykresu indykatorowego, która jest równoległa do prostej przedstawiającej proces sprężania. Wartość wykładnika politropy sprężania n 1 jest taka sama. Rys. 1. Wykres indykatorowy w podwójnej skali logarytmicznej dla silnika AD3.152 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=2000 obr/min i przy kącie wyprzedzenia wtrysku α ww =17 ºOWK. 1456

4 Rys. 2. Wykres indykatorowy w podwójnej skali logarytmicznej dla silnika AD3.152 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=2200 obr/min i przy kącie wyprzedzenia wtrysku α ww =13 ºOWK. Z analizy wykresów na rysunkach 1 2 wynika, że tak przedstawione przebiegi zmiany ciśnienia w cylindrze w podwójnym układzie współrzędnych logarytmicznych pozwala na wyznaczenie średnich wartości wykładnika politropy sprężania oraz wyznaczenie początku procesu spalania, a tym samym czasu trwania procesu spalania. 3 WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH I ICH ANALIZA Na rys. 3 przedstawiono eksperymentalnie sporządzone otwarte rzeczywiste wykresy indykatorowe silnika AD3.152 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=1400 obr/min i n=2000 obr/min i przy trzech wybranych kątach wyprzedzenia wtrysku. Rys. 3. Otwarty rzeczywisty wykres indykatorowy dla silnika Ad3.152 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy prędkościach obrotowych: a) n=1400 obr/min i b) n=2000 obr/min 1457

5 Na rysunkach 4 6 przedstawiono rzeczywiste wykresy indykatorowe w podwójnej skali logarytmicznej silnika AD3.152 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=1400 obr/min i n=2000 obr/min przy trzech wybranych kątach wyprzedzenia wtrysku. Rys. 4. Wykres indykatorowy silnika AD3.152 UR sporządzony w podwójnej skali logarytmicznej przy pracy silnika według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=1400 obr/min i n=2000 obr/min i przy kącie wyprzedzenia wtrysku α ww =13 OWK Rys. 5. Wykres indykatorowy silnika AD3.152 UR sporządzony w podwójnej skali logarytmicznej przy pracy silnika według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=1400 obr/min i n=2000 obr/min i przy kącie wyprzedzenia wtrysku α ww =17 OWK 1458

6 Rys. 6. Wykres indykatorowy silnika AD3.152 UR sporządzony w podwójnej skali logarytmicznej przy pracy silnika według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=1400 obr/min i n=2000 obr/min i przy kącie wyprzedzenia wtrysku α ww =21 OWK Tab. 2. Wartości kąta początku procesu wtrysku αpw, początku procesu spalania αps i średni wykładnik politropy sprężania n 1 dla silnika AD3.152 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki i przy trzech kątach wyprzedzenia wtrysku 13 OWK, 17 OWK i 21 OWK n ww = 13 OWK ww = 17 OWK ww = 21 OWK α pw α ps n 1 α pw α ps n 1 α pw α ps n 1 obr/min ,7 351,8 1, ,5 349,6 1, ,7 348,9 1, ,2 353,2 1, ,1 349,2 1, ,9 349,0 1, ,4 354,6 1, ,7 351,2 1, ,0 349,5 1, ,5 356,0 1, ,5 352,4 1, ,9 350,4 1, ,8 356,3 1, ,4 353,8 1, ,3 355,9 1, ,3 358,7 1, ,4 354,4 1, ,8 355,8 1, ,9 360,1 1, ,2 354,8 1, ,1 355,9 1,188 Tab. 3.Wartości okresu opóźnienia samozapłonu αos, okresu trwania procesu spalania spl dla silnika AD3.152 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki i przy trzech kątach wyprzedzenia wtrysku 13 OWK, 17 OWK i 21 OWK n ww = 13 OWK ww = 17 OWK ww = 21 OWK α os spl α os spl α os spl obr/min ,1 47,0 8,1 44,6 9,2 44, ,0 45,3 7,1 47,9 9,1 45, ,2 40,0 8,5 43,0 9,5 43, ,5 42,6 8,9 40,4 8,5 44, ,5 41,2 9,4 40,5 12,6 35, ,4 40,0 9,0 48,3 12,0 37, ,2 45,1 9,6 38,1 11,8 38,4 Na rys. 7 i 8 przedstawiono okres opóźnienia samozapłonu i czas trwania procesu spalania dla silnika AD3.152 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej i przy trzech wybranych kątach wyprzedzenia wtrysku. 1459

7 Rys. 7. Okres opóźnienia samozapłonu silnika AD3.152 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej i przy trzech wybranych kątach wyprzedzenia wtrysku Rys. 8. Czas trwania procesu spalania silnika AD3.152 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej i przy trzech wybranych kątach wyprzedzenia wtrysku WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników z otrzymanych badań eksperymentalnych należy stwierdzić, że kąt wyprzedzenia wtrysku istotnie wpływa na przebieg ciśnienia procesu spalania w tłokowym silniku spalinowym. Dla kąta α ww = 21ºOWK otrzymano najmniejsze maksymalne wartości ciśnienia spalania w porównaniu z silnikiem pracującym przy α ww = 13ºOWK i α ww = 17ºOWK. Dla kąta wyprzedzenia wtrysku równym 13º chwila początku procesu spalania była bliżej GZP w porównaniu dla silnika pracującego przy kącie wyprzedzenia wtrysku równym 21 ºOWK. Dla kąta wyprzedzenia wtrysku α ww = 13ºOWK dla silnika pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=2200 obr/min początek procesu spalania występował za GZP. Może to wynikać z tego, że przy prędkości obrotowej wału korbowego równym 2200 obr/min początek procesu wtrysku następował przy α pw =350,9 ºOWK. A więc czas odparowania i wymieszania się par paliwa z powietrzem był na tyle krótki, że mieszanka paliwowo-powietrzna nie zaczęła się spalać przed GZP. Początek procesu spalania za GZP może powodować niższe przyrosty ciśnienia i mniejszy poziom hałasu, ponieważ ruch tłoka powodował zwiększanie objętości cylindra. Dla silnika pracującego według zewnętrznej charakterystyki przy prędkościach obrotowych od 1000 do 2000 obr/min i przy α ww =13 ºOWK średni wykładnik politropy sprężania n 1 osiągał największe wartości. Okres 1460

8 opóźnienia samozapłonu był najmniejszy dla silnika pracującego przy α ww = 13ºOWK. Wynika to z tego, że początek procesu wtrysku występuje bliżej GZP w porównaniu z silnikiem pracującym przy α ww = 17ºOWK i α ww = 21ºOWK, a więc w chwili, gdy położenie tłoka jest bliżej GZP i mniejsza jest wtedy chwilowa objętość cylindra. Wraz ze zmniejszeniem chwilowej objętości cylindra zwiększa się ciśnienie w nim panujące. Na czas trwania procesu spalania zmiana kąta wyprzedzenia wtrysku nie miała istotnego wpływu. Najdłuższy czas trwania procesu spalania α spl =48,3 ºOWK otrzymano dla silnika pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=2000 obr/min i przy α ww = 17ºOWK. Natomiast najkrótszy czas procesu spalania wynoszący α spl =35,8 ºOWK otrzymano dla silnika pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=1800 obr/min i przy α ww = 21ºOWK. Streszczenie W artykule przedstawiono wpływ kąta wyprzedzenia wtrysku na okres opóźnienia samozapłonu. Badania eksperymentalne przeprowadzono na silniku AD3.152 UR pracującym przy trzech kątach wyprzedzenia wtrysku 13º, 17º i 21ºOWK. Podczas badań silnik pracował według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej. Stanowisko badawcze wyposażone było w czujniki do pomiarów wielkości szybkozmiennych: czujnik ciśnienia w cylindrze, czujnik ciśnienia w przewodzie wtryskowym i czujnik wzniosu iglicy. Podczas badań mierzono przebieg ciśnienia spalania, który przedstawiono w podwójnej skali logarytmicznej. Rzędną tego wykresu są wartości logarytmu z bezwymiarowej wartości ciśnienia w cylindrze, zaś odciętą wartości logarytmu bezwymiarowej wielkości objętości nadtłokowej cylindra. Wartość średniego wykładnika politropy sprężania jest to wartość tangensa kąta nachylenia prostej do osi odciętych. Wykres indykatorowy przedstawiony w podwójnej skali logarytmicznej umożliwia także wyznaczenie początku procesu spalania, a tym samym i czasu jego trwania. The influence of injection advance angle on the self-ignition delay period in the self-ignition engine Abstract The article presents the influence of injection timing on the self-ignition delay period. The research were carried out using the AD3.152 engine working on three injection advance angles 13º, 17º and 21º CA. During the research the engine was working at full load conditions. The test stand was equipped with sensors to measure the fast changing quantities, sensor of pressure in the cylinder, sensor of pressure in the injection pipe and sensor of needle lift. During the research the course of combustion pressure was also measured and it was presented in a double logarithmic scale. The ordinate of this chart are the logarithm values of the dimensionless pressure value in the cylinder, while the abscissa are the logarithm values of the dimensionless cylinder instantaneous volume value. The average value of the polytropic exponent of the compression is the value of the angle tangent of the line slope to the abscissa. Indicator diagram presented in a double logarithmic scale allows also to designate the start of combustion process, and thus the time of its duration. BIBLIOGRAFIA 1. Ambrozik A., Łagowski P.: The influence of the arrangement of the combustion process in the diesel engine on the parameters of its working cycle; Teka Komisji Motoryzacji, Nr 26-27, s.15-22, Ambrozik A.., Ambrozik T., Łagowski P.: Aproksymacja rzeczywistego wykresu indykatorowego funkcjami sklejanymi, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 2(69)/2008XV Mechanika, Ekologia, Bezpieczeństwo. Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej, s , Warszawa 2008r. 3. Ambrozik A.: Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych, wyd. Politechnika Świętokrzyska, Kielce Ambrozik A.: Wybrane zagadnienia procesów cieplnych w tłokowych silnikach spalinowych, wyd. Politechnika Świętokrzyska,

9 5. Ambrozik T.: Internal combustion engine, wyd. Politechnika Świętokrzyska, on-line: Kielce, Ambrozik T.: Proces spalania w silniku z wieloetapowym wtryskiem paliwa, rozprawa doktorska, Politechnika Świętokrzyska, Kielce, Jaśkiewicz M., Jurecki R., Karendał M., Pieniążek W., Stańczyk T.: Badania reakcji kierowców na pojazd wyjeżdżający z prawej strony, realizowane na torze samochodowym, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów; 2010, Nr 1(77), s , Kruczyński S., Orliński P.: Combustion of methyl esters of various origins in the agricultural engine, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences Vol. 20, pp , Kuszewski H., Lejda K.: Wybrane metody ograniczania toksyczności spalin silnika ZS w aspekcie limitów emisyjnych, JOURNAL OF KONES 2006,13,1, , Merkisz J., Idzior M., Bajerlein M., Daszkiewicz P.: Wpływ dodatku wodoru do oleju napędowego na parametry silnika z zapłonem samoczynnym, czasopismo techniczne Mechanika, 3-M/2012, Zeszyt nr 8, s , Orliński P.: Ocena wpływu zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku na proces wydzielania ciepła w silniku rolniczym zasilanym biopaliwami, s , Logistyka 3/ Orliński P.: Wybrane zagadnienia procesu spalania paliw pochodzenia roślinnego w silnikach o zapłonie samoczynnym, Instytut Naukowo Wydawniczy SPATIUM, Radom Orliński S.: Wpływ ustawienia kąta wyprzedzenia wtrysku na procesy zachodzące w komorze spalania silnika rolniczego zasilanego biopaliwami, s , Logistyka 3/ Polanowski S.: Wygładzanie wykresów indykatorowych ruchomymi obiektami aproksymującymi z więzami łamanymi, Zeszyty Naukowe Akademii Marynarki Wojennej rok XLVII nr 1 (164), Zervas E.: Comparative study of some experimental methods to characterize the combustion process in a SI engine. Energy 30: , Artykuł powstał podczas indywidualnego stażu w trakcie realizacji projektu Inwencja II - Transfer wiedzy, technologii i innowacji wsparciem dla kluczowych specjalizacji świętokrzyskiej gospodarki i konkurencyjności przedsiębiorstw", który współfinansowany jest przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Wyniki badań mogą być udostępniane przedsiębiorstwom. 1462