P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A. mgr inż. Paweł STOBNICKI

Transkrypt

1 P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A WYDZIAŁ MASZYN ROBOCZYCH I TRANSPORTU mgr inż. Paweł STOBNICKI BADAWCZA ANALIZA WTRYSKU PALIWA W ASPEKCIE WŁAŚCIWOŚCI EKOLOGICZNYCH SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM PRACA DOKTORSKA Promotor: prof. dr hab. inż. Marek IDZIOR Poznań 2013

2 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego OŚWIADCZENIE DOTYCZĄCE PROMOCJI PROJEKTU pt. Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski, Poddziałanie PO KL realizowanego w latach Oświadczam, że jestem stypendystą w ramach projektu pt.: Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski, Poddziałanie Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. I declare that I am a scholarship holder within the project Scholarship support for PH.D. students specializing in majors strategic for Wielkopolska s development, Sub-measure Human Capital Operational Programme, co-financed by European Union under the European Social Fund.

3 Spis treści Streszczenie... 5 Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń WPROWADZENIE I OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PRACY PROBLEMATYKA TWORZENIA MIESZANKI I SPALANIA W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM Konstrukcja współczesnych rozpylaczy układów wtryskowych w silnikach o zapłonie samoczynnym Analiza mechanizmu rozpylenia paliw w odniesieniu do wiedzy literaturowej Wprowadzenie Makrostruktura rozpylonej strugi paliwa Mikrostruktura rozpylonej strugi paliwa Wpływ parametrów wtrysku paliwa na wskaźniki rozpylenia w aspekcie współczesnych badań Interakcje strugi paliwa i ścianki tłoka w silniku o zapłonie samoczynnym podczas wtrysku Analiza procesu spalania paliw Mechanizmy powstawania związków toksycznych CEL I TEZA PRACY METODYKA BADAŃ Przedmiot i zakres badań Metodyka badań pozasilnikowych (modelowych) Opis stanowiska badawczego Warunki badań Metodyka badań silnikowych Opis stanowiska badawczego Warunki badań Aparatura badawcza MODELOWE BADANIA INTERAKCJI STRUGI PALIWA NA ŚCIANKĘ TŁOKA Wprowadzenie Badania wizualizacyjne jakości rozpylenia paliwa Analiza rozkładu paliwa w komorze spalania, ciśnienia wtrysku oraz przeciwciśnienia powietrza na rozpylenie paliwa SYMULACYJNA ANALIZA ROZPYLENIA W ASPEKCIE KONTAKTU PALIWA ZE ŚCIANKĄ TŁOKA Warunki przeprowadzenia symulacji (model) Badania symulacyjne interakcji paliwa ze ściankami komory spalania

4 7. BADANIA SILNIKOWE WPŁYWU USYTUOWANIA WTRYSKIWACZA NA PRZEBIEG PROCESU SPALANIA I EMISJĘ SKŁADNIKÓW TOKSYCZNYCH SPALIN Wpływ parametrów wtrysku na procesy cieplne silnika spalinowego Wpływ zmiany warunków rozpylenia paliwa na emisję składników toksycznych spalin w silniku o zapłonie samoczynnym WNIOSKI I KIERUNKI DALSZYCH PRAC BADAWCZYCH Literatura Summary

5 Streszczenie Przedmiotem rozprawy jest analiza wtrysku paliwa w aspekcie właściwości ekologicznych silnika o zapłonie samoczynnym. Zagadnienie to postanowiono rozwiązać na drodze szczegółowej analizy rozpylenia oleju napędowego. Przybliżono problematykę zagadnienia dotyczącego konstrukcji współczesnych rozpylaczy układów wtryskowych silników o zapłonie samoczynnym oraz teoretyczne podstawy procesów rozpylenia i spalania paliw. Skupiono się na analizie wpływu poszczególnych parametrów wtrysku na wskaźniki rozpylenia paliwa, jak również interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka w silniku o zapłonie samoczynnym. Omówiono mechanizmy powstawania związków toksycznych spalin. Sformułowano tezę pracy, w której uznano, że istnieje zależność między parametrami strugi wtryskiwanego paliwa, a emisją związków toksycznych spalin silników o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Weryfikację słuszności przyjętej tezy zrealizowano w trzech zasadniczych etapach badań. Pierwszym z nich były badania modelowe interakcji strugi paliwa na ściankę tłoka. Analizowano wpływ ciśnienia wtrysku i przeciwciśnienia powietrza na rozpylenie paliwa, a także rozkład paliwa w komorze spalania. Na podstawie badań modelowych stwierdzono, że warunki wtrysku paliwa określone przez ciśnienie wtrysku i przeciwciśnienie powietrza nie wpływają znacząco na obszary komory spalania objęte strugą paliwa przy założeniu niezmienności początku wtrysku. Natomiast usytuowanie wtryskiwacza względem tłoka powoduje znaczne różnice w obszarach komory spalania obejmowanych przez strugę paliwa. Druga część badań to symulacyjna analiza rozpylenia w aspekcie kontaktu paliwa ze ścianką tłoka. Badania symulacyjne pozwoliły na weryfikację badań modelowych i potwierdziły, że zmiana położenia tłoka, a tym samym początku wtrysku w stosunku do bieżącego położenia tłoka powoduje istotne zmiany w obszarach komory spalania. Końcowym rezultatem etapu badań silnikowych było określenie wpływu zmiany warunków rozpylenia paliwa na emisję składników toksycznych spalin w silniku o zapłonie samoczynnym. Badania silnikowe zweryfikowały tezę o istnieniu zależności wpływu strugi wtryskiwanego paliwa i ścianki tłoka na procesy przygotowania ładunku i w konsekwencji poprawę warunków jego spalania. Przedstawione w pracy rezultaty badań potwierdziły możliwość skutecznej poprawy wskaźników emisyjnych i ukazują, że problem rozprzestrzeniania się paliwa w komorze spalania w różnych warunkach termodynamicznych, przy zmiennym usytuowaniu wtryskiwacza względem tłoka, a także wieloczęściowym wtrysku paliwa nie został jeszcze w pełni rozpoznany i opisany. 5

6 Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń Skróty CAI CFD CNG CO CO 2 Control CR CR FID Flex Fuel GMP GPS HCCI H 2 H 2 O k-zeta-f LIGA MEMS MPI NDIR NO NO 2 NO X OBD ON PM PPM SMD STPiW TDI THC ZI ZS ang. Controlled Auto Ignition kontrolowany samozapłon w silniku o zapłonie iskrowym ang. Computational Fluid Dynamics program do modelowania procesów zachodzących w silnikach spalinowych ang. Compressed Natural Gas sprężony gaz ziemny tlenek węgla dwutlenek węgla system sterowania pracą wtryskiwacza ang. Common Rail zasobnikowy system wtrysku do silników ZS ang. Flame Ionisator Detector analizator płomieniowo-jonizacyjny mieszanka benzyny i etanolu górne martwe położenie tłoka ang. Global Positioning System globalny system lokalizacji ang. Homogeneous Charge Compression Ignition system spalania z zapłonem samoczynnym jednorodnej mieszaniny paliwowo-powietrznej wodór cząsteczkowy woda model turbulencji ładunku ang. German Litographie Galwanoformung and Abformung proces kształtowania mikrostruktur technik galwanotechnicznych, rentgenowskich oraz technik formownia ang. Microelectromechanical System miniaturowa technika elektromechaniczna ang. Multi Point Injection wielopunktowy wtrysk paliwa do kolektora dolotowego ang. Non-Dispersive Infrared analizator działający na zasadzie niedyspersyjnego pochłaniania promieniowania podczerwonego tlenek azotu dwutlenek azotu tlenki azotu ang. On Board Diagnostic pokładowy system diagnozowania olej napędowy ang. Particulate Matter cząstka stała ang. Parts Per Million cząstki na milion ang. Sauter Mean Diameter średnia średnica Sauter a stanowisko do testowania pomp i wtryskiwaczy ang. Turbochaged Direct Injection Engine turbodoładowany silnik ZS o wtrysku bezpośrednim ang. Total Hydrocarbons węglowodory całkowite zapłon iskrowy zapłon samoczynny 6

7 Oznaczenia i symbole dq/dα d o g e α α s λ l s α s M o n OWK p cyl p i P pow P wtr RH T ot t t wtr szybkość wywiązywania ciepła średnica otworu rozpylającego jednostkowe zużycie paliwa kąt obrotu wału korbowego kąt rozpylenia strugi współczynnik nadmiaru powietrza zasięg stożka strugi kąt rozwarcia stożka strugi moment obrotowy prędkość obrotowa obrót wału korbowego ciśnienie w cylindrze średnie ciśnienie indykowane przeciwciśnienie powietrza ciśnienie wtrysku paliwa wilgotność powietrza temperatura otoczenia czas czas wtrysku 7

8 1. WPROWADZENIE I OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PRACY Silnik spalinowy stanowi główne źródło napędu różnego rodzaju środków transportu, jak również maszyn roboczych. Najliczniejszą populację stanowią jednak środki transportu lądowego. Pojazdy samochodowe są jednymi z kluczowych środków transportu i stanowią bardzo istotny czynnik rozwoju społeczno-gospodarczego większości państw na świecie. Globalny obszar zastosowania silników spalinowych w różnych obszarach gospodarki narodowej każdego z krajów, należy tłumaczyć licznymi zaletami, jakie silniki te posiadają. Do najważniejszych z nich możemy zaliczyć wysoką sprawność ogólną, niewielkie rozmiary, łatwość uruchomienia, szybką gotowość do pracy, niezależność od obcych źródeł napędu, a także możliwość wszechstronnego wykorzystania ich do napędu różnych urządzeń. Z prognoz rynkowych wynika, że liczba produkowanych i sprzedawanych pojazdów wyposażonych w silniki spalinowe ciągle wzrasta, a więc należy przewidywać, że silniki te przez wiele lat będą podstawowym źródłem napędu różnego rodzaju środków transportu oraz maszyn [73, 106]. Pomimo wielu zalet, jakie posiada silnik spalinowy, należy jednak zwrócić szczególną uwagę na fakt, że jest on również źródłem niekorzystnego wpływu na środowisko. Związane jest to głównie z emisją związków szkodliwych zawartych w spalinach silników spalinowych [1, 16, 21, 23, 27, 48, 49, 77, 97]. Aktualny rozwój silników spalinowych przede wszystkim zdominowany jest ograniczeniem uciążliwości dla środowiska naturalnego [13, 17, 19, 65, 90]. Najważniejszymi celami w obecnym rozwoju konstrukcji silników spalinowych, jest minimalizacja emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach, zmniejszenie hałasu, jak również wysoka sprawność przekładająca się wprost proporcjonalnie na mniejsze zużycie paliwa [66, 68]. Wszelkie działania, które zmierzają do poprawy parametrów ekologicznych i eksploatacyjnych silników spalinowych uwarunkowane są obowiązującymi, a w szczególności planowanymi normami toksyczności spalin. Wprowadzenie bardziej rygorystycznych limitów zawartych w normach emisji spalin dla pojazdów silnikowych, jest silnym bodźcem rozwoju nie tylko samego silnika spalinowego, ale także całej konstrukcji pojazdu [73, 106]. Współczesne konstrukcje silników spalinowych o zapłonie samoczynnym znacząco różnią się od pierwszego silnika, który został zbudowany przez Rudolfa Diesla w 1897 roku. Sprawność ogólna takiego silnika wynosiła 26% i była ponad dwukrotnie wyższa od sprawności uzyskiwanych z ówczesnych maszyn parowych [29, 73]. Od tego czasu, głównie dzięki znacznemu postępowi technicznemu, w tym także rozwoju materiałów i elektroniki znacząco poprawiono parametry eksploatacyjne silników o zapłonie samoczynnym oraz zastosowano na szeroką skalę w pojazdach, a w szczególności w pojazdach osobowych. Nowoczesne konstrukcje silników spalinowych o ZS to moc z 1 dm 3 pojemności skokowej około 60 kw, przy momencie obrotowym niemal 200 Nm. Silniki tego typu są bardziej ekonomiczne w porównaniu do wcześniejszych rozwiązań konstrukcyjnych, co przekłada się na mniejsze zużycie paliwa oraz zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin. Nadal istniejącymi problemami w silnikach o zapłonie samoczynnym w porównaniu do silników o zapłonie iskrowym są hałas, a także mniejsza elastyczność oraz bardziej skomplikowana i droższa budowa, co przekłada się na wyższy koszt zakupu [32]. Reasumując wszystkie zalety oraz wady, należy stwierdzić, że udział tych silników w europejskim rynku 8

9 samochodowym obecnie stanowi najliczniejszą grupę i w najbliższym czasie sytuacja ta nie ulegnie znaczącej zmianie. Rys Procentowy udział silników o zapłonie samoczynnym w pojazdach osobowych w Europie w latach [71] Z powyższej charakterystyki wynika (rys. 1.1), że udział samochodów z silnikami o zapłonie samoczynnym na świecie miał tendencję wzrostową do 2008 roku, w którym udział ww. pojazdów szacuje się na około 50% całkowitej liczby pojazdów osobowych [71, 106]. Analogiczną tendencję można zaobserwować w Europie, gdzie sprzedaż pojazdów z silnikami o zapłonie samoczynnym zwiększyła się o około 30% w latach od 1991 do 2004 roku. Współcześnie stosowane są silniki o bezpośrednim wtrysku paliwa do cylindra. Prognozy przewidują, że do 2025 roku około 30% nowo sprzedawanych samochodów osobowych na świecie będą stanowiły pojazdy z konwencjonalnymi układami napędowymi, z silnikami o zapłonie samoczynnym, wyposażonymi w układ zasilania paliwem typu Common Rail. Podobną tendencję około 30% będą stanowiły pojazdy osobowe z napędami konwencjonalnymi wyposażonymi w silniki o zapłonie iskrowym. Pozostałe 40% to pojazdy o napędach niekonwencjonalnych, w skład których można zaliczyć: pojazdy o napędach hybrydowych, układy napędowe wykorzystujące silniki zasilane paliwami alternatywnymi (CNG/FlexFuel), układy napędowe wykorzystujące silniki realizujące proces spalania ładunku paliwowo-powietrznego o strukturze homogenicznej (HCCI/CAI), a także pojazdy o napędzie elektrycznym [68, 73, 106]. Stosowanie zespołów napędowych pojazdów, które wykorzystują jako źródło napędu silnik o zapłonie samoczynnym jest ściśle powiązane z ogólnie przyjętą polityką energetyczną zmierzającą do optymalizacji energetycznej. Działania te prowadzą do zmniejszenia zużycia paliwa, jak również ograniczenia emisji CO 2 do atmosfery. Istotnym problemem silników o zapłonie samoczynnym poza korzystnymi właściwościami energetycznymi, jest względnie duża emisją tlenków azotu i cząstek stałych, co w konsekwencji wpływa negatywnie na 9

10 środowisko naturalne. Następstwem tego jest zaostrzenie obowiązujących norm emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach silnikowych. Sprostanie ustalonym w normach limitom dopuszczalnych wartości emisji dla poszczególnych związków, zmusza konstruktorów do stosowania nowoczesnych metod obniżania emisji. Istotna w aspekcie ekologicznym oraz energetycznym jest także bieżąca kontrola funkcjonowania danych zespołów, podzespołów i elementów silnika, tak aby pojazd spełniał aktualne normy emisji w całym okresie jego eksploatacji [21, 54, 68, 75]. Stale rosnące wymagania stawiane silnikom spalinowym, a przede wszystkim normy emisji spalin sprawiły, że rozwój układów zasilania silników na przełomie ostatnich kilkudziesięciu lat, głównie w zakresie materiałów oraz elektronizacji przyczynił się znacznie do optymalizacji procesu spalania. Aktualne charakterystyki eksploatacyjne osiągane przez silniki spalinowe odpowiadają zapotrzebowaniu użytkowników pojazdów oraz wymogom ekologicznym [29, 50, 52, 53]. Konstrukcja układu wtryskowego, która zapewnia prawidłowe rozpylenie paliwa jest ściśle powiązana z elementami wykonawczymi wchodzącymi w skład wtryskiwacza oraz z dużymi wartościami ciśnienia paliwa doprowadzanego do rozpylacza [20, 31, 40, 51, 55]. Obecnie produkowane układy wtryskowe typu Common Rail, pozwalają na sprostanie wymaganiom stawianym silnikom o zapłonie samoczynnym. Duże ciśnienie wtrysku, a także możliwość sterowania podziałem dawki paliwa w aspekcie modyfikacji przebiegu procesu spalania sprawiły, że układy tego typu zastąpiły konwencjonalne systemy zasilania silników spalinowych o zapłonie samoczynnym, które wykorzystywały tradycyjne rozdzielaczowe pompy wtryskowe, jak również układy z pompowtryskiwaczami. Możliwość kontrolowania sposobu doprowadzenia paliwa do komory spalania w celu optymalnego przebiegu procesu spalania, przy jednoczesnym zachowaniu małej emisji związków szkodliwych, a także zapewnienie wysokich parametrów eksploatacyjnych tj. moment obrotowy i moc, wiąże się z koniecznością bezawaryjnej pracy całego układu w jak najdłuższym okresie jego eksploatacji. Elementy wchodzące w skład układu zasilania silnika o zapłonie samoczynnym należą do jednych z najbardziej wrażliwych i podatnych na uszkodzenia. Narażone są głównie na uszkodzenia pary precyzyjne, czyli sekcje tłoczące pompy wysokiego ciśnienia oraz rozpylacz. Mając na uwadze istotność pełnionych funkcji w układzie zasilania najważniejszym elementem układu jest rozpylacz. Od poprawności jego działania zależy proces przygotowania paliwa, a także przebieg procesu spalania w cylindrze [66, 88, 96, 110, 112, 118]. Pogorszenie stanu rozpylacza wpływa w negatywny sposób na proces spalania, a także powoduje pogorszenie parametrów eksploatacyjnych oraz ekologicznych silnika spalinowego. Zmniejsza to sprawność ogólną silnika, jak również powoduje zwiększenie emisji szkodliwych składników spalin [65, 75, 89, 90, 102, 108, 109, 111]. W związku z powyższym, przyjęto za przedmiot niniejszej rozprawy analizę wtrysku paliwa w aspekcie właściwości ekologicznych silnika o zapłonie samoczynnym. Zagadnienie to postanowiono rozwiązać na drodze szczegółowej analizy rozpylenia oleju napędowego. Modelowe badania rozpylenia paliwa wykonane na stanowisku pozasilnikowym, skojarzono z wynikami pomiarów emisyjnych związków toksycznych spalin silnika o zapłonie samoczynnym. Uzyskano dzięki temu pewne zależności, które pozwalają na podstawie badań optycznych rozpylenia paliwa, przewidywać zmiany emisji związków toksycznych spalin. 10

11 Kolejną zaletą przyjętej metodyki jest ograniczenie badań silnikowych, na rzecz relatywnie tańszych oraz prostszych do wykonania badań optycznych rozpylenia paliwa. W celu przybliżenia treści rozprawy, poniżej zamieszczono krótką jej charakterystykę. Praca składa się z ośmiu rozdziałów. W pierwszym przedstawiono genezę tematu pracy. W rozdziale drugim przybliżono problematykę konstrukcji współczesnych rozpylaczy układów wtryskowych silników o zapłonie samoczynnym, przedstawiono teoretyczne podstawy procesów rozpylenia i spalania paliw. Opisano wpływ parametrów wtrysku na wskaźniki rozpylenia paliwa oraz interakcje strugi paliwa i ścianki tłoka w silniku o zapłonie samoczynnym podczas wtrysku. W rozdziale drugim zawarto ponadto opis mechanizmów powstawania związków toksycznych spalin. Cel oraz tezę pracy przedstawiono w rozdziale trzecim. Poprzedza je krótkie podsumowanie przeprowadzonej wcześniej analizy literaturowej, która była podstawą do sformułowania celu głównego oraz tezy pracy. W kolejnym (czwartym) rozdziale przybliżono metodykę badań. Opisano przedmiot i zakres badań, obiekt badawczy, a także wykorzystane stanowiska badawcze. Dodatkowo przedstawiono opis aparatury wykorzystanej podczas badań zarówno modelowych, jak i silnikowych. Przeprowadzone modelowe badania interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka opisano w rozdziale piątym. Jest on podzielony na dwa główne podrozdziały obejmujące: badania wizualizacyjne jakości rozpylenia paliwa, analizę rozkładu paliwa w komorze spalania, ciśnienia wtrysku oraz przeciwciśnienia powietrza na rozpylenie paliwa. Rozdział kolejny (szósty) obejmuje symulacyjną analizę rozpylenia w aspekcie kontaktu paliwa ze ścianką tłoka z wykorzystaniem oprogramowania AVL Fire Rozdział siódmy zawiera analizę wyników badań emisyjnych wykonanych na stanowisku silnikowym. Składa się z dwóch zasadniczych podrozdziałów obejmujących badania: wpływu parametrów wtrysku na procesy cieplne silnika spalinowego, wpływu zmiany warunków rozpylenia paliwa na emisję składników toksycznych spalin w silniku o zapłonie samoczynnym. W ostatnim ósmym rozdziale przedstawiono końcowe wnioski wynikające z przeprowadzonej analizy. Wskazano ponadto kierunki dalszych prac badawczych związanych z tematyką rozprawy. 11

12 2. PROBLEMATYKA TWORZENIA MIESZANKI I SPALANIA W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM 2.1. Konstrukcja współczesnych rozpylaczy układów wtryskowych w silnikach o zapłonie samoczynnym Ciągłemu rozwojowi i wysileniu silników spalinowych o zapłonie samoczynnym towarzyszy rozwój w budowie nowoczesnych układów wtryskowych. Elementem końcowym układu wtryskowego silnika wysokoprężnego jest wtryskiwacz, wyposażony w rozpylacz z odpowiednio ukształtowanymi otworkami wylotowymi, które bezpośrednio wpływają na proces tworzenia strugi rozpylonego paliwa. Rozwój w tej dziedzinie podyktowany jest głównie zmniejszeniem emisji szkodliwych substancji toksycznych, minimalizacją zużycia paliwa, a także ograniczeniem hałasu emitowanego przez silnik spalinowy [32]. Najważniejsze z opisanych obszarów doskonalenia rozpylaczy zostały przedstawione na rysunku 2.1. Rys Obszary doskonalenia rozpylaczy stosowanych w silnikach o ZS [32] Dążenia konstruktorów do zwiększania ciśnienia wtrysku przy jednoczesnym wzroście prędkości obrotowych osiąganych w nowoczesnych silnikach, wraz z koniecznością zachowania żądanej charakterystyki podczas eksploatacji, skutkują także zwiększeniem wymagań dotyczących wytrzymałości wtryskiwaczy. Poprawę wytrzymałości rozpylacza otworowego uzyskuje się dzięki zmniejszeniu masy jego części ruchomych, głównie przez wyeliminowanie długiego drążka napędzającego iglicę, zminimalizowanie wymiarów rozpylaczy oraz zmniejszenie sprężyny wtryskiwacza. Korpus rozpylacza wielootworowego charakteryzuje się grubszą ścianką w okolicy gniazda uszczelniającego w celu zapobiegnięcia 12

13 wibracji, zwiększenia wytrzymałości mechanicznej, a także odporności na działanie kawitacyjne i erozyjne paliwa. Zmniejszenie emisji węglowodorów uzyskuje się przez zwiększenie ciśnienia wtrysku, minimalizację wszelkich objętości szkodliwych w pompie wtryskowej, a także zaworze tłocznym oraz króćcu wylotowym pompy, jak również w samym wtryskiwaczu, w którym objętości szkodliwe to komora ciśnieniowa i studzienki mające znaczący wpływ na emisję węglowodorów. Jedną z najskuteczniejszych metod ograniczania emisji węglowodorów w postaci odparowującego paliwa pozostałego w studzienkach po wtrysku jest stosowanie rozpylaczy bezstudzienkowych [31]. Obecnie stosowane rozpylacze wielootworowe odznaczają się dużą ilością otworków (głównie 5 i więcej) o zmniejszonych średnicach, których długości wynoszą do 1 mm. Rozpylacze tego typu charakteryzują się małą objętością studzienki bądź jej całkowitym brakiem, a także zmniejszonymi wymiarami. Przykładem może być silnik 1,9 firmy Volkswagen wyposażony w rozpylacze 5-otworkowe o średnicy 0,184 mm w wersji TDI. W nowych rozwiązaniach korektom poddano także kształt otworków rozpylaczy, zaokrąglając ich krawędzie bądź nadając im pewną stożkowość celem zwiększenia współczynnika natężenia przepływu. Trend do zmniejszania średnicy otworka rozpylacza wynika z potrzeby zachowania pierwotnej wielkości oraz czasu wtrysku dawki paliwa w warunkach coraz to wyższych ciśnień stosowanych w celu zmniejszenia średnicy kropel. Tendencja do poprawy warunków wymieszania paliwa z powietrzem na drodze rozpylania kropel wtryskiwanego paliwa pod znacznym ciśnieniem wymusza rozwiązanie problemów związanych ze zwiększaniem obciążenia aparatury wtryskowej: zwiększenie wytrzymałości układu tłoczącego pompy wtryskowej, jak również rozpylacza i zmniejszenie objętości szkodliwych, zmniejszenie hydraulicznych oporów przepływu paliwa, możliwość kształtowania przebiegu wtrysku paliwa, czasu jego trwania oraz tzw. ostrego zakończenia wtrysku zapewniającego spadek ciśnienia w układzie większym niż 25 MPa/ OWK, oraz uzyskanie większych prędkości tłoczenia paliwa przez zastosowanie krzywek o dużych prędkościach wzniosu popychacza. Efektywne zmniejszenie emisji związków toksycznych wymaga również, poprawy warunków odparowania paliwa, a także zapewnienia odpowiedniego czasu na przygotowanie mieszanki paliwowo-powietrznej. Długość opóźnienia samozapłonu wymaga dostosowania kąta początku wtrysku. Taką możliwość dają aktualnie wszystkie, nowoczesne układy wtryskowe. Układy wtryskowe tego typu pozwalają na zintegrowanie kontroli zarówno nad dawką paliwa, jak również jej przebiegiem. W ostatnich latach zaobserwować można, że większość światowych instytutów, które zajmują się badaniami zjawisk towarzyszących procesom rozpylenia i spalania paliw, prowadzi intensywne badania nad opracowaniem i zastosowaniem w praktyce mikroskopowo obrobionych rozpylaczy wtryskiwaczy silników o zapłonie samoczynnym, pochodzących z produkowanych na skalę przemysłową, systemów wtrysku paliwa. Istotną cechą nowoczesnych rozpylaczy, jest ich zdolność do polepszania charakterystyki przepływowej w silnikach spalinowych o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim, a co za tym idzie minimalizacja emisji szkodliwych składników spalin. Ciekawą koncepcją jest także idea wykonania miniaturowych rozpylaczy do wtryskiwaczy silników o zapłonie samoczynnym. Umożliwia to technologia MEMS (Micro 13

14 Electro Mechanical Systems), która służy do tworzenia elementów o wielkościach µm. Efektem z zastosowania takich mikrowtryskiwaczy jest spadek emisji sadzy połączony z niewielkim wzrostem emisji tlenków azotu [38]. W pracy [7] przedstawiono badania nowo wytworzonej konstrukcji zarówno pod względem wytrzymałościowym, jak również pod względem zachowania się rozpylanej strugi paliwa i jej wpływu na emisję związków toksycznych. Proces kształtowania mikrostruktur jest bezpośrednio związany z tzw. procesem LIGA (German Litographie Galwanoformung and Abformung), jest on kwintesencją szeroko rozwiniętych technik galwanotechnicznych, rentgenowskich oraz technik formownia. Omawiany proces LIGA jest bardzo dobrze przystosowany do produkcji ciekłych mikrokomponentów, umożliwia wytwarzanie mikrostruktur z metali o wielkości rzędu kilkuset µm, których wymiary poprzeczne są wielkości zaledwie kilku µm. Zainteresowanie technologią MEMS znalazło także odzwierciedlenie w problematyce silnikowej, przede wszystkim w badaniach procesu spalania. Japoński uczony Tseng wykładający na uniwersytecie Wisconsin [103] zaproponował wykorzystanie wykonanych przy użyciu tej technologii mikrowtryskiwaczy celem udoskonalenia mieszanki palnej i wzmożenia procesu spalania. Zasada działania tych wtryskiwaczy jest podobna do zasady działania, wykonanych na bazie technologii krzemowej, głowic drukarek atramentowych. Wtryskiwane kropelki paliwa mogłyby zasadniczo poprawić charakterystykę przepływową danego wtryskiwacza, a także wpłynąć na zmniejszenie emisji związków toksycznych spalin. Inny uczony Gardner, wykonał na tej podstawie krzemowe, mikroskopowo obrobione, złożone rozpylacze dla wtryskiwaczy silników o zapłonie samoczynnym. Wtryskiwacz tego typu składa się z dwóch płaskich, krzemowych płytek, z otworami służącymi do sterowania przepływem cieczy. Otwór w pierwszej płytce jest przesunięty względem otworu w płytce drugiej. Obszar pomiędzy obydwoma otworami ma zredukowaną grubość, tak aby utworzyć szczelinę dławiącą przepływ. Taki przepływ umożliwia turbulencję oraz dyspersję cieczy korzystną dla rozpylenia paliwa w komorze spalania. W rozwiązaniach tego typu dwa ścięte przepływy są przeciwległe względem siebie, kolidując ze sobą celem zwiększenia dyspersji cieczy. Synder [99] wykorzystując technologię LIGA opracował gazowe urządzenie do atomizacji cieczy (Gas Efficient Liquid Atomization Device). Jako przykład można przedstawić rozwiązanie rozpylacza o liczbie otworków 4000 przy siedmiomikrometrowej powierzchni, które wytwarzało krople o średnicy mniejszej niż 30 µm, dzięki wykorzystaniu systemu rozdrabniania filmu cieczy wspomaganego gazem. We wszystkich przypadkach testy spalania wykonano z zastosowaniem szybkiej maszyny sprężająco-rozprężającej, której komora spalania jest taka sama jak we współczesnych silnikach o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Otrzymane wyniki doświadczenia przy wykorzystaniu rozpylaczy MEMS z wynikami badań dla rozpylacza konwencjonalnego wykazały, że opóźnienie zapłonu zostało skrócone do około 30%, a maksymalne ciśnienie spalania przy spalaniu kinetycznym oraz okres spalania dyfuzyjnego uległy znacznemu wydłużeniu. Następstwem tego był spadek emisji PM oraz wzrost emisji NOx. Wspomniany wcześniej proces LIGA, który zastosowano do wytwarzania rozpylaczy, składa się z wielu procesów podrzędnych, które oparte są na zaawansowanej technologii 14

15 naświetlania promieniami rentgenowskimi, galwanotechnicznej technologii nakładania warstw, jak również technikach optycznych. Końcowy produkt składa się w 78% z niklu oraz 22% ze stali. Średnica zewnętrzna płytki wynosi 2,5 mm, a grubość około 300 µm. Otwory znajdujące się w płytkach mają zerowy kąt rozpylenia. Płytki mające pojedynczy otwór wykonano w celu przebadania wpływu średnicy otworu na charakterystykę rozpylania. Przykład rozpylacza z pojedynczym otworem o wymiarze 40 µm pokazano na rysunku 2.2, natomiast płytkę z czterema otworami o wymiarach 260 µm na rysunku 2.3. Dzięki temu możliwe było porównanie jej charakterystyki ze stosowanymi obecnie rozpylaczami otworkowymi silników o zapłonie samoczynnym. Dodatkowo wykonano rozpylacz z 41 otworami, które miały taką samą powierzchnię przepływu jak rozpylacz z pojedynczym otworem o średnicy 40 µm (rys. 2.4). Rys Płytka z pojedynczym Rys Płytka z 4 otworami Rys Płytka z 41 otworami otworem okrągłym φ = 40 µm [32] o wymiarze φ = 260 µm [32] o wymiarach φ = 40 µm [32] Kolejnym nowatorskim rozwiązaniem są próby zastosowania obrotowych wtryskiwaczy w silnikach o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim, umożliwiające sterowanie rozkładem paliwa w komorze spalania (rys. 2.5). Rozwiązanie tego typu zostało opracowane w Internal Combustion Engines w Sztokholmie, a następnie wdrożone do nowoczesnego 4- zaworowego silnika o zapłonie samoczynnym [94, 95]. Rys Schemat wtryskiwacza obrotowego napędzanego silnikiem elektrycznym [94] Obrotowy wtryskiwacz napędzany silnikiem elektrycznym o mocy około 50 W, połączony jest z silnikiem za pomocą przekładni zębatej. Wtryskiwacz może obracać się w obu kierunkach z prędkością około obr/min. Rzędowa pompa wtryskowa dostarcza paliwo do specjalnie skonstruowanego mechanizmu obrotowego, który połączono z wałkiem umieszczonym bezpośrednio na wtryskiwaczu. Pozwala to na ciągły przepływ paliwa przez wtryskiwacz. Pomysł ten ma na celu zintensyfikowanie procesu mieszania powietrza i paliwa (ze znacznym wykorzystaniem powietrza) każdej ze strug podczas rozpylenia przez zmianę 15

16 kierunku wtrysku. Najważniejszą zaletą zastosowania obrotowych rozpylaczy jest uniknięcie dotrysku paliwa do stref bogatych już w paliwo. Dzieje się tak ze względu na możliwość zmiany kierunku wtrysku dla poszczególnych strug. Dzięki temu możliwa jest redukcja sadzy nawet o około 60%. Ponadto emisja tlenku węgla została zredukowana o około 40%, przy nieznacznym wzroście emisji tlenków azotu o około 10% [116]. Wciąż postępujący rozwój coraz bardziej wysilonych silników spalinowych narzuca konieczność ciągłego ulepszania wtryskiwaczy, których najistotniejszym elementem jest rozpylacz z odpowiednio ukształtowanymi otworkami wylotowymi. W najbliższej przyszłości przewiduje się dalszą intensyfikację badań nad nowoczesnymi rozwiązaniami wtryskiwaczy coraz lepiej spełniającymi ciągle zaostrzane normy emisji substancji szkodliwych spalin Analiza mechanizmu rozpylenia paliw w odniesieniu do wiedzy literaturowej Wprowadzenie W procesie spalania paliw w silnikach spalinowych niewątpliwie główne znaczenie wykazuje ich wtrysk i rozpylenie. Za prawidłowe doprowadzenie dawki paliwa do komory spalania odpowiedzialny jest proces wtrysku oraz bezpośrednio z nim powiązany proces migracji paliwa wewnątrz komory spalania, czyli rozpylenie. Rozpylenie jest procesem, który prowadzi do rozpadu cieczy na krople. Większość obecnie znanych teorii rozpylenia dotyczy wypływu cieczy z małymi prędkościami, brak jest natomiast jednoznacznych wyjaśnień na temat wypływu cieczy z dużymi prędkościami, a więc takimi, z jakimi mamy do czynienia podczas wtrysku paliwa w silnikach o zapłonie samoczynnym. Można zatem stwierdzić, że mechanizm rozpylenia paliwa nie został nadal jednoznacznie wyjaśniony. Przyczyną niejednoznacznego stanu wiedzy w tym aspekcie jest przede wszystkim złożoność procesu rozpylenia, na który oddziałuje wiele czynników. W literaturze przedmiotu dotyczącej teorii rozpylenia istnieje kilka hipotez wyjaśniających mechanizm rozpadu strugi paliwa [78, 116]. Przyjmuje się, że rozpad strugi jest wywołany zaburzeniami występującymi na jej powierzchni, które prowadzą do powstania drgań na powierzchni cieczy wypływającej z rozpylacza. Jako pierwszy teorię tą ogłosił Rayleigh, a następnie została ona potwierdzona badaniami eksperymentalnymi. Źródłem wewnętrznym powstających zaburzeń cieczy są najczęściej zawirowanie cieczy oraz jej gwałtowne rozprężanie. Dodatkowo zaburzenia powstają również na krawędziach otworów wlotowych i wylotowych, a także na nierównościach powierzchniowych podczas przepływu przez otwór. Te czynniki powodują rozpad cieczy ogólnie nazywany pierwotnym. Przyczyny zewnętrzne, które powodują dalszy, wtórny rozpad kropel, wynikają głównie z oddziaływania ośrodka, do którego realizowany jest wtrysk, czyli oddziaływania sił aerodynamicznych. Takie zjawisko ma miejsce, gdy krople znajdują się w obszarze, w którym panuje zwiększone ciśnienie dynamiczne gazu. Ciśnienie dynamiczne wzrasta wraz ze wzrostem gęstości gazu lub ze wzrostem względnej prędkości pomiędzy gazem, a poruszającą się kroplą. Na kroplę oddziaływują dwie siły: siła aerodynamiczna, a także siła napięcia powierzchniowego. Kropla traci stateczność i ulega podziałowi, gdy wypadkowa siła zewnętrznego ciśnienia przewyższy siły napięcia powierzchniowego. 16

17 Przedstawione teorie dotyczą przede wszystkim stosunkowo małych prędkości wypływu cieczy z rozpylacza. Podczas pracy silnika spalinowego paliwo wypływa z rozpylacza ze znacznie większymi prędkościami, ponadto wypływy te są cykliczne. Istotną cechą charakterystyczną warunków wtrysku paliwa jest ciągła zmienność prędkości wypływu z rozpylacza podczas realizowania wtrysku. Różnorodność zjawisk, które występują w jednej chwili stwarza duże trudności w opisie mechanizmu rozpylenia. Dodatkowo jako czynnik wspomagający pierwotny rozpad strugi podaje się również drgania rozpylacza pochodzące od ruchu iglicy. Inne teorie przedstawiają, że rozpad cieczy następuje wyłącznie na skutek turbulentnych pulsacji powstałych w rozpylaczu, kolejne że rozpad cieczy jest spowodowany kawitacją. W chwili wypływu paliwa z dużymi prędkościami ciśnienie spada do ciśnienia prężności pary, co w następstwie może wywołać jej parowanie [78]. Większość badaczy zjawiska rozpylenia paliwa przez rozpylacze silników o zapłonie samoczynnym zgodnie twierdzi, że rozpad strugi spowodowany jest głównie zawirowaniami powstającymi w otworze wylotowym rozpylacza. Zawirowania takie wywołane są przez burzliwe pulsacje paliwa z intensywnymi ruchami poprzecznymi jego cząstek. Ponadto rozpylenie jest wspomagane przez siły aerodynamiczne ośrodka, do którego jest realizowany wtrysk paliwa (rys. 2.6). Reasumując należy powiedzieć, że jest to forma rozpadu strugi zbliżona do modelu Rayleigha. Rys Schemat ideowy mechanizmu rozpadu kropli paliwa pod wpływem oddziaływania aerodynamicznego ośrodka [78] Oprócz rozpadu podczas wtrysku paliwa zachodzi również odwrotny proces, aglomeracja kropel, w efekcie której mamy do czynienia ze zwiększeniem ich masy oraz średnicy (rys. 2.7). Jest ona wynikiem zderzania się kropel, np. na skutek doganiania kropel mniejszych, które poruszają się z mniejszymi prędkościami, przez szybsze i większe krople. Zjawisko to szczególnie intensywnie można zaobserwować w rdzeniu strugi, gdzie koncentracja paliwa jest największa. Rys Schemat ideowy mechanizmu aglomeracji i ponownego rozpadu poruszających się kropel [78] 17

18 Efektem rozpylenia paliwa w komorze spalania silników tłokowych jest powstanie strugi, która swoim kształtem przypomina stożkowy wycinek kuli. Cechą charakterystyczną jest duża niejednorodność wielkości oraz prędkości kropel w strudze stanowiącej typowy zbiór polidyspersyjny. Parametry określające strugę paliwa podzielić można na dwie grupy. Pierwszą z nich stanowią wielkości opisujące makrostrukturę strugi, tj. zewnętrzny kształt i wewnętrzną strukturę. Zalicza się do nich: kąt rozpylenia, zasięg oraz rozkład cieczy w strudze. Do drugiej grupy zaliczyć należy parametry związane z mikrostrukturą, czyli średnice kropel oraz ich przestrzenny rozkład. Zasięg strugi oraz kąt rozpylenia są czynnikami decydującymi o rozprowadzeniu paliwa w komorze spalania. Niestety w celu prawidłowego przebiegu procesu spalania optymalizacja ograniczająca się do uwzględnienia tylko tych dwóch parametrów jest niewystarczająca. Dla zapewnienia odpowiedniego współczynnika nadmiaru powietrza uwzględnić należy także rozkład paliwa we wnętrzu strugi. Poza wymienionymi parametrami makrostrukturalnymi, należy również uwzględnić mikrostrukturę strugi, która ma bardzo istotne znaczenie dla przebiegu procesu spalania. Wielkość kropel decyduje o szybkości odparowania paliwa i wpływa na przebieg procesu spalania. Jednoczesne rozpatrywanie wszystkich wymienionych parametrów rozpylenia, a także wzięcie pod uwagę kształtu komory spalania oraz układu dolotowego, pozwala na prawidłowe zrealizowanie systemu spalania Makrostruktura rozpylonej strugi paliwa Zasadniczym z parametrów makrostrukturalnych strugi jest jej zasięg l s, który określany jest również mianem penetracji. Jest to długość strugi w kierunku osiowym, obejmująca odległość od rozpylacza do czoła strugi (rys. 2.8). Podczas rozpylania paliwa przez rozpylacze silników o zapłonie samoczynnym zasięg strugi zmienia się w czasie, staje się ona coraz dłuższa, co można zauważyć podczas wtrysku paliwa do nieruchomego ośrodka. W warunkach zbliżonych do panujących w cylindrze silnika spalinowego, trudno jednoznacznie ocenić całkowity zasięg strugi, ponieważ krople paliwa są porywane przez zawirowane powietrze. v g li rdzeń strugi lp ld ls lc s Rys Schemat strugi paliwa wtryskiwanego do nieruchomego otoczenia [26, 78] (szczegółowe wyjaśnienie w tekście) x 18

19 Kolejnym parametrem określającym kształt rozpylanego paliwa jest kąt rozpylenia α s. Kąt rozpylenia α s jest to kąt wierzchołkowy stożka rozpylonej strugi paliwa, który określa zewnętrzny wymiar strugi kropel. Wyodrębnia się również kąt α', określający strugę w bliskiej odległości od rozpylacza na odcinku l i. Jest on mniejszy od kąta α s i zmienia się w niewielkim zakresie podczas trwania wtrysku. W rzeczywistości częściej mierzony oraz poddawany analizie jest jednak kąt rozpylenia α s. Strukturę strugi paliwa podzielić można na dwa główne obszary. Pierwszy z nich to rdzeń strugi, w którym znajdują się krople o większych średnicach, większej energii kinetycznej oraz poruszające się z dużą prędkością. Obszar drugi, to obszar otaczający rdzeń strugi. Składa się z kropel o mniejszych średnicach, które poruszają się z mniejszymi prędkościami. Obszar ten ma bezpośredni kontakt z otoczeniem i głównie zachodzi w nim mieszanie paliwa i powietrza. W porównaniu z rdzeniem strugi, obszar ten odznacza się zdecydowanie mniejszym stężeniem paliwa. Bardziej szczegółowy podział uwzględnia następujące obszary strugi (rys. 2.8) [26, 78]: odcinek początkowy l i, znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie otworu wylotowego rozpylacza, odznacza się wyraźnym zarysem o kącie rozpylenia α'. Jego długość według różnych źródeł jest szacowana na mm, odcinek mieszania l c, leżący za odcinkiem początkowym (licząc od rozpylacza), odznacza się kątem rozpylenia α s, w tym obszarze zachodzą procesy turbulentnego mieszania paliwa i powietrza, odcinek penetracji l p, na tym odcinku struga wykazuje podobieństwo do strugi wytwarzanej w sposób ciągły, odcinek stagnacji l d, obejmuje czoło strugi spłaszczone w rezultacie oporu aerodynamicznego, odznacza się brakiem stateczności. Następną wielkością charakteryzującą makrostrukturę rozpylonej strugi paliwa jest przestrzenny rozkład cieczy. Określa się go za pomocą gęstości strumienia cieczy q s, wyrażonej jako stosunek strumienia objętości cieczy do powierzchni prostopadłej względem osi rozpylacza, bądź jako stosunek strumienia masy do powierzchni. Nierównomierny rozkład paliwa w strudze powoduje, że trzeba rozpatrywać go w trzech kierunkach: promieniowym, osiowym lub obwodowym. Na rysunku 2.9 przedstawiono promieniowe rozkłady gęstości strumienia q s, prędkości strugi v s oraz temperatury T s. Przeważnie analizowane są promieniowe rozkłady w kilku przekrojach poprzecznych, natomiast rzadziej rozpatrywany jest rozkład obwodowy. Gdy nie występują zakłócenia rozkład paliwa jest symetryczny względem osi wzdłużnej strugi i przyjmuje kształt zbliżony do krzywej Gaussa [78, 109]. Koncentracja paliwa odznacza się tendencją malejącą w kierunku promieniowym ze zwiększeniem odległości od osi strugi. W miarę przesuwania się w kierunku czoła strugi rozkład paliwa staje się coraz bardziej wyrównany. Wyjaśnienie przedstawionego rozkładu wynika z ogólnie przyjętej teorii rozpadu, według której burzliwość strugi powoduje istnienie, również składowych prędkości prostopadłych do zasadniczego kierunku wtrysku. Różnice rozkładu cieczy w strudze, jej prędkości oraz temperatury powiązane są w ścisły sposób z wielkością kropel. Krople o mniejszych średnicach posiadają tym samym mniejsza masę, co w konsekwencji skutkuje wytwarzaniem przez nie mniejszej energii kinetycznej. W wyniku 19

20 oddziaływania oporu aerodynamicznego zostają szybciej wyhamowane, w związku z tym łatwiej poddają się ruchom turbulentnym wynoszącym je na zewnątrz strugi. q s, v s T s v s Rys Rozkład gęstości strugi q s rozpylonego paliwa, prędkości osiowej v s oraz temperatury wewnątrz strugi T s, dla trzech różnych przekrojów promieniowych strugi (różne odległości od rozpylacza) [78] Krzywe opisujące zmiany rozkładu paliwa w przekrojach poprzecznych strugi mają charakter zbliżony do profilu osiowej prędkości w strudze. Stąd wynika, że energia kinetyczna strugi skupiona jest przede wszystkim w jej rdzeniu. Krople znajdujące się w czole strugi, rozdrobnione przez opór aerodynamiczny, zostają szybko wyhamowane, a ich miejsce zajmują szybsze oraz znacznie większe krople płynące dotąd z tyłu. Odwrotnie wygląda rozkład temperatury T s w strudze paliwa. Temperatura osiąga wartości minimalne w rdzeniu, następnie wzrasta w kierunku promieniowym strugi, oczywiście pod warunkiem, że jest ona wtryskiwana do otoczenia o wyższej temperaturze. Makrostruktura strugi rozpylonego paliwa zależy od szeregu parametrów konstrukcyjnych, jak również eksploatacyjnych układu wtryskowego oraz właściwości ośrodka, do którego realizowany jest wtrysk. Z wielu czynników konstrukcyjnych rozpylacza jednym z ważniejszych jest średnica otworu rozpylającego d o, przeważnie rozpatrywana łącznie z jego długością l o, jako stosunek l o /d o. Zmiana średnicy tj. zwiększenie otworu wylotowego powoduje zwiększenie kąta rozpylenia oraz zasięgu strugi paliwa [10, 102, 116]. Zasadniczy wpływ na parametry makrostrukturalne ma iloraz długości otworu rozpylającego i średnicy. W badaniach opisanych w pracach [5, 104] zauważono, że przy pewnej jego wartości, która wynosił około 4, kąt rozpylenia jest największy. Zwiększaniu kąta towarzyszy jednoczesne zmniejszenie zasięgu strugi. Za przyczynę takiego zachowania podaje się lepsze ukierunkowanie strugi w dłuższym otworze wylotowym, a tym samym zmniejszenie wewnętrznych zawirowań Mikrostruktura rozpylonej strugi paliwa Wymiary kropel, którymi charakteryzuje się struga rozpylonego paliwa mają podczas procesu spalania zasadnicze znaczenie. W procesach silnikowych dąży się przede wszystkim do minimalizacji ich rozmiarów. Małe średnice kropel przyśpieszają odparowanie tworząc mieszaninę gazową, która umożliwia spalanie kinetyczne, natomiast większe krople w strudze x 20

21 utrudniają proces tworzenia mieszanki palnej. Skutkuje to znacznie wolniejszym w czasie spalaniem dyfuzyjnym. Krople bardzo duże palą się przewlekle jedynie na powierzchni powodując przy tym spalanie niecałkowite, które prowadzi do wzrostu zadymienia. Zważywszy na niejednorodną postać strugi charakteryzujący się dużym rozrzutem średnic kropel opis jej mikrostruktury jest w dużym stopniu utrudniony. Kolejną przeszkodą może być także liczba kropel. Podczas procesu rozpylenia paliwa w silniku spalinowym przy średniej średnicy kropel wynoszącej 10 µm powstawać może nawet 10 8 kropel [78]. Opis mikrostruktury zjawiska, które jest skomplikowane z punktu widzenia pomiaru wykonuje się w sposób opisowy wykorzystując pojęcia dokładności rozpylenia oraz jednorodności strugi. Pojęcie dokładności rozpylenia informuje o wielkości średnic, przy czym większy stopień rozpylenia odznacza się mniejszymi średnicami kropel. Natomiast jednorodność rozpylenia oznacza odchylenie średnic kropel od przypadku idealnego tzn. większa jednorodność to mniejszy ich rozrzut. W momencie otwarcia iglicy rozpylacza formują się duże krople, które charakteryzują się równocześnie dużym rozrzutem średnic. Znaczna masa kropel zwiększa ich energię kinetyczną, co w konsekwencji prowadzi do wzrostu stopnia penetracji. Dodatkowo pod koniec wtrysku podczas zamykania się iglicy formują się duże krople [28]. Zjawisko to jest bardzo niekorzystne i powoduje niecałkowite spalanie. W celu graficznego przedstawienia jakości rozpylenia sporządza się charakterystyki procentowego udziału kropel w danym przedziale ich średnic. Wykonanie charakterystyki w postaci statystycznej polega głównie na zmierzeniu średnic kropel w strudze oraz podzieleniu całego zbioru na mniejsze grupy, które odznaczają się określonym przedziałem średnic D i. Średnice mieszczące się w wyznaczonych granicach przydziela się następnie do grupy o określonym zakresie średnic. Efektem końcowym jest otrzymanie charakterystyki przedstawiającej zależność między liczbą kropel n i znajdujących się w przedziale D i oraz średnicę D i odpowiadającą środkowi każdego i-tego przedziału. Im mniejsza szerokość przedziałów tym analiza jest bardziej dokładna. Każda z rzędnych przedstawionych na wykresie stanowi stosunek liczby kropel danego przedziału do całkowitej liczby kropel. Przykład charakterystyki rozpylenia zwanej też charakterystyką gęstości prawdopodobieństwa średnic kropel przedstawiono na poniższym rysunku Δ n i [%] (D) f n i=1 i=m D min D max D D [ m] Rys Charakterystyka rozpylenia z zaznaczoną krzywą rozkładu ilościowego kropel [78] 21

22 Kolejnym sposobem umożliwiającym określenie jakości rozpylenia jest wykorzystanie w zastępstwie zbioru rzeczywistego teoretycznej strugi, która zawiera w sobie jednorodne krople paliwa. Taki zbiór opisuje się za pomocą wartości umownej średniej średnicy kropel. Powinien on posiadać cechy wspólne (liczba, średnica, powierzchnia i objętość kropel) ze zbiorem rzeczywistym. Niestety parametr ten nie pozwala na określenie całego zbioru kropel, co może być postrzegane głównie jako jego wada. Jednak mimo to jest to najbardziej poglądowa wielkość pozwalająca na ocenę jakości rozpylenia [74]. Wykorzystując średnie średnice dokonuje się wszelkich obliczeń związanych z ruchem kropel, wymianą ciepła oraz masy. Najpopularniejszymi, wykorzystywanymi w badaniach oraz analizach silnikowych są średnica krytyczna kropli oraz średnia średnica Sautera. Średnica krytyczna d kr to maksymalna średnica kropel, które w określonych warunkach wypływu z rozpylacza mogą jeszcze istnieć, podczas gdy wszystkie większe krople powinny już ulec rozpadowi wtórnemu [100]. Posługiwanie się średnicą krytyczną ma uzasadnienie w tym, że czas potrzebny na odparowanie, a także spalanie nie zależy od średnich średnic kropel, lecz jest zdeterminowany obecnością kropel w określonych warunkach o największych średnicach. Średnica objętościowo-powierzchniowa D 32 inaczej określana jest jako średnica Sautera (SMD - Sauter Mean Diameter). Jej przydatność wynika głównie z podobieństwa powierzchni oraz objętości kropel ze strugą rzeczywistą taka sama sumaryczna powierzchnia i objętość kropel zbioru zastępczego, a także rzeczywistego. SMD to średnica jednorodnego zbioru zastępczego, o tej samej sumarycznej powierzchni oraz objętości, co w zbiorze rzeczywistym. Wykorzystanie tego parametru pozwala na ujmowanie wielu ważnych procesów, tj. zasięg kropel, wymiana ciepła i masy. Zwiększenie różnicy pomiędzy ciśnieniem paliwa i przeciwciśnieniem ośrodka powoduje zmniejszenie SMD. Badania opisane w pracy [5] pokazują, że najlepsza jakość rozpylenia tj. najmniejsze średnice kropel uzyskuje się, gdy stosunek l o /d o wynosi 4. Przekłada się to także na parametry makrostrukturalne, opisane w poprzednim podrozdziale. Na wielkość kropel oraz jakość rozpylenia, podobnie jak w przypadku parametrów makrostrukturalnych wpływa także szereg innych czynników [43]. Podzielić je można na dwie grupy: wielkości kontrolowane tj. konstrukcja rozpylacza, właściwości fizykochemiczne paliwa oraz niekontrolowane tj. turbulencja cieczy, drgania itp. Kolejnym parametrem konstrukcyjnym rozpylacza wpływającym na średnice kropel jest rozmieszczenie otworków. Autorzy prac [24, 62] zajmowali się badaniami rozpylaczy z kanalikami wylotowymi na dwóch poziomach, nieleżących w jednej płaszczyźnie zawierającej oś iglicy. Rozpylacze takie charakteryzujące się mniejszymi średnicami otworków, w porównaniu do rozpylaczy standardowych, pozwalają na uzyskanie porównywalnego zasięgu strugi z mniejszymi SMD. Dodatkową korzyścią było zwiększenie całkowitego (po nałożeniu się strug) kąta rozpylenia. Na wielkość średnic kropel istotny wpływ ma ciśnienie paliwa i przeciwciśnienie ośrodka, których wzrost poprawia proces rozpylenia. Występowanie takiej sytuacji tłumaczy się zwiększeniem burzliwości strugi i wzrostem sił aerodynamicznych ośrodka. Należy jednak pamiętać, że poprawa rozpylenia następuje tylko do pewnych wartości ciśnienia wtrysku. Z przeprowadzonych obliczeń autora pracy [47] dotyczących średnich średnic kropel, można wnioskować, że oddziaływanie na strukturę rozpadu kropli przez wzrost ciśnienia ma 22

23 charakter asymptotyczny. Powyżej 200 MPa ciśnienie staje się mało skutecznym czynnikiem kształtowania struktury rozpylenia (rys. 2.11). Rys Wpływ ciśnienia wtrysku na średnie średnice kropel SMD [47] 2.3. Wpływ parametrów wtrysku paliwa na wskaźniki rozpylenia w aspekcie współczesnych badań Silniki o zapłonie samoczynnym są wiodącymi jednostkami napędowymi w sektorze pojazdów użytkowych oraz stanowią znaczącą część w sektorze pojazdów osobowych. Analizując wszystkie rodzaje pojazdów, które poruszają się po drogach Unii Europejskiej, można łatwo zauważyć, że do ich napędu najczęściej wykorzystywany jest silnik o zapłonie samoczynnym. Aktualne prognozy przewidują dalszy wzrost udziału tych układów napędowych w nowo produkowanych pojazdach, głównie ze względu na mniejsze zużycie paliwa i przez to łatwiejsze spełnienie limitu emisji CO 2. Rygorystyczne normy ograniczenia dotyczące emisji związków szkodliwych spalin determinują poszukiwania nowych sposobów ich spełnienia. Z punktu widzenia emisyjności, jednym z najistotniejszych aspektów jest proces tworzenia mieszaniny palnej, który to w bezpośredni sposób wpływa na przebieg spalania. Uzyskanie pożądanego rozpylenie paliwa, możliwe jest zatem dzięki odpowiedniemu sterowaniu parametrami wtrysku. Za główne parametry wtrysku należy przyjąć ciśnienie i dawkę paliwa oraz kąt wtrysku. Zasadniczy wpływ na wskaźniki pracy silnika, jak również emisję spalin ma ciśnienie wtrysku i związana z tym prędkość wypływu paliwa. Zwiększanie ciśnienia wtrysku powoduje znaczne obniżenie emisji związków toksycznych, przede wszystkim cząstek stałych oraz tlenków azotu. Przy zachowaniu ograniczeń konstrukcyjnych i wytrzymałościowych zależność ta powoduje, że w aktualnie produkowanych silnikach spalinowych wyraźnie widać tendencje do zwiększania ciśnienia wtrysku. Coraz powszechniej stosowane są układy z maksymalnym ciśnieniem wtrysku rzędu 200 MPa i więcej. Są to głównie silniki z wtryskiem bezpośrednim, odznaczające się mniejszym zużyciem paliwa w porównaniu z silnikami z komorami dzielonymi [33]. Aparatura paliwowo-wtryskowa w przypadku silników z wtryskiem bezpośrednim stawia wyższe wymagania technologiczne i eksploatacyjne, głównie z uwagi na odmienny przebieg tworzenia mieszaniny palnej oraz związane z tym konsekwencje. Idea ograniczenia 23

24 poziomu hałasu, emisji tlenków azotu, tlenku węgla, węglowodorów, a także cząstek stałych prowadzi często do wzajemnie przeciwstawnych rozwiązań. Ogólnie należy stwierdzić, że w określonych warunkach wtrysku paliwa oraz przy danej komorze spalania szybkość narastania ciśnienia ma tendencję spadkową wraz ze zmniejszaniem kąta wyprzedzenia wtrysku. Jednocześnie ulega zmniejszeniu maksymalne ciśnienie i temperatura, czego konsekwencją jest zmniejszona emisja tlenków azotu. Niestety krótszy czas spalania wiąże się przede wszystkim z podwyższoną emisją cząstek stałych. Aby tego uniknąć, należy stworzyć lepsze warunki do mieszania i spalania paliwa przez odpowiednie ukształtowanie komory spalania lub przez modyfikacje układu wtryskowego. Takie warunki zapewnia zwiększone ciśnienie wtrysku paliwa. Jednocześnie umożliwia ono dalsze opóźnienie wtrysku (skrócony czas opóźnienia samozapłonu). Zwiększenie ciśnienia wtrysku pozwala na lepsze rozpylenie paliwa tylko na krawędzi strugi, powodując przy tym równocześnie głębszą penetrację strumienia, który dociera aż do ścianek komory spalania, wyraźnie zwiększając stopień dymienia, bądź też przy niezmiennej jego wartości obniża maksymalne średnie ciśnienie użyteczne. Rys Przykładowy wpływ liczby otworków rozpylacza na emisję jednostkową tlenków azotu i zużycie paliwa (ge) [12] Zmniejszenie średnicy otworków rozpylacza w połączeniu ze zwiększonym ciśnieniem wtrysku w znaczny sposób poprawia rozpylenie całej strugi paliwa, zmniejszając głębokość penetracji, nie powodując przy tym wzrostu dymienia. Dalsze zwiększenie ciśnienia wtrysku wymusza konieczność stosowania większej liczby otworków w badanym rozpylaczu o odpowiednio mniejszej średnicy. Autor w pracy [33] przedstawia wpływ liczby otworków rozpylacza w danej komorze spalania na emisję tlenków azotu oraz jednostkowe zużycie paliwa (rys. 2.12). Komora była przystosowana do współpracy z rozpylaczem sześciootworkowym. Dla rozpylacza czterootworkowego uzyskano zbyt silne zawirowanie, co w następstwie odbiło się na gwałtownym wzroście emisji tlenków azotu. Stwierdza on zatem, że: z punktu widzenia ograniczenia zużycia paliwa (g e = g emin ) istnieje korzystne ciśnienie wtrysku, które zależy od dawki wtryskiwanego paliwa oraz prędkości obrotowej, ciśnienie to wynosi dla obecnie produkowanych pojazdów MPa, 24

25 dalsze zwiększenie ciśnienia wtrysku jest możliwe, przy jednoczesnym zachowaniu stałej wartości emisji tlenków azotu, obniżenie emisji cząstek stałych (wiąże się to jednak ze zwiększonym dp/dα), istnieje wzajemny ścisły związek między emisją cząstek stałych, tlenków azotu oraz jednostkowym zużyciem paliwa i nie jest możliwa równoczesna poprawa wszystkich tych parametrów przez zwiększanie ciśnienia wtrysku (rys. 2.13). Rys Zależność emisji cząstek stałych oraz tlenków azotu od wybranych wskaźników [12] Na poniższym rysunku 2.14 autorzy prezentują przykładowe wyniki badań zmiany zasięgu strugi dwóch rozpatrywanych paliw tj. oleju rzepakowego oraz oleju napędowego w funkcji czasu, dla ciśnień wtrysku 40 i 70 MPa. Rys Zasięg strugi oleju rzepakowego i oleju napędowego w funkcji czasu wtrysku dla ciśnień wtrysku wynoszących odpowiednio 40 i 70 MPa [87] Z interpretacji krzywych wynika, że wpływ zwiększenia ciśnienia wtrysku na czas osiągnięcia ścianki komory spalania w przypadku oleju napędowego jest niezauważalny. Odwrotną sytuację zaobserwowano podczas wtrysku oleju rzepakowego, gdzie zwiększenie ciśnienia wtrysku z 40 do 70 MPa, skutkowało zmniejszeniem czasu wymaganego do osiągnięcia ścianki komory spalania z około 0,8 ms do około 0,5 ms, czyli o 38%. Wpływ czasu i ciśnienia wtrysku na zasięg oraz pole powierzchni strugi wtryskiwanego paliwa przedstawiono na rysunku Według autorów artykułu [113] dla obu 25

26 Zasięg strugi [mm] Pole powierzchni strugi [mm 2 ] analizowanych ciśnień wtrysku oraz dla czasu wtrysku 0,5 ms, zasięg strugi w początkowej fazie wtrysku jest taki sam, a różnica może osiągać wartość na poziomie około 40%. Powierzchnia strugi jest tym większa, im większy jest czas wtrysku oraz ciśnienie Zasięg strugi Pole powierzchni strugi CR-diesel oil; Pinj=50 MPa; Pback=3.0 MPa; t-inj=0.5 ms CR-diesel oil; Pinj=50 MPa; Pback=3.0 MPa; t-inj=0.3 ms CR-diesel oil; Pinj=80 MPa; Pback=3.0 MPa; t-inj=0.3 ms CR-diesel oil; Pinj=80 MPa; Pback=3.0 MPa; t-inj=0.5 ms Czas wtrysku [ms] Rys Wpływ czasu wtrysku i ciśnienia wtrysku na zasięg i pole powierzchni strugi paliwa [113] Kolejnym istotnym parametrem, który służy do oceny jakości rozpylenia paliwa jest kąt wierzchołkowy strugi wtryskiwanego paliwa (rys. 2.16). 25 Rys Kąt wierzchołkowy strugi oleju rzepakowego i oleju napędowego w funkcji czasu wtrysku dla ciśnień wtrysku wynoszących odpowiednio 40 i 70 MPa [87] Na powyższym rysunku przedstawiono zmiany kąta wierzchołkowego strugi oleju rzepakowego i oleju napędowego dla ciśnień wtrysku 40 i 70 MPa. Dla pierwszego paliwa tj. oleju napędowego, podczas zwiększenia ciśnienia wtrysku nie odnotowano zauważalnego zwiększenia kąta wierzchołkowego strugi. Natomiast odwrotna sytuacja została odnotowana dla drugiego paliwa tj. oleju rzepakowego, gdzie zwiększenie ciśnienia wtrysku spowodowało wyraźne zwiększenie kąta wierzchołkowego strugi. 26

27 Podczas analizy rozkładu wymiarowego kropel wtryskiwanego paliwa w różnych przekrojach strugi, można zauważyć, że dla oleju napędowego na całej długości strugi paliwa rozkład średnic kropel wtryskiwanego paliwa jest zbliżony (rys. 2.17). Wartości maksymalne omawianego rozkładu osiągane były przy średnicy kropli wynoszącej około 18 μm. Rys Rozkład wymiarowy kropel oleju rzepakowego i oleju napędowego w różnych przekrojach strugi [87] a) b) Rys Struktura strugi oleju napędowego a) T i = 298K i P wtr = 40 MPa, b) T i = 298K i P wtr = 70 MPa [87] Dodatkowo prócz wyników ilościowych, które w istotny sposób dostarczają wielu niezbędnych informacji odnośnie wpływu poszczególnych parametrów wtrysku na wskaźniki rozpylenia paliwa, można również wykorzystywać jakościową ocenę rozpylenia paliwa. Wykonywana jest ona zazwyczaj na podstawie zdjęć, na których przedstawia się 27

28 zarejestrowany obraz wtryskiwanego paliwa w jednostce czasu. Na rysunku 2.18 przedstawiono przykładowy obraz wtryskiwanego paliwa tj. oleju napędowego dla dwóch różnych ciśnień wtrysku 40 oraz 70 MPa. Dla pierwszego przypadku (rys. 2.18a) zauważyć można znaczne przerwy w strudze paliwa, których przyczyną są opory aerodynamiczne. Natomiast dla przypadku drugiego (rys. 2.18b), przy wyższym ciśnieniu, ze względu na większy pęd cząstek paliwa, struga jest bardziej jednorodna Interakcje strugi paliwa i ścianki tłoka w silniku o zapłonie samoczynnym podczas wtrysku Prawidłowe kształtowanie procesu spalania dla wtrysku bezpośredniego paliwa, który odbywa się w pobliżu GMP, wymaga podziału wtryskiwanej dawki paliwa na części. Większość prac opisujących tą tematykę, ma na celu racjonalizację systemu spalania z wtryskiem wieloczęściowym i wymaga rozpoznania ilościowych i jakościowych zależności między wtryskiwanymi porcjami paliwa. Problem zasięgu strugi w układach bezpośredniego wtrysku paliwa, dotyczy osiągnięcia przez nią ścianek komory spalania oraz denka tłoka i kojarzony jest zasadniczo z rozpyleniem paliwa z wtryskiwaczy wielootworowych [81]. Podział dawki paliwa na części jest bardzo popularnym narzędziem, które wykorzystywane jest do spełnienia norm emisji spalin przez silniki spalinowe. Prawidłowy podział dawki wtryskiwanego paliwa, pozwala na zachowanie kompromisu między właściwościami ekologicznymi silników spalinowych, a ich hałaśliwością pracy. Rys Charakterystyka wpływu dawki pilotującej na przebieg ciśnienia w cylindrze, przebieg wywiązywania ciepła oraz sygnał sterujący wtryskiem paliwa w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla P wtr = 30 MPa, dawka główna 6,6 OWK przed GMP, dawka pilotująca 22 OWK przed GMP [14] Na powyższym rysunku 2.19 przedstawiono wpływ dawki pilotującej na przebieg ciśnienia w cylindrze, przebieg wywiązywania ciepła oraz sygnał sterujący wtryskiem paliwa w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Zastosowanie dawki pilotującej wpływa na zmniejszenie czasu opóźnienia samozapłonu dawki głównej. Dzięki takiej zależności można opóźnić wtrysk dawki głównej, co w rezultacie wpływa istotnie na zmniejszenie emisji NO x, a 28

29 także hałaśliwości pracy silnika spalinowego. Efektem dodatkowym zastosowania dawki pilotującej jest ponadto zmniejszenie ciśnienia maksymalnego w komorze spalania. Zmiana strategii sterowania dawką paliwa wpływa również na zmianę emisji związków szkodliwych spalin (rys. 2.20). Podczas przeprowadzanych badań, których wyniki przedstawiono w artykule [14], zastosowanie dawki pilotującej, nie wpłynęło na znaczącą zmianę emisji CO i THC. Podział dawki paliwa wpłynął natomiast na zwiększenie czasu spalania dyfuzyjnego, przez co zwiększeniu uległo średnie ciśnienie użyteczne, jak również zadymienie spalin. Zwiększone zadymienie jest wynikiem występowania bogatej mieszaniny palnej w komorze spalania po wystąpieniu samozapłonu. Poprawne sterowanie podziałem dawki paliwa na części umożliwia zmniejszenie udziału spalania dyfuzyjnego. Rys Charakterystyka wpływ dawki pilotującej na średnie ciśnienie użyteczne oraz emisję związków szkodliwych spalin dla P wtr = 30 MPa, dawka główna 6,6 OWK przed GMP, dawka pilotująca 22 OWK przed GMP [14] Przebieg wywiązywania ciepła w cylindrze oraz masę wytworzonej sadzy podczas procesu spalania dla trzech różnych przypadków wtrysku paliwa przedstawiono na rysunkach Charakterystyka zamieszczona na rysunku 2.21 obrazuje przebieg wywiązywania ciepła w komorze spalania bez podziału dawki paliw, natomiast charakterystyki zamieszczone na rysunkach 2.22 i 2.23, podział dawki paliwa na części odpowiednio z jedną i trzema dawkami pilotującymi. Ponadto na poniższych charakterystykach [30] zamieszczono zdjęcia kolejnych faz procesu spalania. Emisja sadzy wyznaczona była podczas wykonywania badań optycznych procesu spalania oraz dodatkowo na drodze symulacyjnej. Intensywność wywiązywania ciepła w komorze spalania podczas zastosowania jednej dawki pilotującej jest podobna jak w przypadku wtrysku bez podziału dawki paliwa. Natomiast zastosowanie trzech dawek pilotujących znacząco zmienia przebieg wywiązywania ciepła. W każdym z trzech przypadków proces tworzenia sadzy rozpoczyna się po rozpoczęciu wtrysku dawki głównej, jednak intensywność jej tworzenia jest największa przy zastosowaniu trzech dawek pilotujących. Dodatkowym potwierdzeniem tego faktu jest zwiększanie jasności płomienia w 29

30 komorze spalania wraz ze zwiększaniem ilości dawek pilotujących. Świecący na jasno płomień jest wynikiem spalania nieodparowanego paliwa. Rys Przebieg wywiązywania ciepła w komorze spalania bez podziału dawki paliwa [30] Rys Przebieg wywiązywania ciepła w komorze spalania z jedną dawką pilotującą [30] Rys Przebieg wywiązywania ciepła w komorze spalania z trzema dawkami pilotującymi [30] 30

31 Dodatkowo w pracy [30] przedstawiono jak kształtuje się rozkład temperatur w komorze spalania dla omówionych wcześniej trzech przypadków. Na rysunku 2.24 rozkład temperatur dla pierwszego przypadku bez podziału dawki paliwa, natomiast na rysunkach 2.25 i 2.26, rozkład temperatur dla pozostałych dwóch przypadków, odpowiednio z jedną i trzema dawkami pilotującymi. Zmiana strategii sterowania wtryskiem, zasadniczo wpływa na zmianę rozkładu temperatur w komorze spalania. Wraz ze zwiększaniem liczby dawek pilotujących zwiększeniu ulega temperatura dla mniejszych wartości kąta obrotu wału korbowego. Rys Rozkład temperatury w komorze spalania bez podziału dawki paliwa [30] Rys Rozkład temperatury w komorze spalania z jedną dawką pilotującą [30] Rys Rozkład temperatury w komorze spalania z trzema dawkami pilotującymi [30] 31

32 2.5. Analiza procesu spalania paliw W okolicy GMP tłoka do komory spalania zostaje wtryśnięta struga ciekłego paliwa, która następnie rozpada się na zbiór kropel o określonej dystrybucji przestrzennej. Paliwo powinno być rozpylone w stopniu umożliwiającym jego odparowanie i wytworzenie mieszanki par z powietrzem gwarantującej wysoką sprawność spalania. W miejscach, gdzie koncentracja paliwa w powietrzu osiąga zakres palny następuje samozapłon, którego następstwem jest wytworzenie znacznych ilości ciepła. Strefy objęte samozapłonem zlewają się ze sobą propagując w kierunkach, w których wytworzyła się mieszanka palna. W konsekwencji cały obszar z wtryśniętym paliwem tworzy jeden wspólny front spalania. Proces spalania dobiega końca w momencie, gdy front natrafi na obszar, w którym skład mieszanki jest poza zakresem palności. Proces spalania odgrywa bardzo ważne zadanie w silniku spalinowym. Zamiana energii chemicznej paliwa na ciepło, podczas reakcji utleniania, które zachodzą wewnątrz cylindra jest kluczowa dla uzyskiwanych parametrów pracy silnika i decyduje o: właściwościach energetycznych opisywanych mocą użyteczną, właściwościach ekonomicznych opisywanych sprawnością ogólną silnika, jak również jednostkowym zużyciem paliwa, właściwościach ekologicznych opisywanych wartością stężeń szkodliwych składników spalin. W silnikach spalinowych o zapłonie samoczynnym początek procesu spalania następuje samoistnie w momencie wtrysku paliwa do podgrzanego w wyniku sprężania powietrza. Zapłon w silniku o zapłonie samoczynnym jest skutkiem przebiegu procesów zachodzących podczas przygotowania ładunku do spalania. Procesy te przebiegają od momentu wtrysku paliwa do komory spalania samoistnie i brak jest możliwości korygowania ich przebiegu. Ważne znaczenie ma czas przygotowania mieszanki paliwowo-powietrznej. Jest on w rzeczywistości bardzo krótki, przez co stwarza wiele przyczyn niedoskonałości dalszego przebiegu spalania. Najważniejszymi z nich są: niedostateczna szybkość parowania paliwa, spalanie powierzchniowe na ściankach komory spalania i na powierzchni kropli paliwa, lokalne niedobory tlenu znajdujące się w objętości strugi rozpylonego paliwa, niejednorodny rozkład paliwa w przestrzeni komory spalania. Pierwsze ogniska zapłonu w komorze spalania silnika o zapłonie samoczynnym występują w miejscu, gdzie wytworzyła się mieszanina o składzie λ = 0,8 0,9, dla którego w określonych warunkach samozapłon występuje najłatwiej. Stąd rozchodzi się czoło płomienia obejmując mieszaniny par paliwa z powietrzem. Procesom fizykochemicznym prowadzącym do samozapłonu ulegają w pierwszej kolejności porcje paliwa, które najdłużej przebywają w warunkach wysokiej temperatury oraz ciśnienia w obecności powietrza, a więc głównie te dostarczone w pierwszej fazie wtrysku. W pozostałych miejscach komory spalania, bardzo często oddzielonych od rozpatrywanego obszaru strefą czystego powietrza, spalanie może rozpocząć się w wyniku działania istniejącego płomienia, lub w wyniku wystąpienia samozapłonu. Reasumując należy stwierdzić, że samozapłon może wystąpić jednocześnie w kilku miejscach komory spalania. 32

33 Podczas procesu wtrysku wokół strugi tworzy się powłoka odparowanego paliwa. Mając na uwadze szybką zmienność pola temperatur oraz koncentracji paliwa w strudze, zwłaszcza w warunkach dużej względnej prędkości powietrza i kropel paliwa, należy stwierdzić, że znaczna część kropel wtryśniętych podczas pierwszej fazy wtrysku nie zdoła utrzymać wokół siebie optymalnego składu mieszanki dla zainicjowania samozapłonu. Samozapłonowi łatwiej ulegają pary paliwa, które towarzyszą kroplom poruszającym się ze znacznie mniejszą prędkością [2, 3, 46]. Należy zatem założyć, że pierwsze ogniska samozapłonu pojawiają się zazwyczaj między zewnętrzną strefą par paliwa, a rdzeniem strugi. Wykorzystanie nowoczesnych technik optycznych pozwala na określenie obszaru, w którym najwcześniej pojawia się płomień. Wyniki przeprowadzonych w tej tematyce badań oraz dane literaturowe [27, 29, 72, 108] potwierdzają teoretycznie wyznaczoną lokalizację ognisk samozapłonu (rys. 2.27). Rys Miejsca występowania ognisk samozapłonu w strudze rozpylonego paliwa [44] Zależnie od lokalnej temperatury w obszarze, który jest objęty strugą rozpylonego paliwa występują różne odmiany spalania. Wyróżnić można trzy zasadnicze rodzaje spalania, związane z istnieniem pewnej temperatury granicznej T g, dla której prędkości procesów fizycznych oraz chemicznych zachodzących w strudze są zbliżone. W przypadku, gdy T = T g, utlenianie przebiega synchronicznie z homogenizacją mieszaniny. Prędkość spalania ulega istotnym zmianom, przy czym przeważa tendencja jej progresywnego wzrostu do momentu pojawienia się płomienia wybuchowego (detonacyjnego). Model takiego spalania odznacza się umiarkowanym czasem zwłoki zapłonu. Gdy początkowa temperatura mieszaniny T jest mniejsza od T g, wtedy wytwarzanie mieszaniny palnej oraz wyrównywanie koncentracji paliwa przebiega szybciej niż procesy chemiczne. Płomień rozprzestrzenia się w stosunkowo jednorodnej mieszaninie, natomiast spalanie przebiega według prawideł dla mieszaniny quasijednorodnej. Taka sytuacja jest związana z dużym opóźnieniem samozapłonu. Dla temperatur wyższych w przypadku, gdy T jest większa od T g, występuje krótszy okres opóźnienia samozapłonu, niestety za krótki, aby mieszanina uległa całkowitej homogenizacji. W takim przypadku procesy chemiczne przygotowania mieszanki do spalania przebiegają znacznie szybciej od procesów fizycznych odpowiedzialnych za jej wytworzenie. Płomień rozprzestrzenia się w mieszaninie o dużej niejednorodności, przechodząc w spalanie kontrolowane procesami dyfuzji par paliwa i powietrza [44]. Na poniższym rysunku 2.28 przedstawiono przebieg ciśnienia P b charakterystyczny dla opisywanych przypadków spalania. Przebiegi zostały uzyskane w wyniku przeprowadzonego eksperymentu w komorze o stałej objętości, dla strug rozpylonego paliwa o zmiennym 33

34 składzie mieszaniny, który określono lokalnym współczynnikiem nadmiaru powietrza λ rozpatrywanym w kierunku promieniowym. Przypadek pierwszy obrazuje sytuację, gdy struga paliwa przed spalaniem odznacza się stosunkowo dużą jednorodnością składu mieszaniny paliwowo-powietrznej. Takie warunki tworzenia mieszaniny występują przy temperaturze około 600 K. W tym przypadku zaobserwowano długi czas opóźnienia samozapłonu, spalanie przebiega z prędkością określoną głównie przez szybkość reakcji chemicznych, charakteryzuje je płomień kinetyczny. Drugi przypadek pokazuje przebieg spalania dla strugi o bardziej niejednorodnym składzie. Warunki takie występują w zakresie temperatur od 600 do 700 K. Przy skróconym opóźnieniu samozapłonu, spalanie ulega ciągłemu przyspieszaniu i towarzyszą mu szybki przyrost, jak również wahania ciśnienia o charakterze detonacyjnym. Trzeci przypadek spalania regulowanego głównie przez prędkość procesu dyfuzji występuje, gdy struga odznacza się bardzo dużą niejednorodnością (λ = 0 w rdzeniu), warunki takie występują dla temperatury powyżej 700 K. W miejscach, w których znajdują się jeszcze nieodparowane krople paliwa, zwiększenie temperatury powoduje cieplny rozkład paliwa. Ze względu na braku tlenu wypalanie tej części paliwa trwa dość długo, a produktem termicznego rozpadu cząsteczek węglowodorowych jest między innymi sadza. środek strugi Ciśnienie Pb płomień kinetyczny 3 r płomień wybuchowy (detonacyjny) 2 1 Ciśnienie Pb 3 r płomień dyfuzyjny 2 1 Ciśnienie Pb r Rys Odmiany spalania strugi rozpylonego paliwa w zależności od składu mieszaniny [44] Schemat struktury płomienia wokół kropli lub lokalnego skupiska wielu kropel dla stężenia par paliwa c pal malejącego wraz ze wzrostem odległości od powierzchni kropli pokazano na rysunku W tym obszarze wydzielono pięć stref, które różnią się od siebie charakterem reakcji chemicznych oraz składem i temperaturą. W strefie I odcinek 1-2 na krzywej zmian temperatury zachodzi początkowe stadium przegrzewania par paliwa, a także wstępne reakcje termodestrukcji oraz utleniania cząsteczek węglowodorowych paliwa. 34

35 Temperatura, stężenie Produktami reakcji są nadtlenki i aldehydy, których rozpad jest niemożliwy w tej strefie ze względu na niską temperaturę oraz krótki czas dyfuzji. W strefie II odcinek 2-3 zachodzi już głęboka destrukcja, a także utlenianie nadtlenków i aldehydów, prowadzące do formowania się końcowych dla tej strefy produktów, tj. CO, H 2, H 2 O, węglowodorów i produktów ich rozkładu, które po procesach odwodornienia, cyklizacji oraz polimeryzacji prowadzą do pojawienia się cząstek sadzy [44]. Utlenianie tlenku węgla jest utrudnione ze względu na obecność węglowodorów. W strefie III odcinek 3-4 endotermiczne reakcje rozpadu węglowodorów intensyfikują się, powoduje to w konsekwencji spadek szybkości wydzielania się ciepła, który przejawia się spadkiem szybkości narastania temperatury. Strefa IV charakteryzuje wysokotemperaturowy obszar płomieniowy, który obejmuje świecący front płomienia (odcinek a-b). Na tym odcinku zachodzi dopalanie, CO i H 2 oraz podwyższenie do maksimum temperatury, oprócz tego odcinek ten odznacza się największą prędkością przebiegania reakcji syntezy NO. W ostatniej V strefie zaobserwować można dalsze dopalanie, CO i H 2, jak również wypalanie cząstek sadzy o skuteczności zależnej od turbulentności ładunku oraz dostępności tlenu. Pomimo tworzenia się, CO 2 i H 2 O w tej strefie, ich stężenia maleją w wyniku dyfuzji od wewnętrznej granicy strefy płomieniowej i postępującego wyrównywania się stężeń w całej objętości komory spalania. Występowanie kropel w niewielkich odległościach może być przyczyna przenikania się tych stref oraz ograniczenia wielkości stref zewnętrznych IV i V. I II III IV V a b 5 4 T c pal 3 CO O H 2 H 2 O CO 2 Odległość od powierzchni kropli Rys Schemat struktury płomienia wokół kropli paliwa [44] (szczegółowe wyjaśnienie w tekście) W pracy [44] autor wyraża opinię, że spalanie w płomieniu dyfuzyjnym dwufazowej mieszanki palnej, znamienne dla spalania pojedynczej kropli lub ich lokalnych skupisk, charakteryzuje się następującymi właściwościami: wysoką temperaturą w strefie reakcyjnej, gdzie tworzy się tlenek azotu i dużym gradientem temperatury w obszarze między czołem płomienia i powierzchnią parującej kropli, intensywnym procesem termodestrukcji cząstek węglowodorów paliwa, który prowadzi przez odwodornienie, do przygotowania substratów do późniejszego formowania się cząstek stałych, 35

36 wielostopniowym charakterem utleniania węglowodorów oraz tworzeniem się CO i H 2 w stadiach początkowych, a także CO 2 i H 2 O w końcowych, jedynie częściowym dopalaniem CO i H 2 w strefie frontu płomienia i intensywnym za tą strefą, czemu towarzyszy wypalanie powstałych wcześniej cząstek stałych. Analiza makrostruktury palącej się strugi wtryskiwanego paliwa do cylindra wyraźnie ukazuje, że sadza powstaje w obszarach bogatych w paliwo (rys. 2.30). Przyjmując rozkład temperatur przedstawiony na rysunku 2.30 można w palącej się strudze wyróżnić następujące strefy (rys. 2.31) [44]: strefa (a) - strefa zewnętrzna, w której znajduje się powietrze porwane przez strugę paliwa, strefa (b) - strefa porywania powietrza przez strumień paliwa, w tej strefie zachodzi wypalanie sadzy w trakcie przemieszczania się ku zewnętrznym warstwom strugi, strefa (c) - bogaty w paliwo rdzeń, który zawiera nie zmieszane z powietrzem i nie spalone paliwo, przeważnie w tej strefie powstaje sadza, strefa (d) - strefa reakcyjna, zachodzą w niej reakcje chemiczne z wydzielaniem ciepła oraz gromadzą się produkty spalania. a) b) = 1 l s r x T NO x PM temperatura = 1 T NO x PM = 1 temperatura PM NO x PM NO x b) r x Rys Schemat rozkładu temperatury, składu mieszanki palnej oraz szybkości formowania się NO x i PM wzdłuż: a) promienia r w przekroju poprzecznym, b) osi podłużnej x palącej się strugi paliwa [44] = 1 rozpylacz a = 1 b c d ścianka komory spalania Rys Obszary makrostruktury palącej się strugi paliwa: a) strefa zewnętrzna, b) strefa porywania powietrza, c) strefa rdzenia strugi, d - strefa reakcyjna [44] 36

37 Temperatura [K] Powyższa analiza, a także informacje dostępne w literaturze przedmiotu wskazują, że formowanie sadzy odbywa się w obszarach bogatych w paliwo [29, 82]. Powstawanie NO następuje z kolei podczas spalania mieszanek ubogich, przy wyższych temperaturach. Na podstawie badań opisanych w [93] przedstawiono na rysunku 2.32 schemat przedstawiający obszary formowania sadzy oraz NO w strudze rozpylonego paliwa temperatura obszar formowania sadzy obszar formowania NO 500 pożądane 0 0,5 1 1,5 2 rozpylacz struga paliwa Rys Schemat ideowy obszarów tworzenia się sadzy i NO w strudze rozpylonego paliwa w zależności od jej składu i temperatury [93] Przedstawiony rozkład został wykonany z uwzględnieniem lokalnej temperatury oraz współczynnika nadmiaru powietrza w rozpylonej strudze paliwa. Ciemniejszy kolor charakteryzuje większe stężenie rozpatrywanych produktów spalania. W przytoczonym modelu pokazano także strefy występowania mieszaniny o określonym współczynniku nadmiaru powietrza w strudze. Najkorzystniejszym rozwiązaniem z punktu widzenia emisji zarówno sadzy jak i NO byłoby ujednorodnienie strugi tak, aby w całej objętości występowało λ 0,8 0,9. Jednak z punktu widzenia autora pracy, jest to trudne do osiągnięcia w rzeczywistych warunkach Mechanizmy powstawania związków toksycznych Głównym źródłem substancji zanieczyszczających atmosferę jest układ wylotowy silnika spalinowego. Skład gazów wydzielanych z układu wylotowego jest zależny w znacznym stopniu od obiegu silnika, warunków jego pracy, a w szczególności od współczynnika nadmiaru powietrza. Do podstawowych gazowych składników toksycznych spalin zaliczamy tlenek węgla (CO), niespalone węglowodory (THC) oraz tlenki azotu (NO x ). Dodatkowo w procesie roboczym silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym, powstają również cząstki stałe (PM). Skład gazów w dużym stopniu zależny jest od charakteru pracy danego silnika, co ściśle powiązane jest ze współczynnikiem nadmiaru powietrza. W związku z powyższym pojawiają się znaczne różnice między emisją związków toksycznych dla silników o zapłonie iskrowym i zapłonie samoczynnym (rys. 2.33). Produktami idealnego procesu spalania paliw węglowodorowych jest para wodna oraz dwutlenek węgla (CO 2 ). 37

38 CO, NOx, THC, ppm Rzeczywisty proces charakteryzuje się niecałkowitym i niezupełnym spalaniem, w wyniku czego powstają związki szkodliwe zarówno dla organizmu człowieka, jak i środowiska naturalnego [98]. Ogólny pogląd na mechanizmy powstawania związków toksycznych i sadzy w silnikach o zapłonie samoczynnym wiąże ich powstawanie z niejednorodnością składu mieszanki paliwowo-powietrznej. Spowodowana jest ona przede wszystkim sposobem dostarczania paliwa, wtryskiem do komory spalania. W dalszej części przedstawiona zostanie bardziej szczegółowa teoria dotycząca powstawania związków toksycznych w procesie roboczym silnika spalinowego. Powstawanie związków toksycznych spalin jest ściśle związane z przebiegiem procesu spalania w cylindrze silnika. Dlatego też w poprzednich rozdziałach, podczas opisu zagadnień dotyczących tworzenia mieszanki i jej spalania, zamieszczono liczne nawiązania do procesów formowania związków toksycznych spalin. THC Rys Zależność p i i g e oraz emisji CO, THC, NO x, D B od współczynnika nadmiaru powietrza dla silnika o zapłonie samoczynnym [15] 38

39 W tabeli 2.1 przedstawiono główne przyczyny oraz okoliczności sprzyjające powstawaniu związków toksycznych. Tabela 2.1 Główne przyczyny i okoliczności sprzyjające powstawaniu NO x, CO, THC i PM w silnikach spalinowych [15] Zanieczyszczenia NO x CO THC PM Przyczyny powstawania Okoliczności sprzyjające Strefa popłomienna przy składzie mieszanki zbliżonym do stechiometrycznego Wysoka temperatura w cylindrze podczas spalania, wysokie ciśnienie Spalanie niskotemperaturowe dysocjacja CO 2 w strefach o wysokiej temperaturze, rozpad aldehydów, silniki ZI niedobór powietrza, silniki ZS strefy o niedoborze powietrza i niedostatecznym wymieszaniu paliwa i powietrza Chłodzące oddziaływanie ścian cylindra i głowicy Niespalone paliwo (mieszanka), wygaszanie płomienia na ściankach cylindra i głowicy, w szczelinach między tłokiem i cylindrem, w rowkach pomiędzy zaworem i gniazdem, strefy zbyt bogatej lub zbyt ubogiej mieszanki, przedmuchy mieszanki, niezupełne spalanie przy niedoborze powietrza Rozpad termiczny paliwa, np. przy jego wtrysku do stref gorących objętych przez płomień Długi czas wtrysku, zbyt mało powietrza do spalania, zwłaszcza przy dużych obciążeniach Tlenek węgla (CO) powstaje głównie z powodu lokalnego lub globalnego braku tlenu, podczas procesu spalania. Poza tym powstaje w reakcjach niskotemperaturowego utleniania węglowodorów oraz ich pochodnych w tzw. zimnym i niebieskim płomieniu, a także w wyniku rozpadu aldehydów. Dodatkowo CO wydziela się także w wyniku dysocjacji dwutlenku węgla w wysokich temperaturach pod koniec procesu spalania. Powstawanie tlenku węgla przebiega według reakcji: (2.1) Powstanie CO wywołane może być niedostatecznym rozpyleniem oraz odparowaniem paliwa ciekłego, na co zasadniczy wpływ ma działanie aparatury wtryskowej. Istotne jest tu ciśnienie wtrysku, a także odpowiednie zawirowanie ładunku w komorze spalania. Na wzrost ilości tlenku węgla w spalinach wpływa również zbyt niska temperatura procesu spalania. W początkowym etapie spalania poziom tlenku węgla w strefie płomienia gwałtownie wzrasta i jest znacznie wyższy niż dla adiabatycznego spalania mieszanki paliwowopowietrznej. Jednak CO powstaje przede wszystkim w strefie gazów popłomiennych, gdzie osiąga stężenie równowagowe, a szybkość jego tworzenia jest największa. Powstawanie tlenku węgla jest jedną z podstawowych reakcji spalania paliwa węglowodorowego. Mechanizm ten szczegółowo opisują reakcje [67]: RH R RO 2 RCHO RCO CO (2.2) 39

40 Powstały w wyniku reakcji (2.2) CO jest następnie utleniany do CO 2 w znacznie wolniejszym tempie. Zasadnicza reakcja utleniania CO jest następująca: Jest ona ściśle związana z mechanizmem utleniania wodoru: CO OH CO 2 H (2.3) H O 2 OH O (2.4) Utlenianie tlenku węgla w obecności pary wodnej odbywa się przy współudziale tlenku azotu: CO H 2 O CO 2 H 2 (2.5) 2NO 2H 2 N 2 2H 2 O (2.6) W redukcyjnych procesach bardzo często obserwuje się reakcje rozpadu CO: 2CO CO 2 C (2.7) W badaniach opisanych w [29] stwierdzono, że w okresie spalania reakcje utleniania tlenku węgla są wystarczająco szybkie, aby być stale w równowadze. Natomiast podczas późniejszych etapów suwu rozprężania teoria przewiduje, że tworzenie CO przechodzi od stanu równowagi w rezultacie utlenienia do CO 2. Udowodniono dodatkowo, że spalone gazy nie są jednolite pod względem temperatury. Proces wylotu spalin, któremu towarzyszy spadek temperatury, zajmuje znaczną część cyklu. Ponadto stwierdzono, że prędkości zmiany temperatury oraz ciśnienia części ładunku o różnej lokalizacji w cylindrze różnią się w zależności od tego, kiedy wydostają się z cylindra i wchodzą do kolektora wylotowego. W przypadku bogatych mieszanek przeciętne stężenia tlenku węgla w spalinach są podczas procesu rozprężania bliskie stanowi równowagi. Dla mieszanek o składzie zbliżonym do stechiometrycznego, przewidywania co do częściowego stanu równowagi reakcji tworzenia tlenku węgla są zgodne z wynikami uzyskiwanymi z pomiarów i są o rząd wielkości wyższe niż przewidywane, według modeli opartych na kinetycznych mechanizmach procesu. Różnica ta wynika głównie z częściowego utleniania ładunku do CO podczas rozprężania i wylotu, przy jednoczesnej obecności niespalonych węglowodorów osiadających na ściankach komory spalania oraz cylindra [65]. Zawartość tlenków azotu (NO x ) w spalinach silników spalinowych zwiększa się wraz ze wzrostem maksymalnej temperatury spalania. Są to głównie: tlenek azotu NO (około 90%), a także mniejsze ilości dwutlenku azotu NO 2. Tlenki azotu wywiązują się w komorze spalania w wyniku utleniania azotu atmosferycznego, przy czym tworzy się głównie NO, a NO 2 powstaje powtórnie z istniejącego już wcześniej NO. Tlenki azotu NO x powstają w wysokich temperaturach, które przekraczają 1700 K i przy nadmiarze powietrza. Do podstawowych reakcji prowadzących do powstawania tlenków azotu można zaliczyć: N 2 + O 2 2NO (2.8) N + NO N 2 + O (2.9) N + O 2 NO + O (2.10) N + OH NO + H (2.11) 40

41 Reakcje, które prowadzą do powstania tlenku azotu NO zachodzą najłatwiej za frontem płomienia, ponieważ panuje tam wyższa temperatura i ciśnienie. Koncentracja tlenków azotu osiąga maksymalne wartości przy takim nadmiarze powietrza, podczas którego występują najczęściej minimalne wartości CO i THC. Tlenki azotu (NO x ) powstają głównie wtedy, gdy silnik spalinowy osiąga maksymalną sprawność cieplną. Węglowodory (THC) występujące w spalinach silnikowych to związki węgla i wodoru powstające wskutek niezupełnego (częściowe utlenianie paliwa) i niecałkowitego spalania paliwa. Oprócz składników paliwa niezmienionych przez proces spalania związki te zawierają również produkty złożonych reakcji chemicznych pomiędzy węglowodorami. W spalinach silników spalinowych identyfikowanych jest ponad 200 [46] związków węglowodorowych, pochodzących głównie z reakcji chemicznych z udziałem paliwa oraz oleju silnikowego. Niezupełne i niecałkowite produkty spalania powstają zazwyczaj w wyniku przerwania łańcuchów reakcji elementarnych, czemu sprzyja lokalny brak tlenu, a także zakłócenia procesu spalania. Po spaleniu ciekłego paliwa w spalinach występują także gazowe węglowodory tj. metan, etan, etylen, acetylen itd. Pozostałe związki to produkty niezupełnego spalania, do których należą aldehydy, ketony, alkohole oraz kwasy organiczne [86]. Głównymi przyczynami powodującymi niecałkowite spalanie paliw węglowodorowych są przede wszystkim [65]: brak tlenu, głównie lokalny, efekt przyścienny i szczelinowy, wypadanie zapłonów, zużycie oleju smarującego, parowanie oleju i paliwa. W normalnych warunkach pracy silnika spalinowego globalny niedobór tlenu nie powinien wystąpić, jednak problemem mogą być lokalne braki tlenu. W silniku o zapłonie samoczynnym wynikają one przede wszystkim z nierównomierności składu mieszanki, co jest efektem sposobu tworzenia mieszaniny palnej przez wtrysk paliwa do cylindra. Zjawiskami sprzyjającymi niedoborom lokalnym tlenu są głównie nieodpowiednie rozpylenie paliwa, a w konsekwencji niedostateczne jego zawirowanie. Niedobór globalny występuje, gdy w komorze spalania jest zbyt bogata mieszanka, średnia wartość współczynnika nadmiaru powietrza λ<1. Efekt przyścienny ma miejsce, gdy temperatura mieszanki paliwowo-powietrznej w okolicy ścianek komory spalania jest zbyt mała, aby mogło nastąpić spalanie. Zjawisko to objaśnić można przy użyciu dwóch teorii dotyczących rozprzestrzeniania się płomienia. Pierwsza z nich określa, że kolejne warstwy mieszanki paliwowo-powietrznej są ogrzewane przez ciepło wywiązane w wyniku spalania warstw poprzednich. Przekazywanie ciepła następuje przez przewodzenie, promieniowanie oraz dyfuzję gorących spalin do mieszanki i na odwrót. Natomiast gaśnięcie następuje, gdy straty ciepła do ścianek komory są tak duże, że mieszanka paliwowo-powietrzna w warstwie przyściennej nie osiąga temperatury zapłonu. Druga teoria mówi, że kluczowe znaczenie odgrywa stężenie aktywnych cząstek produktów pośrednich spalania. Płomień gaśnie w momencie, gdy stężenie spada poniżej wartości granicznej, będącej funkcją ciśnienia, temperatury i składu mieszanki. Grubość zimnej 41

42 warstwy przyściennej wynosi od 0,05 do 0,38 mm w zależności od ciśnienia, temperatury, a także intensywności zawirowań [65]. Ilość THC występujących w warstwie przyściennej znacznie przewyższa ich poziom zawarty w spalinach, są one utleniane także w czasie suwu rozprężania i wylotu. W środkowej części komory spalania stężenie THC jest niewielkie. W momencie otwierania zaworu wylotowego cylinder opuszcza początkowo niewielka ilość gazów występujących w okolicach zaworu, natomiast przy dalszym otwieraniu wypływają już gazy ze środka cylindra. W związku z hamowaniem przez tarcie powierzchniowe przepływu gazów z warstw przyściennych, pozostająca w cylindrze reszta spalin ma charakter przyścienny, o dużym stężeniu węglowodorów. A więc spaliny znajdujące się po przeciwnej stronie cylindra tj. wzdłuż ścianki równoległej do zaworu dolotowego, muszą wypchnąć najpierw gazy z centralnej części cylindra. W momencie zamknięcia zaworu wylotowego mamy do czynienia ze spadkiem stężenia za zaworem wylotowym na skutek przepływu zwrotnego gazów w kierunku cylindra w końcu suwu wylotu. Prędkość utleniania w układzie wylotowym jest zależna w głównej mierze od temperatury. Efekt szczelinowy pojawia się podczas wygaszania płomienia w wąskich szczelinach, o szerokości mniejszej od wartości krytycznej. Przyczyną takiego zjawiska jest intensywne odprowadzanie ciepła do ścianek. Minimalna szerokość kanału lub średnica przewodu, w którym może przemieszczać się czoło płomienia, określana jest jako odległość wygaszania. Reasumując należy stwierdzić, że stężenie węglowodorów pochodzących z tzw. przestrzeni szkodliwej jest wprost proporcjonalne do objętości tych przestrzeni, które są odniesione do objętości komory spalania [76]. Kolejną z przyczyn powodujących powstawanie THC jest wypadanie zapłonów. Zjawisko to spowodowane jest przede wszystkim czynnikami eksploatacyjnymi oraz konstrukcyjnymi silnika spalinowego. Zachodzi głównie podczas zimnego rozruchu, a także nagrzewania się silnika, gdy zbyt niska temperatura utrudnia samozapłon mieszanki. Istotny wpływ na emisję węglowodorów ma również zużycie oleju przez silnik, przede wszystkim szkodliwe są produkty reakcji pirolizy (rozpadu) i pirosyntezy (przebudowy) struktur par oleju. W następstwie tych reakcji powstają ciężkie związki aromatyczne tj. wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne oraz ich pochodne (np. węglowodory heterocykliczne), które charakteryzują się dużą szkodliwością dla organizmów żywych. Ponadto parowanie paliwa z układu paliwowego pojazdu, jest źródłem emisji THC. Dotyczy to szczególnie pojazdów z silnikami o zapłonie iskrowym, w mniejszym stopniu o zapłonie samoczynnym, ponieważ benzyny są znacznie bardziej lotne niż olej napędowy. Cząstki stałe PM jest to cała materia, która gromadzi się w filtrze absolutnym (o skuteczności 99% zatrzymywania części stałych o najmniejszym swoim wymiarze większym od 0,3 m) po przejściu przez niego strumienia spalin rozcieńczonych powietrzem do temperatury (52 3) C [65]. Nieregularne zgromadzenia węgla w postaci sadzy o budowie zbliżonej do budowy grafitu PM C, C SOLID, stanowią osnowę cząstek stałych (rys. 2.34). 42

43 PM INSOL(nierozpuszczalne) SOF(rozpuszczalne) część węglowa PM C część pochodząca ze spalania oleju smarującego PM LUBE część pochodząca ze spalania paliwa PM FUEL gazowe HC C SOLID ( węgiel stały ) HC P (ciekłe) HC woda (głównie wiążąca siarczany) siarczany azotany pozostałe Rys Skład cząstek stałych; PM cząstki stałe, PM C, C SOLID część węglowa cząstki stałej, INSOL frakcja nierozpuszczalna w dwuchlorometanie, SOF frakcja rozpuszczalna w dwuchlorometanie, PM LUBE część węglowodorowa cząstki stałej pochodząca z oleju, PM FUEL część węglowodorowa cząstki stałej pochodząca z paliwa, HC P część węglowodorowa cząstki stałej [67] Sadza odznacza się znacznym stopniem porowatości, tzn. małą gęstością oraz dużym polem rozwiniętej powierzchni, a więc ma dużą skłonność do pochłaniania gazów i cieczy. Skład cząstek stałych tworzą zaabsorbowane przez sadzę związki organiczne pochodzące z paliwa (PM FUEL ) i oleju (PM LUBE ), a także woda oraz sole, głównie siarczany i azotany. Oprócz tego w składzie cząstek stałych znajdują się także inne substancje, tj. metale, które pochodzą z produktów ścierania części silnika oraz z dodatków i zanieczyszczeń paliwa, a także oleju. Aktualnie znane są różne hipotezy wyjaśniające sposób tworzenia cząstek stałych w silnikach spalinowych. Pierwsza faza spalania w silnikach o zapłonie samoczynny dotyczy mieszaniny o jednorodnym składzie, która powstaje w okresie opóźnienia samozapłonu. W płomieniu kinetycznym wywiązywanie się ciepła przebiega bardzo szybko i odznacza się niską intensywnością świecenia. Spalaniu dyfuzyjnemu, czyli następnemu etapowi towarzyszy intensywne świecenie, wskazujące na obecność promieniujących cząstek sadzy. Faza ta odgrywa zasadniczą rolę (rys. 2.35) w procesie tworzenia się sadzy [42, 45]. Występująca w wysokiej temperaturze piroliza cząstek paliwa węglowodorowego skutkuje ich termodestrukcją. Następstwem rozpadu cieplnego jest powstanie węglowodorów nienasyconych, które są pozbawione w dużym stopniu wodoru tzw. proces dehydrogenacji. Oprócz dehydrogenacji reakcje pirolityczne, które zachodzą w procesie spalania paliwa obejmują: kraking (rozpad cząsteczek), polimeryzację (łączenie się wielu prostych cząsteczek w substancje stanowiącą ich wielokrotność), a także kondensację (łączenie się wielu cząsteczek w jedną większą o odmiennych właściwościach). W niższych temperaturach przeważają egzotermiczne reakcje polimeryzacji, a także kondensacji, natomiast w wyższych temperaturach przeważa endotermiczny rozpad. Efektem końcowym tych procesów jest cząstka sadzy, na którą następnie wskutek koagulacji nakładają się kolejne, równoległe do powierzchni warstwy. Im cząsteczki sadzy są większe, tym trudniejsze jest ich wypalanie się w płomieniu. 43

44 stężenie sadzy w cylindrze prędkość wywiązywania się ciepła stężenie wylotu samozapłon zakończenie spalania otwarcie zaworu wylotowego GMP [ o OWK] sadza wydzielona netto wypalanie sadzy wydzielonej netto powstawanie i wypalanie sadzy x spalanie dyfuzyjne x [ o OWK] x spalanie kinetyczne Rys Przebieg wywiązywania się ciepła w cylindrze silnika i zmiana koncentracji sadzy w funkcji kąta obrotu wału korbowego [67] Większość przedstawianych w literaturze przedmiotu opinii odnoszących się do formowania sadzy skłania się za przyjęciem mechanizmu jej tworzenia opisanego przez Chakraborty ego oraz Longa (rys. 2.36) [22, 28]: w wyniku procesów termicznych z cząsteczek paliwa usunięte zostają atomy wodoru, które powodują dalsze odwodornienie cząsteczki. Im łatwiej przebiega usuwanie atomów wodoru w porównaniu ze zrywaniem wiązań węglowych, tym łatwiejsze jest tworzenie się sadzy, odwodornione cząsteczki ulegają następnie dalszemu rozpadowi przy czym acetylen jest ostatnim związkiem przed pojawieniem się sadzy, acetylen i inne fragmenty rozłożonych termicznie węglowodorów podlegają polimeryzacji oraz cyklizacji, a w przypadku wzrostu temperatury dalszemu odwodornieniu, w wyniku których powstają ciężkie kompleksy węglowe o strukturze wielopierścieniowej, będące zarodnikami sadzy. Podczas trwania procesów silnikowych ilość sadzy ulega zmianie. Na etapie spalania dyfuzyjnego następuje gwałtowny jej przyrost, aż do momentu osiągnięcia pewnej wartości maksymalnej (sadza wydzielona netto) występującej w chwili zakończenia spalania. W momencie osiągnięcia tego poziomu ilość wypalonej sadzy jest większa od liczby powstałych cząstek sadzy. Do momentu otwarcia zaworu wylotowego następuje spadek jej zawartości. Wypalaniu sadzy sprzyja przede wszystkim wyższa temperatura, a także większa koncentracja tlenu. Proces wypalania zostaje przerwany w chwili zmniejszenia temperatury. Według autora pracy [65] istnieje możliwość utlenienia nawet około 85% sadzy wydzielonej netto. 44

45 węglowodór alifatyczny kraking + odwodornienie etylen acetylen H H C=C H H ((H C C H ( wodór/h H)) dwuacetylen (H C C C C H) poliacetylen PAH cyklizacja + polimeryzacja uwodornienie T < 1300K polimery cyklizacja + odwodornienie T > 1300K kompleks węglowy o strukturze wielopierścieniowej krystality sadzy w układzie heksagonalnym Rys Schemat formowania się sadzy według Chakraborty ego i Longa [65] Na ilość wydzielonej w spalinach sadzy wpływ mają czynniki, którymi odznacza się proces wtrysku, jak również spalania paliwa. Najistotniejszym wyznacznikiem w tej kwestii jest średnia wartość współczynnika nadmiaru powietrza przy spalaniu skorelowana z ilością paliwa wtryśniętego po samozapłonie. Kolejnym ważnym czynnikiem jest ilość paliwa spalonego w płomieniu dyfuzyjnym. Reasumując powyższe można stwierdzić, że w miarę zmniejszania się temperatury masa cząstek stałych zwiększa się, głównie z powodu skraplania się niektórych węglowodorów. Dodatkowo czas przebywania cząstek stałych w środowisku wpływa na ich skład, a także masę. Ponadto należy dodać, że istotne znaczenie w pomiarach wielkości charakteryzujących emisję cząstek stałych ma jednoznaczność warunków przeprowadzania badań. Emisja cząstek stałych w silnikach spalinowych o zapłonie samoczynnym, jest jednym z najistotniejszych problemów ekologicznych. Tworzenie się sadzy towarzyszy szczególnie dyfuzyjnemu okresowi spalania paliwa. Stężenie sadzy wzrasta aż do końca wywiązywania się ciepła, a następnie wykazuje tendencję spadkową na skutek utleniania sadzy aż do momentu spadku temperatury do poziomu, który powoduje przerwanie tej reakcji. Sadza sama nieszkodliwa absorbuje różne substancje szkodliwe dla środowiska, głównie dla organizmów żywych, są to przede wszystkim ciężkie związki organiczne, w tym także wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. 45

46 3. CEL I TEZA PRACY Na podstawie rozpoznania literaturowego dotyczącego rozpylenia paliwa oraz jego wpływu na emisję związków toksycznych spalin silnika o zapłonie samoczynnym można sformułować następujące wnioski: Parametry rozpylanych strug paliw są ściśle zależne od właściwości fizykochemicznych paliwa oraz czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych. Prowadzenie badań procesu rozpylenia paliwa wymaga wykorzystania skomplikowanej i drogiej aparatury, wykonanie tego typu pomiarów na rzeczywistym silniku stwarza dodatkowe utrudnienia. Większe rozdrobnienie kropel paliwa w strudze sprzyja osiąganiu mniejszego zasięgu strugi, większego kąta rozwarcia jej stożków, większej powierzchni, a także równomierności w rozkładzie paliwa. Opis przebiegu procesu spalania oraz tworzenia związków toksycznych spalin silników o zapłonie samoczynnym wskazuje na ich powiązanie z rozpyleniem paliwa. W strefach bogatych w paliwo, które występują w rdzeniu strugi powstaje sadza, natomiast spalanie mieszanki ubogiej prowadzi do powstawania tlenków azotu. Proces wtrysku oraz rozpylenie paliwa mają bardzo duży wpływ na wskaźniki pracy silnika o zapłonie samoczynnym. Wynika z tego, że nadal będą prowadzone intensywne badania w tym kierunku, pozwalające na uzyskanie korzystniejszych parametrów użytkowych silnika. Celem pracy jest wykazanie czy warunki interakcji strugi wtryskiwanego paliwa i ścianki tłoka mają wpływ na zwiększenie intensywności procesów przedpłomiennych (przygotowania paliwa do samozapłonu i odparowania), a jednocześnie pozwolą znacząco ograniczyć emisję składników toksycznych spalin silnika o zapłonie samoczynnym. Określenie związku między strukturą strugi paliwa i emisją związków toksycznych spalin umożliwi, już podczas etapu projektowania, dobrać właściwe parametry konstrukcyjne, jak również eksploatacyjne układu wtryskowego, jednocześnie mając przy tym na uwadze ich wpływ na pracę silnika spalinowego. Badania te powinny stanowić pierwszy, poprzedzający badania silnikowe, etap weryfikacji wpływu nowo konstruowanych lub unowocześnianych elementów układu wtryskowego w aspekcie poprawy wskaźników emisyjnych silnika spalinowego. Dzięki temu możliwe będzie zmniejszenie kosztów optymalizacji układu wtryskowego silników o zapłonie samoczynnym przez częściowe wyeliminowanie badań silnikowych na rzecz relatywnie tańszych i łatwiejszych do wykonania badań wizualizacyjnych rozpylenia paliwa. Głównymi celami cząstkowymi pracy są: Analiza mechanizmu rozpylenia paliwa Analiza interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka (badawcza i symulacyjna) Analiza procesu spalania Wpływ parametrów wtrysku na procesy cieplne silnika spalinowego 46

47 Przeprowadzone studium literatury, jak również doświadczenia własne autora pozwalają na sformułowanie następującej tezy pracy: Miejsce kontaktu strugi wtryskiwanego paliwa i ścianki tłoka wpływa znacząco na procesy przygotowania ładunku (rozbicie kropel paliwa o ściankę tłoka oraz zawirowanie ładunku) i w konsekwencji poprawę warunków jego spalania. Należy sądzić, że istnieje zależność między parametrami strugi rozpylonego paliwa, określonymi w wyniku pozasilnikowych badań optycznych, a emisją związków toksycznych spalin silników o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Określenie tych relacji pozwoli przewidywać, na podstawie parametrów rozpylenia, uwarunkowania zmian emisji związków toksycznych spalin. Za kryterium oceny weryfikowanej tezy pracy przyjęto wartości emisji podstawowych związków toksycznych spalin emitowanych przy silnik spalinowy zasilany olejem napędowym. Zweryfikowanie tak sformułowanej tezy oraz spełnienie celu pracy wymagało przeprowadzenia badań porównawczych na dwóch stanowiskach badawczych, tj. na stanowisku pozasilnikowym w komorze o stałej objętości, umożliwiającej analizę parametrów rozpylanych strug paliwa oraz stanowisku hamownianym wyposażonym w silnik badawczy o zapłonie samoczynnym. 47

48 4. METODYKA BADAŃ 4.1. Przedmiot i zakres badań Przedmiotem badań podjętych w pracy był proces rozpylenia oraz spalania oleju napędowego dla rozpylaczy 1 i 6-otworkowych. Badania składały się z trzech zasadniczych części: 1) Pierwsza część obejmowała badania modelowe interakcji strugi wtryskiwanego paliwa na ściankę tłoka, na stanowisku pozasilnikowym w komorze o stałej objętości. 2) Druga część badań dotyczyła symulacyjnej analizy rozpylenia w aspekcie kontaktu paliwa ze ścianką tłoka. 3) Trzecia ostatnia część badań obejmowała badania silnikowe wpływu usytuowania wtryskiwacza na przebieg procesu spalania i emisję składników toksycznych spalin silnika o zapłonie samoczynnym. Badania modelowe na stanowisku pozasilnikowym w komorze o stałej objętości przeprowadzono w dwóch zasadniczych etapach: Etap I badanie rozpatrywanych końcówek rozpylacza oraz przygotowanie końcówki badawczej z 1-otworkiem wylotowym. Podczas badań wykorzystano prototypowy rozpylacz z jednym otworkiem wylotowym. Etap II stanowiły badania wizualizacyjne rozpylenia paliwa z wykorzystaniem rozpylacza 1-otworkowego. Każdy z dwóch wykonywanych etapów badań modelowych poprzedzały wcześniejsze przygotowania stanowiska, a otrzymane wyniki poddawane były analizie. Druga zasadnicza część badań obejmowała symulacyjną analizę rozpylenia w aspekcie kontaktu paliwa ze ścianką tłoka. Badania symulacyjne wykonano przy użyciu oprogramowania AVL Fire Jest to program, który służy do symulacji procesów wewnątrzsilnikowych podczas badań wtrysku i spalania paliw ciekłych. Wykonane badania dotyczyły interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka, a także rozkładu stężenia paliwa w strudze. W ostatnim trzecim etapie wykonano badania stężenia związków toksycznych spalin otrzymane w procesie spalania oleju napędowego przy użyciu wtryskiwacza z rozpylaczem konwencjonalnym 6-otworkowym. Badania przeprowadzono na jednocylindrowym silniku badawczym AVL Otrzymane wyniki badań pozwoliły na określenie wpływu zmiany warunków rozpylenia paliwa na emisję składników toksycznych spalin w silniku o zapłonie samoczynnym. Otrzymane charakterystyki pokazały jaki wpływ ma położenie wtryskiwacza na emisję CO, NO x, THC i PM. Szczegółowy schemat postępowania przy realizacji celu pracy przedstawiono na (rys. 4.1). Wszystkie badania zostały wykonane w Laboratorium Silników Spalinowych, Instytutu Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej. 48

49 Wnioski Badania silnikowe Badania eksperymentalne i symulacyjne Cel główny i teza pracy Analiza stanu wiedzy Wstęp i geneza Funkcja rozdziału Tytuł rozdziału i zawartość Numer rozdziału Wprowadzenie i ogólna charakterystyka pracy 1 Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silniku o zapłonie samoczynnym - analiza procesu rozpylenia - analiza procesu spalania - mechanizmy powstawania związków toksycznych 2 Cel i teza pracy 3 Metodyka badań i opis stanowisk badawczych 4 Modelowe badania interakcji strugi paliwa na ściankę tłoka - badania wizualizacyjne jakości rozpylenia paliwa - analiza rozkładu paliwa w komorze spalania - analiza ciśnienia wtrysku oraz przeciwciśnienia powietrza na rozpylenie paliwa 5 Symulacyjna analiza rozpylenia w aspekcie kontaktu paliwa ze ścianką tłoka 6 Badania silnikowe wpływu usytuowania wtryskiwacza na przebieg procesu spalania i emisję składników toksycznych spalin - badania indykatorowe - badania emisyjne 7 Wnioski i kierunki dalszych prac badawczych 8 Rys Schemat postępowania przy realizacji celu pracy 49

50 4.2. Metodyka badań pozasilnikowych (modelowych) Opis stanowiska badawczego Badania wizualizacyjne jakości rozpylenia paliwa dla rozpylacza 1-otworkowego przeprowadzono na specjalistycznym stanowisku badawczym, którego widok przedstawiono na rysunku 4.2, a jego schemat na rysunku 4.3. Stanowisko badawcze składa się z trzech zasadniczych modułów funkcyjnych. Pierwszą część stanowi moduł zasilający wtryskiwacz w paliwo o odpowiedniej wartości ciśnienia oraz w sygnał elektryczny zasilający cewkę zaworu elektromagnetycznego wtryskiwacza, doprowadzany impulsowo w celu jego otwarcia. Jako moduł zasilający wykorzystano stanowisko do testowania pomp i wtryskiwaczy (STPiW-1). Rys Widok pulpitu sterującego stanowiska badawczego do badań wizualizacyjnych procesu rozpylenia W podjętych badaniach wykorzystana została komora o stałej objętości. Wewnątrz komory zamontowano zmodyfikowany tłok, w którym dokonano wycięcia części jego korony (rys. 4.4a), co pozwoliło na uzyskanie dostępu optycznego do krawędzi komory spalania umieszczonej w tłoku. Dzięki prostopadłemu umieszczeniu kamery do zdjęć względem oświetlenia, możliwe było filmowanie obszaru, w którym struga paliwa rozbija się o krawędź komory spalania w tłoku. Komora badawcza wykonana została ze stali, a jej objętość wynosiła 2200 cm 3. W celu uzyskania wysokiej jakości rejestrowanych zdjęć, wykorzystana w badaniach komora oświetlana była w chwili rejestracji obrazu dodatkowym światłem z lamp halogenowych umieszczonych na przeciw siebie w bocznych ściankach tulei. Odpowiednio duże natężenie światła uzyskano przez dwustronne oświetlenie komory. Parametry techniczne komory badawczej przedstawiono w tabeli 4.1. Zastosowanie szkła kwarcowego o grubości 30 mm pozwala na zadawanie ciśnień sprężania z przedziału od 0 do 4,5 MPa. 50

51 Rys Schemat stanowiska badawczego do badań wizualizacyjnych procesu rozpylenia W górnej części komory znajdował się otwór umożliwiający zamocowanie wtryskiwacza przy pomocy specjalnego jarzma, natomiast zmodyfikowany tłok badawczy przymocowany został od dołu przy pomocy śruby. Wnętrze komory badawczej oświetlane było lampami halogenowymi, ze względu na charakter wykonywanych badań. Wtryskiwane paliwo nie ulegało samozapłonowi, a więc nie emitowało światła, dlatego wymagane było zewnętrzne źródło oświetlenia kropel paliwa, które odbijają od powierzchni promienie świetlne. Ścianki komory wraz z tłokiem pokryte zostały czarną farbą w celu pochłaniania promieni, gdyż czysty metal odbijałby światło tworząc na zarejestrowanym obrazie refleksy i zakłócenia. Dodatkowo do komory przymocowane zostały dwa zawory elektromagnetyczne dopływu i wylotu powietrza, a także czujnik ciśnienia powietrza (rys. 4.4b) [114]. a) b) d = 40 mm Rys Widok tłoka (a) oraz komory o stałej objętości (b) do badania wtrysku paliwa: 1 wtryskiwacz, 2 obsada wtryskiwacza, 3 czujnik ciśnienia powietrza, 4 zawór elektromagnetyczny upustu powietrza, 5 oświetlenie, 6 szkło kwarcowe [35, 114] 51

52 Tabela 4.1 Parametry techniczne komory o stałej objętości [84] Komora średnica zewnętrzna materiał H stal 110 mm 400 mm średnica wewnętrzna materiał H stal 90 mm 350 mm objętość 2200 cm 3 ciśnienie powietrza (przeciwciśnienie) 0 4,5 MPa Podgrzewanie powietrze zewnętrzne podgrzewanie o C paliwo podgrzewanie wtryskiwacza o C Dostęp optyczny materiał/grubość szkło kwarcowe 30 mm Wtryskiwacz parametry wtrysku ciśnienie MPa czas trwania 0,2 1,0 ms paliwo olej napędowy typ wtryskiwacza Common Rail elektromagnetyczny, 1-otworkowy, 0,17 mm Źródło światła typ 2 lampa halogenowa 24 V; 250 W, kąt stożka światła 30 W badaniach wykorzystano wtryskiwacz elektromagnetyczny o średnicy otworka wylotowego 0,17 mm (rys. 4.5a). Do celów badawczych końcówka rozpylacza została poddana obróbce powierzchniowej. Obróbka powierzchniowa umożliwiła zamknięcie 5-ciu otworków rozpylacza, przez stopienie warstwy powierzchniowej za pomocą gorącego płomienia laserowego, który zostawił charakterystyczne przepalone ślady na powierzchni korpusu badanego rozpylacza (rys. 4.5b). Pozwoliło to na wyeliminowanie nadmiaru strug paliwa rozchodzących się z wtryskiwacza na tłok pomiarowy, uniemożliwiając pomiar wizualizacyjny przez zbyt dużą ilość paliwa oraz strugi skierowane wprost na obiektyw kamery, które zasłaniały strugę pomiarową. a) b) Rys Widok wtryskiwacza elektromagnetycznego (a) oraz widok powiększonego mikroskopowo otworka wylotowego badanego rozpylacza (b) [34] 52

53 Trzecią część stanowiska wykorzystanego w badaniach wizualizacyjnych przebiegu procesu wtrysku, a także rozprzestrzeniania się strugi paliwa stanowił układ rejestracji obrazów szybkozmiennych, którego głównym elementem jest kamera typu HighSpeedStar 5 firmy LaVision (rys. 4.6), której charakterystykę zamieszczono w tabeli 4.2. Rys Kamera typu HighSpeedStar 5 firmy LaVision Kamera wraz z modułami przetwarzania obrazu i komputerem wyposażonym w specjalistyczne oprogramowanie DaVis 7.2 stanowi system rejestracji i obróbki obrazów szybkozmiennych. Szybkość filmowania podczas badań wynosiła 25 khz, co pozwoliło na rejestrację obrazu o wymiarach 256 x 256 pikseli z odstępem czasowym dt = 0,04 ms (40 µs). Filmowano obszar o wielkości około 35 x 35 mm, co odpowiada wymiarowi liniowemu jednego piksela obrazu 136,7 µm. Wartości te są wystarczające do obserwacji rozprzestrzeniania się wtryskiwanej strugi paliwa od wtryskiwacza do muldy w tłoku. Przetwornik obrazu Rozmiar piksela Maksymalna rozdzielczość Tabela 4.2 Parametry techniczne kamery HighSpeedStar 5 firmy LaVision [18] CMOS 17 x 17 m 1024 x 1024 piksele Maksymalna szybkość filmowania zdjęć/s, przy rozdzielczości 1024 x zdjęć/s, przy rozdzielczości 512 x zdjęć/s, przy rozdzielczości 256 x zdjęć/s, przy rozdzielczości 128 x 16 Zakres widmowy rejestracji nm 53

54 Warunki badań Badania wpływu interakcji pojedynczej strugi paliwa na ściankę tłoka przeprowadzono przy ciśnieniach wtrysku paliwa (P wtr ) 75 i 100 MPa oraz kilku przeciwciśnieniach powietrza (P pow ) 2,5, 3,0 oraz 3,4 MPa (tabela 4.3). Wartości ciśnienia wtrysku i przeciwciśnienia powietrza uznano za charakterystyczne dla warunków panujących w komorze spalania silnika o zapłonie samoczynnym podczas wtrysku paliwa (dowolnej jego dawki). W badaniach wykorzystano wtryskiwacz elektromagnetyczny firmy Bosch Wielkość Liczba położeń tłoka Ciśnienie wtrysku paliwa P wtr Przeciwciśnienie powietrza P pow Czas wtrysku t wtr Rodzaj wtryskiwacza Średnica otworka wtryskiwacza Kąt strug paliwa (rozpylacz standardowy) Dawka paliwa Tabela 4.3 Warianty badań eksperymentalnych dotyczących interakcji paliwa i ścianki tłoka oraz parametry wtryskiwacza [35, 114] Wartości 3 (odległość muldy w tłoku od końcówki wtryskiwacza 15 mm, 10 mm, 5 mm) 75; 100 MPa 2,5; 3,0; 3,4 MPa 0,33 ms elektromagnetyczny, 6-otworkowy (5 zaślepionych otworków; 1 aktywny) 0,17 mm 166 o 2,7 mg dla 75 MPa; 3,6 mg dla 100 MPa Obserwacje przebiegu procesu wtrysku oraz rozprzestrzeniania się strugi paliwa przeprowadzono dla wtrysku pojedynczej dawki trwającej t wtr = 0,33 ms, co pozwoliło na porównywanie uzyskanego materiału badawczego między sobą. Zastosowanie wtrysku wieloczęściowego powodowałoby nakładanie się kolejnych strug paliwa i pogorszenie jakości materiału filmowego. Dodatkowo utrudniona byłaby analiza uzyskanego materiału filmowego, ze względu na interakcje strug paliwa między sobą [35, 114]. Badania obejmowały trzy położenia wtryskiwacza względem tłoka, co umożliwiało uzyskanie różnego rozpylenia strugi paliwa w odmiennych miejscach kontaktu ze ścianką tłoka: pozycja 1 struga paliwa rozbija się o krawędź tłoka, pozycja 2 struga paliwa rozbija się na pionowym fragmencie komory w tłoku badawczym, pozycja 3 struga paliwa rozbija się na ukształtowanej muldzie w tłoku. Warianty badań eksperymentalnych dotyczących interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka przedstawiono w tabeli 4.3, natomiast schemat pozycjonowania wtryskiwacza względem tłoka w komorze badawczej uwzględniający różne nastawy poszczególnych punktów badawczych przedstawiono w tabeli

55 Położenie wtryskiwacza względem tłoka Tabela 4.4 Schemat pozycjonowania wtryskiwacza względem tłoka w komorze badawczej [35, 114] Określenie miejsca kontaktu strugi wtryskiwanego paliwa ze ścianką tłoka P wtr t wtr = 0,33 ms P pow Pozycja 1 (największa odległość) 75 MPa 100 MPa 2,5 MPa 3,0 MPa 3,4 MPa Pozycja 2 (położenie środkowe) 75 MPa 100 MPa 2,5 MPa 3,0 MPa 3,4 MPa Pozycja 3 (najmniejsza odległość) 75 MPa 100 MPa 2,5 MPa 3,0 MPa 3,4 MPa 4.3. Metodyka badań silnikowych Opis stanowiska badawczego Badania wykonano na silnikowym stanowisku hamulcowym. Dzięki wykorzystaniu silnika badawczego AVL 5804 możliwe było określenie wpływu parametrów wtrysku na procesy cieplne silnika spalinowego, a także pomiar stężenia związków toksycznych spalin otrzymany na drodze spalania oleju napędowego przy użyciu wtryskiwacza z rozpylaczem konwencjonalnym 6-otworkowym. Wykorzystane na tym etapie badań stanowisko składa się z czterech głównych części: silnik badawczy AVL 5804 z hamulcem prądnicowym asynchronicznym AMK ASYN typ DW AOW, układ zasilania paliwem Common Rail IV generacji, system elektronicznego sterowania układem badawczym, system AVL INDISET 620 do rejestracji przebiegów szybkozmiennych. Pierwsza zasadnicza część wchodząca w skład stanowiska to silnik badawczy AVL 5804 z hamulcem prądnicowym asynchronicznym (rys. 4.7b). Jest to jednocylindrowy silnik o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa (tabela 4.5). Komora spalania silnika AVL 5804 umieszczona jest w tłoku [8], natomiast jej kształt został dostosowany do centralnie umieszczonego wtryskiwacza. Objętość komory w tłoku wraz z wnękami zaworowymi wynosi 23,63 cm 3. Czas trwania wtrysku oraz kąt wyprzedzenia wtrysku są w 55

56 silniku dowolnie regulowane z poziomu komputera PC (rys. 4.7a). Za pomocą komputera istnieje możliwość zmiany nastawy dawki paliwa. Podczas wykonywania badań dawka paliwa zależna była od ciśnienia wtrysku paliwa. Dodatkowo istnieje możliwość zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku, może on być regulowany co 1 ºOWK. Rysunek 4.8 przedstawia schemat stanowiska badawczego wykorzystanego podczas badań silnikowych. a) b) Rys Widok stanowiska badawczego wykorzystanego w badaniach silnikowych: (a) pulpit sterujący, (b) silnik badawczy oraz aparatura pomiarowa Dodatkowo silnik badawczy AVL 5804 przystosowany jest do badań endoskopowych, indykowania oraz do pomiarów emisji toksycznych składników spalin. W pierwotnej wersji, nie przystosowanej do badań endoskopowych silnik jest wyposażony w głowicę czterozaworową. Parametry pracy silnika tj.: prędkość obrotowa oraz obciążenie zadawane są hamulcem elektrycznym AMK. Hamulec prądnicowy charakteryzuje się tym, że może pracować w dwóch trybach pracy [92, 105]. W pierwszym trybie spełnia on swoje podstawowe zadanie: służy do zadawania obciążenia dla pracującego silnika spalinowego, tzw. hamowania silnika. W tym trybie hamulec pracuje jako prądnica. Natomiast drugi tryb pracy pozwala na zewnętrzny napęd silnika spalinowego, w tym trybie hamulec pracuje jako silnik elektryczny. Podstawowe parametry hamulca przy nominalnym napięciu zasilania przedstawiono w tabeli 4.6. Rys Schemat stanowiska badawczego wykorzystanego w badaniach silnikowych [70] 56

57 Tabela 4.5 Parametry silnika badawczego AVL 5804 pojemność skokowa V s 510,7 cm 3 średnica cylindra D 85 mm skok tłoka S 90 mm objętość komory spalania V k 23,63 cm 3 stopień sprężania 19,9 moc maksymalna N e max 16 przy 4200 obr/min kw moment obrotowy M o max 53 przy 2000 obr/min N m średnie ciśnienie użyteczne w wersji doładowanej p e 1,22 przy 2000 obr/min MPa jednostkowe zużycie paliwa przy M o max g e 251 g/(kw h) jednostkowe zużycie paliwa g e 287 przy mocy znamionowej g/(kw h) maksymalna prędkość obrotowa n max 5000 obr/min maksymalne ciśnienie w cylindrze p max 15,0 MPa W warunkach pracy stanowiska badawczego, gdy zachodzi konieczność utrzymania stałej wartości prędkości obrotowej silnika spalinowego, niezależnie od ilości paliwa dostarczanej do spalania w cylindrze, hamulec może pracować na przemian w obu trybach pracy, w zależności od energii wytwarzanej przez silnik spalinowy. W momencie, gdy energia pochodząca z procesu spalania paliwa w cylindrze silnika jest na tyle duża, aby pokonać opory ruchu przy ustalonej prędkości obrotowej i napęd ze źródła zewnętrznego nie jest potrzebny, to hamulec samoczynnie przechodzi z trybu pracy jako silnik elektryczny w fazę pracy jako hamulec prądnicowy. Zmianę trybu pracy zauważyć można na wskaźniku momentu obrotowego. W sytuacji pracy hamulca jako silnik elektryczny na wskaźniku wyświetlana jest ujemna wartość momentu obrotowego, a gdy pracuje jako hamulec prądnicowy, moment obrotowy przyjmuje wartości dodatnie. Tabela 4.6 Parametry hamulca przy nominalnym napięciu zasilania napięcie zasilania 350 V nominalne natężenie prądu 80 A moment obrotowy 120 N m moc znamionowa 39 kw prędkość maksymalna 9000 obr/min hamulec prądnicowy chłodzony wodą Stanowisko jest dodatkowo wyposażone w zewnętrzny układ stabilizacji temperatury cieczy chłodzącej silnika i oleju smarującego AVL 577. W jego skład wchodzą m.in.: pompy oleju i cieczy, wymiennik ciepła (woda/woda), wymiennik ciepła (woda/olej), oraz układy elektrycznego podgrzewania wody i oleju z czujnikami temperatury. Zakresy pracy i kontroli układu wynoszą: olej: o C, woda: o C. 57

58 Druga część stanowiska to laboratoryjny układ zasilania paliwem Common Rail IV generacji (rys. 4.9). Przedstawiona poniżej pompa wraz z układem napędowym, stanowi odrębną część stanowiska i jest napędzana niezależnym silnikiem elektrycznym zapewniającym płynną regulację prędkości obrotowej. Pompa tego typu jest wykorzystywana w nowoczesnych układach zasilania silników o zapłonie samoczynnym, umożliwiając osiąganie ciśnień wtrysku rzędu 200 MPa. Rys Układ zasilania paliwem Common Rail IV generacji Brak możliwości zaadoptowania całego układu na silnikowym stanowisku badawczym, przede wszystkim z powodu jego znacznych gabarytów, wymusił konieczność wykorzystania tylko niektórych zasadniczych jego elementów. Pozwoliło to na użycie najważniejszych elementów układu tj. pompy wysokiego ciśnienia, zasobnika ciśnienia, przewodów oraz regulatora w zasadniczej części podjętych w pracy badań silnikowych. Trzecia część stanowiska to system elektronicznego sterowania układem badawczym typu Common Rail. System sterowania pracą wtryskiwacza Control CR wykorzystany w badaniach, skonstruowany i zbudowany został w celu stworzenia szerokich możliwości sterowania układem zasilania silnika o zapłonie samoczynnym. Pozwala on na podział wtryskiwanej dawki paliwa na części z indywidualną regulacją czasu trwania każdej z nich, a także regulacją przesunięcia kątowego między każdą z części dawki. Znaczny zakres regulacji kąta początku wtrysku stwarza możliwość podawania paliwa w dowolnej fazie cyklu pracy silnika. Sterowanie systemem odbywa się przy pomocy komputera, który został wyposażony w cyfrową kartę wejść/wyjść PCI Układ wykorzystuje dodatkowo optoelektroniczny czujnik położenia wału rozrządu. Z otrzymanego sygnału określana jest średnia prędkość obrotowa w cyklu pracy silnika. Pojawiający się raz na cykl pracy sygnał wyzwalający aktywuje sprzętowo wcześniej zapisane w pamięci procedury czasowe sterowania elementami wykonawczymi. Do złącza karty podłączony jest interfejs dopasowujący sygnały wejściowe do standardów pracy karty komputerowej. Z karty wyprowadzono sygnały położenia wału rozrządu, a także sygnały wyzwalające pozwalające na rejestrację wraz z wartościami ciśnienia indykowanego oraz ciśnienia w przewodzie wtryskowym przed wtryskiwaczem. Następnie sygnały sterujące doprowadzane są do elektronicznego układu generującego sygnał prądowy. Urządzenia wykonawcze tworzą odrębne elementy układu i są oddzielone od części cyfrowej urządzenia zapewniając dzięki temu bezpieczeństwo użytkowania, a także 58

59 uniemożliwiając uszkodzenie części cyfrowej w przypadku przebicia prądowego elementów wykonawczych. Sterowanie wtryskiwaczem odbywa się w dwóch fazach. W pierwszej fazie otwierania wtryskiwacza, która trwa 0,2 ms, natężenie prądu wynosi 20 A, natomiast w drugiej fazie, podtrzymującej otwarcie, natężenie prądu wynosi 12 A. Zmienne nastawy tj. kąt wtrysku, czas trwania impulsu elektrycznego otwarcia wtryskiwacza oraz pozostałe parametry pracy zadawane były przy użyciu programu Engine Control (rys. 4.10). Rys Okno programu komputerowego sterowania układem wtryskowym: 1 obrotomierz, 2 odczyt aktualnie konfigurowanej elementarnej dawki paliwa, 3 wybór elementarnej części dawki, 4 wskaźnik kontrolny włączenia/wyłączenia układu, 5 przycisk włączenie/wyłączenie układu, 6 włączenie/wyłączenie rozrusznika, 7 pole odczytu i wprowadzania kąta początku wtrysku (w przypadku podziału dawki na kilka oddzielnych części jest to kąt pierwszej z nich), 8 regulacja kąta początku wtrysku, 9 odczyt i wprowadzanie czasu wtrysku (w przypadku kilku dawek paliwa jest to czas aktualnie konfigurowanej części), 10 regulacja czasu wtrysku, 11 odczyt i wprowadzanie kąta opóźnienia części dawki paliwa względem poprzedniej, 12 regulacja kąta opóźnienia dawki wtrysku względem poprzedniej, 13 odczyt i wprowadzanie kąta wyprzedzenia zapłonu (dla silnika ZI), 14 regulacja kąta zapłonu (dla silnika ZI), 15 pole przedstawiające przebiegi sygnałowe Zastosowany w badaniach program pozwala na wykorzystanie zbudowanego układu do sterowania pracą różnych elementów wykonawczych stosowanych w silnikach, tj. różnego typu wtryskiwaczy, a także do sterowania pracą elementów układu zapłonowego silników o zapłonie iskrowym. Przystosowanie systemu do określonego elementu wykonawczego opiera się na zastosowaniu odpowiedniego układu generującego sygnał prądowy, wymaganego do prawidłowej jego pracy oraz doborze odpowiedniego źródła zasilania. Dzięki temu tak zbudowany układ ma możliwość przestronnego zastosowania w silnikowych pracach badawczych, jak również zapewnia poprawność działania sterowanych elementów wykonawczych. System sterowania w połączeniu z programem przeznaczony jest do sterowania układem wtryskowym typu Common Rail, jednocylindrowego silnika badawczego wykorzystanego w badaniach. Ze względu na jego liczne zalety wykorzystany został w części badań silnikowych prowadzonych w ramach tematu rozprawy. Stanowi on wszechstronne i pomocne narzędzie do badań nad rozwojem systemów spalania silników spalinowych. 59

60 Czwartą część silnikowego stanowiska hamulcowego stanowił układ pomiarowy szybkozmiennych wielkości silnikowych oraz system akwizycji danych. Wykorzystany został do tego celu system pomiarowy AVL INDISET 620. System ten umożliwiał pomiar następujących wielkości tj. ciśnienie gazów w cylindrze silnika, ciśnienie paliwa przed wtryskiwaczem oraz wartość natężenia prądu sterującego pracą wtryskiwacza, określającego czas jego otwarcia. Wartość natężenia prądu sterującego pracą wtryskiwacza mierzona jest bezpośrednio w układzie generującym sygnał prądowy. System pomiarów szybkozmiennych z wbudowaną funkcją oscyloskopu, pozwala na równoczesny pomiar wielkości na wszystkich kanałach. Schemat systemu AVL INDISET 620 przedstawiono na rysunku 4.11, natomiast szczegółową jego charakterystykę przedstawiono w tabeli 4.7. Rys Układ pomiarowy szybkozmiennych wielkości silnikowych AVL INDISET 620 [82] Tabela 4.7 Charakterystyka systemu pomiarów szybkozmiennych wykorzystanego w badaniach silnikowych [8] liczba kanałów pomiarowych wzmacniacza operacyjnego 8 częstotliwość próbkowania 1 MHz dokładność rejestracji sygnału amplitudy 12 bit napięcie wejścia na kartę A/C ± 10 V rozdzielczość pomiarowa 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 lub 1 o OWK (maks. do 500 µs) pamięć przetwornika 2 MB Wykonane w badaniach pomiary wartości ciśnień prowadzone były z wykorzystaniem przetworników ciśnienia. Czujnik ciśnienia gazów w cylindrze umieszczony był w głowicy silnika, natomiast czujnik ciśnienia paliwa przed wtryskiwaczem, bezpośrednio na przewodzie wtryskowym, który łączył wtryskiwacz z zasobnikiem paliwa. Uzyskane sygnały z przetworników ciśnienia były doprowadzone do wzmacniacza ładunku typu AVL Micro IFEM. Wzmacniacz tego typu wyposażony jest w regulację wzmocnienia, a także w układ kompensacji zera. Wzmacniacz ładunku AVL Micro IFEM pracuje w zakresie bar, natomiast jego czułość wynosi 18,84 pc/bar. 60

61 Synchronizacja mierzonych sygnałów z kątowym położeniem wału korbowego zapewniona jest systemowo, natomiast wykorzystywanym sygnałem w tym przypadku jest sygnał ze znacznika kąta usytuowanego bezpośrednio na wale korbowym silnika. Zależność systemu sterowania układem wtryskowym oraz systemu rejestracji wyników pomiarów AVL INDISET 620, otrzymano dzięki zastosowaniu dwóch czujników kąta obrotu wału korbowego na wale korbowym oraz na wałku rozrządu silnika. Dodatkowo podczas prowadzonych badań w sposób ciągły z wykorzystaniem czujników rezystancyjnych mierzono temperaturę cieczy chłodzącej, a także oleju smarującego silnika Warunki badań Badania silnikowe parametrów wtrysku paliwa na emisję związków toksycznych spalin wykonano na silnikowym stanowisku hamulcowym z wykorzystaniem silnika badawczego AVL Z zakresu pracy silnika badawczego wybrano dwie prędkości obrotowe wału korbowego (n) 1500 i 2000 obr/min, przy których silnik zasilano paliwem konwencjonalnym (olejem napędowym). Badania przeprowadzono dla ciśnień wtrysku paliwa (P wtr ) 75 i 100 MPa (tabela 4.8). W badaniach wykorzystano wtryskiwacz elektromagnetyczny z oryginalnym rozpylaczem 6-otworkowym. Podczas wykonywania badań temperatura otoczenia wynosiła T ot = 27 C, wilgotność powietrza RH = 41%. Tabela 4.8 Warianty badań silnikowych dotyczących Wielkość Prędkość obrotowa Ciśnienie wtrysku paliwa P wtr Temperatura otoczenia T ot 27 C Czas wtrysku t wtr parametrów wtrysku paliwa oraz parametry wtryskiwacza Wartości 1500; 2000 obr/min 75; 100 MPa 0,6 ms Wilgotność powietrza RH 41% Rodzaj wtryskiwacza Średnica otworka wtryskiwacza Kąt strug paliwa (rozpylacz standardowy) Dawka paliwa elektromagnetyczny, 6-otworkowy 0,17 mm 166 o 6,8 mg dla 75 MPa; 7,7 mg dla 100 MPa W każdym z ustalonych punktów pracy silnika dokonywano rejestracji przebiegu ciśnienia indykowanego w cylindrze oraz ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym przed wtryskiwaczem. Wyniki badań silnikowych uzupełniono wynikami pomiaru emisji szkodliwych składników spalin emitowanych z silnika AVL

62 4.4. Aparatura badawcza W skład stanowiska badawczego wykorzystanego w etapie badań silnikowych, oprócz opisanych we wcześniejszym podrozdziale 4.3 głównych jego części składowych, wchodzi również aparatura badawcza, która posłużyła do określenia emisji spalin z jednocylindrowego silnika AVL Wyniki pomiaru stężenia związków toksycznych spalin otrzymane na drodze spalania oleju napędowego dla wtryskiwacza z rozpylaczem konwencjonalnym 6- otworkowym, uzyskano dzięki zastosowaniu zespołu specjalistycznych mobilnych analizatorów SEMTECH-DS oraz AVL Micro Soot Sensor. Do pomiaru stężenia CO, THC, NO x oraz PM w gazach wylotowych silnika spalinowego użyto bardzo dokładnych urządzeń pomiarowych. W przypadku związków gazowych, zastosowano mobilne urządzenie do pomiaru emisji związków toksycznych spalin SEMTECH-DS, wyprodukowane przez firmę SENSORS Inc. (rys. 4.12). Stanowi ono jeden z najnowocześniejszych przyrządów pomiarowych należących do grupy PEMS (Portable Emissions Measurement System). Urządzenie to jest przeznaczone do badania zarówno silników o zapłonie samoczynnym, jak i iskrowym, w bardzo szerokim zakresie ich pojemności, spełniających obowiązujące normy emisji spalin. Pozwala ono na pomiar masowego natężenia przepływu spalin oraz zawartości związków toksycznych i szkodliwych w gazach wylotowych: CO, CO 2, NO, NO 2 i THC. Rys Widok mobilnego analizatora do pomiaru stężenia związków gazowych SEMTECH-DS [69] Schemat przedstawiony na rysunku 4.13 przybliża zasadę działania analizatora. Próbka gazów wylotowych badanego silnika spalinowego pobierana jest przez sondę masowego natężenia przepływu spalin (rys. 4.14). Badana objętość gazów transportowana jest drogą grzaną, w której utrzymywana jest temperatura równa 191 o C. Wykorzystanie takiego rozwiązania zapobiega skraplaniu się węglowodorów, przed wykonaniem pomiaru ich stężenia. W przypadku badania silnika o zapłonie samoczynnym, próbka przechodzi przez filtr w celu usunięcia cząstek stałych. Przygotowane w taki sposób gazy wylotowe poddaje się następnie dokładnym pomiarom w odpowiednich analizatorach. Jako pierwsza badana jest 62

63 191 o C Pobór spalin Filtr FID HC chłodnica 4 o C O 2 NDIR CO, CO 2 NDUV NO x = NO + NO 2 Jednostka sterująca OBD GPS Wireless LAN Rys Schemat mobilnego analizatora do pomiaru stężenia związków gazowych SEMTECH-DS [69] zawartość węglowodorów w analizatorze FID (Flame Ionization Detector). W drugim etapie próbka jest schładzana do temperatury około 4 o C i następnie trafia do analizatora NDUV (Non-Dyspersive Ultra-Violet), który odpowiada za pomiar stężeń tlenku oraz dwutlenku azotu. W trzecim etapie wykonywany jest pomiar stężenia tlenku i dwutlenku węgla przy użyciu analizatora NDIR (Non-Dyspersive Infra-Red). Ostatni czwarty etap mierzy ilość tlenu przy wykorzystaniu elektrochemicznego czujnika. Analizatory przed wykonaniem pomiaru poddawane są zerowaniu, które trwa kilka minut, w celu uwzględnienia zanieczyszczenia otaczającego powietrza. Zakres częstotliwości próbkowania dla każdego analizatora jest różny. Dlatego do pomiaru poszczególnych składników zazwyczaj przyjmuje się częstotliwość możliwą do osiągnięcia przez wszystkie analizatory, która wynosi 1 Hz. Analizator SEMTECH-DS podłącza się do systemu OBD oraz układu GPS, w celu zebrania szerszej i dokładniejszej ilości danych. Nawiązanie połączenia pomiędzy komputerem sterującym, a urządzeniem realizowane może być w sposób przewodowy lub bezprzewodowy. Otrzymane wyniki podczas trwania pomiaru można na bieżąco kontrolować na ekranie monitora w formie wykresów lub tablic. Szczegółowa charakterystykę mobilnego analizatora SEMTECH-DS przedstawiono w tabeli 4.9. Rys Widok sondy masowego natężenia przepływu spalin [69] 63

64 Tabela 4.9 Dane techniczne urządzenia SEMTECH DS [69] Parametr Metoda pomiaru Dokładność Stężenie związków: CO HC NO x (NO+NO 2 ) CO 2 O 2 Częstotliwość próbkowania NDIR niedyspersyjna (podczerwień), zakres 0-10% FID płomieniowo-jonizacyjna, zakres ppm NDUV niedyspersyjna (ultrafiolet), zakres ppm NDIR niedyspersyjna (podczerwień), zakres 0-20% Elektrochemiczna, zakres 0 20% 1 4 Hz ±3% ±2,5% ±3% ±3% ±1% Przepływ spalin Czas nagrzewania Czas odpowiedzi masowe natężenie przepływu T max do 700ºC 25 min T 90 < 1 s ±2,5% ±1% zak. Do pomiaru masy cząstek stałych wykorzystano podczas badań mobilny analizator AVL MSS (Micro Soot Sensor), który umożliwiał ciągły pomiar stężenia cząstek stałych w rozcieńczonych spalinach (rys. 4.15). Analizator AVL MSS wykonuje pomiary w sposób ciągły. Aparatura badawcza pozwala badać koncentrację stężeń na poziomie od 5 μg/m³, co stanowi około 10% wartości limitowanej w normach emisji dla silników o zapłonie samoczynnym. Znaczna czułość urządzenia pozwala wykonywać również pomiary dla silników o zapłonie iskrowym. Rys Widok mobilnego analizatora do pomiaru stężenia cząstek stałych AVL MSS [115] Analizator AVL MSS bazuje na fotoakustycznej zasadzie pomiaru. Schemat zasady działania urządzenia przedstawiono na rysunku Zawarte w spalinach cząstki stałe napromieniowywane są światłem modulowanym w wyniku, czego podlegają naprzemiennemu ogrzewaniu oraz chłodzeniu. W konsekwencji badana próbka gazu okresowo zmienia swoją objętość. Cały proces generuje drgania ośrodka, który działa jak fala dźwiękowa. W analizatorze zabudowane są bardzo czułe mikrofony, które pracują w określonym zakresie amplitud oraz częstotliwości. Wyłapują one wytworzone fale dźwiękowe badanej mieszaniny. W momencie, gdy w próbce znajduje się czyste powietrze nie jest rejestrowany żaden sygnał, natomiast w odwrotnym przypadku, kiedy zaczynają w gazie pojawiać się cząstki stałe sygnał zaczyna być wykrywany. Impuls dźwiękowy jest wprost proporcjonalny do ilości cząstek stałych w gazie (stężenia). 64

65 Rys Schemat działania analizatora AVL MSS [115] Spaliny wchodząc do komory pomiarowej mają ciśnienie równe ciśnieniu atmosferycznemu ±50 mbar, natomiast ich temperatura nie przekracza 60 C. Dla uzyskania odpowiedniej temperatury, a także ciśnienia badanego gazu oraz aby sadza nie kondensowała się, spaliny wcześniej są rozcieńczane w urządzeniu. Analizator następnie przekazuje informacje o stężeniu cząstek stałych dla spalin rozcieńczonych, jak również surowych. Otrzymywane wyniki pomiaru wyświetlane są na bieżąco podczas wykonywania badań. W przypadku rozwiązania analogowego, szybkość transmisji danych może osiągać ok. 100 Hz. Widok mobilnego analizatora podczas wykonywania pomiarów przedstawiono na rysunku 4.17, podstawowe dane techniczne urządzenia zestawiono w tabeli Rys Widok mobilnego analizator AVL MSS w trakcie przeprowadzania badań [69] 65

66 Tabela 4.10 Dane techniczne mobilnego przyrządu AVL MSS [115] Rozmiar mierzonych cząstek 0, mg/m³ (spaliny nierozcieńczone) do 1000 mg/m³ (z rozcieńczeniem spalin) Wskaźnik zakresowości 1 : 10,00 Szybkość transmisji danych cyfrowa: do 5 Hz analogowa: 100 Hz Temperatura pracy 5 C do 43 C Przepływ próbki spalin ~ dm 3 /min (całość ~ 4 dm 3 /min) Interfejsy RS232, Digital I/O, Analog I/O, Ethernet Temperatura gazów wylotowych do 1000 C Ciśnienie pośrednie gazów wydechowych do 2000 mbar Pulsacje ciśnienia ± 1000 mbar (max. 50% ciśnienia wstecznego) Wielkość przedmuchu ~ 20 dm 3 /min przy 1000 mbar Masa urządzenia ~ 20 kg Masa elementu kondycjonującego ~ 15 kg 66

67 5. MODELOWE BADANIA INTERAKCJI STRUGI PALIWA NA ŚCIANKĘ TŁOKA 5.1. Wprowadzenie W silnikach o zapłonie samoczynnym proces spalania powinien przebiegać tak, aby spełniał rygorystyczne normy ochrony środowiska. Opublikowano już wiele prac, które opisują możliwości ograniczenia emisji związków toksycznych, a także poprawę sprawności działania silnika spalinowego. W pracach tych opisano różne rozwiązania systemu spalania, które znacznie poprawiają przebieg procesu spalania [41]. Prace dotyczące interakcji strugi paliwa i ścianki rozpatrywane są w aspekcie kontaktu strugi z płaską płytą. Są to zarówno badania eksperymentalne, jak również symulacyjne [4]. Matsson [61] oraz Rente [91] w swoich pracach wykazali, że wywiązywanie ciepła podczas spalania mieszanki w cylindrze silnika silnie zależy od tego, czy struga wtryskiwanego paliwa dociera do ścianek komory spalania czy nie. Wpływ ten wykazano zarówno dla wtrysku realizowanego przed rozpoczęciem spalania (wtrysk pilotujący), jak i dla wtrysku, który był realizowany, gdy proces spalania już trwał (dawka główna). W czasie gdy struga trafiała na ścianki cylindra lub komory spalania ilość wywiązanego ciepła zmniejszała się w stosunku do procesu, w którym interakcje ze ściankami nie zachodziły. Niektóre z prac badawczych koncentrują się na optymalizowaniu kształtu geometrycznego komory spalania umieszczonej w tłoku [107] i wskazują, że geometria ma znaczący wpływ na przebieg procesów rozprzestrzeniania się paliwa i spalania [117]. Lippert [56] w swoich badaniach symulacyjnych przedstawił wpływ kąta i położenia strugi przy jakim paliwo trafia na muldę tłoka, na emisję tlenków azotu. Miejsce, gdzie wtryskiwane jest paliwo oraz do których obszarów komory spalania ono dociera, ma decydujący wpływ na tworzenie się sadzy, a także niespalonych węglowodorów. Wtrysk paliwa na ścianki cylindra lub na ścianki komory spalania umieszczonej w tłoku powoduje niecałkowite odparowanie paliwa i tworzenie się filmu paliwowego na ściankach. Skutkować może to nasileniem intensywności powstania cząstek stałych oraz zwiększeniem emisji węglowodorów. Ma to duże znaczenie, szczególnie w czasie zimnego rozruchu oraz przy pełnym obciążeniu silnika [25, 117]. Jak wykazali w swoich badaniach Pickett i López [80] emisja sadzy jest mniejsza, jeżeli struga trafia na ścianki komory spalania, niż w przypadku, gdy struga jest wtryskiwana do powietrza. W przypadku, kiedy struga trafia na ściankę, średnia średnica kropel ulega zmniejszeniu, co jest jednym z powodów obniżenia emisji sadzy w porównaniu do strugi, która nie docierała do ścianki. W innych badaniach określono wpływ podziału dawki paliwa na przebieg procesu spalania i interakcje strugi paliwa ze ściankami komory [58]. Osaka [79] w swoich badaniach wtrysku z podziałem dawki paliwa, stwierdził pozytywne jego oddziaływanie na zmniejszenie emisji tlenków azotu. Podobny efekt otrzymano, gdy paliwo było wtryskiwane na muldę. Najlepsze efekty dla uzyskania czystego spalania, otrzymano w przypadku wtrysku na środkową część muldy. Gdy wtrysk paliwa odbywał się na dolną lub górną część muldy, występowało pogorszenie procesu w aspekcie emisji związków toksycznych. 67

68 W badaniach interakcji strugi wtryskiwanego paliwa bardzo ważne znaczenie ma niewątpliwie temperatura ścianek, na które paliwo jest wtryśnięte. Jak wykazały badania autorów publikacji [63] z zastosowaniem paliwa jednoskładnikowego w komorze wysokociśnieniowej oraz wysokotemperaturowej, wysoka temperatura ścianki wpływa na zwiększenie zawirowania przy odbiciu paliwa od gorącej ścianki. Zaobserwowano także zwiększenie prędkości kropel oraz zmniejszenie ich średniej średnicy. Badania wielkości kropel, a także prędkości rozprzestrzeniania się paliwa przy różnych temperaturach ścianki oraz różnym ciśnieniu powietrza wykazały silny wpływ temperatury na parametry wtryskiwanej strugi [37, 60]. Autorzy pracy [59] wykonali badania dotyczące grubości filmu paliwowego na ściance przy uwzględnieniu zmian ciśnienia oraz temperatury powietrza podczas wysokociśnieniowego wtrysku wieloczęściowego oleju napędowego. Wykazano w nich, że zwiększenie temperatury powietrza powyżej 200 o C znacząco zmniejsza grubość filmu, ze względu na zwiększenie szybkości parowania paliwa. Podczas podziału dawki paliwa na części odnotowano znaczne zmniejszenie grubości filmu paliwowego. Kiedy paliwo z kolejnej części dawki docierało do ścianki tłoka następował znaczny przyrost grubości i był on znacznie szybszy, niż podczas wtrysku pierwszej części dawki (wynikało to z wcześniejszego zwilżenia ścianki). Przytoczone prace, jak również omówione w nich wyniki badań wskazują, że problem rozprzestrzeniania się paliwa w komorze spalania w różnych warunkach termodynamicznych, przy zmiennym położeniu tłoka, a także wieloczęściowym wtrysku paliwa nie został jeszcze w pełni rozpoznany i opisany. Z tego względu autor podjął dalsze badania nad rozprzestrzenianiem się paliwa w pobliżu krawędzi komory spalania w tłoku, przy różnych parametrach wtrysku oraz przy zmiennym położeniu wtryskiwacza względem tłoka w pobliżu GMP Badania wizualizacyjne jakości rozpylenia paliwa W badaniach wizualizacyjnych filmowano przebieg wtrysku oraz rozprzestrzeniania się ciekłej strugi paliwa od początku do końca procesu, oświetlając strugę światłem zewnętrznym. Ciekłe paliwo w postaci kropel w strudze powoduje odbicie światła, które na filmie jest obserwowane w postaci obszarów o zmienionej jasności. Analiza każdego piksela zarejestrowanego obrazu, pozwoliła na wyodrębnienie obszarów o zmiennej luminancji reprezentującej zróżnicowanie stężenia ciekłego paliwa w strudze. Przyjęcie określonej skali barw dla zmiennej luminancji pozwoliło na jakościową ocenę rozkładu stężenia paliwa w obserwowanym obszarze komory spalania. Przeprowadzone badania wizualizacyjne jakości rozpylenia paliwa zostały wykonane na pozasilnikowym stanowisku badawczym w komorze o stałej objętości. Dla oceny jakości rozpylenia paliwa zostały wykonane badania, po których uzyskano serię obrazów do analizy cyfrowej w programie DaVis 7.2 firmy LaVision [34, 35]. Uzyskane wyniki badań były podstawowym materiałem wykorzystanym do późniejszych analiz geometrycznych parametrów strugi paliwa (rys. 5.1). Analizę otrzymanych wyników badań ograniczono do wstępnych wniosków jakościowych rozpylenia oraz koncentracji paliwa, uwarunkowanych zmiennymi punktami pomiarowymi. Badania zostały przeprowadzone na stanowisku pozasilnikowym, na którym obserwowano proces tworzenia wtryskiwanej strugi paliwa, a 68

69 także rozprzestrzeniania się jej w komorze spalania tłoka. Obraz strugi paliwa wtryskiwanego zarejestrowano kamerą do szybkich zdjęć, co umożliwiło uzyskanie pojedynczego wtrysku, a nie zlepionych obrazów z sekwencji zdjęć kolejno następujących po sobie wtrysków z przesunięciem czasowym. Rys Obraz wtrysku paliwa na ściankę tłoka po przetworzeniu za pomocą programu DaVis 7.2 Uzyskany materiał zdjęciowy w dalszej części badań poddano obróbce w celu uzyskania pożądanych danych ilościowych oraz jakościowych. Schemat obróbki zdjęć przedstawiono na (rys. 5.2), na którym część a) przedstawia zdjęcie surowe (bez obróbki), część b) zdjęcie po odjęciu tła obserwacyjnego w celu wyodrębnienia obrazu strugi paliwa (bez ewentualnych refleksów świetlnych) oraz część c) zarys kształtu krawędzi komory spalania po zastosowaniu maski i dodaniu zarysu tłoka, w celu lepszej identyfikacji rozkładu paliwa w przestrzeni. a) b) c) Rys Etapy obróbki materiału filmowego: a) zdjęcie surowe, b) po odjęciu tła pomiarowego, c) po zastosowanie maski i dodaniu zarysu tłoka [35] 69

70 Ocenę interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka prowadzono w aspekcie zróżnicowanego usytuowania wtryskiwacza względem tłoka, co powodowało rozprzestrzenianie się strugi paliwa na różne obszary komory spalania. Widok rozprzestrzeniania się strugi i sposobu jej rozbicia o ściankę komory spalania dla trzech różnych odległości wtryskiwacza od tłoka przedstawiono na (rys. 5.3). Pierwsze zdjęcie obrazuje wtrysk strugi paliwa, gdy tłok znajduje się w największej odległości od wtryskiwacza, co odpowiada wtryskowi wczesnemu (pozycja 1). W tym przypadku większa część paliwa nie jest kierowana do komory w tłoku, lecz nad jego górną krawędź. W rzeczywistych warunkach skutkuje to niedostatecznym wymieszania paliwa z powietrzem (ze względu na znacznie mniejszą prędkość powietrza nad tłokiem, niż w wewnętrznej muldzie tłoka). Drugie zdjęcie obrazuje strugę paliwa, której czoło dociera do bocznej krawędzi tłoka między denkiem, a komorą w tłoku (pozycja 2). Powoduje to częściowe rozbicie strugi paliwa i skutkuje jej odmiennym rozpyleniem. Bardzo często uważa się, że zderzenie czoła strugi wtryskiwanego paliwa z krawędzią komory wspomaga szybkość jej rozbicia na krople i powoduje poprawę widma rozpylenia. Na trzecim zdjęciu przedstawiono rozbicie strugi paliwa na ściance pod krawędzią komory w tłoku i zatrzymaniem większej ilości paliwa w komorze (pozycja 3). Sytuacja taka odpowiada wtryskowi paliwa w okolicach GMP tłoka [114]. Pozycja 1 Pozycja 2 Pozycja 3 Rys Rozkład paliwa w strudze dla trzech rozpatrywanych pozycji wtryskiwacza względem tłoka dla przeciwciśnienia powietrza 2,5 MPa oraz ciśnienia wtrysku paliwa 75 MPa [35] Interpretując powyższe pozycje wtryskiwacza względem tłoka należy dodać, że kolor czerwony oznacza obszary o największym stężeniu paliwa ciekłego (kropli), natomiast kolor niebieski obszary o najmniejszym stężeniu paliwa. Łatwo zauważyć, że w pozycji 1występują obszary nad koroną tłoka, w których stężenie paliwa jest znaczne, podczas gdy w kolejnych położeniach (pozycja 2 i 3) stężenie to jest coraz mniejsze. W celu uzyskania dokładniejszych ilościowych informacji dotyczących rozpylenia oraz rozkładu stężenia paliwa w komorze spalania, podzielono filmowany obraz na trzy podobszary (rys. 5.4a), tj. komorę nad tłokiem (podobszar A), obszar między powierzchnią denka tłoka, a wyznaczoną arbitralnie powierzchnią wewnątrz komory w tłoku, która nie obejmuje wypukłości w centralnym punkcie tłoka (podobszar B) oraz pozostały obszar obejmujący komorę spalania w tłoku poniżej wierzchołka wypukłości (podobszar C). Podział ten zastosowany do analizy strugi paliwa w określonej fazie jego wtrysku przedstawiono na 70

71 (rys. 5.4b). Analizę przestrzeni objętych przez ciekłe paliwo prowadzono niezależnie w trzech podobszarach, a uzyskane wyniki posłużyły do szczegółowej oceny rozkładu paliwa w komorze spalania w dalszej części pracy. a) b) A A B B C C Rys Analiza obrazu podczas wtrysku paliwa: a) podział filmowanego obrazu na podobszary (A, B, C), b) przykład podziału obrazu wraz z zarejestrowanym wtryskiem paliwa [114] 5.3. Analiza rozkładu paliwa w komorze spalania, ciśnienia wtrysku oraz przeciwciśnienia powietrza na rozpylenie paliwa Analizę rozkładu stężenia paliwa w komorze spalania przeprowadzono w oparciu o sumaryczną liczbę pikseli obrazu, dla których stwierdzono zwiększoną luminancję w stosunku do luminancji tła (rys. 5.5 a, b, c). Każdy z pikseli reprezentuje powierzchnię równą 136,7 x 136,7 (µm x µm), co jest równe 0,0187 mm 2. W ocenie poprawnej interpretacji uzyskanych wyników trzeba jednak pamiętać, że rejestrowano płaską ekspozycję obrazu przestrzennego, co wprowadza pewne trudności interpretacyjne. a) b) c) A B C Rys Analizowane obszary zwiększonej luminancji w stosunku do luminancji tła [114] 71

72 Udział strugi [%] Udział strugi [%] Udział strugi [%] Liczbę tak określonych pikseli zliczano oddzielnie, w każdym ze zdefiniowanych podobszarów (rys. 5.6) w kolejnych chwilach wtrysku, od czasu pojawienia się paliwa na zewnątrz wtryskiwacza, aż do czasu t = 3,5 ms po rozpoczęciu wtrysku. Udział wtryskiwanego paliwa określono w %, oznacza stosunek całkowitej liczby pikseli o wyższej jasności obserwowanej w określonym obszarze oraz całkowitej liczby pikseli obserwowanej we wszystkich 3 obszarach (A, B i C). Czas wtrysku wynosił t wtr = 0,33 ms Pierwszy obszar MPa 1-75 MPa MPa 2-75 MPa MPa 3-75 MPa P pow = 3,0 MPa ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 t [ms] Drugi obszar MPa 1-75 MPa MPa 2-75 MPa MPa 3-75 MPa P pow = 3,0 MPa ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 t [ms] Trzeci obszar MPa 1-75 MPa MPa 2-75 MPa MPa 3-75 MPa P pow = 3,0 MPa ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 t [ms] Rys Analiza obszarów objętych strugą paliwa z podziałem na poszczególne podobszary dla 1 pozycji tłoka [35] 72

73 Udział [%] Udział [%] Analiza względnego rozkładu paliwa w rozpatrywanych obszarach A, B i C pozwala stwierdzić, że ciśnienie paliwa w niewielkim stopniu wpływa na zmiany udziałów paliwa w poszczególnych obszarach komory spalania. W górnym obszarze komory spalania (obszar A nad tłokiem), w końcowej fazie pomiarów (po około 3,5 ms), maksymalne różnice udziału obszarów objętych przez strugę paliwa przy zmianie ciśnienia wtrysku wynoszą około 15%. W pozostałych obszarach (B i C) wpływ ciśnienia paliwa, również powoduje maksymalne zmiany obszarów strugi w zakresie do około 15%, z jednoczesną tendencją do jego zmniejszania. Warto zauważyć, że zmniejszenie odległości wtryskiwacza od tłoka (późny wtrysk paliwa), powoduje bardzo znaczną redukcję ilości wtryśniętego paliwa nad tłok z około 60% do odpowiednio dla pozycji 2 około 35% oraz dla pozycji 3 około 5%. W środkowym fragmencie komory spalania (obszar B) różnice położenia tłoka w znacznie mniejszym stopniu wpływają na ilości zatrzymanego tam paliwa. Najmniejsze udziały obszarów objętych paliwem zaobserwowano dla najniższego położenia wtryskiwacza względem tłoka (pozycja 1), po czasie t = 1,0 ms udział ten kształtował się na poziomie 15-25%. Podczas wtrysku paliwa, w momencie gdy tłok znajdował się w 2 lub 3 położeniu obszary objęte strugą paliwa są zbliżone do siebie, praktycznie w całym zakresie prowadzonej obserwacji. Różnice wielkości tych obszarów są niewielkie i wynoszą około 15%. Trzeci fragment komory spalania, który obejmował wnętrze muldy w tłoku (obszar C) jest w największym stopniu wypełniony paliwem podczas najwyższego usytuowania tłoka (pozycja 3). Maksymalne obszary objęte strugą paliwa przypadające na tę część komory spalania w czasie od 1,0 do 1,5 ms obejmują około 60%. Środkowe oraz najniższe położenie tłoka (pozycja 2 i 1) powoduje, że udział obszarów paliwa w trzeciej strefie wynosi maksymalnie około 40% (z niewielkim opóźnieniem czasowym). Ze względu na fakt, że pierwsze usytuowanie powoduje gwałtowne rozbicie strugi paliwa o krawędź tłoka, położenie to w dalszej części pracy poddano bardziej szczegółowej analizie. Określono rozkład procentowego udziału przestrzeni objętej strugą w poszczególnych obszarach komory spalania (obszar A, B i C) w zależności od ciśnienia wtrysku paliwa oraz przeciwciśnienia powietrza dla pozycji 1 tłoka (rys ). 100% 90% Położenie 1; P pow = 2,5 MPa; P wtr = 75 MPa 100% 90% Położenie 1; P pow = 2,5 MPa; P wtr = 100 MPa 80% 70% Obszar 1 Obszar 2 Obszar 3 80% 70% Obszar 1 Obszar 2 Obszar 3 60% 60% 50% 50% 40% 40% 30% 30% 20% 20% 10% 10% 0% 0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24 t [ms] 0% 0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24 Rys Względny udział obszarów objętych strugą paliwa w 1 pozycji tłoka dla ciśnienia wtrysku paliwa 75 i 100 MPa i przeciwciśnienia powietrza 2,5 MPa [34, 35] t [ms] 73

74 Udział [%] Udział [%] Udział [%] Udział [%] 100% 100% 90% Położenie 1; P pow = 3,0 MPa; P wtr = 75 MPa 90% Położenie 1; P pow = 3,0 MPa; P wtr = 100 MPa 80% 70% Obszar 1 Obszar 2 Obszar 3 80% 70% Obszar 1 Obszar 2 Obszar 3 60% 60% 50% 50% 40% 40% 30% 30% 20% 20% 10% 10% 0% 0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24 t [ms] 0% 0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24 Rys Względny udział obszarów objętych strugą paliwa w 1 pozycji tłoka dla ciśnienia wtrysku paliwa 75 i 100 MPa i przeciwciśnienia powietrza 3,0 MPa [34, 35] t [ms] 100% 100% 90% Położenie 1; P pow = 3,4 MPa; P wtr = 75 MPa 90% Położenie 1; P pow = 3,4 MPa; P wtr = 100 MPa 80% 70% Obszar 1 Obszar 2 Obszar 3 80% 70% Obszar 1 Obszar 2 Obszar 3 60% 60% 50% 50% 40% 40% 30% 30% 20% 20% 10% 10% 0% 0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24 t [ms] 0% 0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24 Rys Względny udział obszarów objętych strugą paliwa w 1 pozycji tłoka dla ciśnienia wtrysku paliwa 75 i 100 MPa i przeciwciśnienia powietrza 3,4 MPa [34, 35] Porównanie otrzymanych wyników wskazuje, że przeciwciśnienie powietrza oraz ciśnienie wtryskiwanego paliwa wpływają jedynie na czasowe opóźnienie w odniesieniu do obszarów objętych strugą. Należy również zauważyć, że w każdym przypadku udział pierwszego obszaru jest znaczny i wynosi około 60% całej strugi, niezależnie od panujących w komorze spalania warunków (dla czasu z przedziału t = 0,3-0,4 ms). Udział obszaru drugiego jest najmniejszy i wynosi około 15%, nie licząc początkowego czasu, gdy udział ten zwiększał się do 40%, przy jednoczesnym braku strugi w trzecim obszarze. Udział trzeciego obszaru, który na początku wtrysku był równy zeru utrzymuje się na poziomie około 30%. Przykładowe zestawienie wielkości analizowanych obszarów dla różnych położeń tłoka przedstawiono na (rys. 5.10). Porównanie to pokazuje, że przy zmiennym usytuowaniu tłoka względem wtryskiwacza wielkość obszarów objętych wtryśniętym paliwem znacząco ulega zmianie. Późniejsze rozpoczęciu wtrysku symulowane mniejszą odległością wtryskiwacza od muldy w tłoku powoduje, że względna ilość paliwa zatrzymana w drugim i trzecim obszarze komory spalania zwiększa się znacząco. Udział pierwszej strefy w miarę rozwoju wtrysku zmienia się od 60% (największa odległość wtryskiwacza od tłoka) do 30%. Udział drugiej strefy obszaru zwiększa się od około 15% do 30%. Udział trzeciego obszaru (muldy w tłoku) zwiększa się od 30% do około 60%. Oznacza to, że czas przebywania strugi w poszczególnych obszarach również ulega zmianie, co prowadzi do zmiany intensywności odparowania paliwa. t [ms] 74

75 Udział [%] Udział [%] Udział [%] 100% 90% 80% 70% Położenie 1; P pow = 3,0 MPa; P wtr = 100 MPa Obszar 1 Obszar 2 Obszar 3 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24 t [ms] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Obszar 1 Obszar 2 Obszar 3 Położenie 2; P pow = 3,0 MPa; P wtr = 100 MPa 0% 0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24 t [ms] Rys Obszary strugi paliwa przy P pow = 3,0 MPa oraz P wtr = 100 MPa dla różnych położeń tłoka [35] Dodatkowo analizie poddano również wtrysk paliwa na zimne ścianki komory spalania. Ich niska temperatura powoduje, że późny wtrysk paliwa wywołuje intensywniejsze powstawanie filmu paliwowego, a w efekcie zwiększenie grubości filmu zgromadzonego w t [ms] 75