THE DISCURSIVE ATTITUDE OF EMISSION ASPECT VS. AIR-FUEL MIXTURE IGNITION DELAY IN DIESEL ENGINE

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertran and Transport, Vol. 13, No. 4 THE DISCURSIVE ATTITUDE OF EMISSION ASPECT VS. AIR-FUEL MIXTURE IGNITION DELAY IN DIESEL ENGINE Anna Jancka, Wojcech Walkowak Poltechnka Wroc awska, Wydza Mechanczny Instytut Konstrukcj Eksploatacj Maszyn Wyb. Wyspa skego 27, Wroc aw e-mal: anna.jancka@pwr.wroc.pl, wojcech.walkowak@pwr.wroc.pl tel./ fax: Abstract The gnton delay s sgnfcant factor of desel engne work cycle n operaton and ecologcal aspects. A lot of varable, complcate and unknown physcochemcal processes have an nfluence on tme of duraton of gnton ntal process. In spte of complex lterature data defcency, based on exstence emprcal dates, nfluence of many elements on reducton of delay tme was concluded. The authors suggested that modfcaton of nert combuston space of engne by usng catalytc layer mght reduce delay tme and mprove engne work parameters. The authors have started research work concentrated on effect of that modfcaton on desel engne emsson. On the bass of lterature studes t s possble to make out that the modfcaton of the space combuston of the engne consstng n ntroducton actve (catalyzer) agent can, wth great probablty, cause reducton of the chemcal delay of the gnton through the decrease of the actvaton energy of the pre-gnton-reactons Research started by authors of the paper purpose the complex explanaton of the problem of nfluence of the modfcaton of the nternal space of the combuston of the engne wth compresson gnton on the gnton delay, and consequently on the emsson of toxc components of combuston gases for the atmosphere. Keywords: desel engne, combuston processes, emsson aspect, ar-fuel mxture DYSKURSYWNE UJ CIE OKRESU OPÓ NIENIA ZAP ONU MIESZANKI PALIWOWO-POWIETRZNEJ W ASPEKCIE JEGO WP YWU NA PRODUKTY SPALANIA W SILNIKU O ZAP ONIE SAMOCZYNNYM Streszczene Okres opó nena zw ok zap onu jest nezwykle stotnym fragmentem cyklu pracy slnka o zap one samoczynnym z eksploatacyjnego ekologcznego punktu wdzena. Czas trwana procesu ncjacj zap onu warunkuj lczne procesy fzykochemczne. Pommo braku kompleksowych bada, na podstawe stnej cych danych emprycznych, mo na wnoskowa o wp ywe welu czynnków na skrócene zw ok zap onu. Autorzy sugeruj, e modyfkacja wewn trznej przestrzen spalana slnka w postac wprowadzena czynnka aktywnego mo e spowodowa skrócene zw ok zap onu a tym samym popraw parametrów pracy slnka. W Zak adze Pojazdów Samochodowych Slnków Spalnowych Poltechnk Wroc awskej rozpoczyna s obecne praca badawcza ukerunkowana na ocen wp ywu zastosowana takej modyfkacj na czas trwana okresu opó nena zap onu w aspekce emsj zaneczyszcze do rodowska. Na podstawe studów lteraturowych mo na wnoskowa, e modyfkacja przestrzen spalana slnka polegaj ca na wprowadzenu czynnka aktywnego (katalzatora) mo e, z du ym prawdopodobe stwem, powodowa skrócene chemcznej zw ok zap onu poprzez obn ene energ aktywacj reakcj przed-zap onowych. Badana rozpocz te przez autorów artyku u maj na celu kompleksowe wyja nene zagadnena wp ywu modyfkacj wewn trznej przestrzen spalana slnka z zap onem samoczynnym na okres opó nena zap onu, a tym samym na emsj toksycznych sk adnków spaln do atmosfery. S owa kluczowe: slnk z zap onem samoczynnym, procesy spalana, produkt spalana, meszanka palwowopowetrzna

2 A. Jancka, W. Walkowak 1. Wst p Zw oka zap onu jest fragmentem cyklu pracy slnka o zap one samoczynnym, trwaj cym zaledwe klka mlsekund. Nemnej jednak to w a ne ona w znacznej merze warunkuje efektywno oraz ekologczne skutk pracy slnka [1]. Je l okres opó nena samozap onu jest zbyt d ug, spalane przebega gwa towne (g o na praca slnka) oraz mnej efektywne (zw kszona emsja toksycznych sk adnków spaln zw kszone zu yce palwa). Ogólne znana jest wprost proporcjonalna korelacja pom dzy czasem trwana okresu zw ok zap onu a pogorszenem s jako c spaln, zw aszcza st enem nedopalonych w glowodorów (w tym mutagennych kancerogennych weloper cenowych w glowodorów aromatycznych), w gazach odlotowych slnków o zap one samoczynnym [2]. Incjacja procesu spalana meszank palwowo powetrznej najogólnej zwana jest zap onem. Samorzutny przebeg procesu spalana w slnkach spalnowych mo e by zapocz tkowany poprzez doprowadzene energ z zewn trz (np. zap on skrowy w slnkach benzynowych) lub poprzez wtry n ce palwa w atmosfer spr onego w komorze spalana powetrza (samozap on w slnkach o zap one samoczynnym) [3]. W teor zap onu w slnkach ZS mo emy wyró n dwe mo lwe ce k ncjacj procesu: teor cepln (teor wybuchu ceplnego) oraz teor a cuchow (teor samozap onu a cuchowo-ceplnego) [3]. Wed ug perwszej zap on nast puje na skutek odpowednej cz sto c skutecznych zderze cz steczek spowodowanych wysok temperatur. Wed ug drugej teor skomplkowane egzotermczne reakcje a cuchowe powoduj zap on meszank palwowej, a powsta a w wynku ch przebegu energa ceplna jest zjawskem wtórnym. To w a ne teora a cuchowa t umaczy pojawane s zjawska zmnych p omen oraz stnene tzw. zap onu nsko wysoko temperaturowego [2]. Bor c pod uwag ogromne znaczene czasu opó nena zap onu, zaskakuj cy jest fakt praktyczne braku dost pnych kompleksowych danych na temat optymalzacj czasu zw ok zap onu w aspekce zastosowana zró ncowanych palw b d modyfkacj przestrzen spalana slnka. W dodatku szcz tkowe badana eksperymentalne nad okresem opó nena zap onu operaj s przede wszystkm na symulacjach w reaktorach o sta ej pojemno c. Oczywsty jest fakt, e w takm przypadku eksperyment, w czaj c wzualzacj procesu zap onu, staje s bardzo uproszczony ne oddaj c w a cwe skomplkowanych procesów zachodz cych w rzeczywstych warunkach cyklu pracy slnka. Patrz c z tej perspektywy wr cz nemo lwe staje s prowadzene bada nad zw ok zap onu z pomn cem slnka [1]. 2. Istota chemcznego fzycznego czasu opó nena zap onu Opracowana w 1934 roku klasyczna teora Semenowa mów, e zjawsko zap onu jest charakteryzowane przez obecno utajonego okresu ncjacj a cucha reakcj chemcznych. Podczas tego okresu cep o (zgodne z teor cepln ) centra aktywne (zgodne z teor a cuchow ) kumuluj s do warto c powoduj cej zap on meszank palwowo-powetrznej. Okres ten nazywany jest czasem chemcznego opó nena zap onu, który lczony jest od chwl pojawena s przedzap onowych reakcj chemcznych. Jednak e proces spalana zachodz w faze gazowej zatem cek e palwo mus by najperw przeprowadzone w stan pary, a nast pne wymeszane z powetrzem w celu utworzena meszank palwowo-powetrznej. Szybko spalana cek ego palwa jest defnowana przez szybko z jak palwo przechodz w stan pary, a nast pne tworzy meszann z powetrzem poprzez pr dko zachodzena odpowednch procesów fzycznych. Okres opó nena zap onu jest d u szy dla slnków o zap one samoczynnym gdze czas jest lczony od momentu wtrysku palwa gdze meszanka palna mus by odpowedno przygotowywana podczas tego okresu. W przypadku slnków benzynowych wytwarzane meszank palnej jest praktyczne zako czone w okrese dolotu. Zap on zapocz tkowany jest przez 224

3 The Dscursve Atttude of Emsson Aspect vs. Ar-Fuel Mxture Ignton Delay n Desel Engne skr na wecy zap onowej, która jest jedynym ród em zap onu. Czo o p omena rozchodz s w ca ej obj to c przestrzen spalana. W tym przypadku p ome propagacj jest agodnejszy n w przypadku slnka o zap one samoczynnym, gdze w obj to c meszank powetrzno-palwowej, przygotowanej podczas czasu zw ok zap onu, powstaje zró ncowana lczba ró ne umejscowonych centrów spalana, a p omene pokrywaj ca obj to prawe powoduj c bardzo wele mkro eksplozj termcznych. W rezultace szybko wzrostu csnena dp/d, tak samo jak maksymalne c nene cyklu p z, w slnkach o zap one samoczynnym przyjmuje wy sze warto c n w slnkach o zap one samoczynnym. Z tego powodu pozom ha asu w slnkach o zap one samoczynnym jest znaczne wy szy n w slnkach skrowych. Jednym ze sposobów wy agodzena gwa townych przeman prowadz cych do wybuchów, a co za tym dze redukcj pozomu ha asu, jest skrócene zw ok zap onu. W ka dym z przypadków, procesy fzyczne pojawaj ce s w cylndrze po rozpocz cu wtrysku palwa, s nezb dne do przygotowana meszanny powetrzno-palwowej ncjacj przedzap onowych reakcj chemcznych. Odst p czasu pom dzy momentem wtrysku palwa a rozpocz cem ncjacj a cucha reakcj chemcznych powoduj cych samozap on nazwany jest czasem fzycznej zw ok zap onu. Do kompleksowych procesów fzycznych pojawaj cych s w slnkach o zap one samoczynnym podczas czasu fzycznej zw ok zap onu nale przede wszystkm: - rozpad strumena palwa w pojedyncze krople, - ogrzewane waporyzacja pojedynczych kropl, - dyfuzja zachodz ca na grancy par palwa powetrza (formowane s palnej gazowej meszank). Na czas trwana chemcznej fzycznej zw ok zap onu wp yw maj równe wszelke modyfkacje palwa zaslaj cego slnk [3]. Huang, Ren, Jang nn [4] badal czas trwana okresu ncjacj zap onu w slnku ZS zaslanym meszankam palwowym typu desel-dmm (ang. Desel-dmethoxy methane). Badana te wskazuj na wp yw sk adu meszank powetrznopalwowej na czas zw ok zap onu, zw aszcza na etape przebegu procesów dyfuzyjnych [4]. Wobec przedstawonych powy ej faktów, czas zw ok zap onu w slnkach wtryskowych jest warunkowany przez sum czasów fzycznej chemcznej zw ok zap onu [1]. Ne wydaje s mo lwym postawene jasnej grancy pom dzy zako czenem fzycznej zw ok zap onu a rozpocz cem chemcznej zw ok zap onu. Dlatego w a ne nale y traktowa opó nene zap onu jako wypadkow ujednolconych procesów fzyko-chemcznych w przypadku których wszystke transformacje zarówno fzyczne jak chemczne pojawaj s równocze ne. Zatem okres opó nena samozap onu jest sum fzycznej chemcznej zw ok zap onu [3]:. (1) f ch Na okres opó nena zap onu maj zatem wp yw ró ne czynnk które zw zane s c le przede wszystkm z chemcznym w asno cam palwa oraz sk adem meszank palnej [3]. 3. Empryczne wyznaczane okresu opó nena zap onu Na podstawe danych emprycznych oraz analzy lcznych zale no c knetycznych Semenow wyprowadz wzór na okres opó nena zap onu, który dla palw pochodzena naftowego przyjmuje posta : 0,5 Ea T RT const e, (2) p 225

4 A. Jancka, W. Walkowak gdze: p c nene meszank, T temperatura meszank, E a energa aktywacj, R unwersalna sta a gazowa. Po logarytmowanu wzoru wda, e ze wzrostem c nena temperatury (funkcja wyk adncza) okres opó nena samozap onu maleje [3]. Kavaradze, Zelnger Ztzeler [1] przeprowadzl badana slnkowe ukerunkowane na pomar czasu zap onu w zale no c od rodzaju zastosowanego palwa, wyprowadzaj c po raz perwszy wzory na opó nene zap onu dla palwa naturalnego oraz dla klku warantów palw syntetycznych. Dz k zastosowanej metodyce badawczej w wynku realzacj tych bada zasugerowano s uszno a cuchowej teor zap onu. Wed ug autorów bada wyprowadzone empryczne wzory nadaj s do symulacj procesu pracy slnka zaslanego danym palwem przewdywana jej ekologcznych skutków. Dla slnka o zap one z bezpo rednm wtryskem palwa, pracuj cego z zastosowanem klasycznego oleju nap dowego, zaproponowano wzór [1]: 1, ,55p exp, (3) T gdze : p T to c nene temperatura w cylndrze w momence nekcj palwa. Ponewa we wspó czesnych slnkach o zap one samoczynnym stosuje s recyrkulacj spaln do wzoru (1) dodano empryczne wyznaczony wspó czynnk K. Warto tego wspó czynnka jest zdetermnowana przez stope recyrkulacj. Wzór przyj zatem formu : 0,09 gdze : K 0,9z dla z = 5 40%. 1, ,55Kp exp, (4) T Ze wzoru wynka, temperatura panuj ca w cylndrze w chwl wtrysku palwa jest odwrotne proporcjonalna do czasu trwana zw ok zap onu. Im wy sza temperatura tym krótszy czas zw ok zap onu. Ponewa zale no ta maleje wyk adnczo, zatem nawet neznaczne podwy szene temperatury panuj cej w cylndrze podczas wtrysku pownno spowodowa odczuwalne skutk skrócena zw ok zap onu. 4. Wp yw procesów kataltycznych na okres opó nena zap onu Katalza jest to zjawsko zmany szybko c reakcj chemcznych w wynku oddza ywana na reagenty substancj zwanych katalzatoram. Katalzatory defnuje s jako substancje, które zw kszaj szybko z jak reakcja chemczna os ga stan równowag, same s jednak ne zu ywaj, a ch symbol ne wyst puje w równanu stechometrycznym [6]. Wp yw katalzatora na reakcj chemczn polega g ówne na obn enu jej energ aktywacj. Zjawsko to t umaczy s to tworzenem przej cowych aktywnych kompleksów katalzatora z substratam, po rozpadze których katalzator ulega regeneracj [7]. Keneth Schmdt [5], analzuj c parametry ncjacj zap onu podczas bada na temat kataltycznego utlenana wy szych alkanów z wykorzystanem rodu jako czynnka aktywnego zauwa yl, wprowadzene ju newelkej lo c katalzatora w reaktorze symuluj cym warunk panuj ce w slnku (z pewnym ogranczenam w odnesenu do rzeczywstych warunków slnkowych, gdy w przypadku skonstruowanego przez autorów reaktora zachodz procesy adabatyczne) powoduje du skuteczno w ogranczenu emsj tych zw zków. Jedn z sugest 226

5 The Dscursve Atttude of Emsson Aspect vs. Ar-Fuel Mxture Ignton Delay n Desel Engne autorów jest teza, e wprowadzony czynnk aktywny w przestrze spalana powoduje rozpocz ce skomplkowanych reakcj a cuchowych powoduj c jednocze ne skrócene czasu chemcznej zw ok zap onu a tym samym zmnmalzowane czasu trwana nekorzystnych procesów powstawana toksycznych, organcznych zw zków w gla. Na podstawe przes anek lteraturowych [3,5,6,7] mo na wnoskowa, e modyfkacja przestrzen spalana slnka polegaj ca na wprowadzenu czynnka aktywnego (katalzatora) mo e, z du ym prawdopodobe stwem, powodowa skrócene chemcznej zw ok zap onu poprzez obn ene energ aktywacj reakcj przedzap onowych. 5. Przygotowane bada eksperymentalnych W Zak adze Pojazdów Samochodowych Slnków Spalnowych Poltechnk Wroc awskej rozpoczyna s obecne praca badawcza ukerunkowana na ocen wp ywu zastosowana wewn trznej modyfkacj przestrzen spalana slnka o zap one samoczynnym na czas trwana okresu opó nena zap onu w aspekce emsj zaneczyszcze do rodowska. Pomary prowadzone b d w rzeczywstych warunkach slnkowych, na slnku jednot okowym, w oparcu o najnowsze wynk bada, które po redno dotycz analzowanych zagadne. Modyfkacja przestrzen spalana slnka b dze polega a na wprowadzenu do nej czynnka aktywnego na no nku ceramcznym. Schemat blokowy budowanego stanowska badawczego przedstawa rysunek 1. Rys. 1. Schemat stanowska badawczego Fg. 1. Lay-out of nvestgatve poston 227

6 A. Jancka, W. Walkowak Autorzy bada maj nadzej, e uzyskane wynk pracy badawczej przyczyn s do lepszego poznana zjawsk wp ywaj cych na czas trwana okresu opó nena zap onu, zw aszcza pod wzgl dem jego wp ywu na welko emsj z slnka ZS. 6. Wnosk 1. Dotychczasowe badana eksperymentalne nad okresem opó nena zap onu operaj s przede wszystkm na symulacjach w reaktorach o sta ej pojemno c. W takm przypadku eksperyment staje s bardzo uproszczony ne oddaj c w a cwe skomplkowanych procesów zachodz cych w rzeczywstych warunkach cyklu pracy motoru. 2. Okres opó nena samozap onu jest sum fzycznej chemcznej zw ok zap onu na które wp yw maj lczne, skomplkowane procesy fzyko-chemczne zale ne od c nena temperatury w momence wtrysku palwa oraz w asno c palwa sk adu meszank powetrzno-palwowej. 3. Na podstawe studów lteraturowych mo na wnoskowa, e modyfkacja przestrzen spalana slnka polegaj ca na wprowadzenu czynnka aktywnego (katalzatora) mo e, z du ym prawdopodobe stwem, powodowa skrócene chemcznej zw ok zap onu poprzez obn ene energ aktywacj reakcj przed-zap onowych. 4. Badana rozpocz te przez autorów nnejszego artyku u maj na celu kompleksowe wyja nene zagadnena wp ywu modyfkacj wewn trznej przestrzen spalana slnka ZS na okres opó nena zap onu a tym samym na emsj toksycznych sk adnków spaln do atmosfery. Lteratura [1] Kavtaradze, R., Zelnger, K., Ztzler, G., Ignton delay n a desel engne utlzng dfferent fuels, Hgh Temperature, Vol.43, No.6, pp , [2] Baczewsk, K., Ka do sk, T., Palwa do slnków o zap one samoczynnym, Wydawnctwa Komunkacj I czno c, Warszawawa [3] Ambrozk, A., Wybrane zagadnena procesów ceplnych w t okowych slnkach spalnowych; Monografe, studa, rozprawy; Poltechnka w tokrzyska, Kelce [4] Huang, Z. H., Ren, Y., Jang, D. M., Combuston and emsson characterstcs of compresson gnton engne fuelled Desel-dmethoxy methane blends, Energy Converson and Management 47 pp , [5] Wllams, K. A., Schmdt, L. D., Cataytc autognton of hgher alkane partal oxdaton on Rh-coated foams, Appled Calatyss A: General 299 pp , [6] We Bao, Fu, Chan, Qn, Chang, Le L, Expermental study on gnton of pre-mxed gases wth steam under catalytc reformng reacton; Fuel processng technology 7, pp , [7] Peucheret, S., Feavour, M., Golunsk, S., Exhaust-gas reformng usng precous metal catalysts; Appled Catalyss B: Envronmental 65, pp ,