ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012 Andrzej AMBROZIK, Tomasz AMBROZIK, Dariusz KURCZYŃSKI, Piotr ŁAGOWSKI 1 OPÓŹNIENIE SAMOZAPŁONU W SILNIKU Z WIELOETAPOWYM WTRYSKIEM PALIWA 1. Wstęp Przy analizie procesu spalania ważne jest precyzyjne określenie okresu opóźnienia samozapłonu, który jest mierzony od chwili rozpoczęcia wtrysku paliwa do chwili rozpoczęcia jego spalania. W tym okresie zachodzi szereg złożonych procesów i reakcji chemicznych, których szybkość i charakter istotnie wpływają na czas trwania procesu spalania. Po upływie krótkiego czasu od rozpoczęcia wtrysku paliwa, kiedy spalanie jeszcze nie zachodzi, ciśnienie czynnika roboczego w cylindrze zmienia się na skutek procesu sprężania. W początkowej chwili tego okresu krople paliwa ogrzewają się i odparowują. W końcu tej fazy tworzy się duża ilość ognisk samozapłonu i następuje samozapłon mieszanki palnej. 2. Stanowisko badawcze i obiekt badań Badania wtryskiwacza sterowanego elektromagnetycznie, stosowanego do zasilania silnika MultiJet 1.3, którego budowę przedstawiono na rysunku 1, przeprowadzono na stole probierczym Bosch EPS 815 wyposażonym w układ do pomiaru dawki paliwa Bosch KMA 822 oraz układ do wizualizacji przebiegu procesu wtrysku paliwa. Rozpylacz umieszczony był w specjalnej komorze wizualizacyjnej wypełnionej paliwem. Stanowisko to było opisane w publikacjach [1, 3]. Badania realizowano przy różnych ciśnieniach paliwa w szynie zbiorczej i przy jednej strategii wtrysku. Wykorzystanie do obserwacji rozwoju strugi paliwa efektu stroboskopowego pozwoliło na wyznaczenie rzeczywistego czasu wypływu paliwa z otworków rozpylacza. Podczas badań rejestrowano przebiegi zmiany ciśnień w układzie wtryskowym oraz przebieg zmiany natężenia prądu sterującego pracą wtryskiwacza. Czas trwania obu sygnałów sterujących dwuetapowym wtryskiem paliwa był taki sam i wynosił 450 µs, przy czym pierwszy sygnał rozpoczynał się od α=-105 OWK, zaś drugi od α=-94 OWK. Za rzeczywisty początek i koniec wtrysku paliwa przyjęto chwilę w której długość strugi paliwa wynosiła 1mm. 1 dr hab. Andrzej Ambrozik, mgr inż. Tomasz Ambrozik, dr inż. Dariusz Kurczyński, dr inż. Piotr Łagowski, Katedra Mechaniki, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Politechnika Świętokrzyska 99

2 Rys. 1. Budowa elektrowtryskiwacza: 1 - Trzpień naciskowy; 2 Iglica; 3 Dysza; 4 Cewka; 5 - Zawór sterowany; 6 - Zawór kulowy; 7 - Powierzchnia kontrolna; 8 - Dawka wtrysku; 9 - Dawka kontrolna; 10 - Powrót paliwa - niskie ciśnienie; 11 - Kanał kontrolny; 12 - Kanał zasilania 13 - Konektor elektryczny; 14 - Złączka wlotu paliwa - wysokie Rysunek pierwszy Stanowisko hamowniane wyposażone było również w układ do pomiaru natężenia prądu sterującego pracą wtryskiwacza (rysunek 2). Układ ten był włączony szeregowo do układu w którym płynie prąd sterujący pracą wtryskiwacza tzn. jego otwarciem i zamknięciem. Umożliwia on rejestrację przebiegów prądowych sterujących pracą wtryskiwacza. Przebiegi te zapisywane są w komputerze w funkcji kąta obrotu wału korbowego (rysunek 3). Rys. 2. Układ pomiarowy wykorzystywany do pomiaru przebiegu natężenia prądu sterującego pracą wtryskiwacza C1= F; C2= F; C3= F 100

3 Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy przebieg prądu sterujący pracą wtryskiwacza. Rys. 3. Przebieg natężenia prądu sterującego elektromagnetycznym zaworem wtryskiwacza [4]: I natężenie prądu, t czas trwania natężenia prądu, t 1 zasilanie z kondensatora, t 2 prąd przyciągania popychacza zaworu, t 3 ładowanie kondensatora, t 4 prąd podtrzymania położenia popychacza zaworu, t 5 odłączenie zasilania cewki, t z początek wzrostu natężenia prądu inicjującego otwarcie wtryskiwacza, t w rozpoczęcie spadku natężenia prądu powodującego zamknięcie wtryskiwacza 3. Metodyka wyznaczania okresu opóźnienia samozapłonu Okres opóźnienia samozapłonu jest to okres mierzony od chwili rozpoczęcia wtrysku paliwa do chwili rozpoczęcia jego spalania. Istnieje wiele metod wyznaczania okresu opóźnienia samozapłonu, które są przedstawione w literaturze [2,5]. W pracy rozpoczęcie spalania określono w oparciu o wyznaczenie położenia pierwszego lokalnego ekstremum (minimum) pochodnej ciśnienia w cylindrze względem kąta, które występuje za punktem określającym początek wtrysku pierwszej dawki paliwa. Tak wyznaczony okres opóźnienia samozapłonu weryfikowano w oparciu o wyznaczoną charakterystykę szybkości wydzielania względnej ilości ciepła podczas procesu spalania dla którego i w którym względna ilość indykowanego wydzielonego ciepła x i >0,02. Początki zapłonów poszczególnych przedwtrysków i dawki zasadniczej określono również w oparciu o lokalne ekstrema pierwszej pochodnej ciśnienia w cylindrze względem kąta. W przypadku wieloetapowego wtrysku paliwa składającego się z przedwtrysków, wtrysku zasadniczej dawki paliwa i powtrysków realizowanych w różnych fazach kątowych stwierdzono, że proces spalania może rozpoczynać się przed wtryskiem zasadniczej dawki paliwa. Powoduje to, że rozpoczęcie wtrysku podstawowej dawki paliwa do cylindra następuje, kiedy rozpoczął się już proces spalania. Przy analizie spalania w silnikach z wieloetapowym wtryskiem paliwa okres opóźnienia samozapłonu kolejnych dawek paliwa wtryskiwanych do cylindra jest wyznaczany jako okres liczony od chwili rozpoczęcia wtrysku odpowiedniej dawki paliwa do chwili rozpoczęcia się jej spalania. Charakterystyczne punkty na charakterystyce szybkości wydzielania ciepła odpowiadające rozpoczynaniu się spalania poszczególnych przedwtrysków i dawki podstawowej oraz odpowiadające 101

4 im punkty na charakterystyce szybkości zmiany ciśnienia w cylindrze przedstawiono na rysunku 4. a) p w, MPa OSd1 OSd2 OSdZ b) dpc d, MPa oowk 0.4 pd1 pd2 pdz, o OWK , o OWK c) X, 1 oowk , o OWK ps1 ps2 ps3 Rys. 4. Ilustracja graficzna wieloetapowego wtrysku paliwa i wybranych parametrów charakteryzujących przebieg procesów w cylindrze: a przebieg ciśnienia wtrysku paliwa p w ; b pierwsza pochodna ciśnienia w cylindrze dp/dα ; c charakterystyka szybkości wydzielania względnej ilości ciepła 102

5 4. Wyniki badań W tabeli 1 przedstawiono wyniki obliczeń okresu opóźnienia samozapłonu dawki zasadniczej dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy prędkościach obrotowych nє{1200, 1750, 2400, 4000} obr/min Tabela 1. Okres opóźnienia samozapłonu dawki zasadniczej dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy prędkościach obrotowych nє{1200, 1750, 2400, 4000} obr/min Lp. M o α OSdZ α OSdZ α OSdZ α OSdZ [Nm] [ OWK] [ OWK] [ OWK] [ OWK] n=1200 obr/min n=1750 obr/min n=2400 obr/min n=4000 obr/min ,6 4,5 6,6 9, ,5 6,3 8,1 9, ,2 6,3 7,5 8, ,2 5,7 8,1 8, ,9 6,3 8,1 8, ,6 4,5 6,9 7, ,7 6,3 6,0 6, ,7 6,3 5,7 7, ,4 4,8 4,8 8, ,3 4,8 6, ,9 5,1 7, ,2 3,9 8, ,6 3,9 7, ,6 3,9 6, ,3 4,2 7, ,3 4,5 7, ,7 5, ,6 3, ,3 5, ,6 4, , Na rysunku 5 przedstawiono wykresy okresów opóźnienia samozapłonu dawki zasadniczej α OSdZ dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych nє{1200, 1750, 2400, 4000} obr/min. Najkrótszy okres opóźnienia samozapłonu dawki zasadniczej występował dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=1200 obr/min. Na czas trwania tego okresu wpływ miały dwa przedwtryski, które wtryśnięte przed dawką zasadniczą zapoczątkowały rozpoczęcie procesu spalania. Dawka zasadnicza wtryskiwana była już po rozpoczęciu się spalania. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej okres opóźnienia samozapłonu dawki zasadniczej był coraz dłuższy. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy prędkości obrotowej n=1750 obr/min przed wtryskiem dawki zasadniczej występował jeden przedwtrysk, który realizowany był w pobliżu GZP. Przy małym obciążeniu silnika, tj przy M o <49 Nm przedwtrysk nie powodował samozapłonu, ale wtryśnięte paliwo odparowało i wymieszało się z ładunkiem znajdującym się w cylindrze tworząc 103

6 jednorodną mieszankę palną. Dawka zasadnicza, która była wtryskiwana do tak przygotowanej mieszanki palnej zapalała się szybciej. Dla momentu obrotowego M o >49 Nm dawka zasadnicza wtryskiwana była do cylindra w momencie, gdy już trwał proces spalania rozpoczęty paliwem wtryśniętym wcześniej (przedwtryskiem). Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=2400 obr/min sytuacja była podobna. Przy obciążeniach silnika M o <110 Nm przedwtrysk odparowywał mieszając się z ładunkiem w cylindrze. Powyżej tego obciążenia silnika przedwtrysk inicjował początek spalania. Dla silnika pracującego przy prędkości obrotowej wału korbowego n=4000 obr/min początek spalania miał miejsce w czasie trwania wtrysku dawki zasadniczej. Rys. 5. Okres opóźnienia samozapłonu zasadniczej dawki paliwa α OSdZ dla silnika Fiat MultiJet 1.3 SDE 90KM pracującego według charakterystyk obciążeniowych nє{1200, 1750, 2400, 4000} obr/min W badanym silniku wieloetapowy wtrysk paliwa był realizowany do prędkości obrotowej n=4000 obr/min i przy jego obciążeniach częściowych. Jednym z powodów, że wieloetapowy wtrysk paliwa powyżej n=4000 obr/min nie był realizowany jest prędkość obrotowa wału korbowego silnika. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wału korbowego czas trwania cyklu jest krótszy, a więc i czas tworzenia mieszanki palnej oraz jej spalania jest również coraz krótszy. W przypadkach, gdy występują dwa sygnały sterujące pracą wtryskiwacza powinny występować dwa oddzielne wtryski paliwa. Jednak ze względu na krótki czas między sygnałami wtryski te nakładają się na siebie i tworzą jeden wtrysk paliwa. 104

7 5. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań i obliczeń można sformułować następujące wnioski: - ciśnienie w szynie kolektora ma wpływ na rzeczywisty początek i koniec wtrysku. Dla coraz wyższych ciśnień wtrysku rzeczywisty początek wtrysku rozpoczynał się wcześniej; - okres opóźnienia samozapłonu dawki zasadniczej wraz ze wzrostem prędkości obrotowej był coraz dłuższy; - najkrótszy okres opóźnienia samozapłonu dawki zasadniczej otrzymano dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=1200obr/min. Literatura: [1] Balawender K., Kuszewski H., Lejda K., Ustrzycki A.: The effect of multi-phase injection on selected parameters of the common rail fuel system, Combustion engines, No 4, [2] Heywood J.B.: Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw Hill Book Company, [3] Kuszewski H., Ustrzycki A.: Wpływ parametrów pracy zasobnikowego układu wtryskowego na rzeczywisty początek wtrysku paliwa, Silniki spalinowe PTNSS 2007-SC2, Bielsko-Biała, 2007 [4] Wisłocki K., Pielecha I., Czajka J.: A comparative analysis of diesel fuel injection parameters in piezoelectric and electromagnetic fuel injectors, Combustion engines, No 3, [5] Zervas E.: Comparative study of some experimental methods to characterize the combustion process In a SI engine, Energy, Volume 30, pages , wyd. Elsevier, 2005 Streszczenie W artykule przedstawiono metodykę wyznaczania okresu opóźnienia samozapłonu w nowoczesnym silniku o zapłonie samoczynnym 1.3 MultiJet z wieloetapowym wtryskiem paliwa. Badania przeprowadzono na stanowisku hamownianym zbudowanym w Laboratorium Silników Cieplnych Politechniki Świętokrzyskiej wyposażonym w system do pomiaru parametrów operacyjnych silnika i wielkości szybkozmiennych. Okres opóźnienia samozapłonu mierzony jest jako czas, który upłynął od chwili rozpoczęcia wtrysku paliwa do chwili rozpoczęcia się jego spalania. Na podstawie przebiegu zmiany natężenia prądu sterującego pracą wtryskiwacza oraz badań wizualizacyjnych pozwalających na określenie kąta wtrysku paliwa wyznaczono rzeczywisty początek wtrysku paliwa. Początek spalania oraz zapłonów poszczególnych porcji paliwa wtryskiwanego do cylindra wyznaczano w oparciu o przebieg zmiany pierwszej pochodnej przebiegu ciśnienia w cylindrze. W artykule przedstawiono wpływ przedwtrysków paliwa na czas trwania okresu opóźnienia samozapłonu zasadniczej dawki wtryskiwanego paliwa dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy n=1200, 1750, 2400 i 4000 obr/min. Słowa kluczowe: silnik spalinowy, wtryskiwacz, wieloetapowy wtrysk paliwa, okres opóźnienia samozapłonu 105

8 THE SELF IGNITION DELAY IN THE ENGINE WITH THE MULTIPLE FUEL INJECTION Abstract The paper presents the results of self ignition delay to modern 1.3 MultiJet engine with multiple fuel injection. The investigations were conducted at the engine test house constructed in the Heat Engine Laboratory at the Kielce University of Technology and the engine test stand equipped with the fast-changing quantities measurement system. The self ignition delay was measured from the moment of fuel injection beginning to the beginning of its combustion. On the basis of the current intensity transient which controls the injectors operation and the visualization research that allow to determine the fuel injection angle the real fuel injection beginning was determined. The beginning of combustion and of the fuel charge ignition injected to the cylinder was determined on the basis of the first derivative pressure changes in the cylinder. Moreover, in the paper the influence of fuel pre-injections on self ignition delay duration of the main injection for the engine operated under load conditions at the crankshaft rotational speed n=1200, 1750, 2400, 4000 rpm was presented. Keywords: engine combustion, injector, multijet injection fuel, self ignition delay 106