INDICATING OF AN ENGINE FUELLED WITH CNG

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 3 INDICATING OF AN ENGINE FUELLED WITH CNG Andrzej ó towski Instytut Transportu Samochodowego ul. Jagiello ska 8, 3-31 Warszawa tel.: wew. 518, fax: andrzej.zoltowski@its.waw.pl Abstract In the paper described method of heat release measurement in IC engines using cylinder pressure registered at engine indicating process. It shows results of bus engines testing. Tested engines were fuelled with CNG or LPG. It contains results of heat release calculation made for engines operating in different conditions. The paper is divided into three parts where successively discussed influence of spark advance, engine loading and engine speed on course of integrated heat release coefficient and cylinder pressure. Each parts of the text is illustrated with suitable characteristics. Comparison of heat release in engine fuelled with CNG and LPG indicates some differences in engine combustion process. In particular the dependence of the coefficient of heat release versus loads and the crank angle, the dependence of the coefficient of heat release versus crank angle, the rotational speed and loads, the change of the elementary specific effective work and specific effective work factor in the function of crank angle, the course of the pressure in the cylinder of the MAN-2856-HM6U engine fed CNG versus of the crank angle, the performances versus composition of the mixture the fuel- air of the MAN 2856-HM6U engine fed CNG are presented in the paper. Research showed that optimized combustion process of the SI engine fed with gas fuels showed the analogy in the course of heat release in engines fed with petrol. Key words: internal combustion engines, alternative fuels, natural gas, engine testing, heat release INDYKOWANIE SILNIKA ZASILANEGO SPR ONYM GAZEM ZIEMNYM Streszczenie W artykule opisano zasad pomiarów szybko ci wydzielania si ciep a w silnikach spalinowych wykorzystuj c zarejestrowane dane w procesie indykowania silnika. Przedstawiono sposób indykowania ci nienia w cylindrze na przyk adzie silnika autobusu zasilanego spr onym gazem ziemnym (CNG) i LPG. Artyku zilustrowano wynikami oblicze przebiegu wywi zywania si w ró nych warunkach pracy silnika. Omówiono wp yw k ta wyprzedzenia zap onu, obci enia i pr dko ci obrotowej silnika na przebieg wydzielania si ciep a oraz ci nienie panuj ce w cylindrze. W szczególno ci zale no wspó czynnika wydzielania ciep a od obci enia i k ta obrotu wa u korbowego, zale no wspó czynnika wydzielania ciep a od k ta obrotu wa u korbowego, pr dko ci i obci enia, zmiany elementarnej pracy u ytecznej w a ciwej oraz pracy u ytecznej w a ciwej czynnika w funkcji k ta obrotu wa u korbowego, przebieg ci nienia w cylindrze silnika MAN-2856-HM6U zasilanego gazem ziemnym w funkcji k ta obrotu wa u korbowego, charakterystyki w funkcji sk adu mieszanki paliwowo-powietrznej silnika MAN 2856-HM6U zasilanego CNG s prezentowane w artykule. Badania wykaza y, e zoptymalizowany proces spalania silnika ZI zasilanego paliwami gazowymi wykazuje podobie stwo w przebiegu wydzielania ciep a spotykanego w silnikach zasilanych benzyn. S owa kluczowe: silniki spalinowe, paliwa alternatywne, gaz ziemny, badania silników, wywi zywanie ciep a

2 A. ó towski 1. Wst p Znajomo przebiegu wywi zywania si ciep a w cylindrze silnika jest jednym z podstawowych elementów wykorzystywanych w analizie procesu spalania w silniku t okowym. Obieg termodynamiczny silnika t okowego jest tym bardziej sprawny energetycznie im wi cej ciep a dostarczy si w pobli u zwrotu zewn trznego t oka. W praktyce oznacza to, e im szybciej przebiega spalanie adunku zawartego w cylindrze, tym silnik charakteryzuje si wy sz sprawno ci ciepln. Z kolei sterowanie szybko ci wywi zywania si ciep a mo e by jednym ze sposobów utrzymywania warto ci szkodliwej emisji z silnika na wymaganym poziomie. Stosuj c paliwa alternatywne do zasilania silników nale y liczy si ze zmian przebiegu wywi zywania si ciep a w silniku spowodowan odmienn szybko ci spalania tych paliw. W niniejszym artykule przedstawiono przebieg wywi zywania si ciep a w cylindrze silnika autobusowego zasilanego wybranymi paliwami gazowymi. Obiektem bada by silnik typu MAN D2356-HM6U dostosowany do zasilania spr onym gazem ziemnym. Silnik MAN D2356-HM6U jest wolnoss cym silnikiem o zap onie samoczynnym, z bezpo rednim wtryskiem paliwa do kulistej komory spalania umieszczonej w denku t oka, charakterystycznej dla silników produkcji firmy MAN. Adaptacja silnika do zasilania CNG obejmowa a zamian systemu spalania ZS na system spalania o zap onie iskrowym, zastosowanie powi kszonej komory spalania oraz zainstalowanie wiecy zap onowej w miejscu wtryskiwacza. Podstawowe dane techniczne silnika przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1. Dane silnika MAN 2356-HM6U Table 1. Technical data of engine MAN 2356-HM6U skok t oka [mm] rednica cylindra [mm] pojemno skokowa [dm 3 ] liczba cylindrów stopie spr ania ,3 6 11,7 W analizie szybko ci wydzielania ciep a indykowanego silnika podstawowym problemem jest odpowied na pytanie, czy zastosowane paliwo spala si odpowiednio szybko i co mo na zrobi, aby zoptymalizowa przebieg spalania. Mo na to uczyni steruj c parametrami czynnika zawartego w komorze spalania lub przebiegiem spalania (np. poprzez zmian warto ci k ta wyprzedzenia zap onu). 2. Wp yw k ta wyprzedzenia zap onu na przebieg spalania Na rys. 1 przedstawiono przebieg ci nienia w cylindrze badanego silnika przy pr dko ci 12 obr/min i ró nych obci e. Z rysunku tego wynika jak istotnym parametrem pracy silnika jest warto k ta wyprzedzenia zap onu i jak k t wyprzedzenia zap onu mo e wp ywa na sprawno silnika. Na rys. 1 a) wida, e przy pe nym obci eniu silnik osi ga rednie ci nienie warto ci ci nienia w cylindrze. Wynika to przede wszystkim z wysokiej warto ci stopnia spr ania badanego silnika ( =11,7) oraz wzgl dnie wysokiej turbulentnej szybko ci spalania metanu, niewiele odbiegaj cej od szybko ci spalania benzyny. Cho warto ci laminarnej pr dko ci spalania benzyny i metanu ró ni si do wyra nie (benzyna ma wi ksz laminarn szybko spalania), to w wyniku dobrania odpowiedniego k ta wyprzedzenia zap onu, nie prowadzi to do zbyt wielkich ró nic w przebiegu spalania obu tych paliw w silniku. 464

3 Indicating of an Engine Fuelled with CNG p [bar] a) b) 6 p i [bar] 8,2 7,1 5 5,8 4,6 3,5 4 2,5 1,6 1,1 3 p [bar] 2 1 p i [bar] 7,2 6,1 5,1 4, 3,1 2,3 1,5, [ OWK] [ OWK] Rys. 1. Przebieg ci nienia w cylindrze badanego silnika w funkcji k ta obrotu wa u korbowego przy k cie wyprzedzenia zap onu: a) 2 OWK przed GMP, b) 1 OWK przed GMP Fig. 1. Cylinder pressure in testes engine versus crank angle with spark advance: a) - 2 CA before TDC, b) - 1 CA before TDC [ OWK po GMP] p i [bar] Rys. 2. Zale no wspó czynnika wydzielania ciep a (i) od obci enia i k ta obrotu wa u korbowego; n=12 obr/min Fig. 2. Integrated heat release (i) versus crank angle and engine loading; 12 rpm 465

4 3. Wp yw obci enia na wydzielanie ciep a A. ó towski Na rys. 2 przedstawiono zale no pomi dzy wspó czynnikiem wydzielania ciep a (i) i odpowiadaj cym mu k tem obrotu wa u korbowego ( ) a rednim ci nieniem indykowanym (p i ) silnika. Uzyskano typow charakterystyk spotykan w silnikach o zap onie iskrowym. Lekko nachylony przebieg izolinii odpowiadaj cych sta ym warto ciom wspó czynnika wydzielania ciep a w g ównej fazie procesu spalania (w tym przypadku jest to przedzia zmienno ci k ta obrotu wa u korbowego do wydzielenia si ok. 85% ciep a) wskazuje, e czas spalania w tym okresie ulega skracaniu w miar wzrostu obci enia. Jest to zrozumia e z uwagi na wp yw reszty spalin pozosta ej w cylindrze w pocz tku suwu nape niania, której udzia w wie ym adunku wzrasta w miar spadku obci enia silnika. Nieusuni te spaliny rozcie czaj wie y adunek, spowalniaj c szybko procesu spalania. i [-] a) 1 obr/min 15 obr/min 2 obr/min 25 obr/min [ OWK po GMP] b) n=15 obr/min [ OWK] p i [bar] Rys. 3. Zale no wspó czynnika wydzielania ciep a (i) od k ta obrotu wa u korbowego i pr dko ci (a) oraz obci enia (b) w silniku zasilanym LPG; Fig. 3. Integrated heat reelease (i) versus crank angle (a) and engine speed (b) in engine fuelled with LPG Poniewa silniki przeznaczone do zasilania gazem ziemnym, ze wzgl du na wysok warto liczby oktanowej tego paliwa, powinny mie nieco wy szy stopie spr ania w porównaniu z silnikami zasilanymi benzyn czy LPG (o jednostki), st d te udzia reszty spalin w wie ym adunku wype niaj cym ich cylindry powinien by odpowiednio mniejszy. W tym przypadku nale a oby oczekiwa, e przebiegi wspó czynnika wydzielania ciep a w funkcji obci enia silnika powinny by bardziej p askie. Z rys. 2 wynika, e dla wspó czynników wydzielania ciep a z przedzia u 5% < i < 85%, zmiana obci enia silnika od najwi kszego do najmniejszego powoduje wyd u enie spalania o oko o 5 OWK. Dla rozwa anej pr dko ci obrotowej (n=12 obr/min) po wydzieleniu si 85 9 % ciep a w procesie spalania zaczyna dominowa faza dopalania. Charakteryzuje si ona znacznym spowolnieniem wywi zywania si ciep a i nieuporz dkowanym przebiegiem izolinii wspó czynnika i. Dopalenie ostatnich 1% paliwa w ko cu procesu spalania zabiera dok adnie tyle samo czasu, co spalenie 9% paliwa na pocz tku tego procesu. Na rys. 3 przedstawiono przebieg zmian wspó czynnika wydzielania ciep a w silniku 6C17 (S/D=12 mm/17 mm) zasilanym LPG. Silnik ten przedstawiono na rys. 4. W ca ym zakresie u ytecznych pr dko ci obrotowych (1 25 obr/min) krzywe wspó czynnika wydzielania 466

5 Indicating of an Engine Fuelled with CNG ciep a s do siebie równoleg e, co oznacza e szybko wydzielania ciep a odniesiona do k ta obrotu wa u korbowego ma w sta warto, niezale n od pr dko ci obrotowej silnika, za szybko spalania mieszanki paliwowo-powietrznej wzrasta proporcjonalnie do wzrostu pr dko ci obrotowej silnika. W przypadku charakterystyki przedstawionej na rys 3 b) dla wspó czynników wydzielania ciep a z przedzia u 25% < i < 9%, zmiana obci enia silnika od najwi kszego do najmniejszego powoduje wyd u enie spalania co najmniej o 1 OWK, czyli wyra nie wi cej ni w silniku zasilanym CNG (rys. 2). Rys 4. Silnik 6C17 zasilany LPG Fig. 4. Engine of type 6C17 fuelled with LPG Podobnie jak w silniku zasilanym gazem ziemnym, zakrzywienie przebiegu wspó czynnika wydzielania ciep a na skutek przej cia fazy spalania adunku w faz dopalania nast puje po wydzieleniu si co najmniej 85 % ciep a, przy czym warto charakterystyczna wspó czynnika i odpowiadaj cego temu punktowi jest tym wy sza im wy sza jest pr dko obrotowa silnika. Podobne zjawisko mo na zaobserwowa w silniku zasilanym gazem ziemnym. Na rys. 5 porównano przebiegi pracy u ytecznej obu opisanych powy ej silników (MAN zasilany CNG i 6C17 zasilany LPG). Rysunek ten przedstawia przebieg zmian, w funkcji k ta obrotu wa u korbowego, chwilowych warto ci pracy elementarnej (pdv) w suwie rozpr ania oraz ca k tego przebiegu (l= pdv), obrazuj c sumaryczn zmian pracy u ytecznej obiegu termodynamicznego silnika, jak dostarczono lub odebrano z obiegu od pocz tku suwu spr ania. W celu umo liwienia porównywania silników o ró nych wymiarach g ównych, analizowane wielko ci odniesiono do jednostki masy adunku zawartego w cylindrze. Analizuj c rys. 5 widzimy, e praca doprowadzana w suwie spr ania do czynnika jest wi ksza dla silnika zasilanego gazem ziemnym. Wynika to przede wszystkim z wy szego stopnia spr ania w tym silniku ( =11,7 w silniku MAN w porównaniu z =9,5 w silnika 6C17), a przez to wy szych ci nie w suwie spr ania. Po zainicjowaniu zap onu, zmiany pracy elementarnej w obu badanych silnikach osi gaj zbli one warto ci. Analizuj c przebieg pracy u ytecznej czynnika w obszarze suwu rozpr ania widzimy, e w obu silnikach zmienia ona swój znak z ujemnego na dodatni w okolicy po o enia 467

6 A. ó towski k towego t oka OWK po GMP. Ró nice pracy u ytecznej obu silników odczytane w GMP i w ko cu suwu rozpr ania (w chwili otwarcia zaworu wylotowego) wynosz odpowiednio: w GMP l=96 J/g, w ko cu suwu rozpr ania l=72 J/g. Oznacza to, e jednostkowa praca u yteczna otrzymywana w silniku zasilanym CNG by a blisko o 7% mniejsza ni w silniku zasilanym LPG. Powy sze ró nice warto ci pracy u ytecznej wynikaj mi dzy innymi z ni szej warto ci opa owej mieszanki stechiometrycznej powietrza i gazu ziemnego. Ró nice te znajduj odzwierciedlenie w ró nicach redniego ci nienia indykowanego silników na rys. 2 i 3. pdv [J/g deg] MAN CNG 6C17 LPG pdv [ OWK] l l [J/g] Rys. 5. Zmiany elementarnej pracy u ytecznej w a ciwej (pdv) oraz pracy u ytecznej w a ciwej (l) czynnika w funkcji k ta obrotu wa u korbowego Fig.5. Elementary work (pdv) and work of cycle (l) versus crank angle 4. Wp yw pr dko ci obrotowej na wydzielanie ciep a Ze wzrostem pr dko ci obrotowej silnika maleje czas trwania pojedynczego cyklu roboczego silnika. Zak adaj c, e czas spalania adunku zawartego w cylindrze by by sta y, to wraz ze 8 9 [ OWK po GMP] n [obr/min] p e [bar] n [obr/min] Rys. 6a. Zale no wspó czynnika wydzielania ciep a od pr dko ci obrotowej i k ta obrotu wa u korbowego; silnik MAN 2856-HM6U zasilany CNG; n=12 obr/min Fig. 6a. Integrated heat release versus engine speed and CA; engine MAN 2856-HM6U fuelled with CNG, 12 rpm Rys. 6b Zale no po o enia k towego punktu odpowiadaj cego spaleniu si 5% paliwa w cylindrze ( 5% ) od pr dko ci i obci enia; silnik MAN 2856-HM6U zasilany CNG; Fig. 6b. Crank angle relating to 5% of fuel burnt in cylinder ( 5% ) versus engine speed and MBEP; engine MAN 2856-HM6U fuelled with CNG 468

7 Indicating of an Engine Fuelled with CNG wzrostem pr dko ci obrotowej d ugo okresu spalania, mierzona k tem obrotu wa u korbowego, wyd u y aby si proporcjonalnie do stosunku pr dko ci obrotowych. W rzeczywistym silniku pr dko spalania nie jest sta a, lecz zmienia si wraz ze zmianami pr dko ci obrotowej. Jest to spowodowane zmian intensywno ci turbulencji adunku wewn trz komory spalania. p [bar] =,88 =,96 =1,2 =1,5 =1.12 =1,29 =1, [ OWK] Rys. 7. Przebieg ci nienia w cylindrze silnika MAN-2856-HM6U zasilanego gazem ziemnym w funkcji k ta obrotu wa u korbowego; n=12 obr/min, pe ne obci enie Fig. 7. Cylinder pressure versus crank angle in MAN-2856-HM6U fuelled with CNG; 12 rpm, WOT Na rys. 6 przedstawiono zale no wspó czynnika wydzielania ciep a od pr dko ci obrotowej silnika. Zmiana pr dko ci obrotowej silnika z 1 obr/min do 2 obr/min (rys.6a) powoduje w obszarze wyst powania rozwini tego frontu turbulentnego p omienia (i=1 7%) wyd u enie k ta spalania, liczonego od chwili zap onu, o oko o 5 OWK. Charakterystyczne jest, e izolinie wspó czynnika wydzielania ciep a o warto ciach 4%, 1%, 25%, 5% i 75% s prawie równoleg e do siebie, co oznacza, e szybko wywi zywania si ciep a (pr dko spalania) w tym obszarze, mierzona zmian po o enia k towego wa u korbowego, ma zbli one warto ci. Pochy y przebieg powy szych izolinii, maj cych rednie nachylenie 5 OWK/1 obr/min, jest wywo any wolniejszym wywi zywaniem si ciep a w okresie od przeskoku iskry pomi dzy elektrodami wiecy zap onowej do chwili rozwini cia si turbulentnego frontu p omienia. Okres ten trwa w tym wypadku oko o 3 OWK. Sk ada si on g ównie ze zw oki zap onu (liczonej od przeskoku iskry do pojawienia si oznak zap onu) oraz fazy spalania laminarnego, w której wiry turbulentne, ze wzgl du na sw znacznie wi ksz skal, nie oddzia ywaj jeszcze na front p omienia przemieszczaj cy si z laminarn pr dko ci spalania. Dopiero, gdy promie p omienia laminarnego osi gnie wielko porównywaln ze skal turbulencji adunku, wiry turbulentne zaczynaj do frontu p omienia doprowadza niespalon mieszank paliwowo-powietrzn z tym wi ksz szybko ci im wi ksza jest intensywno jego turbulencji. P omie z laminarnego przekszta ca si w turbulentny, a szybko spalania gwa townie wzrasta. Jest zrozumia e, e dopóki podczas spalania nie ukszta tuje si w pe ni rozwini ty p omie turbulentny, dot d intensywno turbulencji, zale na przede wszystkim od pr dko ci ruchu t oka, b dzie w mniejszym stopniu wp ywa na szybko spalania. Z tego wzgl du tak e w silniku zasilanym gazem ziemnym - nieuchronne jest wyd u enie procesu spalania wraz ze wzrostem pr dko ci obrotowej. Wyd u enie to mo na kompensowa zwi kszeniem k ta wyprzedzenia zap onu. Oceniaj c kszta t izolinii (rys. 6) wspó czynników wydzielania ciep a z przedzia u i,85 mo na stwierdzi, e s one s abo skorelowane z pr dko ci obrotow silnika. D ugo trwania fazy dopalania si ognisk pozosta ych za frontem p omienia nie zale y od pr dko ci obrotowej 469

8 silnika, lecz raczej jest to skutek niejednorodno ci w komorze spalania intensywno ci turbulencji lub sk adu mieszanki paliwowo-powietrznej. 5. Wp yw sk adu mieszanki na wydzielanie ciep a Badaj c na stanowisku dynamometrycznym wp yw sk adu mieszanki paliwowo-powietrznej na osi gi silnika o zap onie iskrowym, najdogodniej mo na to wykona blokuj c po o enie k towe przepustnicy i zmienia dawk paliwa przy pomocy zaworu d awi cego lub czasu otwarcia wtryskiwacza. Zmiana wielko ci dawki paliwa doprowadzonego do cylindra poci ga za sob zmian ilo ci energii doprowadzanej do cylindra, a ta z kolei powoduje zmiany ci nienia maksymalnego w cylindrze. Na rys. 7 przedstawiono charakterystyk wykonan w ten w a nie sposób. Dzi ki niej mo na prze ledzi wp yw sk adu mieszanki paliwowo-powietrznej na warto ci nienia maksymalnego w cylindrze. [ OWK po GMP] a) b) A. ó towski 5%, 5%, 95% [ OWK] % 5% 95% 5-95% Rys. 8. Charakterystyki w funkcji sk adu mieszanki paliwowo-powietrznej silnika MAN 2856-HM6U zasilanego CNG; n=12 obr/min, pe ne obci enie: a) zale no wspó czynnika wydzielania ciep a (wyra onego w %) od wspó czynnika nadmiaru powietrza i k ta obrotu wa u korbowego; b) k ty OWK odpowiadaj ce spaleniu 5, 5 i 95 % paliwa w cylindrze. Fig. 8. Characterystics of engine MAN 2856-HM6U fuelled with CNG; 12 rpm, WOT: a) integrated heat realize (expressed in %) versus equivalent air-fuel ratio and crank angle; b) crank angle representing 5, 5 and 95 % of fuel contained in cylinder Na rys. 8 przedstawiono charakterystyk ogóln przebiegu wspó czynnika wywi zywania ciep a w silnikach zasilanych gazem ziemnym. Rysunek ten jest typow charakterystyk spotykan w silnikach o zap onie iskrowym. Pocz wszy od pe nego rozwini cia si p omienia turbulentnego (i=2..3 %), a sko czywszy na osi gni ciu przez front p omienia cianek komory spalania (i=85..9 %), izolinie wspó czynnika wydzielania ciep a s do siebie równoleg e i maj, w rozwa anym przedziale zmian wspó czynnika nadmiaru powietrza, redni ró nic pomi dzy pocz tkiem a ko cem krzywej rz du 1 OWK. Pami taj c, e powy sza charakterystyka zosta a wykonana przy sta ej warto ci k ta wyprzedzenia zap onu (optymalnego dla mieszanek bogatych) nale y zwróci uwag na do wysok górn granic palno ci gazu ziemnego. W silnikach ZI zasilanych benzyn, przeznaczonych do zasilania homogenicznymi mieszankami stechiometrycznymi, górna granica stabilnej pracy silnika (granica palno ci mieszanki benzynapowietrze) wynosi przeci tnie =1,2 1,3. Z rys. 8 wynika, e dla silnika zasilanego gazem ziemnym granica ta ulega przesuni ciu co najmniej o warto =,3. Rozszerzenie górnej 47

9 Indicating of an Engine Fuelled with CNG granicy palno ci mieszanki gaz ziemny-powietrze, czy inaczej to samo ujmuj c - wzrost powtarzalno ci obiegów pracy silnika, jest naturaln konsekwencj dok adniejszego wymieszania gazu z powietrzem. Mieszanka wype niaj ca przestrze pomi dzy elektrodami wiecy zap onowej o bardziej jednorodnym, powtarzalnym sk adzie przyczynia si do tego, e zap on i pocz tkowy rozwój p omienia s bardziej stabilne, a pr dko ci spalania w kolejnych cyklach s do siebie porównywalne. W przypadku benzyny istniej lokalne (w skali mikro) fluktuacje wspó czynnika nadmiaru powietrza, czego konsekwencj jest brak powtarzalno ci kolejnych obiegów pracy silnika. 6. Wnioski Zoptymalizowany proces spalania silnika ZI zasilanego paliwami gazowymi wykazuje podobie stwo w przebiegu wydzielania ciep a spotykanego w silnikach zasilanych benzyn. Literatura [1] ó towski A.: Szybko wydzielania ciep a w silniku zasilanym CNG. Transport Samochodowy nr 4-25, str