ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/14 Andzej Ambozik, Tomasz Ambozik, Daiusz Kuczyński, Piot Łagowski 1 PODSTAWOWE PARAMETRY STRUGI WTRYSKIWANEGO BIOPALIWA W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM 1. Wstęp Silnik sinowy jest jednym z głównych źódeł napędu pojazdów w XXI wieku. Obecny ozwój motoyzacji związany jest ze zmniejszeniem emisji szkodliwych składników sin oaz poszukiwaniem nowych iw altenatywnych, któe są badziej pzyjazne śodowisku w poównaniu z iwami pochodzenia minealnego. W dzisiejszych czasach jednym z kieunków ozwoju motoyzacji jest opacowanie i wytwazanie silników o ZS, któe są badziej ekologiczne i zużywają mniej iwa. Waz z ozwojem technologii wytwazania silników ważne jest nie tylko poszukiwanie nowych iw, któe zapewnią mniejsze szkodliwe oddziaływanie na śodowisko, ale będą stanowiły ównież efektywne źódło enegii. Paliwa altenatywne otzymywane z suowców natualnych m.in. z oleju sojowego, zwane zielonymi iwami są obecnie szeoko stosowane nie tylko w Euopie, ale i na świecie. Wiele naukowo badawczych ośodków na świecie w swoich pacach badawczych dąży do zapewnienia jak największej spawności tłokowych silników sinowych pzy zapewnieniu, jak najmniejszego ich szkodliwego oddziaływania na śodowisko. Paliwa oślinne chaakteyzują się wieloma kozystnymi właściwościami w poównaniu z iwami konymi, tj. lepszą biodegadowalnością, znikomą zawatością substancji akotwóczych w sinach, niską emisją węglowodoów i mniejszym zadymieniem sin [1]. Obecnie w wielu ośodkach naukowo badawczych powadzane są badania dotyczące wpływu bioiwa na podstawowe enegetyczno ekonomiczne i ekologiczne wskaźniki pacy silnika. Wyniki tych badań pzedstawiono między innymi w pacach [, 3, 4, 5, 6, 7, 8]. Celem pzepowadzonych badań symulacyjnych była ocena wpływu mieszaniny oleju napędowego z estami metylowymi oleju sojowego na podstawowe paamety stugi iwa.. Obiekt badań Badania symulacyjne pzepowadzono z wykozystaniem pogamu symulacyjnego. Dane techniczne badanego silnika pzedstawiono w tabeli 1. Silnik wyposażony jest w system ecykulacji sin. Badania zealizowano dla jednego punktu pacy silnika tj. pacującego pzy n= ob/min i pzy pełnym obciążeniu. 1 pof. d hab. inż. Andzej Ambozik, d inż. Tomasz Ambozik, d inż. Daiusz Kuczyński, d inż. Piot Łagowski, Kateda Pojazdów Samochodowych i Tanspotu Wydziału Mechatoniki i Budowy Maszyn Politechniki Świętokzyskiej 51

2 Tabela 1. Dane techniczne silnika Silnik o zapłonie samoczynnym Paamet Jednostka Watość Układ cylindów - zędowy Liczba cylindów - 3 Rodzaj wtysku - bezpośedni Stopień spężania - 16,5 Pojemność skokowa silnika dm 3,5 Skok tłoka mm 17 Śednica cylinda mm 91,4 Liczba otwoków w ozpylaczu 4 Śednica otwoka ozpylacza mm,8 Na ysunku 1 pzedstawiono stugi wtyskiwanego iwa i kąt ich nachylenia w stosunku do ścianki komoy sania. Rys. 1. Rozmieszczenie stug wtyskiwanego iwa β i kąt nachylenia osi stugi względem osi komoy sania α. 3. Właściwości fizyko - chemiczne iwa Właściwości fizyko chemiczne iwa są podstawowymi paametami wpływającymi na poces wtysku iwa do komoy sania. Istotne jest ich pawidłowe wpisanie jako dane wejściowe do pogamu obliczeń dynamiki ozwoju stugi iwa, tj. śednio objętościowej śednicy kopli, kąta ozwacia stożka i zasięgu stugi iwa. Wielkości te wpływają na poces twozenia mieszanki nej i jej jakość, któe decydują o intensywności i chaakteze pzebiegu pocesu sania. Wszystkie istotne właściwości óżnych bioiw są tudno dostępne w liteatuze w pzeciwieństwie do właściwości oleju napędowego. W tabeli pzedstawiono właściwości fizyko chemiczne badanego iwa, któe wykozystano w obliczeniach symulacyjnych. 5

3 Tabela. Właściwości fizyko chemiczne oleju napędowego, estów metylowych oleju sojowego i ich mieszanin [9] Paamet Olej napędowy ON SME B SME B4 SME B1 Liczba cetanowa 48 48,69 49,37 51,3 Watość opałowa, MJ/kg 4,5 41,18 39,89 36, Gęstość w tempeatuze 6C, g/cm 3,83,841,85,885 Lepkość dynamiczna w tempeatuze,3,334,368,463 6C, Pa s Napięcie powiezchniowe w tempeatuze,8,31,34,433 6C, N/m Pzeciętny skład elementany iwa: C H O,87,16,4,8496,145,59,897,13,473,773,118,18 Zawatość siaki S, %,1,,5 Model stugi iwa pzedstawiono na ys., zaś obliczenia jej podstawowych paametów zealizowano za pomocą pogamu symulacyjnego według metodyki opacowanej w [9, 1, 11]. Tak szczegółowy model ozkładu iwa w jego studze spowodowany jest m.in. niejednoodnymi waunkami cieplnymi w óżnych stefach odpaowania koplel iwa wtyskiwanego do komoy sania, óżną inteakcją kopel w uchu oaz kopel stykających się ze ściankami komoy sania, ściankami cylinda i z powiezchnią głowicy. Uwzględnia on także wpływ tempeatuy ścianek na szybkość paowania kopel oaz oddziaływanie stug iwa w wastwach pzyściennych. Rys.. Rozkład iwa w studze iwa w silniku o zapłonie samoczynnym [9]: 1 ozzedzona otoczka stugi, zagęszczone osiowe jądo stugi, 3 zagęszczone czoło stugi iwa (pzedni font), 4 ozzedzona otoczka pzyściennego stumienia iwa, 5 zagęszczone jądo pzyściennej stugi iwa, 6 pzedni font (pzednie czoło) pzyściennego stumienia iwa, 7 stożkowe, osiowe jądo pzyściennej stugi iwa 53

4 Do obliczeń podstawowych paametów stugi iwa niezbędne jest wyznaczenie watości liczb kyteialnych. Aby je wyznaczyć tzeba znać paamety konstukcyjne wtyskiwacza i właściwości fizyko chemiczne iwa. Watości liczb kyteialnych wyznaczono z następujących zależności [9, 1, 11, 1, 13]: We w ś d (1) M d () E (3) d 3 pow (4) W modelu stugi założono, że jej ozwój następuje w dwóch fazach: początkowej i głównej. Ganicę między tymi fazami wyznacza zasięg l i czas wtysku τ g [9]. Wielkości te wyznacza się z zależności: l Cd We,5 M,4,6 (5) g,1,16,5,8, 35 d U We M We M E Dl / (6) gdzie: U jest śednią pędkością wypływu iwa z otwoków ozpylacza wtyskiwacza. Watości C i D według [9] wynoszą odpowiednio 8,5 8,85 i 4,5 5,. Zasięg i kąt ozwacia stożka stugi dla początkowego (l p i γ p ) i głównego (l g i γ g ) okesu wtysku wyznacza się z następujących zależności: l g,35 s l p A E exp, g d U We,1,16 M D τ s bieżący czas twania wtysku liczony od jego początku,5 s (7) (8) 54

5 ,35,7,1,5 p atg F We M E exp,7 s / g (9) gdzie: g F,93 G We,3 E,1,3,7,1,5 atg G We M E (1) (11) Jeśli czas τ s = τ g to watość wielkości G zgodnie z [14] wynosi G=,75,9. Śednią objętościowo-powiezchniową śednicę kopli obliczano ze wzou [1]:,733 M SMD Ad (1) We, 66 gdzie stała empiyczna A dla wtyskiwaczy zamkniętych według [1] wynosi A=1, Wyniki badań symulacyjnych W tabeli 3 pzedstawiono wyniki symulacyjnych obliczeń paametów stugi iwa w silniku pacującym według zewnętznej chaakteystyki pędkościowej pzy n= ob/min i zasilaniu go: ON, B, B4 i B1. Wyniki obliczeń obejmują: moc silnika N e, moment obotowy M o, jednostkowe zużycie iwa g e, dawkę iwa g c, okes twania wtysku miezony kątem obotu wału kobowego α w, maksymalne ciśnienie w cylindze p cmax, maksymalne ciśnienie wtysku p wmax, maksymalny zasięg stugi l max, najmniejszy kąt ozwacia stożka stugi γ min i śednią śednicę kopli według Sautea SMD. Tabela 3.Wskaźniki pacy silnika i paamety stug óżnych iw wtyskiwanych do jego cylinda Rodzaj N e M o g e g c α w p cmax p wmax l max γ min SMD iwa kw N m g/kwh g/cykl OWK MPa MPa mm º μm pacy ON 8,1 134,1,41,376 6,6 7,7 1, 46,9 8,16 9, B 7,3 13,4,55,387 6,9 7,6 1, 47,3 7,84 3,9 B4 5,8 13,1,78,399 7, 7, 1,3 48, 7,57 3,1 B1 6,5 16,5,93,431 8,1 7,6 13,1 49,6 6,9 35, Pzykładową chaakteystykę pzebiegu pocesu wtysku iwa silnika zasilanego olejem napędowym, tj. pędkość wypływu iwa z ozpylacza u wt i ciśnienie wtysku p wt pzedstawiono na ys. 3a. Na ys. 3b pzedstawiono pzykładową wizualizację pocesu wtysku iwa w komoze sania. Początek pocesu wtysku ozpoczynał się pzy α=34ºowk, zaś jego koniec następował pzy α=367ºowk. 55

6 a) u wt [m/s] p wt [MPa] uwt pwt OWK b) Rys. 3. Pzebieg pocesu wtysku iwa w silniku o ZS zasilanym olejem napędowym: a pędkość wtysku iwa u wt i ciśnienie wtysku iwa p wt, b wizualizacja pocesu wtysku iwa do komoy sania. Poces ozpylania iwa istotnie zależy od jego własności, tj. gęstości, lepkości i napięcia powiezchniowego. Lepkość i napięcie powiezchniowe mają największy wpływ na dobność i jednoodność ozpylenia iwa. Wzost lepkości powoduje pogoszenie dobności i jednoodności ozpylania. Zadaniem sił napięcia 56

7 powiezchniowego jest pzeciwdziałanie ozpadowi stugi i kopel. Ze wzostem lepkości i sił napięcia powiezchniowego, wzasta zasięg stugi iwa. Wzost gęstości iwa pzy pawie jednakowych waunkach jego wypływu z ozpylacza powoduje ównież wzost zasięgu stugi. Na ys. 4 pzedstawiono zasięg i kąt ozwacia stożka stugi iwa w silniku zasilanym iwami: olejem napędowym ON, estami metylowymi oleju sojowego B1 i ich mieszaniną B (8% oleju napędowego i % estów metylowych oleju sojowego) oaz B4 (6% oleju napędowego i 4% estów metylowych oleju sojowego). Z pzedstawionego wykesu wynika, że ze wzostem udziału estów metylowych w mieszaninie zasięg stugi jest coaz większy. Może to wynikać z większej gęstości, lepkości i większego napięcia powiezchniowego estów metylowych oleju sojowego. Najmniejszy kąt ozwacia stożka stugi otzymano dla czystego estu metylowego oleju sojowego, natomiast największy dla oleju napędowego. l [mm] [ o ] 4 3 ON B B4 B OWK Rys. 4. Zasięgi stugi ozpylonego iwa l i kąty ozwacia stożka stugi γ w silniku zasilanym óżnymi iwami: ON, B, B4 i B1. 5. Wnioski Na podstawie otzymanych wyników badań symulacyjnych można sfomułować następujące wnioski: największą moc efektywną i największy moment obotowy silnika otzymano dla silnika zasilanego olejem napędowym, 57

8 waz ze wzostem w oleju napędowym udziału estów metylowych oleju sojowego wzasta dawka iwa, tj pzy zasilaniu silnika olejem napędowym g c =,376 g/cykl pacy, natomiast pzy zasilaniu go estami metylowymi oleju sojowego g c =,431g/cykl pacy, maksymalne ciśnienia wtysku były coaz wyższe dla iwa o coaz większym udziale estów metylowych oleju sojowego, tj. dla B wynosiło p wmax =1, MPa, dla B4 wynosiło p wmax =1,3 MPa, natomiast dla B1 p wmax =13,1 MPa. Wynikać to może z coaz większej gęstości mieszaniny zawieającej większą ilość estów metylowych oleju sojowego, śednia śednica kopli SMD była najmniejsza pzy zasilaniu silnika olejem napędowym i wynosiła SMD=9,μm, natomiast pzy zasilaniu silnika iwem B1 SMD=35,μm. Może to wynikać z większej watości napięcia powiezchniowego estów metylowych oleju sojowego, zasięg stugi był coaz większy pzy zasilaniu silnika mieszaniną o coaz większym udziale estów metylowych oleju sojowego. Wynikać to może z większej gęstości estów metylowych oleju sojowego w poównaniu z olejem napędowym, najmniejszy kąt ozwacia stożka stugi otzymano dla silnika zasilanego B1, któy wynosi γ=6,9º, natomiast pzy zasilaniu silnika olejem napędowym kąt ten wynosił γ=8,º, Liteatua [1] Szlachta Z.: Zasilanie silników wysokopężnych iwami zepakowymi, WKŁ, Waszawa,. [] Ambozik A., Ambozik T., Kuczyński D., Łagowski P.: Wydzielanie ciepła i emisja NOx ze sinami w silniku o ZS zasilanym iwami pochodzenia oślinnego; Słupskie XII Foum Motoyzacji - Innowacje W Motoyzacji Dla Ochony Śodowiska, 9. [3] Ambozik A., Ambozik T., Oliński S., Oliński P.: Wpływ zasilania silnika Pekins 114c bioetanolem na pzebieg pocesu wtysku i podstawowe paamety ozpylania, Czasopismo Logistyka 3/11. [4] Ganippa L.C., L. Labecki L.: Effects of injection paametes and EGR on combustion and emission chaacteistics of apeseed oil and its blends in diesel engines, Fuel 98 (1) 15 8, 1. [5] Kuczyński S., Oliński P., Bienat K.: Olej lniankowy jako bioiwo dla silników o zapłonie samoczynnym, Zakład Wydawniczy Pzemysł Chemiczny, styczeń 1. [6] Mohamed Saied Shehata: Emissions, pefomance and cylinde pessue of diesel engine fuelled by biodiesel fuel, Fuel 11 (13) 513 5, 13. [7] Yinnan YUAN, Deqing MEI, Zhong WANG, Tian ZHANG: Combustion and emissions of the diesel engine using bio-diesel fuel, Font. Mech. Eng. China 8, 3(): DOI 1.17/s [8] Yuan Gao, Jun Deng, Chunwang Li, Fengling Dang, Zhuo Liao, Zhijun Wu, Liguang Li: Expeimental study of the spay chaacteistics of biodiesel based on inedible oil, Biotechnology Advances 7 (9) , 9. [9] Kuleshov A., Mahkamov K.: Multi-zone diesel fuel spay combustion model fo the simulation of a diesel engine unning on biofuel, Poceedings of the Institution 58

9 of Mechanical Enginees, Pat A: Jounal of Powe and Enegy 8 : 39, 8. [1] Lyshevsky A.S.: Fuel atomization in maine diesels, Leningad, 48 p., (In Russian). [11] Razleytsev N.F.: Combustion simulation and optimization in diesels, Khakov: Vischa shkola, 169p., 198. (In Russian). [1] Ambozik A.: Analiza cykli pacy czteosuwowych silników sinowych, Politechnika Świętokzyska, Kielce 1. [13] Ambozik T.: Poces sania w silniku z wieloetapowym wtyskiem iwa, ozpawa doktoska, Politechnika Świętokzyska, 1. [14] Kuleshov A.: Multi-Zone DI Diesel Spay Combustion Model fo Themodynamic Simulation of Engine with PCC and High EGR Level, SAE , 9. Steszczenie W atykule pzedstawiono wyniki badań symulacyjnych pocesu wtysku bioiwa i podstawowych paametów ozpylonej stugi: zasięg i kąt ozwacia stożka stugi oaz śednia objętościowo-powiezchniowa śednica kopli. Badania pzepowadzono z wykozystaniem pogamu symulacyjnego. Obiektem badań był silnik o zapłonie samoczynnym zasilany: olejem napędowym ON, estami metylowymi oleju sojowego B1 i ich mieszaninami B i B4. Słowa kluczowe: silnik sinowy, bioiwo, paamety stugi iwa Abstact The pape pesents the esults of simulation investigations into the biofuel injection pocess and the basic paametes of the atomised fuel spay, namely spay tip penetation and the spay cone angle, and also doplet Saute mean diamete. The investigations wee conducted using simulation softwae. The compession ignition engine was fuelled by diesel oil, soybean oil methyl estes B1, and thei blends B and B4. Keywods: combustion engine, biofuel, paametes of steam fuel 59