Identyfikacja systemu tworzenia i spalania mieszanki w układzie dwóch wtryskiwaczy z bezpośrednim wtryskiem benzyny

Transkrypt

1 Politechnika Poznańska Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Przemysław Borowski Identyfikacja systemu tworzenia i spalania mieszanki w układzie dwóch wtryskiwaczy z bezpośrednim wtryskiem benzyny Rozprawa doktorska Promotor: dr hab. inż. Ireneusz Pielecha, prof. PP Poznań 216

2 Spis treści Streszczenie... 4 Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń Wstęp Celowość podjęcia tematu Podstawowe zagadnienia dotyczące tematyki pracy Tworzenie mieszanki i spalanie w silnikach o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem benzyny Geneza bezpośredniego wtrysku benzyny Charakter tworzenia mieszanki w silniku spalinowym zasilanym benzyną Sposoby tworzenia mieszanek paliwowo-powietrznych w układzie bezpośredniego wtrysku benzyny Analiza układów wykorzystujących dwa wtryskiwacze benzyny Wnioski uzasadniające podjęcie tematu Problematyka rozprawy, jej cel i zakres Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego Charakterystyka metody badawczej Przedmiot badań i obiekty badawcze Aparatura badawcza Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy Sposoby realizacji wtrysku za pomocą układu dwóch wtryskiwaczy Wpływ zastosowanej strategii wtrysku na parametry strugi Porównanie różnych strategii wtrysku Badania wtrysku paliwa w maszynie pojedynczego cyklu Symulacyjne badania procesu rozpylenia paliwa Możliwości badawcze Metodologia badań Wyniki badań symulacyjnych Ocena powtarzalności wypływu paliwa z wtryskiwaczy piezoelektrycznych typu outward-opening Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy Charakterystyka i zakres podjętych badań spalania Badania spalania mieszanek zbliżonych do stechiometrycznych Wpływ sposobu wtrysku paliwa na spalanie mieszanek ubogich Rozkład temperatury płomienia podczas spalania paliwa Badania spalania mieszanek bardzo ubogich tworzonych z użyciem dwóch wtryskiwaczy benzyny Wpływ sposobu wtrysku paliwa na spalanie mieszanki o = 2, Wpływ sposobu wtrysku paliwa na spalanie mieszanki o = 3, Badania spalania mieszanek o różnych konfiguracjach wtrysku paliwa... 76

3 Spis treści Powtarzalność badań procesu spalania w maszynie pojedynczego cyklu Problem powtarzalności badań w MPC Ocena powtarzalności badań indykatorowych Analiza powtarzalności badań optycznych procesu spalania Wnioski i kierunki dalszych badań Ogólna charakterystyka osiągniętych wyników badań Wnioski ogólne i szczegółowe Kierunki dalszych prac Literatura Summary... 11

4 Streszczenie Praca doktorska dotyczy zagadnień bezpośredniego wtrysku benzyny do komory spalania silnika spalinowego przy użyciu dwóch wtryskiwaczy. Obejmuje ona aspekty rozpylenia paliwa z uwzględnieniem przygotowania ładunku, a także spalania w powiązaniu z możliwościami zmiany wybranych parametrów sterowania wpływających na te procesy. Zagadnienia związane z bezpośrednim wtryskiem benzyny są aktualne, a jednocześnie nie do końca poznane. Mimo znacznego udziału w rynku motoryzacyjnym systemów bezpośredniego wtrysku benzyny, brak jest analiz (możliwości zastosowania) systemu zasilania wtryskiem bezpośrednim przy użyciu dwóch wtryskiwaczy. Niniejsza praca taką analizę podejmuje, przeprowadzone badania procesów szybkozmiennych z ich jednoczesnym filmowaniem umożliwiły określenie zależności dotyczących rozpylenia paliwa oraz jego spalania. W pracy omówiono ilościowe i jakościowe wyniki badań wtrysku i rozpylenia paliwa związane z parametrami termodynamicznymi ładunku występującymi w silniku. W badaniach zastosowano wtryskiwacze typu outward-opening (o zewnętrznym otwarciu iglicy). Pozycjonowanie wtryskiwaczy pod kątem prostym względem siebie umożliwia interakcje strug paliwa wtryskiwanego przez oba wtryskiwacze. Odwzorowanie układu w komorze stałej objętości umożliwiło optyczną analizę procesu wtrysku i rozpylenia paliwa. Zwrócono uwagę na zasięg strugi paliwa w takim rozwiązaniu oraz na wielkość obszaru komory spalania objętej paliwem. Porównano parametry strugi paliwa uzyskane podczas różnych strategii wtrysku paliwa: od jednej do trzech dawek częściowych w różnych odstępach czasowych między nimi. Na tej podstawie omówiono sposoby przygotowania mieszanki oraz lokalne i globalne wielkości charakteryzujące rozpylenie paliwa. Skupiając się na parametrach procesu wtrysku paliwa wykazano dużą jego powtarzalność. Uzupełnieniem optycznych badań rozpylenia w komorze stałej objętości były badania wtrysku paliwa w maszynie pojedynczego cyklu. Zwiększenie temperatury towarzyszące sprężaniu powietrza powoduje szybsze odparowanie mieszanki. W ten sposób uzyskano materiał badawczy mający zastosowanie w typowym silniku spalinowym. Eksperymentalną analizę rozpylenia paliwa rozszerzono o badania symulacyjne z wykorzystaniem oprogramowania AVL Fire. Na tej podstawie określono poza parametrami uzyskanymi podczas badań eksperymentalnych rozkład i stężenie kropel paliwa w strudze oraz szybkości jego odparowania przy zastosowaniu różnych strategii zasilania z użyciem dwóch wtryskiwaczy umieszczonych w komorze spalania. Badania procesu spalania mieszanki przygotowanej przez proponowany system przeprowadzono z użyciem maszyny pojedynczego cyklu. Badania te obejmowały analizę parametrów termodynamicznych procesu, rozprzestrzeniania się płomienia oraz rozkładu temperatury. Zastosowanie systemu do analizy procesów szybkozmiennych pozwoliło na określenie m.in. przebiegu zmian ciśnienia oraz szybkości wywiązania ciepła podczas spalania. Dostęp optyczny do komory spalania w tłoku umożliwił rejestrację obrazów płomienia podczas spalania mieszanki. Analiza intensywności świecenia płomienia pozwoliła na ocenę jego powierzchni oraz analizę temperatury płomienia z użyciem metody dwubarwowej. Zastosowanie maszyny pojedynczego cyklu do takich badań poparto analizą powtarzalności spalania uzyskując wyniki akceptowalne również dla typowego silnika spalinowego. Pracę kompletują wnioski podsumowujące etapy wszystkich prac badawczych. Uzasadniono duży potencjał proponowanego układu wtryskowego wskazując na możliwości szerokiego kształtowania procesu wtrysku paliwa z jednoczesnym spalaniem mieszanek bardzo ubogich. System spalania z układem dwóch wtryskiwaczy bezpośredniego wtrysku benzyny w komorze spalania jest układem pozwalającym na spalanie mieszanek niehomogenicznych o dużym globalnym współczynniku nadmiaru powietrza, co w dalszej perspektywie badawczej może pozwolić na znaczne ograniczenie zużycia paliwa przez silniku spalinowe z jednoczesnym zmniejszeniem emisji składników toksycznych.

5 Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń A A max, CMOS CO CO 2 CoV CVC da/dt DI DISI dq max dq/dt EC EEA ESTEC FSI GDCI g e HC HCCI HPI HSS KH-RT MPC MPI n NO x P P b PCCI p i PIV PM P max PPCI P wtr q Q Q5 pole powierzchni maksymalne pole powierzchni płomienia Complementary Metal-Oxide Semiconductor technologia wytwarzania układów scalonych składających się z tranzystorów MOS cabron monoxide tlenek węgla cabron dioxide dwutlenek węgla Coefficient of Variation współczynnik zmienności Constant Volume Chamber komora stałej objętości maksymalnej szybkości przyrostu pola powierzchni płomienia Direct Injection wtrysk bezpośredni Direct Injection Spark Ignition wtrysk bezpośredni w silniku o zapłonie iskrowym maksymalna szybkość wywiązywania ciepła szybkość wywiązywania ciepła European Community Unia Europejska European Environment Agency Europejska Agencja Środowiska Economy with Superior Thermal Efficient Combustion silniki o zwiększonej sprawności cieplnej firmy Toyota Fuel Stratified Injection wtrysk ładunku uwarstwionego Gasoline Direct Injection Compression Ignition silnik benzynowy o zapłonie samoczynnym jednostkowe zużycie paliwa hydrocarbons węglowodory Homogeneous Charge Compression Ignition zapłon samoczynny mieszanek homogenicznych High Precision Injection wysokociśnieniowy bezpośredni wtrysk benzyny High Speed Star szybka kamera do zdjęć firmy LaVision Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor model model rozpadu kropel Kelvina-Helmholtza i Rayleigha-Taylora maszyna pojedynczego cyklu (spalania) Multi Point Injection wtrysk pośredni do kanału dolotowego prędkość obrotowa nitrogen oxides tlenki azotu ciśnienie przeciwciśnienie (w komorze stałej objętości) Premixed Charge Compression Ignition system spalania z częściową homogenizacją ładunku średnie ciśnienie indykowane Particle Image Velocimetry cyfrowa anemometria obrazowa particle matter cząstki stałe maksymalne ciśnienie w cylindrze Partially Pre-mixed Compression Ignition system spalania z częściową homogenizacją ładunku ciśnienie wtrysku paliwa dawka paliwa ciepło kąt przy którym nastąpiło wywiązanie 5% ciepła (początek spalania)

6 Q9 kąt przy którym nastąpiło wywiązanie 9% ciepła (koniec spalania) RCCI Reactivity Controlled Compression Ignition system spalania z użyciem mieszanek wykorzystujących paliwa o różnej aktywności chemicznej RCM Rapid Compression Machine maszyna pojedynczego cyklu S l zasięg liniowy strugi SMD Sauter Mean Diameter średnia średnica kropli według Sautera SOC Start of Combustion początek spalania S r zasięg promieniowy t czas T temperatura T b temperatura powietrza TFSI Turbocharged Fuel Stratified Injection silnik turbodoładowany z wtryskiem ładunku uwarstwionego TTL Transistor-Transistor Logic klasa cyfrowych układów scalonych t wtr czas wtrysku t czas wystąpienia zapłonu t(a max ) czas wystąpienia maksymalnego pola powierzchni płomienia t(a max ) t czas wystąpienia maksymalnego pola powierzchni płomienia skorygowany o czas zapłonu V prędkość VVL Variable Valve Lift zmienny wznios zaworów VVT Variable Valve Timing zmienne fazy rozrządu kąt obrotu dqmax kąt maksymalnej szybkości wywiązywania ciepła Pmax kąt występowania maksymalnego ciśnienia w cylindrze odchylenie standardowe wielkości X Ʌ długość fali współczynnik nadmiaru powietrza

7 1. Wstęp 1.1. Celowość podjęcia tematu W ciągu ostatnich kliku lat nastąpiło znaczące ograniczenie emisji dwutlenku węgla z pojazdów sprzedawanych w Unii Europejskiej. Przyczynia się do tego downsizing silników spalinowych (ograniczenie pojemności silników przy zachowaniu tych samych lub zwiększonych parametrów ich pracy), zwiększenie udziału silników o zasilaniu paliwami alternatywnymi oraz zwiększenie udziału pojazdów o napędzie alternatywnym, w tym elektrycznym [94]. W ramach strategii ograniczania emisji gazów cieplarnianych, Unia Europejska w 27 roku wprowadziła limity emisji dwutlenku węgla dla nowych samochodów osobowych. Europejska Agencja Środowiska (EEA European Environment Agency) wspiera Komisję Europejską w monitorowaniu emisji CO 2 z pojazdów osobowych zgodnie w rozporządzeniem EC 443/29. Rozporządzenie to ustanawia poziom emisji dwutlenku węgla o wartości 9 g CO 2 /km w 22 roku. Wartość tą definiuje się jako średnią z floty pojazdów każdego z producentów nowo zarejestrowanych pojazdów samochodowych. Cel ten jest wprowadzany stopniowo od 212 roku. Przedstawione powyżej wielkości emisji dwutlenku węgla nierozerwalnie są związane ze zużyciem paliwa. Ograniczenie zużycia paliwa jest możliwe w wyniku opracowania nowych konstrukcji układów wtryskowych, systemów doładowania silników oraz stosowania układów napędów hybrydowych. To natomiast jest efektem m.in. ograniczenia pojemności skokowej silnika przy jednoczesnym zwiększeniu stopnia jego wysilenia. Przewiduje się, że tendencje do ograniczania liczby cylindrów będą coraz większe, gdyż prognozy zwiększenia produkcji silników 2- i 3-cylindrowych są bardzo optymistyczne. Z analiz firm IHS Automotive oraz BorgWarner [84] wynika, że roczne zwiększanie liczby tych silników będzie wynosiło około 14%. Jest to największy udział spośród analizowanych jednostek napędowych. Dodatkowo stwierdzono, że silniki 2, 3 i 4-cylindrowe odpowiadają za 99% zwiększenia produkcji silników w latach Downsizing bez systemów doładowania praktycznie nie występuje. Ma to swoje odzwierciedlenie w liczbie pojawiających się na rynku dostępnych silników o zapłonie samoczynnym (typowe już rozwiązania) i iskrowym z układami turbodoładowania. Zakłada się, że w ciągu najbliższych kilku lat roczny przyrost tych ostatnich rozwiązań wyniesie około 2%. Jak wynika z powyższej analizy zastosowanie downsizingu powinno przyczynić się również do zwiększenia sprawności ogólnej silników spalinowych. Można to uzyskać przez poprawę procesów wewnątrzcylindrowych (głównie procesy napełnienia oraz spalania) przy zastosowaniu bezpośredniego wtrysku paliwa do cylindra (silniki o zapłonie iskrowym). Obserwowane zwiększenie ciśnienia wtryskiwanego paliwa w silnikach o zapłonie iskrowym pozwala na rozszerzenie strategii sterowania wtryskiem paliwa i jego dalszym spalaniem. Pozwala także na zwiększenie uwarstwienia i zubożenia ładunku w komorze spalania. Wpisując się w nurt tych prac, w dysertacji dokonano analizy wykorzystania nowego systemu zasilania i jednocześnie nowego systemu spalania. Nowość ta polega na zastosowaniu dwóch wtryskiwaczy o bezpośrednim wtrysku benzyny usytuowanych kątowo względem siebie. Identyfikacja systemu tworzenia i spalania mieszanki wymagała analizy bieżącego stanu wiedzy w odniesieniu do możliwości zasilania silnika (cylindra) dwoma wtryskiwaczami. Wnioski z tej analizy pozwoliły na sformułowanie problematyki badawczej pracy oraz na wybór określonej metodyki badawczej. Przeprowadzono ocenę możliwości wtrysku i rozpylenia paliwa przy wykorzystaniu dwóch wtryskiwaczy, a wnioski z tej oceny pozwoliły na wybór strategii sterowania tym układem podczas badań procesu spalania. W konsekwencji zidentyfikowano nowy system spalania przedstawiając korzyści z zastosowania takiego roz-

8 1. Wstęp 8 wiązania. Wykazano możliwości spalania mieszanek bardzo ubogich z jednoczesnymi ograniczeniami wynikającymi z zastosowania wysokociśnieniowego wtrysku benzyny Podstawowe zagadnienia dotyczące tematyki pracy Postęp technologiczny oraz rygorystyczne normy dotyczące ograniczania emisji spalin wymuszają stosowanie coraz bardziej zaawansowanych technologii i systemów nadzorujących pracę silnika. Optymalizacja procesów spalania ma istotne znaczenie dla zwiększenia sprawności oraz poprawy wskaźników pracy silnika. Kontrola procesu wtrysku przez zmianę jej strategii, ma kluczowy wpływ na procesy przedpłomienne oraz spalanie mieszanki. Współczesna diagnostyka procesu spalania w silnikach tłokowych nie opiera się tylko na pomiarach ciśnień szybkozmiennych [73] w komorze spalania, lecz coraz popularniejsze staje się również wykorzystanie technik optycznych i laserowych [44] do rejestracji procesów zachodzących podczas spalania. Przedstawione na rysunku 1.1 narzędzia dostępne na etapie optymalizacji procesów wewnątrzcylindrowych, pozwalają na analizę wprowadzanych zmian konstrukcyjnych. Dzięki użyciu silników z dostępem optycznym możliwe jest rejestrowanie procesów przedpłomiennych (zawirowanie i wtrysk) oraz procesu spalania. Symulacje / Analizy Prototypowe projektowanie podzespołów Silnik z dostępem optycznym Silnik jednocylindrowy Silnik wielocylindrowy Znormalizowane testy porównawcze Rys Narzędzia wspomagające optymalizacje procesów wewnątrzsilnikowych [4, 8, 81] Obecnie badane systemy spalania pozwalają na konstrukcyjne zbliżenie silników o zapłonie iskrowym oraz silników o zapłonie samoczynnym. Wykorzystanie ładunku homogenicznego (w układach typu MPI Multi Point Injection), coraz częściej jest zastępowane ładunkiem uwarstwionym głównie w silnikach o zapłonie iskrowym. Pozwala to na rozwijanie systemów spalania zbliżonych do (rys. 1.2): tradycyjnych silników benzynowych: ubogich z wtryskiem bezpośrednim (lean DI), homogenicznych HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), benzynowych o zapłonie samoczynnym GDCI (Gasoline Direct Injection Compression Ignition), silników ZI i ZS: z użyciem mieszanek wykorzystujących paliwa o różnej aktywności chemicznej (reactivity) RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition), homogenicznych HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition),

9 1. Wstęp 9 silników ZS: homogenicznych HCCI oraz z częściową homogenizacją ładunku PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) znany także pod nazwą PPCI Partially Premixed Compression Ignition. silniki o ZI zapobieganie samozapłonowi zwiększanie stopnia sprężania aktywność chemiczna paliwa (reactivity) umożliwienie samozapłonu silniki o ZS liczba cetanowa liczba oktanowa liczba cetanowa liczba oktanowa MPI lean DI HCCI GDCI RCCI HCCI PCCI DI Rys Nowoczesne systemy spalania pozwalające na zbliżenie silników ZI oraz ZS przy wykorzystaniu paliw benzynowych i oleju napędowego [2] Prowadzone badania w zakresie możliwości poprawy procesu spalania z uwzględnieniem zmian w systemie tworzenia mieszanki są bardzo aktualne, co potwierdza również duży udział systemów bezpośredniego wtrysku benzyny w całej populacji systemów wtryskowych (rys. 1.3). W roku 216 w Europie sprzedaż nowych pojazdów z silnikami ZI obejmuje 5% układów z wtryskiem bezpośrednim. Przewiduje się, że w Stanach Zjednoczonych wartość taka będzie osiągnięta dopiero w roku 225. Biorąc pod uwagę rynki krajów rozwijających się można wskazać Chiny, w których rozwój układów bezpośredniego wtrysku benzyny będzie znacznie wolniejszy przewiduje się, że w roku 22 wyniesie około 33%. Uwzględnienie tych udział pozwala na przewidywania średniego zużycia paliwa przez te silniki na rynkach: chińskim, europejskim i amerykańskim. Szacowane wartości zawierają się w przedziale od 5 dm 3 na 1 km (Chiny) do około 4 dm 3 na 1 km w Europie. USA Europa Chiny Rys Udział w sprzedaży silników ZI DI w światowym rynku silnikowym [21] Obecnie uważa się, że zewnętrzne tworzenie mieszanki (z pośrednim wtryskiem benzyny do kolektora dolotowego) w silniku ZI będzie dominować jedynie w silnikach spalinowych o małej objętości skokowej i małej mocy (rys. 1.4). Silniki klasy średniej są już wyposażane w układy wtrysku bezpośredniego, a silniki o znacznych objętościach skokowych w dwa układy wtryskowe: układy pośredniego i bezpośredniego wtrysku benzyny.

10 1. Wstęp 1 Przedstawione powyżej zagadnienia wskazują na dominującą rolę systemu spalania w rozwoju konstrukcji silników spalinowych. Modyfikacje systemu spalania dotyczące podstawowych elementów w postaci zmiany sposobu dostarczenia paliwa oraz jego kolejnych procesów mogą doprowadzić do zwiększenia sprawności spalania paliwa, a w konsekwencji do zwiększenia sprawności całego układu napędowego. klasa wydajności silników [kw/dm 3 ] wysoka > 8 kw/dm 3 średnia > 6 kw/dm 3 podstawowa zaawansow. doładowanie MPI + VVT DI ( = 1) turbo, downsizing MPI rzędowe DI ( >> 1) + turbo lub DI ( = 1) + turbo + VVT + VVL lub MPI & DI (( = 1) opcja: turbo + VVT + VVL MPI wtrysk pośredni do kanału dolotowego DI wtrysk bezpośredni VVT zmienne fazy rozrządu VVL zmienny wznios zaworów widlaste objętość silnika Rys Możliwości wykorzystania wtrysku bezpośredniego w silnikach ZI [31] Z przytoczonych powyżej rozważań wynika, że doskonalenie systemu wtrysku paliwa z jednoczesną analizą systemu spalania pozwala na poprawę warunków tworzenia mieszanki, a również nie wyklucza możliwości ograniczenia zużycia paliwa przez wykorzystanie spalania mieszanek ubogich.

11 2. Tworzenie mieszanki i spalanie w silnikach o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem benzyny 2.1. Geneza bezpośredniego wtrysku benzyny Intensywny rozwój systemów bezpośredniego wtrysku benzyny rozpoczął się około 2 lat temu. Mimo, że pierwsze tego typu silniki powstały już dość dawno (silnik Haselwandera 1898 r., a pierwszy seryjnie produkowany silnik firmy Mercedes 1954 r.), to głównym ograniczeniem ich adaptacji do pojazdów był problem braku niezawodności procesu spalania [23, 1]. Obecne systemy spalania silników o zapłonie iskrowym mogą być kategoryzowane według miejsca umieszczenia wtryskiwacza na: a) układy pośredniego i b) bezpośredniego wtrysku paliwa, według sposobu tworzenia mieszanki (rys. 2.1): a) przez odpowiednie ukształtowanie tłoka (wall-guided), b) z wykorzystaniem ruchu powietrza (air-guided), c) przez strugę paliwa (spray-guided) oraz według sposobu jej przygotowania do spalania: a) homogeniczna, b) uwarstwiona, c) homogeniczno-uwarstwiona. Najbardziej rozpowszechnionym sposobem bezpośredniego wtrysku benzyny (umożliwiającym uzyskanie największych korzyści energetycznych i ekologicznych) jest tworzenie mieszanki przez strugę paliwa, która może być przygotowana w dowolny sposób. Wtrysk paliwa w takim sposobie tworzenia ładunku wymaga specjalnych zabiegów: konieczny jest podział dawki, gdyż formowanie mieszanki bazuje na interakcjach strug paliwa w komorze spalania gdyż brak jest oddziaływania tych strug ze ściankami cylindra. Dodatkowo podział dawki pozwala na jej pełne kształtowanie w różnych obszarach pracy silnika (w aspekcie obciążenia i optymalizacji emisji). Podział dawki wtryskiwanego paliwa w takim układzie pozwala na stosowanie ładunku homogeniczno-uwarstwionego. tworzenie ładunku przez denko tłoka wall-guided tworzenie ładunku przez ruch powietrza air-guided tworzenie ładunku przez ruch strugi spray-guided Rys Rozwiązania układów bezpośredniego wtrysku benzyny bazujące na różnych sposobach tworzenia mieszanki [91]

12 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 12 Fizyczne procesy tworzenia mieszanki w silniku o bezpośrednim wtrysku benzyny są silnie zależne od siebie. Należą do nich przepływ powietrza, wtrysk i rozpylenie paliwa, homogeniczne lub uwarstwione tworzenie mieszanki, zapłon oraz rozwój płomienia (rys. 2.2). efekty silnikowe zużycie paliwa emisja HC emisja NO x emisja PM tworzenie mieszaniny spalanie warunki zapłonu film paliwowy na tłoku film paliwowy na ściankach rozpylenie i odparowanie warunki zapłonu zasięg liniowy zasięg promieniowy wielkość kropli początkowa prędkość strugi czas trwania wtrysku przepływ paliwa system wtrysku paliwa kąt strugi paliwa punkt wtrysku paliwa sposób wtrysku paliwa zawirowanie ładunku Rys Zależności między wielkościami decydującymi o tworzeniu mieszanki w silniku z bezpośrednim wtryskiem benzyny [8] Duży stopień zależności między parametrami wtrysku paliwa pozwala na wykorzystanie różnych możliwości kształtowania procesu przygotowania ładunku do spalania. Możliwe jest więc uzyskanie małych wartości zużycia paliwa oraz emisji spalin w zróżnicowany sposób. Dzięki szerokim możliwościom kształtowania procesu wtrysku i spalania dokonano analizy systemu wtrysku i spalania wykorzystując dwa wtryskiwacze. System taki umożliwia uzyskanie odmiennych wartości czasu wtrysku paliwa w celu osiągnięcia określonego zasięgu liniowego i promieniowego strugi, oraz co wynika ze sposobu przygotowania ładunku może pozwalać na spalanie mieszanek ubogich o zwiększonym współczynniku nadmiaru powietrza w stosunku do obecnych rozwiązań silników o zapłonie iskrowym Charakter tworzenia mieszanki w silniku spalinowym zasilanym benzyną Bezpośredni wtrysk benzyny jest realizowany przez różne typy wtryskiwaczy: wielootworkowe oraz tzw. czopikowe o wewnętrznym lub zewnętrznym otwarciu (outward- -opening). Sposób rozpylenia paliwa przez te wtryskiwacze jest odmienny od rozpylaczy wielootworkowych i skutkuje innym sposobem dostarczenia paliwa do komory spalania.

13 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 13 Prace nad uwarstwieniem mieszanki w silnikach o zapłonie iskrowym rozpoczęto około 2 lat temu. Szerokie spectrum problemu wtrysku bezpośredniego przedstawili Zhao i in. [1]. Analiza ta dotyczyła zarówno wtryskiwaczy wielootworkowych, o tzw. zewnętrznym oraz wewnętrznym otwarciu iglicy. System spalania o podobnym sposobie zasilania przedstawiono również w pracy Kima i in. [47]. Zagadnienia spalania w układzie bezpośredniego wtrysku paliwa były przedmiotem dalszych badań: analizę tego procesu z wtryskiwaczy wielootworkowych przedstawił Drake i in. [22], a z wtryskiwaczy typu outward-opening Alkidas i in. [3] oraz Achlaitner i in. [1]. Ostatnie z wymienionych prac dotyczyły analizy zapalności mieszanki przy uwzględnieniu zmian czasu wtrysku i zapłonu. W ramach badań prowadzono jedynie analizę zasięgu liniowego strugi w kontekście jej dotarcia do świecy zapłonowej. Implementację tego rozwiązania w produkcyjnych wersjach silników spalinowych przedstawili Bock i in. [1] w 28 roku. Wpływ strategii wtrysku na zapalność mieszanki i emisję składników spalin wykazali w swojej pracy Warnecke i in. [92]. Systemy spalania silników ZI z wtryskiem bezpośrednim wymagają bardzo precyzyjnej synchronizacji czasu penetracji strugi paliwa w kierunku świecy zapłonowej z chwilą zapłonu mieszanki. Dla systemów spalania z podziałem dawki paliwa na kilka części wymagania takie są jeszcze bardziej rygorystyczne. Dawka zapłonowa powinna być podawana w określonym czasie przed pojawieniem się wyładowania na świecy zapłonowej, gdyż w jej bezpośrednim otoczeniu wymagany jest skład mieszanki umożliwiający niezawodny zapłon. Badania prowadzone przez Waltnera i in. [9] podkreślają istotność tej kwestii, szczególnie w aspekcie systemu sterowania wtryskiem paliwa i tworzenia ładunku w komorze spalania. Badania nad zależnością czasu zakończenia wtrysku i początkiem zapłonu prowadzili Oh i Bae [6]. W pracy wykazali, że kąt zakończenia wtrysku ma wpływ na sprawność spalania. Sprawność tę określili na podstawie niepełnego spalania składników szkodliwych podając za Heywoodem [36] równanie: c x Q x Q HC HC CO CO 1 (2.1) m f / m a m f Qf gdzie x oznacza udziały masowe gazów spalinowych, Q odpowiednie ciepła właściwe, m odpowiednie natężenia przepływu powietrza i paliwa. Zależność momentu wystąpienia zapłonu od czasu zakończenia wtrysku dla warunków prawidłowego spalania przedstawiono na rys. 2.3a. Na rysunku 2.3b przedstawiono sprawność spalania w zależności od kąta zakończenia wtrysku. Z rysunku wynika, że granice zapalności mieszanki są ściśle powiązane z warunkami termodynamicznymi panującymi w cylindrze. Wartości ciśnienia powietrza wpływają na zasięg strugi i możliwości zapłonu mieszanki. Zbyt wczesny oraz zbyt późny wtrysk kąt zapłonu z [przed GMP] n = 12 obr/min q o = 11 mg P wtr = 2 MPa P wtr = 15 MPa P wtr = 1 MPa 16 kąt końca wtrysku kw [przed GMP] sprawność spalania [%] 98,5 98, 97,5 97, 96,5 96, n = 12 obr/min q o = 11 mg wyprzedzanie wtrysku ograniczane przez wypadanie zapłonów P wtr = 2 MPa P wtr = 15 MPa P wtr = 1 MPa opóźnianie wtrysku ograniczane przez wypadanie zapłonów 16 kąt końca wtrysku kw [przed GMP] Rys Warunki zapalności mieszanki w systemie bezpośredniego wtrysku paliwa określone na podstawie czasu zakończenia wtrysku i wymuszenia zapłonu (a) oraz sprawności spalania (b) [6]

14 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 14 powoduje, że w okolicach świecy zapłonowej nie ma dostatecznych warunków do zapłonu nie powstaje mieszanka stechiometryczna pozwalająca na pewny zapłon. Z badań Waltnera i in. [9] wynika, że zakres prawidłowej zapalności mieszanki przy zastosowaniu wtrysku trzyczęściowego jest znacznie szerszy, niż przy wtrysku dwuczęściowym. Spowodowane to jest lepszym rozkładem masy wtryskiwanego paliwa podczas wtrysku z podziałem dawki na trzy części niż z podziałem na dwie części. Można zatem dojść do wniosku, że zwiększenie dawki paliwa (zwiększenie obciążenia silnika) wymusza stosowanie wieloczęściowego wtrysku paliwa. Wtrysk wieloczęściowy umożliwia więc lepsze jakościowe sterowanie składem ładunku powstającego w okolicy świecy zapłonowej. Centralne usytuowanie wtryskiwacza w okolicy tej świecy pozwala na uzyskanie wartości współczynnika nadmiaru powietrza zapewniającej odpowiednią zapalność mieszanki. Podczas dużych prędkości wypływu paliwa z wtryskiwacza (rzędu 1 m/s) następuje właściwe rozpylenie cieczy. We wtryskiwaczach piezoelektrycznych benzyny (wtrysk bezpośredni) rozpylanej pod ciśnieniem powyżej 5 MPa utrata stateczności strugi nie wiąże się z tworzeniem błony. Ze względu na fale o małych długościach nie zdąży ona rozpaść się na pierścienie [2]. Proces ten oznacza zwiększenie liczby Webera i pozwala określić wpływ czynników zewnętrznych na powstawanie kropel. Wtórny rozpad kropel następuje wskutek działania siły aerodynamicznej w obszarze zwiększonego ciśnienia dynamicznego gazu, gdy siła aerodynamiczna jest większa od siły napięcia powierzchniowego. Im większa jest liczba Webera, tym wymiary kropel po rozpadzie wtórnym są mniejsze [2]. Wtórny rozpad kropel jest bardzo złożony i niedostatecznie zbadany; z tego względu wartości liczby Webera są określane w dość szerokim przedziale. W pracy [77] stwierdzono, że w silniku o zapłonie iskrowym z wtryskiem bezpośrednim (z wykorzystaniem wtryskiwacza wielootworowego) liczba Webera zawiera się w granicach 1 25, jednak dla największej liczby kropel ta wartość zawiera się w granicach 1 3. Podział wtórnej atomizacji na pięć obszarów z uwzględnieniem zakresów liczby Webera i Ohnesorga dla benzyny i oleju napędowego przedstawiono w publikacjach [6, 14]. Wskazano tam, na zależność typu rozpadu wtórnego od liczby Webera. Wykazano, że liczba Ohnesorga ma wpływ na rozpad kropel tylko wtedy, gdy jej wartość jest większa od 1. Uzyskanie więc odpowiedniej atomizacji paliwa wiąże się ściśle z równomiernością i powtarzalnością jego rozpylenia. Każde zmiany rozpylenia prowadzą w konsekwencji do innego zasięgu strugi, a ta wywołuje odmienne prędkości paliwa. Prowadzi to do zróżnicowanego rozpadu i nierównomiernego tworzenia kropel. Dotychczasowe badania dotyczące nierównomierności wtrysku paliwa z wtryskiwaczy typu outward-opening obejmują głównie zagadnienia analizy liniowego zasięgu strugi paliwa. Prace Petersona i in. [65] dotyczące zapalności mieszanki tworzonej w systemie spray-guided skupiają się na liniowym rozkładzie prędkości strugi i jej zapalności w okolicy świecy zapłonowej. Oh and Bae [6] prowadząc badania z wykorzystaniem komory stałej objętości, określali jedynie zasięg liniowy strugi paliwa. Badania promieniowego rozwoju strugi paliwa prowadził El-Asrag i in. [25], jednakże dotyczyły one zagadnień symulacyjnych wypływu paliwa z wtryskiwacza w skali mikro. Skupiono się w nich na zagadnieniach radiacyjnych wywołanych dynamiką przepływu strugi paliwa Sposoby tworzenia mieszanek paliwowo-powietrznych w układzie bezpośredniego wtrysku benzyny Bezpośredni wtrysk benzyny pozwala na dowolne sterowanie sposobem wtrysku paliwa. Z tego względu możliwe jest uzyskanie mieszanki homogenicznej, uwarstwionej lub homogeniczno-uwarstwionej.

15 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 15 Mieszankę homogeniczną (rys. 2.4 strategia I) uzyskuje się przez wtrysk podzielonej dawki paliwa w okolicach GMP (jeszcze w suwie dolotu powietrza). Jednak nawet tak duże wyprzedzenie wtrysku paliwa powoduje, że konieczny jest wtrysk dodatkowej dawki paliwa w ostatniej fazie sprężania w celu uzyskania wzbogacenia mieszanki w okolicy świecy zapłonowej i pewnego zapłonu paliwa. Taki sposób tworzenia mieszanki wykorzystywany jest głównie przy dużych prędkościach obrotowych silnika oraz przy dużych jego obciążeniach. W zakresie średnich obciążeń i średnich prędkości obrotowych możliwe jest uzyskanie mieszanki homogeniczno-uwarstwionej (rys. 2.4 strategia II). Taki sposób tworzenia mieszanki wymaga wtrysku dużej dawki w okresie dolotu powietrza oraz wtrysku kilku mniejszych dawek przed zapłonem. Ze względu na to, że mieszanka tworzona jest częściowo z dużym wyprzedzeniem, a częściowo przed zapłonem, nie jest ona zaliczana do ładunku homogenicznego ani do ładunku uwarstwionego. Tryb mieszanki uwarstwionej (rys. 2.4 strategia III) jest stosowany głównie podczas małej prędkości obrotowej i małego obciążenia. W takim rozwiązaniu powstała mieszanka uwarstwiona pozwala na pewny zapłon ładunku, a globalny współczynnik nadmiaru powietrza jest znacznie większy od jedności. p e strategia I GMP dolot = 1 tryb homogeniczny strategia II sprężanie GMP tryb homogenicznouwarstwiony dolot >> 1 tryb uwarstwiony strategia III sprężanie GMP dolot n Rys Możliwości strategii wtrysku i kształtowania ładunku w silniku o bezpośrednim wtrysku benzyny [53] Wykorzystanie nowej strategii w postaci tworzonego ładunku homogeniczno-uwarstwionego pozwala na zwiększenie zakresu stosowania mieszanki ubogiej, a jednocześnie również na ograniczenie zużycia paliwa. Badania prowadzone przez firmę Mercedes przy prędkości obrotowej silnika n = 2 obr/min pozwalają na ograniczenie o 6,5% jednostkowego zużycia paliwa w porównaniu do mieszanki homogenicznej (rys. 2.5). Ładunek uwarstwiony pozwala na znaczące ograniczenie zużycie paliwa. Przy średnim ciśnieniu użytecznym o wartości,2 MPa uzyskano największe oszczędności wynoszące około 17%. Zwiększenie obciążenia powoduje ograniczenie korzyści. Przy wartości średniego ciśnienia użytecznego o wartości około,6 MPa spalanie mieszanki uwarstwionej nie przynosi korzyści w ograniczaniu zużycia paliwa. Jednak nadal możliwe jest zastosowanie mieszanki homogeniczno-uwarstwionej (rys. 2.6). Pozytywne aspekty takiej strategii można wykorzystać w zakresie obciążenia silnika od,45 do,7 MPa. Dalsze zwiększanie obciążenia wymaga spalania mieszanek homogenicznych. Obecne systemy wtrysku bezpośredniego pozwalają na uzyskanie podziału dawki paliwa na pięć części. Strategię taką przedstawiono na rys. 2.7a, w której podział dawki na dużą liczbę części wykorzystano podczas małego obciążenia i małej prędkości obrotowej jedynie w warunkach rozgrzewania silnika z wykorzystaniem wtryskiwaczy typu outward-opening (rys. 2.7b). Do czasu osiągnięcia właściwej temperatury cieczy chłodzącej silnika, wykorzy-

16 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 16 stuje się taki podział dawki, aby uniknąć osiadania strugi paliwa na ściankach cylindra. W tym trybie pracy wtryskiwane jest pięć dawek paliwa, które skutkują małą emisją cząstek stałych (dawka zapalająca ma masę około 1 mg) [29]. Po uzyskaniu typowej temperatury pracy silnika realizowany jest wtrysk dwuczęściowy = 17,1% n = 2 obr/min ge [g/kwh] g/kwh = 12,4% = 8,9% limit przy ładunku homogen.-uwarst. = 7,9% = 6,5% homogeniczno-uwarstwiony,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 p e [MPa] Rys Możliwości ograniczenia jednostkowego zużycia paliwa przez zastosowanie ładunku homogeniczno- -uwarstwionego [89] ładunek uwarstwiony, p i =,2 MPa ładunek homogeniczno- -uwarstwiony, p i =,6 MPa rozkład mieszanki bogata = 1 uboga Rys Symulacyjne warunki rozwoju ładunku uwarstwionego i homogeniczno-uwarstwionego przy zróżnicowanych obciążeniach (n = 2 obr/min) [52] M o wtryskiwacz trzy dawki paliwa trzy dawki paliwa* dwie dawki paliwa świeca zapłonowa pięć dawek paliwa* jedna dawka paliwa * jedynie podczas rozgrzewania silnika n Rys Wtrysk wieloczęściowy firmy Mercedes: a) strategie wtrysku paliwa pozwalające na uzyskanie podziału dawki paliwa na pięć części, b) zabudowa wtryskiwacza w komorze spalania [33]

17 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 17 Podobną strategię wtrysku paliwa zastosowała firma BMW w układach HPI (High Precision Injection), dokonując podziału dawki na trzy części (rys. 2.8). W tym przypadku dodatkowo znane są warunki wtrysku paliwa: przy małej prędkości obrotowej silnika wraz ze zwiększaniem obciążenia następuje zwiększenie ciśnienia paliwa do 2 MPa; dalsze zwiększanie prędkości obrotowej powoduje ograniczenie ciśnienia paliwa. Wynika z tego, że podział na trzy części realizowany jest przy dużej wartości ciśnienia paliwa. M o Trzy dawki paliwa Dwie dawki paliwa Jedna dawka paliwa Nr Opis 1 Idealny stożek strugi 2 Dozwolone odchylenie stożka strugi n 3 Niedozwolone odchylenie stożka strugi Rys Strategia podziału dawki paliwa realizowana przez firmę BMW w układzie bezpośredniego wtrysku benzyny [54] (a) oraz dopuszczalne odchylenia stożka strugi paliwa z wtryskiwaczy outward-opening [26] (b) Zasięg strugi oznaczony jako (2) na rys. 2.8b może powodować wypadanie zapłonów spowodowany brakiem odpowiedniego stężenia paliwa w okolicach świecy zapłonowej. Dodatkowo może być powodem nadmiernej emisji masowej cząstek stałych. Niedopuszczalnym zasięgiem jest obszar oznaczony (3), gdyż wówczas stężenie paliwa w mieszance paliwowopowietrznej jest tak duże, że może skutecznie ograniczać zapłon mieszanki. Bardzo zbliżoną strategię wtrysku w doładowanym silniku Infiniti V6 3. o mocy 4 KM i momencie obrotowym 475 N m zastosowała firma Nissan. Wykorzystano sposób tworzenia mieszanki typu air-guided z wtryskiwaczami 6-otworkowymi pracującymi przy maksymalnym ciśnieniu wtrysku 2 MPa [4]. Bezpośredni wtrysk benzyny w silniku firmy Porsche realizowany jest głównie w postaci jednej dawki paliwa, tworząc mieszankę homogeniczną (rys. 2.9a). Podczas większego obcią- a) b) Mo Trzy dawki paliwa Jedna dawka paliwa Vario Cam Plus duży wznios zaworów Dwie dawki paliwa Vario Cam Plus mały wznios zaworów n Rys Wtrysk wieloczęściowy w silnikach firmy Porsche: a) strategie wtrysku, b) umieszczenie wtryskiwacza w komorze spalania [46]

18 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 18 żenia i małej prędkości obrotowej wykorzystuje się wtrysk dwuczęściowy. Podczas zwiększonego obciążenia zastosowano wtrysk trzyczęściowy. Podczas optymalizacji podziału dawki paliwa uwzględniono eliminację spalania stukowego oraz odpowiednią akustykę pracy silnika. System spalania wykorzystuje wtryskiwacze sześciootworkowe o kącie tworzącej stożka 53 stopnie (rys. 2.9b). Kąt odchylenia strugi od osi wtryskiwacza wynosi 1 stopni, a kąt pojedynczej strugi 7 stopni. Firma Toyota w nowej serii silników o zwiększonej sprawności cieplnej oznaczonych jako ESTEC (Economy with Superior Thermal Efficient Combustion), uzależnia strategię wtrysku paliwa od jego obciążenia oraz stanu cieplnego. Aby uniknąć pogorszenia jakości procesu spalania przy małym obciążeniu wynikającym z małej temperatury sprężania ładunku w cyklu Atkinsona, wtrysk paliwa (z podziałem na dwie dawki) następuje w suwie sprężania tworząc ładunek uwarstwiony w okolicy świecy zapłonowej. Zakończenie wtrysku drugiej dawki paliwa w okolicy 15 o przez GMP skutkuje najkrótszym spalaniem, ze względu na zawirowanie ładunku. Przy średniej wartości obciążenia, wtrysk paliwa odbywa się w z niewielkim wyprzedzeniem w okolicy DMP tłoka powodując również najkrótszy proces spalania. Wartość kąta końca wtrysku drugiej dawki ustalono na 19 o przez GMP. Podczas fazy nagrzewania silnika znacząco zmienia się strategia wtrysku paliwa w zakresie małego i średniego obciążenia: zwiększa się obszar uwarstwienia ładunku w celu poprawy procesu spalania (rys. 2.1). GMP A: B: C: D: DMP M o M o C C B B D D A A stan cieplny ustalony stan cieplny nieustalony n Rys Strategie wtrysku realizowane w silniku 1.2 dm 3 ESTEC D-4T firmy Toyota [37] Mimo, że wieloczęściowy, bezpośredni wtrysk paliwa jest powszechnie wykorzystywany, to eksploatowane są także silniki wykorzystujące układy dwóch wtryskiwaczy przypadających na jeden cylinder. W kolejnym podrozdziale przedstawiono badania symulacyjne, jak również seryjne rozwiązania takich układów. Należy jednak zauważyć, że przedstawione układy nie są komplementarne z głównym nurtem przedstawianego zagadnienia dotyczącego umieszczenia dwóch wtryskiwaczy bezpośredniego wtrysku benzyny w komorze spalania. Jednak ze względu na to, że są one częściowo prekursorami takiego rozwiązania, poświęcono im kolejny podrozdział pracy Analiza układów wykorzystujących dwa wtryskiwacze benzyny Analiza literatury przedmiotu wskazuje, że wykorzystanie wtrysku kątowego lub przeciwsobnego realizowanego dwoma wtryskiwaczami nie było zbyt często przedmiotem badań. Analizy możliwości takich rozwiązań prowadził Jelitto w zakresie dotyczące wtrysku prze- n

19 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 19 ciwsobnego [43], jednak nie uzyskał zadowalających rezultatów. Przytaczane badania dotyczyły wtrysku benzyny z użyciem wtryskiwaczy wielootworkowych. Jednak badania te nie prowadziły do uzyskania zmian rozpylenia paliwa w okolicy świecy zapłonowej. Jedna z koncepcji zakładała wtrysk przeciwsobny, tak aby strugi skierowane były na siebie. Prowadzone symulacje (rys. 2.11) wskazywały na uzyskiwanie dużego pola powierzchni w miejscu dotarcia strug do siebie. Kolejnym eksperymentem było styczne skierowanie wtryskiwaczy w celu utworzenia określonego zawirowania strug paliwa. Oba eksperymenty prowadzono przy odmiennym sposobie zawirowania powietrza: pierwszy bez zawirowania, drugi przy zawirowaniu osiowym w cylindrze. Sposób wtrysku paliwa t = 1,5 ms t = 3, ms t = 4,5 ms styczny przeciwsobny Rys Symulacyjne badania wtrysku przeciwsobnego benzyny z wtryskiwaczy otworkowych ( = 1,, P = =,35 MPa, T = 5 K) [43] Badania symulacyjne uzupełniono badaniami eksperymentalnymi. Wykonano badania wtrysku do komory przy różnych wartościach ciśnienia paliwa. Badania te prowadzono przy pochyleniu wtryskiwaczy wynoszącym 19,5 o w dół od osi poziomej i zróżnicowany ciśnieniu panującym wewnątrz komory. Wyniki tych prac przedstawiono na rys Obecnie w literaturze jest brak podobnych badań wykorzystujących wtrysk przeciwsobny lub kątowy w silnikach o zapłonie iskrowym. Nowe możliwości rozwiązań stosowane w systemach firmy VW i Toyota/Lexus (dwa wtryskiwacze, z których jeden umieszczony w kanale dolotowym, a drugi bezpośrednio w cylindrze), wskazują na ogromny potencjał stosowania różnych systemów spalania. Oba wspomniane wysokociśnieniowe układy wtryskowe mogą realizować wtrysk paliwa przy ciśnieniu 2 MPa. Jeden z wtryskiwaczy (wtrysk niskociśnieniowy) znajduje się w kolektorze dolotowym, natomiast drugi bezpośrednio w cylindrze. Oba rozwiania bazują na sposobie tworzenia ładunku określanym jako air-guided. W silniku firmy VW (rys. 2.13) w czasie zimnego rozruchu oraz dużego obciążenia podczas rozgrzewania silnika występuje podział dawki na trzy części. Taka strategia powoduje uzyskiwanie małego rozcieńczania paliwem oleju smarującego oraz małą emisję cząstek stałych. Po osiągnięciu stanu nagrzania reaktora katalitycznego występuje podział dawki na dwie części. Podział ten występuje również przy dużym obciążeniu silnika spalinowego. Pozwala to także na wyeliminowanie spalania stukowego. Niskociśnieniowy układ wtryskowy jest wykorzystywany podczas częściowego obciążenia silnika.

20 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 2 P b =,14 MPa P b =,35 MPa P b =,5 MPa t = 4,5 ms t = 3, ms t = 1,5 ms Rys Eksperymentalne badania wtrysku przeciwsobnego prowadzone przez Jelitto (P b = var, P wtr = var, t czas po rozpoczęciu wtrysku) [43] Dwa układy wtryskowe wykorzystano również w silniku typu W12 firmy Volkswagen. Wtrysk paliwa odbywa się przy maksymalnym ciśnieniu 2 MPa (wysokociśnieniowy) lub do,6 MPa (niskociśnieniowy). Zastosowane wtryskiwacze wysokociśnieniowe są różne w silniku w zależności od rzędu cylindrów, do którego podają one paliwo (rys. 2.13b). Ze względu na odmienne usytuowanie wtryskiwaczy i kształt kanałów dolotowych zróżnicowano sposób podawania paliwa do każdej grupy cylindrów (rys. 2.14a). Zróżnicowano zasięgi strugi z wtryskiwaczy niskociśnieniowych, które wynikają z różnej długości kanałów dolotowych. Mimo, że budowa każdej z grup wtryskiwaczy wysokociśnieniowych jest odmienna, to sposób ich umieszczenia powoduje, że wtrysk jest podobny (rys. 2.14a). Oba systemy wtrysku są aktywne podczas pracy silnika. Jedynym wyjątkiem jest zimny rozruch silnika, gdzie aktywny jest tylko wtrysk bezpośredni. Podczas fazy nagrzewania silnika uruchomiony jest niskociśnieniowy wtrysk paliwa (MPI), który jest aktywny także podczas częściowego obciążenia silnika. Dzięki zasilaniu MPI uzyskano małą szybkość przyrostu ciśnienia w cylindrze, mniejsze drgania silnika oraz korzystną emisję masową cząstek stałych.

21 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 21 Podczas pracy silnika z dużym obciążeniem, udział wtrysku bezpośredniego zwiększa się do około 9% (rys. 2.14b). pompa paliwa system wysokociśnieniowy system niskociśnieniowy wtryskiwacz MPI czujnik P wtr czujnik P b system zawirowania Rys Realizacja wtrysku z wykorzystaniem dwóch układów wtryskowych firmy VW: a) w silniku 1.8 TFSI EA888 trzeciej generacji [34], b) w silniku W12 [24] a) b) wtrysk wysokociśnieniowy wtryskiwacz HPI wtrysk niskociśnieniowy przepustnica M o krótki kanal krótki kanal głównie wtrysk bezpośredni długi kanal długi kanal głównie wtrysk MPI Rys Wtrysk nisko- i wysokociśnieniowy w silniku W12 firmy Volkswagen [24]: a) sposób wtrysku paliwa, b) strategie działania układu Podobne rozwiązanie zastosowała firma Toyota w silniku GT-86 (stosowane także w pojazdach firmy Nissan oraz Subaru rys. 2.15). W układzie tym wtrysk bezpośredni paliwa odbywa się w postaci wachlarzowej strugi, co eliminuje jej penetrację promieniową. Rozwiązanie firmy Toyota podczas zimnego rozruchu silnika wykorzystuje wtrysk do kolektora dolotowego tworząc mieszankę homogeniczną. Jednak w okolicy świecy zapłonowej powstaje mieszanka uwarstwiona podawana przez wtryskiwacz wysokociśnieniowy. Zapłon jest opóźniany, co przyspiesza rozgrzewanie reaktora katalitycznego. Podczas małego obciążenia silnika i małej prędkości obrotowej wykorzystuje się również oba układy wtryskowe ułatwiając tworzenie mieszanki homogenicznej i redukując spalanie stukowe. Dodatkowo uzyskano poprawę stabilności spalania ładunku. Podczas pracy silnika przy średniej prędkości obrotowej i średniej wartości obciążenia stosuje się wtrysk bezpośredni wykorzystując efekt chłodzenia powietrza (wtryskiwane paliwo bezpośrednio do komory spalania), co zwiększa współczynnik napełnienia cylindra. Podczas pełnej mocy przy dużej prędkości obrotowej układ pracuje z wykorzystaniem obu systemów wtryskowych uzyskując odpowiednie natężenie przepływu paliwa (rys. 2.15). n

22 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 22 a) b) M o wtrysk bezpośredni + pośredni wtrysk bezpośredni wtrysk bezpośredni + pośredni Rys Umieszczenie wtryskiwaczy w silniku D-4S FT-86 firmy Toyota [57] (a) oraz strategie sterowania wtryskiem w układzie nisko- i wysokociśnieniowym [85] (b) Firma Toyota/Lexus wykorzystuje wtrysk paliwa realizowany dwoma wtryskiwaczami również w silniku 4-cylindrowym 2AR-FSE o dużej objętości skokowej wynoszącej 2,5 dm 3. Podczas pracy silnika w warunkach biegu jałowego (stan cieplny ustalony) wykorzystano jedynie wtrysk do kolektora dolotowego (rys. 2.16) redukując hałas wywołany działaniem pompy wtryskowej wysokiego ciśnienia. Wtrysk niskociśnieniowy jest realizowany podczas biegu jałowego jedynie w warunkach temperatury cieczy chłodzącej powyżej 6 o C. n M o wtrysk bezpośredni + pośredni wtrysk bezpośredni wtrysk pośredni Rys Strategia działania systemu wtryskowego Toyota w silniku pojazdu Lexus IS3h [41] Optymalizacja pracy wolnossącego silnika sportowego dotyczy przede wszystkim faz wymiany ładunku i formowania mieszanki przy małej prędkości obrotowej i małym obciążeniu. Z tego powodu silnik V1 Huracán (Lamborghini) wyposażono dodatkowo w niskociśnieniowy układ wtryskowy. Wykorzystanie systemu MPI w warunkach małego obciążenia znacząco zmniejszyło emisję cząstek stałych dzięki zwiększeniu homogenizacji ładunku. Było to możliwe przez zwiększenie czasu tworzenia mieszanki przy wtrysku paliwa do kolektora dolotowego oraz panujące w tych warunkach duże podciśnienie dolotu. Zwiększenie obciążenia redukuje podciśnienie w kolektorze dolotowym, przez co znaczenie zasilania do kolektora dolotowego traci na znaczeniu. Stosowany jest wówczas podział dawki realizowany przez oba typy wtryskiwaczy. Zwiększa to parametry pracy silnika przez zwiększenie powierzchni pa- n

23 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 23 rowania kropel (w porównaniu do zasilania MPI). Dodatkową zaletą wtrysku MPI w odniesieniu do wtrysku bezpośredniego jest zmniejszenie udziału dawki wtryśniętej bezpośrednio do cylindra, co skraca czas odparowania całej masy paliwa przypadającej na cykl pracy cylindra. Wynikiem tych działań jest zmniejszenie ilości paliwa docierającej do ścianki cylindra. Strategia działania systemu oparta jest na wtrysku MPI w warunkach obciążenia silnika do 6% (przy małej prędkości obrotowej) oraz do 3% przy większej prędkości (rys. 2.17a). Między 6% a 7% obciążenia system wykorzystuje oba układy wtryskowe w jednakowej proporcji (proporcjonalny podział dawki paliwa). Wtrysk bezpośredni edukuje tendencję występowania spalania stukowego, umożliwiając zwiększenie wyprzedzenia zapłonu, a w konsekwencji zwiększenie sprawności silnika. W pozostałych zakresach obciążenia stosuje się podział między układami w proporcji 85% system wtrysku bezpośredniego, do 15% wtrysk pośredni. Zwiększenie udziału wtrysku bezpośredniego wpływa korzystnie na zwiększenie masy ładunku przez chłodzące działanie paliwa wewnątrz cylindra. Wykorzystanie dwóch systemów wtrysku wymusza konieczność opracowania strategii ich przełączania lub zmiany proporcji ich wykorzystania. Na rysunku 2.17b przedstawiono przykładową strategię przełączania trybów pracy układu wtryskowego przy prędkości obrotowej silnika n = 15 obr/min. Poniżej obciążenia około 35% tryb mieszany nie jest wykorzystywany ze względu na minimalny czas wtrysku. Do 6% obciążenia zasilanie umożliwia jedynie wtryskiwacz niskociśnieniowy (punkt 1 na rys 2.17b). Przy większym obciążeniu stosowana jest strategia podziału między układami wtryskowymi MPI:FSI wynosząca 5:5. Podział nie jest interpolowany, a przy włączeniu systemu wysokociśnieniowego następuje wyprzedzenie zapłonu w silniku. Powyżej 7% obciążenia silnika podział wynosi 15% MPI:85% FSI (punkt 3 rys. 2.17b). Podczas redukcji obciążenia np. z punktu 3 (rys. 2.17b), w którym wykorzystuje się podział 15% MPI:85% FSI do punktu 5%:5% zmiana sterowania następuje przy obciążeniu około 6% (przejście z punktu 4 do punktu 5). Przełączenie sterowania z proporcji 5% MPI:5% FSI na 1% MPI ma miejsce przy około 5-procentowym obciążeniu silnika (przejście z punktu 5 do punktu 6). W rezultacie powstaje histereza, która zmniejsza częstotliwość przełączania trybów pracy. a) b) M o punkty testu NEDC 15% MPI 85% FSI 5% MPI 5% FSI 1% MPI n Udziuał zasilania MPI [%] obszar MPI + FSI względna ilość ładunku [%] n = 15 obr/min limit min. t wtr FSI 5% MPI 15% MPI limit min. t wtr MPI Rys Działanie układu wtrysku paliwa w Lamborghini Huracán V1: a) strategia zasilania, b) przykładowa strategia przełączania zasilania [13] Przedstawione wcześniej systemy wtrysku paliwa w silnikach D-4S firmy Toyota wyposażono w układy doładowania. Wykorzystanie takiego trybu pracy wymusza jedynie działanie

24 2. Problematyka tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym 24 systemu wtrysku bezpośredniego (rys. 2.18). Podczas dużego obciążenia realizowany jest wtrysk z podziałem na trzy dawki paliwa, co zwiększa sprawność spalania. Brak doładowania powoduje, że realizowany jest wtrysk niskociśnieniowy lub kombinacja wtrysku z obu systemów zasilania w zależności od warunków obciążenia i prędkości obrotowej silnika. Dodatkowo w warunkach rozgrzewania silnika w celu ograniczenia rozcieńczania oleju silnikowego ograniczono stosowanie wtrysku pośredniego w zakresie małego obciążenia i małej prędkości obrotowej (rys. 2.18b). M o stan cieplny nieustalony M o stan cieplny ustalony DI 3 części DI 3 części DI 2 części DI bez podziału DI 2 części DI bez podziału MPI DI + MPI MPI n Rys Warunki pracy systemów wtryskowych doładowanego silnika D-4ST [93] n Powyższe analizy skłaniają autora do przedstawienia wniosków uzasadniających podjęcie tematyki rozprawy. Wnioski te przedstawiono i omówiono w kolejnym podrozdziale Wnioski uzasadniające podjęcie tematu Przedstawione powyżej techniczne rozwiązania umieszczenia wtryskiwaczy w kanale dolotowym i bezpośrednio w cylindrze wskazują na brak istnienia rozwiązań systemu spalania z dwoma wtryskiwaczami umieszczonymi w komorze spalania. Takie ich ulokowanie zdanie autora pracy umożliwi zmianę sposobu penetracji komory spalania przez strugi paliwa. Odmienne rozlokowanie strug paliwa powinno zmienić warunki jego rozpylenia i odparowania, a tym samym powinno skutkować zmianą procesu spalania. Jednocześnie rozpylenie paliwa w dużej części objętości komory spalania powinno umożliwić spalanie mieszanek ubogich i bardzo ubogich ( >> 2). Realizacja proponowanego wtrysku kątowego (dwoma wtryskiwaczami) powinno pozwolić na skrócenie czasu przygotowania mieszanki palnej wtryskiwanych dawek paliwa, przy jednoczesnej dużej ich penetracji do wnętrza komory spalania. Uzyska się wówczas kompromis między wielkością wtryskiwanej dawki a jej parametrami rozpylenia. Jak wynika z przedstawionego stanu wiedzy uzasadnione są badania dotyczące systemów spalania silników o zapłonie iskrowym, gdyż rozwój tych systemów nie jest jednoznacznie ukierunkowany. Tak więc proponowane badania wpisują się w nurt obecnych tendencji rozwojowych systemów spalania silników o zapłonie iskrowym. W dalszej części pracy przedstawiono główne tezy i postulaty niniejszej rozprawy.

25 3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres Obecnie zauważalna jest tendencja do zwiększania wydajności silników spalinowych w celu sprostania rygorystycznym normom emisji spalin. W oprzyrządowaniu silników stosuje się zaawansowane systemy sterowania oraz oczyszczania spalin powodujące zminimalizowanie powstawania kluczowych składników toksycznych oraz zmniejszające zużycie paliwa. Jednym z ważniejszych systemów wprowadzanych na globalną skalę jest układ bezpośredniego wtrysku benzyny. Wtrysk bezpośredni benzyny można realizować na dwa sposoby. Pierwszy z nich polega na takiej strategii dostarczenia paliwa, aby utworzyć mieszankę jednorodną homogeniczną. Jest to kontynuacja systemów wtrysku pośredniego z minimalizacją strat w kanale dolotowym (odbywa się najczęściej po zamknięciu zaworów dolotowych) oraz przy zwiększonym ciśnieniu wtryskiwanego paliwa. Wówczas spalanie paliwa w cylindrze jest maksymalnie zbliżone do spalania zupełnego oraz całkowitego, a silnik generuje maksymalny moment obrotowy. Drugi sposób jest realizowany już podczas suwu sprężania lub bezpośrednio przez wyładowaniem elektrycznym na świecy zapłonowej. Możliwości sterowania układami z bezpośrednim wtryskiem paliwa pozwalają uzyskać wieloetapowość tego procesu oraz osiągnąć różne warianty tworzonej mieszanki. Sposób ten polega na zróżnicowaniu obszarów w cylindrze w sposób jakościowy, co skutkuje niejednorodnością dostarczanego ładunku w poszczególne obszary komory spalania. Dzięki takiemu zabiegowi możliwe jest uzyskanie ubogiej mieszanki w znacznej części cylindra oraz jej wzbogacenie w okolicy świecy. Uzyskuje się mieszankę uwarstwioną o globalnym współczynniku nadmiaru powietrza większym od jedności. Zabieg taki pozwala na spalanie ładunków ubogich, a tym samym na ograniczenie zużycia paliwa. Powyższe rozważania wskazują na celowość prowadzenia badań, dla uzyskania nowej wiedzy o możliwościach sterowania procesami zachodzącymi w silniku oraz o wpływie strategii zasilania silnika na spalanie mieszanek ubogich. Jednym ze sposobów rozwoju układów zasilania benzyną jest wtrysk bezpośredni z zastosowaniem dwóch wtryskiwaczy. Jest to układ, w którym wtryskiwacze ustawione są względem siebie kątowo. Sposób mieszania się paliwa z powietrzem w układzie z dwoma wtryskiwaczami przebiega inaczej niż w układach z jednym wtryskiwaczem. Może mieć to duży wpływ na jakość mieszanki pod względem jej ujednorodnienia oraz jakości dalszego procesu spalania. Sposób przygotowania mieszanki ma największy wpływ na jej spalanie, dlatego też istotne jest prowadzenie badań dotyczących podstawowych problemów spalania. Takim zagadnieniem jest sposób przygotowania ładunku przez dwa wtryskiwacze i jego spalanie. Na podstawie powyższych stwierdzeń można przedstawić problem badawczy jako poszukiwanie odpowiedzi na pytanie: w jaki sposób i w jakim stopniu zastosowanie nowej koncepcji wtrysku benzyny pozwala kształtować proces rozpylenia paliwa i w konsekwencji spalanie mieszanek niehomogenicznych? Problem ten wymaga rozwiązania zagadnienia naukowego (celu naukowego), którym jest (zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 3.1): rozpoznanie procesów i efektów zastosowania systemu bezpośredniego wtrysku benzyny z układem dwóch wtryskiwaczy umieszczonych w komorze spalania. Osiągnięcie celu naukowego wymaga określenia celów (zadań) cząstkowych. Dotyczą one zarówno analiz naukowych oraz technicznych. Cele naukowe sformułowano w sposób następujący:

26 3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 26 Rozdz. 1 Rozdz. 2 Problematyka tworzenia mieszanki w układach wtrysku bezpośredniego benzyny (Systemy spalania z dwoma wtryskiwaczami na cylinder) Rozdz. 3 Rozdz. 4 Problematyka wtrysku paliwa wielkości zmienne: P wtr, t wtr, P b, strategie, liczba dawek Badania eksperymentalne CVC, MPC Badania modelowe analiza rozpylenia Rozdział 5 Powtarzalność procesu wtrysku paliwa Analiza zmiany geometrii strugi paliwa Problematyka spalania paliwa wielkości zmienne: P wtr, t wtr, strategie, liczba dawek Rozdział 6 Badania eksperymentalne indykatorowe, MPC Badania eksperymentalne optyczne, MPC Powtarzalność badań indykatorowych Powtarzalność badań optycznych Rozdz. 7 Ocena koncepcji zastosowanego systemu do kształtowania procesu wtrysku i spalania Rys Struktura pracy i wynikający z niej sposób rozwiązania problemu badawczego analiza procesów tworzenia mieszanki z wykorzystaniem badań eksperymentalnych oraz symulacji komputerowych, ocena procesu spalania z analizą procesów szybkozmiennych oraz optyczną analizą obrazów, która umożliwi określenie rozwoju płomienia oraz intensywności jego świecenia, analiza powtarzalności badań wtrysku paliwa z użyciem komory stałej objętości oraz powtarzalności spalania w maszynie pojedynczego cyklu,

27 3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 27 badania rozkładu lokalnych wartości temperatury płomienia przy zastosowaniu różnych strategii wtrysku, natomiast szczegółowe cele techniczne odnoszące się do proponowanego tematu badań, dotyczą następujących zakresów tematycznych: 1) umieszczenie dwóch wtryskiwaczy w komorze spalania przy jednoczesnym spełnieniu warunków tworzenia mieszanki uwarstwionej, 2) wpływ zastosowanych parametrów i strategii wtrysku paliwa na możliwości tworzenia i zapalności mieszanki, 3) techniczne możliwości tworzenia mieszanek zbliżonych do stechiometrycznych i ubogich z wykorzystaniem dwóch wtryskiwaczy, 4) optycznej analizy rozchodzenia się płomienia przy zastosowaniu różnych parametrów wtrysku za pomocą dwóch wtryskiwaczy. Przedstawione powyżej cele naukowe i techniczne oraz zakres prac badawczych lokują tematykę badawczą w obszarze badań podstawowych. Omówione cele i zadania wskazują na zakres pracy, który dotyczy prac rozpoznawczych, nie mając jednocześnie charakteru badań aplikacyjnych. Z tego względu powyższe badania wymagają określonej aparatury badawczej do badań wstępnych. Metodykę tych badań i niezbędną aparaturę naukowo-badawczą zaprezentowano w kolejnym rozdziale.

28 4. Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego 4.1. Charakterystyka metody badawczej Przewiduje się prowadzenie prac badawczych zgodnie z przyjętym harmonogramem przedstawionym w poprzednim rozdziale. Wynika z niego, że analiza zagadnień będących przedmiotem pracy będzie przebiegała z wykorzystaniem dwóch metod badawczych: w ustalonych warunkach termodynamicznych oraz w warunkach dynamicznych. Badania procesu wtrysku paliwa prowadzone są najczęściej w układach o ustalonych warunkach termodynamicznych (o stałych wartościach temperatury i ciśnienia). Najczęściej są to warunki otoczenia [61] lub inne ustalone. Badania takie są prowadzone w komorach stałej objętości (Constant Volume Chamber CVC) [74, 97], w których dokonuje się analizy wskaźników geometrycznych strugi [3] lub interakcji strugi i ścianek komory spalania [7]. Badania w warunkach dynamicznych (zmiennych warunkach ciśnienia i temperatury) prowadzą do komplikacji w identyfikacji procesów, jednak pozwalają na zbliżenie warunków badawczych do układów rzeczywistych silnika spalinowego. Główne zastosowanie mają maszyny pojedynczego cyklu spalania (Rapid Compression Machine RCM). Wykorzystanie silników transparentnych (z dostępem optycznym do komory spalania) pozwala na rzeczywistą ocenę procesów [76, 83], jednak ogranicza powtarzalność uzyskiwanych warunków termodynamicznych. Możliwości prowadzenia badań w powtarzalnych warunkach procesu, jednak z większą możliwością sterowania procesami wymiany ładunku stwarzają wspomniane maszyny pojedynczego cyklu spalania [32]. Ich wykorzystanie umożliwia dodatkowo optyczną analizę procesów podczas filmowania: strugi wtryskiwanego paliwa lub spalania. Ze względu na charakter prac badawczych, obejmujących identyfikację systemu spalania, wykorzystano przedstawione powyżej metody badawcze stanowiące podstawę rozwiązania zagadnienia naukowego Przedmiot badań i obiekty badawcze Do rozwiązywania problemu badawczego wykorzystano obiekty badawcze w postaci: a) wtryskiwaczy umieszczonych kątowo w komorze stałej objętości oraz w komorze spalania maszyny pojedynczego cyklu (aby umożliwić wtrysk realizowany pod kątem 45 o do osi przez dwa wtryskiwacze benzyny należało centralnie umieścić świecę zapłonową), b) komory o stałej objętości (o zmiennych parametrach panującego ciśnienia) do badania wtrysku i rozpylenia paliwa ciekłego, w której był realizowany wtrysk kątowy dwoma wtryskiwaczami (w celu określenia parametrów geometrycznych strugi paliwa), c) maszyny pojedynczego cyklu, w której obserwowano zarówno proces wtrysku paliwa jak i spalania. W badaniach wykorzystano wtryskiwacz o zewnętrznym otwarciu iglicy (rys. 4.1) firmy Siemens VDO, którego elementem wykonawczym powodującym przemieszczenie iglicy jest stos kryształów piezoelektrycznych. Wtryskiwacz ten zawiera w swojej budowie główną część otwierającą iglicę), która w dolnej części ma okna (najczęściej cztery) umożliwiające wypływ paliwa. Kształt strugi paliwa uzyskiwany podczas wtrysku przybiera postać stożka, co pozwala na równomierne rozpylenie paliwa. Dane techniczne wtryskiwacza przedstawiono w tablicy 4.1. Do badania wtrysku paliwa użyto komory stałej objętości (rys. 4.2, tab. 4.2) wyposażonej w układ wysokociśnieniowego wtrysku benzyny wraz z pompami: wysokociśnieniową i zasilającą. Piezoelektryczne wtryskiwacze benzyny znajdują się w komorze badawczej, w której możliwa jest zmiana ciśnienia powietrza w granicach 4, MPa. Usytuowanie obu wtryski-

29 4. Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego 29 waczy pozwala na ocenę rozwoju strugi w kierunku osi wzdłużnej cylindra (w tradycyjnym silniku). Zamontowanie jednego wtryskiwacza centralnie pozwala na jego równoległe (obserwacja kołowości strugi paliwa) oraz prostopadłe filmowanie (obserwacja rzutu stożka rozpylenia). Obie przedstawione konfiguracje umieszczenia wtryskiwaczy były analizowane w pracy Rys Budowa wtryskiwacza piezoelektrycznego (1 rozpylacz zewnętrznego otwarcia, 2 siłownik składający się z kryształów piezoelektrycznych, 3 kompensator temperatury) [38] Tablica 4.1. Dane techniczne wtryskiwacza piezoelektrycznego firmy Siemens VDO [1] Wielkość Wartość Dynamiczny przepływ 14,5 mg/wtrysk ±1% Statyczny przepływ 35 g/s Minimalna dawka < 2 mg/wtrysk Kąt rozpylenia strugi 9º ±3º Wielkość kropel SMD ~ 15 μm Minimalny czas otwarcia > 15 μs Temperatura pracy 3 do +14 ºC Maksymalne napięcie 19 V Ciśnienie pracy 5 3 MPa Rodzaj paliwa Benzyna Sterowanie wtryskiem S Y S T E M Wylot powietrza Dolot powietrza HSS5 Kamera Regulacja powietrza S T E R U J Ą C Y Rys Schemat stanowiska do badania rozpylenia paliwa w komorze stałej objętości

30 4. Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego 3 Tablica 4.2. Parametry techniczne komory o stałej objętości Element Wielkość Charakterystyka Wymiary Komora średnica zewnętrzna materiał h stal: 11 4 mm średnica wewnętrzna materiał h stal: 9 35 mm objętość 22 cm 3 ciśnienie powietrza (przeciwciśnienie) 4,5 MPa Temperatura powietrze dolot 2 o C paliwo wtrysk 3 o C Dostęp materiał/grubość szkło kwarcowe 3 mm optyczny Źródło światła typ 2 lampa halogenowa 24 V, 25 W, kąt stożka światła 3 o Wykorzystana w badaniach maszyna pojedynczego cyklu odwzorowuje w pewnym stopniu warunki pracy silnika (głównym ograniczeniem jest mała prędkość ruchu tłoka wynikająca ze sposobu napędu maszyny). Zbudowana jest ona z cylindra roboczego, w którym umieszczono tłok wykonany w ten sposób, aby możliwy był dostęp optyczny do komory spalania od denka tłoka. Widok elementów maszyny przedstawiono na rys. 4.3, a jej schemat na rys Do sterowania ruchem tłoka (suw sprężania) wykorzystuje się powietrze o regulowanym ciśnieniu do 8 MPa dostarczane do przestrzeni podtłokowej. Zmienne ciśnienie powietrza sterującego i intensywność jego dostarczania pozwala na realizację różnej prędkości ruchu tłoka, a tym samym na odwzorowanie różnej prędkości obrotowej silnika spalinowego. To samo powietrze pełni funkcję amortyzatora przy ruchu tłoka w kierunku DMP wywołanym spalaniem w przestrzeni roboczej cylindra. Nastawa zaworu powietrza sterującego pozwala na uzyskiwanie różnej wartości skoku roboczego tłoka, a więc także geometrycznego stopnia sprężania tab Funkcję zaworów dolotowych i wylotowych pełnią zawory elektromagnetyczne dostarczające powietrze o maksymalnym ciśnieniu do 4 MPa, co pozwala na dotrysk powietrza w dowolnym położeniu tłoka podczas sprężania. W denku tłoka MPC umieszczono okno ze szkła kwarcowego o średnicy dostępu optycznego 5 mm. Rys Budowa stanowiska maszyny pojedynczego cyklu spalania

31 4. Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego 31 Wtryskiwacze Głowica Dolot Wylot Cylinder Wtryśnięte paliwo Tłok Szkło kwarcowe Lustro H S S 5 Kamera Rys Schemat stanowiska badawczego do analizy procesu spalania w maszynie pojedynczego cyklu Tablica 4.2. Dane techniczne maszyny pojedynczego cyklu spalania przygotowanej do badań spalania paliwa przy wykorzystaniu dwóch wtryskiwaczy bezpośredniego wtrysku benzyny Wielkość Wartość Skok tłoka 81 mm Średnica cylindra 8 mm Objętość cylindra 47cm 3 Typ komory spalania komora półkulista w głowicy + komora w tłoku Objętość komory spalania w głowicy 16,5 cm 3 Całkowita objętość komory spalania 55,9 cm 3 Stopień sprężania 8,94 Uszczelnienie tłoka pierścienie tłokowe, uszczelnienie teflonowe Sposób dostarczenia powietrza zawory elektromagnetyczne Wylot spalin zawory elektromagnetyczne Sposób wymuszenia ruchu tłoka pneumatyczny Świeca zapłonowa trójelektrodowa NGK ZKBR7AP-HTU Dostęp optyczny okno z szkła kwarcowego ϕ5 w denku tłoka Wtrysk paliwa bezpośredni, wieloczęściowy Ciśnienie wtrysku paliwa regulowane, 5 2 MPa Spalanie ładunek homogeniczny, uwarstwiony; mieszanka stechiometryczna, uboga W celu dostosowania układu do wymagań niniejszej pracy wykonano głowicę, w której zabudowano dwa kątowo umieszczone wtryskiwacze (rys. 4.5). Centralnie umieszczona świeca zapłonowa umożliwia zapłon mieszanki tworzonej przez jeden lub drugi wtryskiwacz. Wtryskiwacze umieszczono dodatkowo w taki sposób, aby struga tworzonego paliwa docierała w okolice świecy zapłonowej, a nie bezpośrednio na jej elektrody (komora spalania ma sferyczny kształt z lekko zagłębioną świecą zapłonową).

32 4. Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego 32 a) b) c) Rys Komora spalania maszyny pojedynczego cyklu z wtryskiwaczami umieszczonymi kątowo: a) widok głowicy, b) przekrój poprzeczny komory spalania Do sterowania pracą maszyny wykorzystano układ generujący sygnały napięciowe przekształcane do postaci pozwalającej na sterowanie elementami wykonawczymi (zaworami elektromagnetycznymi). Taki system sterowania powoduje otwarcie i zamknięcie dolotu powietrza sterującego (pod tłok), otwarcie i zamknięcie zaworów dolotu powietrza i wylotu spalin nad tłokiem, sterowanie wtryskiwaczem paliwa, wyzwolenie impulsu elektrycznego na świecy zapłonowej i początek procesu filmowania. Układ rejestrujący wykorzystuje 16 kanałów pomiarowych z rozdzielczością ±1 ns. Stanowisko to jest dodatkowo wyposażone w: czujnik ciśnienia powietrza zasilającego Keller PA21 SR (zakres: -1 MPa; analogowy -1 V; dokładność,5% pełnego zakresu), tensometryczny czujnika ciśnienia paliwa AVL SL31D-2 (zakres: -2 MPa; czułość: 4,48e-4 mv/bar, nieliniowość: <,5%; częstotliwość własna 5 khz), piezoelektryczny czujnika ciśnienia spalania AVL GM11D (zakres: -25 MPa; czułość: 18,84 pc/bar), czujnik drogi tłoka bezstykowy potencjometryczny czujnik przemieszczenia Megatron LSR 15 ST R5k SR (zakres: -15 mm; nieliniowość:,5%; rozdzielczość:,1 mm). Przedstawiona obiekty badawcze pozwalają na pełną realizację zadań badawczych dotyczących tematyki pracy Aparatura badawcza Przedstawione powyżej stanowiska (komora stałej objętości i maszyna pojedynczego cyklu) mogą współpracować z wykorzystaną w badaniach aparaturą w postaci: a) kamery firmy LaVision typu HSS 5 do zdjęć szybkich rejestrującej sekwencję zdjęć z częstotliwością do 25 khz rys. 4.6; b) systemu do pomiarów szybkozmiennych AVL Indiset 621 (z wykorzystaniem wzmacniaczy ładunku MicroIFEM), otrzymane dane następnie poddawano obróbce w programie AVL Concerto V4.5. c) symulacyjnej weryfikacji rozpylenia paliwa z wykorzystaniem oprogramowania Fire 21.4 firmy AVL [7] (dokładną analizę zastosowanej metody przedstawiono w podrozdziale 5.4).

33 4. Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego 33 Obserwacje optyczne prowadzono z wykorzystaniem wspomnianej kamery, pozwalającej na filmowanie sekwencji obrazów (m.in. z szybkością 5 khz przy zachowaniu rozdzielczości pikseli) tab Przebieg wymuszenia sygnału elektrycznego (5V, TTL) sterowania wtryskiwaczami i ciśnienia paliwa oraz synchronizację czasową tych przebiegów zapewniał układ akwizycji sygnałów szybkozmiennych. Left lewy normalna growth of wielkość picture obrazu Right prawy Half połowa of picture obrazu Rys Kamera wraz z układem podwójnej optyki do analizy temperatury płomienia Tablica 4.3. Parametry techniczne kamery do zdjęć szybkich HighSpeedStar 5 firmy LaVision [5] Typ przetwornika obrazu Wielkość piksela fotokatody Rozdzielczość maksymalna Wykorzystane prędkości filmowania (wartość aksymalna) Zakres widmowy CMOS 17 m 17 m piksele 5 zdjęć/s przy rozdzielczości (prędkośc wykorzystania podczas analizy spalania) 2 zdjęć/s przy rozdzielczości (prędkośc wykorzystania podczas analizy wtrysku i spalania) 5 zdjęć/s przy rozdzielczości (prędkość wykorzystana podczas analizy wtrysku paliwa) (25 zdjęć/s przy rozdzielczości ) 38 nm do 8 nm Metodyka badań eksperymentalnych obejmowała określenie następujących wielkości podczas procesów: a) wtrysku i rozpylenia paliwa: pomiar zasięgu liniowego i promieniowego: określono je na podstawie osiowego i poprzecznego względem strugi ustawienia kamery i optycznej analizie obrazów (jasności pikseli przyjętych za wartości graniczne najbardziej oddalonych od rozpylacza paliwa), pomiar obszaru strugi: określono na podstawie liczby pikseli w komorze podlegających luminancji światła (analiza dotyczy płaskiej ekspozycji obrazu strugi paliwa), analizę nierównomierności zasięgu liniowego i promieniowego określonego na podstawie współczynnika zmienności danej wielkości X, zdefiniowanego jako: CoV (X) (4.1) gdzie: jest odchyleniem standardowym wielkości X, a wartością średnią X z pomiarów, analizę rozkładów przedziałów wartości uzupełniono o współczynnik skośności A, który określa asymetrię rozkładu analizowanych wartości:

34 4. Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego 34 3 n xi xsr A (4.2) 3 (n 1)(n 2) s gdzie: n liczba obserwacji, x i wynik kolejnej obserwacji, x śr średnia, s odchylenie standardowe (współczynnik ten o wartości równej zeru świadczy o idealnie symetrycznym rozkładzie, o wartości powyżej zera o rozkładzie prawoskośnym, natomiast o wartości poniżej zera o rozkładzie lewoskośnym (ujemnoskośnym), pomiary symulacyjne: rozkład średnicy kropel, wielkość odparowanego paliwa oraz interakcje strug, b) spalania: temperatura: sposób pomiaru przedstawiono w punkcie Badania rozkładu temperatury, obszar płomienia obszar o zadanej intensywności świecenia po uwzględnieniu (odjęciu) tła pomiarowego, rozkład temperatury ustalone, o zadanych przedziałach wartości, temperatury płomienia, pomiary z procesów szybkozmiennych: ciśnienia w cylindrze, szybkości wywiązywania ciepła na podstawie znajomości geometrii układu: dq dt Pt P 1 2 t 1 t t 1 V V P P t 1 t 1 V V 1 2 t 1 t (4.3) gdzie: P ciśnienie w cylindrze, V objętość nad tłokiem, indeksy t oraz t+1 oznaczają bieżącą i następną wartość ciśnienia P w cylindrze lub odpowiadającą jej objętość cylindra; obliczenia te prowadzono podczas w zakresie od rozpoczęcia ruchu tłoka do umownego zakończenia rozprężania, wartości ciśnienia indykowanego wyznaczono na podstawie równania: p i p V (4.4) V cyl k V gdzie: V jest objętością cylindra podczas rozpoczęcia ruchu tłoka, a V k objętością podczas zakończenia rozprężania; czas tych zmian określono na 1 ms. powtarzalność procesu spalania oceniana na podstawie powtarzalności wartości: maksymalnego ciśnienia w cylindrze P max, kąta tego ciśnienia Pmax, ciśnienia indykowanego, kąty (czasy) wywiązywania ciepła 5% oraz 9%, szybkości wywiązywania ciepła dq max i kąta tej wielkości dqmax, pola powierzchni płomienia A max, czasu wystąpienia maksymalnego pola powierzchni płomienia t(a max ) oraz czas ten skorygowany o czas zapłonu, maksymalnej szybkości przyrostu pola powierzchni płomienia da/dt. Badania rozkładu temperatury Badania przeprowadzono z wykorzystaniem MPC oraz kamery do zdjęć szybkich w następujący sposób. Na obiektyw kamery zamontowano układ podwójnej optyki umożliwiający zastosowanie filtrów barwnych. Za pomocą oprogramowania DaVis firmy LaVison jest możliwe określenie temperatury w komorze spalania przez odpowiednie obliczenia (równania przedstawiono w dalszej części) intensywności świecenia zarejestrowanych pikseli obrazu. W badaniach zastosowano połączenie filtrów: czerwonego o długości fali Ʌ = 65 ±1 nm z zielonym o długości fali Ʌ = 55 ±1 nm oraz filtra zielonego z filtrem niebieskim o długo-

35 4. Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego 35 ści fali Ʌ = 45 ±1 nm. Zakres barwy filtra w stosunku do długości fali, którą przepuszcza, przedstawiono na rysunku 4.7. Dokładną charakterystykę filtrów przedstawiono na rysunku 4.8. Rys Widmo promieniowania optycznego [95] niebieski zielony czerwony Rys Przepuszczalność barwowych filtrów optycznych w zależności od długości fali [49] Zastosowanie metody dwubarwowej umożliwia określenie temperatury w komorze spalania na podstawie promieniowania dwóch długości fal świetlnych i porównania ich wartości. W celu opisania promieniowania wykorzystywane jest prawo Plancka: 1 C1 C2 M (,T) exp 1 5 (4.5) T Gdy temperatura jest mniejsza niż 3 K, w widmie podczerwieni (Ʌ = 38 8 nm), jest spełniony warunek C 2 /( T) >> 1 (C 1 oraz C 2 stałe). Można wykorzystać wtedy prawo Wiena: C1 C2 M(,T) exp 5 T (4.6) Obie zależności po przekształceniu i uwzględnieniu dwóch długości fal umożliwiają przeprowadzenie obliczeń temperatury. Zależność określająca temperaturę z uwzględnieniem odpowiedzi przetwornika CMOS kamery S Ʌ2 /S Ʌ1 została przedstawiona za pomocą równania: 1 C T (4.7) 6 L 1,T S 2 1 ln ln L 2,T S Λ 1 2 gdzie L oznacza intensywność świecenia pikseli (w zakresie 124) rejestrowanego obrazu.

36 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 5.1. Sposoby realizacji wtrysku za pomocą układu dwóch wtryskiwaczy Ze względu na zastosowanie określonych wtryskiwaczy, strugi wtryskiwanego paliwa mogą przyjąć określony kształt. Zastosowane wtryskiwaczy typu outward-opening umożliwiło uzyskanie stożkowego kształtu wtryskiwanego paliwa. Dzięki określonej konfiguracji wtryskiwaczy w komorze spalania, uzyskuje się dużą powierzchnię rozpylenia paliwa a tym samym znaczną część komory spalania wypełnioną paliwem (płaską ekspozycję obrazu uzyskiwaną podczas badań optycznych). Układ taki nie wymaga zmiany komory spalania, a jedynie odpowiedniego pozycjonowania wtryskiwaczy. Strategia rozmieszczenia wtryskiwaczy uwzględnia odległość wtryskiwaczy między nimi, odległość od świecy zapłonowej, a także kąt pomiędzy wtryskiwaczami. Ze względu na kąt strugi wtryskiwanego paliwa możliwe jest różne usytuowanie wtryskiwaczy. Kąt strugi wtryskiwanego paliwa za pomocą wtryskiwacza Siemens typu outward-opening wynosi 9. Bez względu na kąt zastosowany między wtryskiwaczami możliwe jest uzyskanie interakcji strug paliwa wtryskiwanych przez oba wtryskiwacze. Aby uzyskać zapłon konieczne będzie umieszczenie świecy zapłonowej na odpowiedniej głębokości w komorze spalania. Zdecydowano się na zastosowanie kąta 9 pomiędzy wtryskiwaczami. Strategia taka umożliwi skrócenie drogi interakcji wtryskiwanego paliwa. Ponadto uzyskanie kąta 45 między każdym wtryskiwaczem i osią cylindra umożliwi wtrysk części dawki paliwa wzdłuż cylindra równolegle do jego osi. Taki sposób wtrysku umożliwi także ruch części wtryskiwanego paliwa w stronę denka tłoka, a nie tylko w okolicę świecy zapłonowej. Na rysunku 5.1 przedstawiono możliwości rozpylenia paliwa za pomocą jednego oraz dwóch wtryskiwaczy (na podstawie takiego widoku określano w dalszej części pracy obszar komory objętej lub wypełnionej strumieniem paliwa). Rys Wtrysk paliwa za pomocą jednego wtryskiwacza oraz za pomocą dwóch wtryskiwaczy Sposób ten jest tym skuteczniejszy, że nie wymaga, tak jak w poprzednim przypadku znaczących przeróbek w układzie komory spalania (ze względu na przeciwsobne usytuowanie wtryskiwaczy konieczne jest zwiększenie komory spalania, a tym samym obniżenie stopnia sprężania. W obecnym przypadku stopień sprężania może zostać zachowany (w stosunku do konwencjonalnego układu z jednym wtryskiwaczem), a możliwe jest szerokie kształtowanie procesu wtrysku symultanicznego (rys. 5.2) lub wtrysku z przesunięciem czasowym między wtryskiwanymi dawkami (rys. 5.3). t wtr =,2 ms t wtr =,4 ms t wtr =,6 ms Rys Poglądowy widok rozpylenia paliwa z wykorzystaniem dwóch kątowo umieszczonych wtryskiwaczy (P wtr = 5 MPa; P b = 1 MPa; t wtr =,3 ms; kolorem czerwonym zaznaczono wypływające paliwo)

37 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 37 t wtr =,4 ms t wtr =,6 ms t wtr =,8 ms Rys Poglądowy widok rozpylenia paliwa z wykorzystaniem dwóch kątowo umieszczonych wtryskiwaczy z przesuniętymi w czasie dawkami wtryskiwanego paliwa (P wtr = 5 MPa; P b =,5 MPa; t wtr =,3 ms) Geometria usytuowania wtryskiwaczy podczas realizacji kątowego wtrysku paliwa dwoma wtryskiwaczami została tak zaprojektowana, aby uzyskać tworzącą stożka rozpylanego paliwa równoległą do górnej płaszczyzny głowicy. Pozwala to na takie tworzenie strugi paliwa, które osiągnie świecę zapłonową (elektrodę świecy) w sposób pozwalający na przewidywanie rozpylenia paliwa w określonej przestrzeni komory spalania. Rozpatrywanie strategii wtrysku za pomocą dwóch wtryskiwaczy wymaga rozpatrzenia wielu parametrów: a) obserwacji zasięgów poszczególnych strug paliwa przy różnych strategiach wtrysku, b) analizy czasu od początku wtrysku do ich interakcji, c) porównanie obszarów objętych paliwem przez poszczególne strugi paliwa, d) interpretacja zmiany parametrów strug paliwa w zależności od przeciwciśnienia powietrza Wpływ zastosowanej strategii wtrysku na parametry strugi Podczas badań układu z dwoma wtryskiwaczami wykorzystano wtryskiwacze typu outward-opening o zewnętrznym otwarciu i skoku iglicy wynoszącym od 3 m do 36 m [28, 35, 56]. Sposób działania wtryskiwacza został dokładnie opisany w pracach [55, 62, 92]. W celu oszacowania dawki paliwa wymagane jest sporządzenie charakterystyki wtryskiwacza. Wyznaczono ją podczas badań dotyczących możliwości wtrysku bezpośredniego, a zamieszczono w pracy [68]. Na rysunku 5.4 przedstawiono sposób otwarcia oraz charakterystykę wtryskiwacza wykorzystanego w badaniach. a) b) 6 57, kąt strugi iglica 9 o wypływ paliwa qo [mg/wtrysk] ,5 15, 1,5 3, 34,5 21, 15, 39, 49,5 28,5 19,5 39, 25,5 48, 3, 33, 5 MPa 1 MPa 2 MPa,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 1,6 1,8 2, 48, rzut strugi paliwa t wtr [ms] Rys Wykorzystany w badaniach wtryskiwacz o zewnętrznym otwarciu iglicy: a) budowa rozpylacza [79], b) badawcza charakterystyka przepływowa [68] Wykorzystanie dwóch wtryskiwaczy umożliwia zastosowanie różnych strategii wtrysku obejmujących zmianę ciśnienia wtrysku, czasów otwarcia wtryskiwaczy, ilość dawek wtry-

38 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 38 skiwanego paliwa oraz sekwencję wtrysków. Zastosowano trzy podstawowe strategie różniące się między sobą: wtrysk pojedynczy, wtrysk równoczesny i wtrysk sekwencyjny. Znajomość czasów otwarcia wtryskiwaczy umożliwiła oszacowanie dawek paliwa przy danych strategiach wtrysku. Rozbudowany plan badań przedstawiony w tablicy 5.1 umożliwił porównanie strategii wtrysku na wiele sposobów. Tablica 5.1. Plan badań określający podstawowe parametry wtrysku Nr P wtr [MPa] t wtr [ms] t [ms] P b [MPa] q [mg] Wtrysk jednoczęściowy 1. 2,6 1, ,8 1,5 49,5 Wtrysk dwuczęściowy ,3 1,5 2 19,5 4. 2,3 +,4 1,5 19,5 + 3, ,4 1,5 2 3,9 Wtrysk wieloczęściowy sekwencyjny 6. 2,3 +,3 +,3,5 1,5 3 19,5 W celu wykazania różnicy w rozpyleniu paliwa wybrano trzy różne strategie. Dla różnych strategii wybrano sekwencje wtrysku o zbliżonej sumarycznej dawce paliwa dla każdej z nich. Ocenie poddano zasięgi strugi (w przypadku pojedynczego wtrysku), obszary zajmowane przez rozpylone paliwo wraz z prędkością przyrostu tych obszarów dla wszystkich konfiguracji wtrysku paliwa oraz czasy dotarcia wtryskiwanego paliwa do świecy zapłonowej. Badania przeprowadzono dla różnych dawek paliwa, różnych czasów otwarcia wtryskiwacza, a także różnej realizacji kolejności wtrysku dwoma wtryskiwaczami. Tablica 5.2 przedstawia zarejestrowane obrazy dla trzech podstawowych strategii wtrysku paliwa. Zauważalna jest duża koncentracja paliwa podczas wtrysku pojedynczego (pomimo najmniejszej dawki paliwa w stosunku do pozostałych) oraz duży obszar wypełniony paliwem podczas wtrysku przy użyciu dwóch wtryskiwaczy. Wtrysk jednoczęściowy Identyfikacja nowego systemu wtrysku paliwa wymaga porównawczej analizy różnych strategii wtrysku za pomocą jednego i dwóch wtryskiwaczy. W tym celu przeprowadzono analizę sposobu rozpylenia paliwa za pomocą jednego wtryskiwacza proponowanego układu. Na rysunku 5.5 przedstawiono sposób rozprzestrzeniania się strugi paliwa na podstawie analizy obrazów zarejestrowanego wtrysku. Zastosowano ciśnienie wtrysku P wtr = 2 MPa, czas wtrysku t wtr =,8 ms oraz przeciwciśnienie powietrza P b = 1,5 MPa. Zauważalny jest rzut stożkowego kształtu wtryskiwanego paliwa. Poszczególne kolory linii oznaczają zasięg strugi w kolejnych krokach czasowych Δt =,1 ms. Dawka paliwa wyniosła q = 49,5 mg. Graficzny zapis zasięgu strugi umożliwia obserwację czasu dotarcia strugi wtryskiwanego paliwa w okolice świecy zapłonowej, który wynosi Δt,5 ms dla przedstawionej strategii wtrysku. W dalszej analizie porównano parametry strug paliwa pojedynczego wtrysku. Zastosowano dwa czasy wtrysku t wtr =,6 ms oraz t wtr =,8 ms. Skupiono się na wpływie czasu wtrysku przy stałej wartości ciśnienia wtryskiwanego paliwa. Dla obu przypadków przeciwciśnienie powietrza wynosiło P b = 1,5 MPa. Analizie poddano zasięgi strug paliwa oraz obszary zajmowane przez paliwo. Wyniki badań przedstawiono na rysunku 5.6. Zwiększenie czasu wtrysku o 33% spowodowało nieproporcjonalne zwiększenie dawki paliwa o 25% z 39 mg na 49,5 mg. Parametry strugi wtryskiwanego paliwa również uzyskują nieproporcjonalnie mniejszy wzrost. Zasięg strugi wzrósł o 4,4% po czasie 4, ms, natomiast obszar wypełniony paliwem wzrósł o 13,7% po czasie 4, ms. Zmiany zasięgu strugi oraz obszaru wypełnionego paliwem (linie ciągłe) uzyskują przybliżone przebiegi do około 1 ms. Po tym czasie widoczne

39 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 39 Tablica 5.2. Obrazy zarejestrowanego rozpylenia paliwa dla różnych strategii wtrysku przy ciśnieniu wtrysku wynoszącym P wtr = 2 MPa i przeciwciśnieniu powietrza wynoszącym P b = 1,5 MPa [71] strategia wtrysku, ms Wtrysk pojedynczy t wtr =,8 ms q = 49,5 mg Wtrysk równoczesny t wtr1 = t wtr2 =,4 ms q = 61,8 mg Wtrysk naprzemienny t wtr1 = t wtr2 = t wtr3 =,3 ms q = 58,5 mg,4 ms,8 ms 1,2 ms 1,6 ms 2, ms Rys Sekwencje rozpylenia paliwa w komorze stałej objętości podczas wtrysku jednej dawki paliwa (kolorem zaznaczono zasięgi strugi paliwa w kolejnych chwilach wtrysku) [11]

40 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 4 25 P wtr = 2 MPa, P pow = 1.5 MPa 25 Zmiana obszaru [mm 2 /(,1) ms] Rys Parametry wtrysku pojedynczej dawki paliwa: zasięg i prędkość strugi (po lewej) oraz obszar wypełniony paliwem i jego zmiany (po prawej) są zauważalne różnice w czasie od ok 1, ms do 1,5 ms. Zasięg wtryskiwanego paliwa wzrasta, a następnie przyjmuje podobny kształt dla obu czasów otwarcia wtryskiwacza dla jego różnych wartości. Obszar wypełniony paliwem jest bardziej zróżnicowany. Po 1, ms przyrost obszaru dla większego czasu wtrysku jest znacznie większy. Prędkość strugi oraz zmiana obszaru (przerywana linia) przebiegają w podobny sposób z niewiele większymi wartościami podczas wtrysku o dłuższym czasie otwarcia wtryskiwacza. Największa wartość prędkości wynoszącą v = 48 m/s występuje podczas wtrysku większej dawki i jest o 14% większa w stosunku do wtrysku mniejszej dawki. Wtrysk dwuczęściowy z użyciem dwóch wtryskiwaczy Najprostszym sposobem wtrysku za pomocą dwóch wtryskiwaczy jest strategia, w której wtryskiwane są dwie dawki paliwa jednocześnie. W tym przypadku dwie dawki paliwa wtryskiwano dwoma sposobami: jednocześnie przez dwa wtryskiwacze (symultanicznie) oraz z przesunięciem czasowym (sekwencyjnie). Na rysunku 5.7 przedstawiono rozwój strug paliwa wtryskiwanych przez dwa wtryskiwacze jednocześnie. Tak jak na rysunku 5.5 dotyczącego wtrysku pojedynczej dawki, kolory oznaczają zasięg strug paliwa w kolejnych krokach czasowych Δt =,1 ms. Czas wtrysku dla obu wtryskiwaczy wynosił t wtr =,4 ms przy ciśnieniu wtrysku P wtr = 2 MPa i przeciwciśnieniu P b = 1,5 MPa. Dawka paliwa wtryskiwana przez każdy z wtryskiwaczy wynosiła q = 3 mg. Obserwacja zasięgu strug paliwa umożliwiła określenie czasu połączenia się strug w okolicy świecy, który wyniósł Δt,7 ms t [ms] Strategia wtrysku:,8 ms,6 ms wtr. 2 wtr Obszar [mm 2 ] Rys Rozpylenie paliwa w komorze stałej objętości podczas jednoczesnego wtrysku dawki paliwa dwoma wtryskiwaczami [11]

41 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 41 Na rysunku 5.7 widoczne jest połączenie obu dawek paliwa, które przypada na miejsce położenia świecy zapłonowej. W badaniach tych nie rozważano problemu zapalności lecz jedynie zajmowano się rozpyleniem strug. Jednakże miejsce połączenia strug wskazuje jednoznacznie na konieczność umieszczenia świecy zapłonowej. Prowadzone wcześniej badania [67] wskazują, że centralne umieszczenie świecy zapłonowej jest najbardziej odpowiednie do uzyskiwania zapłonu przy różnych wielkościach jednocześnie wtryskiwanych dawek paliwa. Zmiana dawki paliwa jest możliwa na wiele sposobów: zwiększenie ilości dawek, zwiększenie ciśnienia wtrysku lub wydłużenie czasów otwarcia wtryskiwacza. Podczas badań wtrysku jednoczesnego porównano strategie dla dwóch wtrysków, po jednym dla każdego z wtryskiwaczy, jednakowym ciśnieniu wtrysku oraz przeciwciśnieniu. Na rysunku 5.8 przedstawiono porównanie strategii jednoczesnego wtrysku przy czasach: 2,3 ms,,3 ms +,4 ms oraz 2,4 ms. Sumaryczne dawki paliwa dla tych strategii wtrysku wynoszą odpowiednio 39 mg, 49,5 mg i 6 mg. Pomimo zmiany dawki paliwa, obszary wypełnione wtryskiwanym paliwem w początkowej fazie wtrysku mają te same wielkości. Pierwsza różnica wynikająca z prędkości zmiany obszaru zauważalna jest po Δt =,5 ms dla strategii wtrysku 2,4 ms oraz po Δt =,6 ms dla strategii wtrysku,3 ms +,4 ms. Jednak zmiana obszaru między strategiami zauważalna jest dopiero po Δt =,7 ms. Oznacza to, że do tego czasu, dla wszystkich strategii wtrysku, rozwój strug paliwa przebiega w podobny sposób i możliwe jest połączenie tych strug. Dla wymienionych strategii wtrysku możliwe jest zastosowanie zbliżonych strategii zapłonu ze względu na zbliżony czas połączenia się strug paliwa. Po tym czasie zauważalny jest większy obszar wypełniony paliwem głównie przy największej dawce paliwa. Na podstawie analizy stwierdzono, że obszar komory objętej paliwem podczas wtrysku symultanicznego jest proporcjonalny do wielkości całkowitej wtryśniętej dawki paliwa Zmiana obszaru [mm 2 /(,1 ms)] t [ms] strategia wtrysku:,3 wtr. 1,3 wtr. 2,4 wtr. 1,3 wtr. 2,4 wtr. 1,4 wtr Obszar strugi [mm 2 ] Rys Wpływ wielkości dawki paliwa na obszar zajmowany przez strugi paliwa wtryskiwanego jednocześnie przez dwa wtryskiwacze Analizie poddano możliwość wpływu na wielkość dawki paliwa przez zmianę czasu otwarcia jednego wtryskiwacza z,3 ms do,4 ms z możliwością przesunięcia jego początku wtrysku. Porównaniu poddano wtrysk jednoczesny przy czasach,3 ms oraz,4 ms oraz z opóźnieniem każdej z nich o,5 ms. Analiza jednocześnie wtryśniętych dawek (rys. 5.9) wskazuje, że największa powierzchnia wypełniona paliwem w początkowej fazie wtrysku jest uzyskiwana dla wtrysku jednoczesnego. Także szybkość zmiany jest największa dla wtrysku równoczesnego. Podczas wtrysku z opóźnioną, mniejszą dawką uzyskano taki sam obszar wypełniony paliwem w późniejszej fazie wtrysku po 3, ms jak dla wtrysku jednoczesnego. Dla wtrysku, w którym większa dawka wtryskiwana jest później, uzyskano mniejszy obszar wypełniony paliwem w początkowej fazie wtrysku (do około 1,2 ms od początku wtrysku) oraz większy obszar w późniejszej fazie wtrysku (3-4 ms od początku wtrysku). Jest to spo-

42 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 42 wodowane rejestrowaniem obrazu wtryskiwanego paliwa w fazie ciekłej, które wtryśnięte do komory jednocześnie zaczyna odparowywać. Konsekwencją zmiany kolejności wtryskiwanego paliwa przez dwa wtryskiwacze był 3,5% rozrzut wyników. Różnice takie można uznać za dopuszczalne i nie wpływające na rozpylenie paliwa. Oznacza to, że niewielki czas przesunięcia jednej z dawek ma niewielki wpływ na rozpylenie paliwa. Przeanalizowano także prędkość zmiany obszaru wypełnionego paliwem dla przedstawionych strategii wtrysku. Dla obu strategii uwzględniających opóźnienie wtrysku uzyskano zbliżone wartości przyrostu tego obszaru. Zauważalny jest jego wzrost podczas wtrysku pierwszej dawki, następnie spadek oraz ponowny wzrost podczas wtrysku drugiej dawki. Podsumowując należy stwierdzić, że mimo niewielkich zmian obszaru strugi szybkość zmiany tego obszaru jest istotna w aspekcie strategii wtrysku paliwa. Zmiana obszaru [mm 2 /(,1 ms)] druga dawka = 3,5% strategia wtrysku:,4 wtr. 1,3 wtr. 2,3 wtr. 1,5 ms,4 wtr. 2,5 ms,4 wtr. 1,3 wtr Obszar strugi [mm 2 ] t [ms] Rys Obszar wypełniony paliwem oraz jego zmiana przy czasach otwarcia wtryskiwaczy,3 ms oraz,4 ms Dokonano także analiz wpływu przesunięcia jednej z dawek przy jednakowych czasach otwarcia wtryskiwacza dla obu wtryskiwaczy. Zastosowano wtrysk jednoczesny z czasem otwarcia obu wtryskiwaczy wynoszącym t =,3 ms oraz z opóźnieniem wtrysku o,5 ms dla jednego z nich. Z wyników przedstawionych na rysunku 5.1 wynika wpływ opóźnienia wtrysku jednej z dawek. Zauważalny jest intensywny wzrost obszaru podczas wtrysku jednoczesnego w stosunku do drugiej strategii. Dla strategii z opóźnieniem wtrysku uzyskano znaczne opóźnienie zwiększania się obszaru objętego paliwem oraz skokową zmianą tego obszaru spowodowaną opóźnieniem wtrysku drugiej dawki. Przesunięcie wtrysku paliwa przy jednakowym czasie otwarcia wtryskiwaczy skutkuje zróżnicowanym przebiegiem obszaru strugi w początkowym zakresie czasu wypływu. Obszar strugi [mm 2 ] Rys Wpływ przesunięcia (dwell time) dawek na obszar strugi i zmiany powierzchni paliwa wtryskiwanego przez dwa wtryskiwacze

43 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 43 Sekwencyjny wtrysk trzech dawek Wtrysk trzech dawek paliwa prowadzi do możliwości uzyskania większego uwarstwienia ładunku. Tym samym możliwe jest uzyskanie większej penetracji strugi paliwa w głąb komory spalania. Jak wykazano w badaniach prowadzonych przez Warnecke i in. [92] zakres zapalności mieszanki podczas trzech dawek wtryskiwanych w systemie konwencjonalnym (z jednym wtryskiwaczem) jest większy. Prowadzi on również do ograniczenia tendencji wypadania zapłonów podczas realizacji wtrysku bezpośredniego w systemie spray-guided. Jednak w konwencjonalnym systemie możliwości wtrysku wieloczęściowego są ograniczone głównie podczas dużego obciążenia silnika. Realizacja wtrysku z dwoma wtryskiwaczami pozwala na skrócenie czasu przygotowania ładunku, a także na wtrysk większej masy paliwa w tym samym czasie. Sekwencyjny wtrysk paliwa wraz z zasięgiem strug paliwa przedstawiono na rys Zaprezentowano tam jedynie wtrysk dwóch początkowych dawek paliwa ze względu na brak możliwości rozpoznania na zdjęciach wtrysku kolejnej dawki paliwa. Analizę rozpylenia każdej z dawek możliwe jest za pomocą symulacji komputerowych. Rys Rozpylenia paliwa w komorze stałej objętości podczas sekwencyjnego (trzyczęściowego) wtrysku dawki paliwa dwoma wtryskiwaczami [7] Z rysunku 5.11 wynika, że strugi paliwa ulegają połączeniu również w okolicy osi układu, co świadczy o możliwości centralnego umieszczenia świecy zapłonowej. Jednak sekwencyjny wtrysk paliwa pozwala na znaczne zróżnicowanie stężenia paliwa w komorze spalania. Takie przestrzenne rozmieszczenie ładunku w cylindrze pozwala na sterowanie procesem spalania w aspekcie jego jakości. Możliwe staje się również kontrolowanie przebiegu spalania w aspekcie tworzenia toksycznych składników spalin. Na rysunku 5.12 przedstawiono rozpylenie przez zastosowanie strategii trzech wtrysków naprzemiennych dla dwóch wtryskiwaczy. Czas otwarcia wtryskiwacza dla każdej z dawek wynosi t wtr =,3 ms. W pierwszej strategii zastosowano czas pomiędzy początkami wtrysków wynoszący Δt =,5 ms oznaczone niebieskim kolorem. W drugiej strategii zastosowano opóźnienie wtrysku każdej z dawek wynoszące Δt = 1, ms oznaczone kolorem czerwonym. Dla obu strategii wzrost obszaru wypełnionego paliwem (linie ciągłe) przebiega identycznie do czasu Δt =,5 ms od początku wtrysku. Następuje wtedy wtrysk drugiej dawki dla jednej z strategii i przebiegi zaczynają się różnić między sobą. Od około t = 2, ms zauważalny jest równomierny wzrost obszaru dla obu strategii wtrysku z większymi wartościami dla strategii, w której wszystkie wtryski zrealizowano szybciej. Podczas analizy prędkości zamiany obszaru wypełnionego paliwem, zauważalne jest pokrycie się wartości do czasu drugiego wtrysku. Potwierdza to powtarzalność wtrysku,

44 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 44 a także zwraca uwagę na przesunięcie zmiany tego obszaru podczas wtrysku kolejnych dawek. Zmiana obszaru wypełnionego paliwem (linia przerywana) przebiega w inny sposób. Przy wtrysku o mniejszych odstępach między dawkami uzyskano 23% większą wartość zmiany obszaru wypełnionego paliwem wynoszącą 151 mm 2 /,1 ms. 25 P wtr = 2 MPa; q 6 mg 25 Zmiana obszaru[mm 2 2 /(,1 ms)] 2 druga dawka 15 trzecia 1 5 Strategia wtrysku:,3,7 ms,3 wtr. 1,5 ms,3 wtr. 2,3 1,7 ms wtr. 1,3 1, ms,3 wtr. 2, 1, 2, 3, 4, 5, t [ms] Obszar Obszar strugi [mm [mm 2 ] 2 ] Rys Wpływ przesunięcia trzech dawek (dwell time) na obszar strugi i zmiany powierzchni paliwa wtryskiwanego sekwencyjnie przez dwa wtryskiwacze Sekwencyjny wtrysk trzech dawek paliwa wskazuje na istotność odległości między dawkami, gdyż od tego czasu zależy obszar komory wypełniony paliwem, a to prowadzi do zmian szybkości zmian tego obszaru Porównanie różnych strategii wtrysku Plan badawczy uwzględniał wiele punktów badawczych pozwalając na porównanie parametrów rozpylenia jednakowych sumarycznych dawek paliwa wtryskiwanych różnymi sposobami. Porównano parametry zbliżonych dawek wynoszących odpowiednio q 4 mg, q 5 mg oraz q 6 mg. W pierwszych dwóch analizach porównano wtrysk pojedynczy z podwójnym. Dla największej dawki porównano strategię podwójnego wtrysku z potrójnym wtryskiem sekwencyjnym. Tak jak wcześniej zwrócono uwagę na rozwój obszaru wypełnionego paliwem oraz szybkość rozwoju tego obszaru. W pierwszej analizie porównawczej wykorzystano wyniki badań przeprowadzonych dla wtrysku pojedynczego oraz podwójnego. Na rysunku 5.13 przedstawiono obszar wypełniony paliwem (linia ciągła) oraz szybkość jego zmiany (linia przerywana). Dla wszystkich punktów zastosowano jednakowe ciśnienie wtrysku wynoszące P wtr = 2 MPa, przeciwciśnienie wynoszące P b = 1,5 MPa oraz dawkę paliwa wynoszącą q 39 mg. Dla wtrysku pojedynczego zastosowano czas otwarcia wtryskiwacza wynoszący t wtr =,6 ms, który przedstawiono liniami koloru czarnego. Dla strategii wtrysku podwójnego zastosowano czas otwarcia wtryskiwacza t wtr =,3 ms dla każdego z wtryskiwaczy. Wtrysk następował jednocześnie (kolor niebieski) oraz z przesunięciem jednej z dawek o t op =,5 ms (kolor czerwony). Obszar wypełniony paliwem dla pojedynczej dawki oraz dwóch wtryskiwanych z odstępem czasowym jednej z nich przebiega jednakowo do czasu t,6 ms. Następnie zauważalny jest znaczny wzrost obszaru spowodowany wtryskiem drugiej dawki z osobnego wtryskiwacza. Rozwój wtryskiwanego paliwa występuje z dwóch osobnych wtryskiwaczy, dlatego zauważalny jest znaczny wzrost obszaru. Po 4 ms uzyskano 13% większy obszar wypełnionego paliwem przy wtrysku dwóch dawek z przesunięciem czasowym oraz o ok. 18% większy obszar dla wtrysku jednoczesnego w stosunku do wtrysku jednoczęściowego. Podczas wtrysku jednoczesnego rozwój obszaru rozpylanego paliwa jest znacznie większy w początkowej fazie wtrysku.

45 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 45 Po czasie t =,5 ms obszar ten jest o około 43% większy w stosunku do pozostałych strategii. Z powyższej analizy wynika, że bez względu na czasy opóźnienia wtrysku sekwencyjnego uzyskiwane są większe obszary objęte paliwem w stosunku do wtrysku pojedynczego. 25 P wtr = 2 MPa; q 39 mg 25 Zmiana obszaru [mm 2 /(,1 ms)] Strategia wtrysku:,3 wtr. 1,3 wtr. 2,3 wtr. 1,5 ms,3 wtr. 2 wtr. 1,6 ms wtr. 2, 1, 2, 3, 4, 5, t [ms] Obszar wypełnienia strugi [mm [mm 2 ] 2 ] Rys Analiza porównawcza wtrysku pojedynczego i podwójnego o sumarycznej dawce paliwa wynoszącej q 39 mg W kolejnym porównaniu zestawiono strategie wtrysku w których sumaryczna dawka paliwa wyniosła q 49,5 mg. Wyniki badań przedstawiono na rysunku Zastosowano takie samo ciśnienie wtrysku wynoszące P wtr = 2 MPa oraz przeciwciśnienie wynoszące P b = 1,5 MPa. Dla wtrysku pojedynczego zastosowano czas otwarcia wtryskiwacza wynoszący t wtr = =,8 ms oznaczonego na wykresie kolorem czarnym. Dla wtrysku podwójnego zastosowano czasy wtrysku t wtr =,3 ms oraz t wtr =,4 ms. Wtrysk równoczesny oznaczono kolorem zielonym, sekwencje z opóźnieniem czasu otwarcia wtryskiwacza t wtr =,3 ms kolorem czerwonym, a sekwencję z opóźnieniem wtrysku z czasem otwarcia wtryskiwacza t wtr =,4 ms oznaczono kolorem niebieskim. Dla początkowej fazy wtrysku obszar wypełniony paliwem (linia ciągła) zmienia się w podobny sposób dla wszystkich strategii, w których nie występuje wtrysk jednoczesny. Po czasie t,6 ms zauważalny jest nagły wzrost prędkości rozwoju obszaru dla obu strategii z opóźnionym wtryskiem drugiej dawki. Istnieje więc możliwość kształtowania procesu rozpylenia paliwa podczas wtrysku określonej dawki paliwa. Zmiana obszaru [mm 2 /(,1 ms)] P wtr = 2 MPa; q o 5 mg druga dawka, 1, 2, 3, 4, 5, t [ms] Strategia wtrysku: Rys Analiza porównawcza wtrysku pojedynczego i podwójnego o sumarycznej dawce paliwa wynoszącej q 5 mg Podczas wtrysku jednoczesnego z dwóch wtryskiwaczy tak jak poprzednio obszar wypełniony paliwem jest większy niż przy wtrysku pojedynczym przez cały okres rozpylenia.,4,3,4 wtr. 1 wtr. 2 wtr. 1,5 ms,3 wtr. 2,5 ms,4 wtr. 1,3,8 ms wtr. 2 wtr. 1 wtr Obszar Obszar wypełnienia strugi [mm [mm 2 ] 2 ]

46 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 46 Wyniki badań są zgodne z poprzednimi wskazując na większy obszar wypełniony paliwem przy wtrysku dwóch dawek podczas całego okresu rozpylenia w stosunku do wtrysku pojedynczego. Ze względu na zastosowanie większych dawek paliwa różnice są mniejsze. Obszar wypełniony paliwem po 4 ms od początku wtrysku jest o około 5,6% większy dla strategii z opóźnieniem wtrysku i około 9,7% większy dla strategii wtrysku jednoczesnego w stosunku do pojedynczego wtrysku. Dla zmiany obszaru (linia przerywana) zauważalny jest zbliżony przebieg w początkowej fazie wtrysku dla strategii w których nie występuje wtrysk jednoczesny. Następnie zauważalny jest spadek zmiany obszaru. Dla wtrysku podwójnego z opóźnieniem jednego z nich występuje wzrost zmiany obszaru w chwili początku drugiego wtrysku. Podczas wtrysku jednoczesnego zmiana obszaru narasta bardziej gwałtownie osiągając maksymalną wartość 61% większą w stosunku do wtrysku pojedynczego. Ostatnie z porównań dotyczy wtrysku jednoczesnego oraz sekwencyjnego. Na rysunku 5.15 przedstawiono obszar wypełniony paliwem (linia ciągła) oraz jego zmianę (linia przerywana). Kolorem czarnym przedstawiono wtrysk jednoczesny, kolorem niebieskim wtrysk sekwencyjny z opóźnieniem t =,5 ms, a kolorem czerwonym wtrysk sekwencyjny z opóźnieniem t = 1, ms. Dla wtrysku sekwencyjnego zauważalny jest znacznie mniejszy obszar wypełniony paliwem w początkowej fazie wtrysku niż dla wtrysku jednoczesnego. Po czasie t =,5 ms uzyskano ponad dwukrotnie większy obszar wypełniony paliwem podczas wtrysku jednoczesnego w stosunku do wtrysku sekwencyjnego. Zauważalny jest także szybszy rozwój obszaru wypełnionego paliwem dla sekwencyjnych dawek od chwili otwarcia drugiego wtryskiwacza po czasie t =,5 ms oraz t = 1, ms. 25 P wtr = 2 MPa; q 6 mg 25 Zmiana Zmiana obszaru[mm [mm 2 /(,1 2 /(,1 ms)] ms)] Strategia wtrysku:,3,7 ms,3 wtr. 1,5 ms,3 wtr. 2,3 1,7 ms wtr. 1,3 1, ms,3 wtr. 2,4,4 wtr. 1 wtr. 2, 1, 2, 3, 4, 5, t [ms] Obszar Obszar strugi [mm [mm 2 ] 2 ] Rys Porównanie wtrysku wieloczęściowego o sumarycznej dawce paliwa wynoszącej q 6 mg Zastosowanie wtrysku jednoczesnego powoduje uzyskanie większego obszaru wypełnionego paliwem aż do czasu t = 3,75 ms. Po tym czasie uzyskano nieznacznie większy obszar dla wtrysku sekwencyjnego z czasem opóźnienia drugiej dawki t =,5 ms. Spowodowane jest to odparowaniem paliwa wtryskiwanego jednocześnie. Bez względu na zastosowaną strategię zauważalne jest osiągnięcie większego obszaru gdy paliwo wtryskiwane jest w krótszym czasie, co oznacza uzyskanie największego obszaru przez wtrysk jednoczesny. Także największą wartość zmiany obszaru wypełnionego paliwem uzyskano podczas wtrysku jednoczesnego. Podczas wtrysku sekwencyjnego przy przesunięciu drugiej dawki o 1, ms następuje wzrost obszaru po czasie 1 ms. Jednak maksymalna zmiana obszaru wypełnionego paliwem podczas wtrysku sekwencyjnego jest o 64% (duża odległość między dawkami) i o 34% (mała odległość) mniejsza niż podczas wtrysku jednoczesnego.

47 Wtrysk [-] Zapłon [-] 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy Badania wtrysku paliwa w maszynie pojedynczego cyklu Prowadzone dotychczas badania z wykorzystaniem dwóch wtryskiwaczy dotyczą warunków statycznych (publikowane m.in. w pracy [72]). Badania w warunkach dynamicznych (z użyciem MPC) pozwolą na określenie implementacji takiego systemu w silniku spalinowym. Eksperymentalne badania rozpylenia paliwa w maszynie pojedynczego cyklu spalania dokonano z wykorzystaniem takiego samego układu wtryskiwaczy jak w CVC. Ze względu na konieczność uzyskania zapalności mieszanki (mimo, że w badaniach tych nie analizuje się procesu spalania) czasy wtrysku i ciśnienia paliwa nieco różnią się do tych które były wykorzystane w CVC. Z tego powodu możliwe jest porównanie jakościowe tych przebiegów, a ich analiza porównawcza nie jest konieczna. Analiza zmian ciśnienia w maszynie pojedynczego sprężu w warunkach wtrysku paliwa została przedstawiona na rys Analizy dokonano w zakresie czasu od początku wtrysku do czasu wystąpienia wyładowania na elektrodach świecy zapłonowej [69]. Wynika z niego, że w zakresie pojedynczej dawki paliwa nie występują zbyt duże różnice przyrostu ciśnienia ze względu na niewielki zakres czasu podczas wtrysku. Zwiększenie liczby dawek wiąże się ze zwiększeniem czasu a jednocześnie z większym przyrostem ciśnienia. Z tego względu zastosowanie dwóch wtryskiwaczy w komorze spalania może ewidentnie skrócić czas wtrysku paliwa przy jednocześnie zwiększonej penetracji strugi do komory spalania. Uzyskuje się również dzięki takiej konstrukcji i strategii sekwencyjnego wtrysku możliwe jest uzyskanie dużej homogenizacji ładunku przy jednoczesnym skróceniu czasu wtrysku. Inj_1 [V] T_cyl [K] 6 Ignition Sygnał zapłonu signal 3 6 Sygnał Injection wtrysku signal paliwa t = 2 ms T = 4 K 2 Cylinder T_cyl temperature 6 16 P P = ,59 bar 5 Cylinder P _cyl pressure Time t [ms] [ms] Ignition [V] P_cyl_1 [bar] Rys Zmiana ciśnienia i temperatury podczas wtrysku jednoczęściowego do MPC Podczas jednoczęściowego wtrysku paliwa odstęp czasowy między rozpoczęciem wtrysku a zapłonem wynosił 2 ms. W tym czasie nastąpił przyrost ciśnienia o wartości P =,16 MPa (z 1,3 do 1,46 MPa). Przyrostowi temu odpowiada zwiększenie wartości temperatury o T = = 4 K. Należy zauważyć, ze wtrysk następuje przy temperaturze T = 685 K, a kończy przy T = 726 K. Wynika z tego, że obszar obserwowanej strugi paliwa będzie znacząco mniejszy niż podczas wtrysku do komory (w której panuje znacznie mniejsza wartość temperatury). Oznacza to jednocześnie, że zmniejszenie obszaru strugi spowodowane jest odparowaniem paliwa (z jednoczesnym uwzględnieniem pogorszonego oświetlenia w komorze spalania). Wyniki badań rozpylenia paliwa przez jeden z wtryskiwaczy przedstawiono na rys Analiza rozpylenia paliwa wskazuje na istnienie maksimum zasięgu strugi w komorze spalania maszyny, jednak po czasie t =,7 ms następuje gwałtowne zmniejszenie obszaru (rys. 5.18). Jest to spowodowane intensywnym parowaniem paliwa wtryskiwanego do powietrza o temperaturze T = 685 K. Następnie obszar strugi zanika, co równocześnie powoduje zakończenie analizy optycznej tego procesu. Jest to powód dla którego na rys czas identyfikacji kończy się przy t =,5 ms.

48 Wtrysk [-] Zapłon [-] 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 48 P wtr = 1 MPa; P pow = MPa,15 ms,2 ms,25 ms,3 ms,35 ms,4 ms,45 ms,5 ms,55 ms 1,2 ms 1, ms,6 ms wtr. 1 wtr. 2 Rys Rozwój strugi paliwa w maszynie pojedynczego cyklu Obszar zmian [pix] P wtr = 1 MPa, P cyl = 1,3-1,46 MPa Strategia wtrysku:,6 ms wtr. 1 wtr Obszar strugi Area [pix] -8,,5 1, 1,5 t [ms] Rys Zmiana powierzchni strugi paliwa podczas wtrysku jednoczęściowego w maszynie pojedynczego cyklu (1 mm = 3,8 px; 1% komory spalania = 17 2 pix) Podczas dwuczęściowego sekwencyjnego wtrysku paliwa odstęp czasowy między rozpoczęciem wtrysku pierwszej dawki paliwa zapłonem wynosił także 2 ms (rys. 5.19). W tym czasie nastąpił przyrost ciśnienia o wartości 1,25 bar. Przyrostowi temu odpowiada zwiększenie wartości temperatury o 25 K. Należy zauważyć, ze wtrysk następuje przy temperaturze około 65 K a kończy się w temperaturze 675 K. Inj_1 Inj_2 T_cyl [K] Sygnał Ignition zapłonu signal Sygnał Injection wtrysku signal paliwa 2 2 Sygnał Injection wtrysku signal paliwa t = 2 ms T = 25 K 2 Cylinder T_cyl temperature 16 Cylinder P _cyl pressure P P = 1, bar Time t [ms] [ms] Ignition [V] P_cyl_1 [bar] Rys Zmiana ciśnienia i temperatury podczas wtrysku dwuczęściowego w maszynie pojedynczego cyklu

49 Zmiana obszaru [pix] Obszar [pix] 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 49 Wynika z tego, że obszar obserwowanej strugi paliwa będzie znacząco mniejszy niż podczas wtrysku do komory (w której panuje znacznie mniejsza wartość temperatury). Uzyskano jednocześnie nieco mniejsze wartości ciśnienia sprężania i analogicznie mniejsze wartości temperatury niż podczas wtrysku jednej dawki. Zmiany te jednak nie są znaczące i wskazują jedynie na brak identycznych warunków w maszynie pojedynczego cyklu. Jednak poziom uzyskiwanych wartości ciśnienia i temperatury jest na tyle zbliżony, że możliwe jest uznanie, że wtrysk paliwa zachodzi w tych samych (lub bardzo podobnych) warunkach termodynamicznych. Sekwencyjny wtrysk dwóch dawek pozwala na stwierdzenie dużej szybkości odparowania każdej z nich (rys. 5.2). Jest to szczególnie widoczne ze względu na znacznie krótsze czasy wtrysku. W tym przypadku czas wtrysku każdej z dawek wynosi t =,3 ms. Po zakończeniu wtrysku możliwe jest określenie zasięgu strugi, jednak w miejscu wypływu paliwa z wtryskiwacza struga po czasie t =,35 ms zanika gdyż odparowuje. Po czasie t =,55 dostępna staje się analiza wtrysku drugiej strugi co powoduje, że na rys możliwa jest obserwacja zwiększania się obszaru zajmowanego przez strugę paliwa. P wtr = 1 MPa; P pow = MPa,3 ms,2 ms,25 ms,3 ms,35 ms,4 ms,45 ms,5 ms,55 ms,6 ms,65 ms,7 ms 1,2 ms wtr. 1 1, ms wtr. 2,3 ms Rys Rozwój strugi paliwa w maszynie pojedynczego cyklu podczas sekwencyjnego wtrysku paliwa w systemie dwóch wtryskiwaczy 8 6 P wtr = 1 MPa, P cyl = 1,3-1,46 MPa Strategia wtrysku: wtr druga dawka,3 ms wtr ,,2,4,6,8 1, Rys Zmiana powierzchni strugi paliwa podczas wtrysku dwuczęściowego w maszynie pojedynczego cyklu (1 mm = 3,8 px; 1% komory spalania = 17 2 pix) Analiza badań dokonanych w komorze stałej objętości oraz MPC pozwala na sformułowanie następujących wniosków: oba przypadki zawierają odmienne warunki prowadzenia badań; ustalone warunki termodynamiczne powodują ograniczone odparowanie paliwa, a tym samym pozwalają na dłuż- t [ms]

50 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 5 sze prowadzenie obserwacji (czas określania zasięgu i powierzchni znacznie dłuższy niż w przypadku MPC). zmienne i większe wartości temperatury w MPC powodują, że znaczna część paliwa ulega odparowaniu, a tym samym ogranicza możliwości oceny zasięgu i pola powierzchni strugi paliwa Symulacyjne badania procesu rozpylenia paliwa Możliwości badawcze Eksperymentalne badania wtrysku paliw posiadają pewne ograniczenia wynikające z metod badawczych. W celu uzyskania większego materiału badawczego dotyczącego parametrów wtryskiwanego paliwa wykorzystano metodę symulacji komputerowych. Badania modelowe umożliwiają rozszerzenie analizy eksperymentalnej wtrysku i rozpylenia paliwa o informacje dotyczące: średniej średnicy kropel paliwa, jego koncentracji w strudze, ilość odparowanego paliwa oraz energii kinetycznej strugi. Znajomość tych wartości umożliwia uzupełnienie wiedzy eksperymentalnej nie tylko o wartości ilościowe, ale także jakościowe. Podczas badań symulacyjnych wykorzystano oprogramowanie AVL Fire 214 [7]. Oprogramowanie to jest szeroko obecnie stosowane do modelowania procesów wtrysku paliwa w oraz spalania, w wielu ośrodkach krajowych [m.in. 19, 86, 87], jak i zagranicznych [m.in. 12]. Program umożliwia implementację podczas symulacji wielu wtryskiwaczy, odzwierciedlenie ich rzeczywistej geometrii, parametrów wtrysku a także ośrodka do którego jest ono wtryskiwane. Na rysunku 5.22 przedstawiono porównanie obrazu rzeczywistego zarejestrowanego przez kamerę oraz symulacji komputerowych dla wtrysku za pomocą dwóch wtryskiwaczy. Rys Wtrysk przy użyciu dwóch wtryskiwaczy przedstawiony dla metod eksperymentalnych (po lewej stronie) oraz metod symulacyjnych (po prawej stronie); P wtr = 2 MPa, t = 2,3 ms Weryfikacja poprawności przyjętych parametrów uzyskanych dzięki symulacjom oraz badaniom rzeczywistym dla pojedynczego wtrysku wymagała porównania zasięgów strug paliwa. Podczas badań eksperymentalnych zastosowano czas wtrysku wynoszący t wtr =,8 ms przy ciśnieniu wtrysku o wartości P wtr = 2 MPa. Takie parametry odpowiadają masie wtryskiwanego paliwa wynoszącej q = 49,8 mg. Zastosowane przeciwciśnienie wynoszące P b = = 1,5 MPa oraz temperatura powietrza T p = 38 K odpowiadają warunkom panującym w cylindrze podczas wtrysku. W toku badań modelowych parametry wyjściowe modelu przyjęto jednakowe z badaniami eksperymentalnymi. Zestawienie zasięgów strug przedstawiono na rysunku Przedstawione wyniki różnią się nieznacznie w przedziale czasowym t =,2-2, ms. Wynika to z faktu zmiennego ciśnienia wtrysku na końcówce wtryskiwacza w warunkach rzeczywistych. Podczas otwarcia wtryskiwacza jest ono największe, a następnie nieznacznie spada podczas procesu wtrysku. Dawka wtryskiwanego paliwa jest wynikowa. Podczas badań symulacyjnych określenie dawki paliwa powoduje wykorzystanie modelowego (zadanego) przebiegu wtrysku paliwa (ciśnienie paliwa jest tutaj wielkością wtórną, gdyż jest ono wielkością wynikową). Zasięg wtryskiwanej dawki paliwa przy użyciu obu metod ba-

51 Zasięg [mm] 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 51 dawczych jest porównywalny po czasie t = 2 ms od początku wtrysku. Oznacza to uzyskanie za pomocą badań symulacyjnych zbliżonej wartości energii kinetycznej strugi wtryskiwanego paliwa w stosunku do badań eksperymentalnych Real Sym = 2% Czas [ms] Rys Porównanie zasięgów strug paliwa podczas badań symulacyjnych (czerwona linia) oraz eksperymentalnych (niebieska linia) dla dawki q = 49,8 mg Metodologia badań W badaniach symulacyjnych zastosowano oprogramowanie FIRE firmy AVL. Jest to wielofunkcyjne oprogramowanie CFD (Computational Fluid Dynamics) wykorzystywane w modelowaniu procesów przepływowych oraz termodynamicznych. Znane są obecnie różne mechanizmy rozpadu kropel, które zależą od liczby Webera [7]. Podczas wysokociśnieniowego wtrysku bezpośredniego, gdzie liczba Webera jest bardzo duża, spodziewany jest rozpad typu catastrophic breakup. W takich warunkach głównie stosuje się model Wave. Model ten oparty jest na niestabilności Kelvina-Helmholtza ciekłego strumienia cieczy, gdzie siły lepkości wytwarzają fale na powierzchni cieczy, a nowe krople tworzone są z powstałych fal powierzchniowych. Wytworzone fale mają określoną częstotliwość i długość. Rozmiary nowo utworzonych kropel uwzględniają długości fal i szybkości wzrostu tych niestabilności. Jednak model ten stosuje się głównie do układów wtryskowych oleju napędowego [45]. Do przeprowadzenia symulacji komputerowych wykorzystano model rozpadu kropel KH- RT, model parowania Dukowicza oraz model turbulencji k-zeta-f. Zastosowanie tak wielu modeli spowodowane jest złożonością i wieloetapowością procesu rozpylenia. Na rysunku 5.24 przedstawiono schemat wtrysku paliwa przy użyciu wtryskiwacza typu outward- -opening. Spośród dostępnych w programie modeli rozpadu kropel paliwa wybrano model KH-RT (Kelvin Helmholtz-Rayleigh Taylor model). Model ten jest połączeniem dwóch modeli rozpadu kropel Kelvina-Helmholtza oraz Rayleigha-Taylora. Ponieważ jeden model nie jest w stanie dokładnie opisać wszystkich faz rozpadu kropel, zastosowanie kombinacji dwóch modeli umożliwia dokładniejsze odwzorowanie rzeczywistych warunków podczas symulacji. Pierwotny model, którym jest model KH odwzorowuje stosunkowo szybki rozpad kropel dla całego procesu, co powoduje duże szybkie odparowanie paliwa oraz niewielką penetrację. Dlatego od określonej długości strugi rozkład kropel obliczany jest za pomocą modelu RT, który powoduje uzyskanie jednakowej wielkości rozmiaru kropel. Przykładowy schemat rozpadu kropel przedstawiono na rys

52 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 52 Rys Etapy wtrysku paliwa przy użyciu wtryskiwacza typu outward-opening [9] niestabilność KH Rys Schemat rozpadu kropel według modelu KH-RT [64] Do parowania kropli wykorzystano model Dukowicza [7]. Podstawą tego modelu jest analogia między ciepłem i przemieszczeniem masy w okolicach powierzchni kropel paliwa. Model ten kieruje się następującymi założeniami: przepływ wokół kropel cieczy jest sferycznie symetryczny, wokół powierzchni kropli cieczy występuje film quasi-stały, temperatura kropel cieczy jest rozmieszczona równomiernie, właściwości gazu wokół świecy są stałe, para i ciecz na powierzchni kropli są w równowadze termodynamicznej. Rozpatrywany model opiera się na standardowych równaniach przepływu masy i energii. Model Dukowicza ujmuje współczynniki przewodzenia ciepła i dyfuzji masy parującego paliwa do powietrza przy założeniu kulistego kształtu kropli oraz nieściśliwego otoczenia [48]. Wykorzystane modele symulacyjne zebrano i przedstawiono w tablicy 5.3. Tablica 5.3. Wykorzystane podmodele do analizy procesu wtrysku paliwa Model Nazwa Parametry Model turbulencji k-zeta-f bez parametrów Model zderzeń cząstek paliwa KH-RT C1 =,61 (stabilność kropel modelu KH) C2 = 2 (dostosowanie czasu rozpadu modelu KH) C3 = 1 (dostosowanie długości rozpadu) C4 = 5,33 (dostosowanie długości fali modelu RT) C5 = 1 (dostosowanie czasu rozpadu modelu RT) C6 =,3 (dostosowanie liczby parceli powstających kropel child droplet) C7 =,5 (dostosowanie masy parceli powstałych kropel) Model odparowania paliwa Dukowicz kropla niestabilność RT C8 =,188 (dostosowanie prędkości kropel) E1 = 1 (parametr wymiany ciepła) E2 = 1 (parametr wymiany masy)

53 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 53 Podczas symulacji wtrysku zastosowano wtrysk paliwa do bryły walcowej o wtryskiwaczach umieszczonych na jej górnej powierzchni, w sposób umożliwiający utworzenie kąta między osiami wtryskiwaczy o wartości 9 o. Siatka modelu heksagonalnego zawierała 544 komórek. Analiza wyników badań wtrysku pojedynczego (bez podziału dawki) potwierdza możliwości odzwierciedlenia warunków rzeczywistych w badaniach symulacyjnych. Kontynuacja wykorzystania metody symulacyjnej polegała na zastosowaniu dwóch wtryskiwaczy umieszczonych względem siebie pod kątem prostym. Szczegółowy plan badań przedstawiono w tab Tablica 5.4. Plan badań symulacyjnych rozpylenia paliwa P wtr [MPa] t wtr [ms] Przerwa [ms] q [mg] P b [MPa] T [K] Wtrysk pojedynczy 2,8 49,5 1,5 38 Wtrysk podwójny jednoczesny 2 2,4 61,8 1, ,5 69 1, 55 Wtrysk potrójny sekwencyjny 2 3,3,3 58,5 1, Wyniki badań symulacyjnych Badania eksperymentalne polegające na filmowaniu wtrysku paliwa umożliwiają określenie parametrów strugi paliwa. Nie wszystkie wielkości poszczególnych dawek można jednak określić. Jednym z takich parametrów (trudnych do określenia jest zasięg poszczególnych strug paliwa podczas wtrysku wieloczęściowego. Podczas badań eksperymentalnych określenie zasięgu strug paliwa jest możliwe tylko dla pojedynczej dawki. Podczas wtrysku wielu dawek z dwóch wtryskiwaczy występuje rozwój strug paliwa o różnych kierunkach, a strugi dążą do połączenia. Nie jest możliwe określenie w którym miejscu na zdjęciu są pojedyncze strugi. Taka sytuacja uniemożliwia analizę zasięgu pojedynczych dawek. Metoda symulacyjna umożliwia analizę każdej z wtryskiwanych dawek osobno. Na rysunku 5.26 przedstawiono zasięgi poszczególnych strug paliwa dla różnych strategii wtrysku. Zasięgi strug dla wszystkich strategii poza opóźnionymi dawkami, są zbliżone w początkowej fazie wtrysku, do około,5 ms. Wyniki pojedynczej dawki wskazują na uzyskanie największego zasięgu i odnoszą się do zasięgu zmierzonego metodą eksperymentalną. W strategii tej zastosowano największą dawkę paliwa wynoszącą q = 49 mg oraz jeden kierunek wtrysku. Podczas wtrysku podwójnego jednoczesnego obie dawki paliwa wynoszące q = 3 mg uzyskują taki sam zasięg podczas całego procesu rozpylenia wynoszący 86% zasięgu pojedynczej dawki. Zasięg pierwszej z dawek wtrysku sekwencyjnego (3 19,5 mg) w początkowej fazie jest zbliżony do pozostałych strategii jednak po czasie t =,5 ms postępuje on wolniej. Druga dawka uzyskuje zbliżony przebieg w stosunku do pierwszej z opóźnieniem wynikającym z opóźnienia wtrysku wynoszącym t =,5 ms osiągając najmniejszy zasięg z wszystkich dawek. Największy zasięg podczas wtrysku sekwencyjnego osiąga trzecia dawka ok. 9% zasięgu pojedynczego wtrysku. Jest to spowodowane wcześniejszym wtryskiem pierwszej dawki wtrysku sekwencyjnego. Kierunek ruchu paliwa wtryśniętego podczas pierwszego i trzeciego wtrysku tej strategii jest taki sam, a sumaryczna dawka obu tych wtrysków wynosząca q = 39 mg jest największa po dawce wtryśniętej przez wtrysk pojedynczy, co powoduje także uzyskanie największej, po wtrysku pojedynczym, sumarycznej energii kinetycznej.

54 Penetration [mm] 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy zasięg [mm] strategia wtrysku:,8 ms wtr. 1 2,4 wtr. 1 15,4 wtr. 2 1,3,7 ms,3 wtr. 1 5,5 ms,3 wtr. 2, 1, 2, 3, 4, 5, t [ms] 1% 9% 86% 76% Rys Zasięg strug paliwa przy różnych konfiguracjach wtrysku benzyny Podczas badań omówiono możliwości analizy rozpylenia paliwa. Na rysunku 5.27 przedstawiono sposób rozpylenia paliwa omawianych strategii z uwzględnieniem rozmiaru średnic kropel paliwa. Przedział skali wynosi od 1 μm kolor niebieski, do 4 μm kolor czerwony. W początkowej fazie każdego wtrysku średnica kropel jest w górnym zakresie skali. Podczas wtrysku pojedynczego zauważalna jest znacznie większa średnica kropel po 3 ms w stosunku do pozostałych strategii. Większość kropel paliwa mieści się w przedziale 2-4 μm. Wynika to z większej masy wtryskiwanego paliwa oraz mniejszego obszaru wypełnionego paliwem, a więc większej koncentracji paliwa. Najmniejsze średnice kropel paliwa w przeważającym przedziale 5-2 μm uzyskano dla wtrysku równoczesnego. Dzięki wtryskowi równoczesnemu z dwóch wtryskiwaczy uzyskiwany jest największy obszar wypełniony paliwem, najmniejsza koncentracja paliwa i jednocześnie największa homogenizacja ładunku. t =,2 ms t =,7 ms t = 1,2 ms t = 1,7 ms t = 2,2 ms t = 2,7 ms t = 3,2 ms Fig Sekwencje rozpylenia paliwa dla różnych strategii wtrysku (kolorem oznaczono średnice kropel); model wtrysku: KH-RT; parowania: model Dukowicza Uwzględniając masę oraz prędkość wtryskiwanego paliwa możliwe jest przeanalizowanie energii kinetycznej strug paliwa. Na rysunku 5.28 przedstawiono energię wtryskiwanego paliwa za pomocą przekroju jego strugi. Analiza energii kinetycznej wtryskiwanego paliwa wskazuje na jej duże wartości dla pojedynczej dawki. Jest to efekt skupienia masy oraz prędkości, która jest największa dla tej strategii. Biorąc pod uwagę czas trwania wtrysku najkorzystniejszym rozwiązaniem jest wieloczęściowy wtrysk dawki paliwa. W tym przypadku maksimum energii kinetycznej przypada po 1,2 1,7 ms od rozpoczęcia wtrysku. Zaletą takie-

55 masa Fuel odparowanego mass evaporation paliwa [g] [g] 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 55 go rozwiązania jest to, że energia ta ma dużą wartość w czasie, gdy następuje interakcja obu strug paliwa. W tym czasie wymaga się również wystąpienia wyładowania na świecy zapłonowej. Warunki takie powinny sprzyjać tworzeniu mieszanki o odpowiednim składzie w okolicy świecy zapłonowej. Biorąc pod uwagę uwarstwienie ładunku wielkości tej energii są istotne z punktu widzenia jednorodności dawki w okolicy świecy zapłonowej i ograniczenie do minimum braku zapłonu (misfire). t wtr =,8 ms t =,2 ms t wtr = 2,4 ms t dw =,5 ms t wtr = 3,3 ms t dw =,3 ms t = 1,2 ms t =,7 ms t = 1,7 ms Rys Energia kinetyczna paliwa wtryskiwanego do ośrodka o ciśnieniu P b = 1,5 MPa oraz T b = 38 K przy 3 strategiach wtrysku: wtrysk pojedynczy q = 49,5 mg, wtrysk jednoczesny q = 2 3,9 mg, wtrysk sekwencyjny q = 3 19,5 mg Symulacyjne badania odparowania paliwa prowadzono dla warunków panujących w komorze stałej objętości (rys. 5.29). Oznacza to, że przyjęto wartość temperatury wtrysku paliwa na poziomie 38 K. Wartości takie wynikają z ogrzewania paliwa podczas wtrysku. W takich warunkach określono, że wtrysk jednoczesny dwóch dawek paliwa prowadzi do uzyskania największej masy odparowanego paliwa po czasie t = 5 ms od rozpoczęcia wtrysku. Wtrysk wieloczęściowy ze względu na czasowe opóźnienie dwóch kolejnych dawek prowadzi do 2-procentowego ograniczenia masy odparowanego paliwa. Wtrysk jednoczesny dużej dawki paliwa uzyskuje najmniejszą wartość odparowanej masy. Jest ona mniejsza o 35% w stosunku do wtrysku jednoczesnego dwóch dawek oraz 15% mniejsza od dawki podzielonej na trzy części..14,14.12,12 Injection strategia strategy: wtrysku.8,8 ms wtr. inj. 11.1,1.4,4.4,4 wtr. 1 inj. 1 wtr. inj. 2-2%.8,8,3.3.7,7 ms.3,3 wtr. inj. 1-35%.6,6.4,4,5.5 ms.3,3 wtr. inj. 2.2,2 Constant komora Volume stałej objętości Chamber Tb T = air = K.,., 2. 2, 4. 4, 5 ms 6. 6, t [ms] Rys Wpływ sposobu wtrysku paliwa na wielkość odparowanej dawki

56 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 56 Badania symulacyjne pozwalają również na przewidywanie dalszego rozwoju strugi paliwa w przypadku gdyby realizowany był wtrysk wielofazowy, przy czym dawką zapalającą byłaby ostatnia dawka wtryskiwanego paliwa. Analiza rozwoju strugi paliwa wskazuje na występowanie obszarów o współczynniku nadmiaru powietrza zbliżonym do jedności w znacznie większej objętości komory spalania niż w przypadku wtrysku realizowanego pojedynczym wtryskiwaczem (rys. 5.3). Czas od rozpoczęcia wtrysku,2 ms,3 ms,4 ms,5 ms,6 ms miejsce usytuowania świecy zapłonowej Rys Zmiany stopnia równoważności (odwrotność współczynnika nadmiaru powietrza) w czasie od rozpoczęcia wtrysku do osiągnięcia przez strugę okolic świecy zapłonowej podczas wtrysku kątowego dwoma wtryskiwaczami badania symulacyjne (parametry wtrysku: P wtr = 2 MPa; 2 t 1 =,5 ms; P b = 1 MPa; T b = 55 K) Analiza rozkładu masy rozpylonego paliwa z wykorzystaniem dwóch wtryskiwaczy pozwala na ocenę możliwości jego późniejszego spalania. Niewielka kumulacja masy paliwa wokół świecy zapłonowej podczas inicjowania zapłonu (czas między,7 ms i 1, ms na rys. 5.31) pozwala na uzyskanie odpowiedniej zapalności mieszanki, a następnie możliwy jest jej rozwój w głąb komory spalania (obszary o większej intensywności kolorów wskazują na zwiększenie masy w danym obszarze). Dzięki temu możliwe jest przyspieszenie procesu spalania, ze względu na to, że w komorze spalania istnieją obszary, które zawierają zapalną mieszankę. Wtrysk kątowo umieszczonymi wtryskiwaczami pozwala na wykorzystanie znacznie t [ms],7,8,9 1, Rozkład współczynnika widok strugi i miejsca wykonania przekroju Rys Wpływ wtrysku kątowego dwoma wtryskiwaczami na rozwój strugi i na zmiany energii kinetycznej turbulencji badania symulacyjne (parametry wtrysku: P wtr = 2 MPa; 2 t 1 =,5 ms; P b = 1 MPa; T b = 55 K)

57 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 57 większego obszaru komory spalania do odpowiedniego rozpylenia paliwa i uzyskania jego atomizacji. Dane zawarte w sposób jakościowy na rys wskazują na zmienny sposób ukształtowania ładunku w cylindrze. Takie rozłożenie ładunku nie jest możliwe przy wykorzystaniu tradycyjnego sposobu wtrysku benzyny. t =,5 ms 1, ms 1,5 ms 2, ms 2,5 ms 3, ms Rys Wpływ wtrysku kątowego dwoma wtryskiwaczami na rozkład masy w strugach wtryskiwanego paliwa badania symulacyjne (parametry wtrysku: P wtr = 2 MPa; 2 t 1 =,5 ms; P b = 1 MPa; T b = 55 K) Przedstawiona koncepcja wtrysku paliwa pozwala na realizację spalania ładunku uwarstwionego, które to uwarstwienie nie jest skupione w jednym obszarze komory spalania (5.33). Powyższe badania wykonano bez wymuszenia zawirowania ładunku w cylindrze. Zwiększenie turbulencji ładunku w komorze spalania pozwala na uzyskanie ładunku zbliżonego do homogenicznego pomimo wtrysku realizowanego w koncepcji uwarstwionej. Może to stanowić kolejną próbę sterowania procesem wtrysku i spalania w silniku o zapłonie iskrowym. Rys Jakościowy rozkład masy w cylindrze w wyniku stosowania wtrysku kątowego (parametry wtrysku: P wtr = 2 MPa; 2 t 1 =,5 ms; P b = 1 MPa; T b = 55 K) Realizacja wtrysku paliwa dwoma wtryskiwaczami powoduje znaczne korzyści w rozpyleniu paliwa i geometrii strug. Możliwe jest uzyskanie prawie dowolnie ukształtowanego rozkładu współczynnika nadmiaru powietrza w komorze spalania, a także jego masy. Zabiegi

58 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 58 takie prowadzą do wykorzystania powyższego rozwiązania do sterowania procesem wtrysku paliwa, a także w konsekwencji również sterowaniem jego spalaniem. Rozwiązania takie powinny przyczynić się do ograniczenia zużycia paliwa przez silniki ZI, a także do obniżenia emisji toksycznych składników spalin. Wtrysk wieloczęściowy dawki paliwa powoduje, że osiągane jest maksimum energii kinetycznej po około 1,2 1,7 ms od rozpoczęcia wtrysku. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że energia ta ma dużą wartość w czasie, gdy następuje interakcja obu strug paliwa. Badania symulacyjne pozwoliły na stwierdzenie, że wtrysk jednoczesny dwóch dawek paliwa prowadzi do uzyskania największej masy odparowanego paliwa po czasie t = 5 ms od rozpoczęcia wtrysku. Wtrysk wieloczęściowy ze względu na czasowe opóźnienie dwóch kolejnych dawek prowadzi do 2-procentowego ograniczenia masy odparowanego paliwa. Wtrysk jednoczesny całej dużej dawki paliwa uzyskuje najmniejszą wartość odparowanej masy. Jest ona mniejsza o 35% w stosunku do dawki podzielonej na trzy części Ocena powtarzalności wypływu paliwa z wtryskiwaczy piezoelektrycznych typu outward-opening Przedstawione wcześniej aspekty dotyczące zapalności mieszanki są ściśle powiązane z jakością jej tworzenia. Uzyskanie skutecznej zapalności mieszanki (dużego prawdopodobieństwa zapłonu) wymaga równomierności rozkładu strugi wtryskiwanego paliwa a także odpowiedniego jej rozpadu. Nierównomierność może być spowodowana głównie odchyłkami wykonawczymi wtryskiwacza (element nowy) lub jego nierównomiernym zużyciem (element eksploatowany). Ze względu na spodziewaną nierównomierność zasięgu strugi paliwa dokonano analizy identyfikacji kolejnych zasięgów strugi paliwa na podstawie badań optycznych. Badania takie są możliwe podczas analiz symulacyjnych, jednak prowadzone eksperymenty wskazują na pewne niedoskonałości badań optycznych. Przedstawione poniżej badania miały na celu uzyskanie odpowiedzi na temat równomierności zasięgu strugi paliwa podczas wysokociśnieniowego wtrysku benzyny z układu typu outward-opening. Równomierność tę określono na podstawie: a) promieniowego zasięgu strugi paliwa P uzyskiwanej z wtryskiwacza; badania te prowadzono dla pełnego kąta rozpylenia strugi z rozdzielczością co 2 stopnie; jako kryterium dopuszczalnej nierównomierności przyjęto wartość 5% współczynnika zmienności zasięgu promieniowego w odniesieniu do kołowego profilu takiego wypływu. b) promieniowego zasięgu uśrednionego z cykli pomiarowych; badania te prowadzono w zakresie do 1 ms; kryterium dopuszczalnej nierównomierności również ustalono na 5% zmienności od wartości średniej takiego zasięgu; c) promieniowej prędkości strugi V wtryskiwanego paliwa; wielkość tę określono pośrednio wykorzystując obliczony wcześniej zasięg podczas kolejno rejestrowanych obrazów oraz analizując czas kolejnych rejestracji; kryterium dopuszczalnej nierównomierności ustalono również na poziomie 5% zmienności CoV(V). Analizie poddano płaską ekspozycję zarejestrowanych obrazów. Filmowano promieniowy rozwój strugi wtryskiwanego paliwa, co oznacza usytuowanie kamery równolegle do osi wtryskiwacza. Takie wzajemnie równoległe umieszczenie wtryskiwacza i kamery, pozwala na uzyskanie największej ilości informacji o nierównomierności rozwoju promieniowego strugi paliwa. Przykładowe wyniki badań rozpylenia przy ciśnieniu wtrysku wynoszącym 2 MPa, przeciwciśnieniu w komorze badawczej 2 MPa oraz dwóch różnych czasach wtrysku przedstawiono na rys

59 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 59 Zmiana intensywności świecenia wskazuje na zmianę stężenia paliwa w strudze. Charakterystyczny, zbliżony do kwadratowego, kształt strugi paliwa wynika z konstrukcji wtryskiwacza, którą przedstawiono m.in. w publikacjach [5, 27]. t wtr =,3 ms t wtr =,7 ms Rys Rejestrowane obrazy rozpylenia paliwa przy ciśnieniu wtryskiwanego paliwa P wtr = 2 MPa, P b = = 2 MPa oraz czasie wtrysku: a),3 ms, b),7 ms W pracy [27] numerycznie określono prędkość wypływu paliwa z wtryskiwacza o zewnętrznym otwarciu iglicy. Obliczenia potwierdziły nie tylko wpływ kształtu otworu wtryskiwacza, ale także geometrii iglicy na przepływ strugi cieczy. Podobnie jak w bieżących badaniach uzyskano zbliżony do kwadratowego prostopadły przekrój strugi wtryskiwanego paliwa (zasięg promieniowy). Kształt ten jest wyraźnie obserwowany przy dłuższym czasie wtrysku i podczas długiego czasu rejestracji rozpylenia paliwa. Przedstawione powyżej zdjęcia były podstawą analizy zasięgu promieniowego strugi jako funkcji odpowiedniej wartości kąta pełnego. Analizy dokonano dla przyrostów kąta Δα = 2 o dla kolejnych analizowanych zasięgów strugi z odstępem czasowym,5 ms. Przykład takiego zasięgu przy dwóch różnych czasach wtrysku przedstawiono na rys Na rysunku tym przedstawiono 2 kolejnych zasięgów promieniowych strugi od,5 ms do 1, ms. Znaczne odchylenia od wartości średniej widoczne są przy czasie rozpylenia t =,35 ms oraz dalszym rozpyleniu strugi. Odchylenia te są większe przy większym czasie wtrysku pa-

60 CoV(P) [%] CoV(P) [%] 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 6 liwa. Jednakże zmiana kształtu strugi z okrągłego na kwadratowy następuje przy tym samym czasie rozpylenia t =,6 ms. t wtr =,3 ms zasięg [mm] numer próbki 5 µs 1 µs 15 µs 2 µs 25 µs 3 µs 35 µs 4 µs 45 µs 5 µs 55 µs 6 µs 65 µs 7 µs 75 µs 8 µs 85 µs 9 µs 95 µs 1 µs t wtr =,7 ms zasięg [mm] numer próbki 5 µs 1 µs 15 µs 2 µs 25 µs 3 µs 35 µs 4 µs 45 µs 5 µs 55 µs 6 µs 65 µs 7 µs 75 µs 8 µs 85 µs 9 µs 95 µs 1 µs Rys Analiza zasięgu strugi przy dwóch różnych czasach wtrysku z szybkością filmowania 2 khz Szczegółowa analiza wskaźnika nierównomierności zasięgu paliwa wskazuje na występowanie dużej wartości CoV(P) przy minimalnym czasie rozpylenia (t =,5 ms) rys. 5.36a. Przy czasie wtrysku t =,3 ms wartość CoV(P) wynosi wówczas od 7% do 1%. Podczas rozpylenia w zakresie czasów,1 do,2 ms wartość rozrzutów zmniejsza się do około 5%. Później następuje zwiększenie nierównomierności promieniowego zasięgu strugi, na co wskazuje zwiększająca się wartość współczynnika CoV(P). Uzyskuje on maksymalną wartość około 1% podczas czasu rozpylenia t = 1, ms. Analiza tej nierównomierności przy czasie wtrysku t wtr =,7 ms wskazuje na mniejsze odchylenia promieniowego zasięgu strugi rys. 5.36b. Mniejsze wartości tych rozrzutów obserwuje się jedynie w początkowym i środkowym stadium czasu rozpylenia. Wartość CoV(P) uzyskuje wartości poniżej 5% w zakresie czasu rozpylenia od t =,1 ms do,5 ms dla wybranych przebiegów. Jednak należy stwierdzić, że dla wszystkich analizowanych rozpyleń paliwa w zakresie czasu,1 do,4 ms wszystkie powtórzenia spełniły limit 5% nierównomierności wskaźnika CoV(P). a) b) t wtr t= wtr,3 =,3 ms ms t wtr t= inj,7 =.7ms ms CoV(P)=5% 3 8 CoV(P)=5% t [µs] t [µs] Rys Szczegółowe współczynniki zmienności zasięgu promieniowego odniesione do kolejnych czasów rozpylenia strugi paliwa: a) małej dawki t wtr =,3 ms; b) dużej dawki paliwa t wtr =,7 ms

61 zasięg [mm] zasięg [mm] 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 61 Z powyższego wynika, że podczas wtrysku małych dawek (t wtr =,3 ms) zasięg strugi jest równomierny jedynie do 2 s (CoV(P) < 5%) (rys. 5.37), natomiast podczas wtrysku dużych dawek (t wtr =,7 ms) zasięg promieniowy jest równomierny aż do t =,5 ms (CoV(P) < 5%). Oznacza to, że przy wykorzystaniu wtryskiwacza typu outward-opening wymagany jest zapłon w niewielkiej odległości czasowej podczas wtrysku małych dawek i może być wydłużony (prawie dwukrotnie) podczas wtrysku dużych dawek. Przedstawione czasy (t =,3 ms oraz t =,7 ms) gwarantują równomierność rozkładu zasięgu strugi paliwa, a tym samym mogą stanowić podstawę dużego prawdopodobieństwa zapłonu, gdyż zmiany promieniowego zasięgu są niewielkie. t wtr = t inj,3 =.3 ms ms CoV(P) [%] CoV(P)=5% 1 15 t wtr t inj =.7,7 ms ms Rys Średnie wartości nierównomierności rozkładu promieniowego od profilu kołowego strugi paliwa przy dwóch różnych dawkach wtryskiwanego paliwa W dalszym etapie prac analizowano wartości średnie wskaźników geometrycznych strugi wtryskiwanego paliwa: średniego zasięgu promieniowego oraz średniej wartości prędkości czoła strugi paliwa. Ocena wartości średnich wskaźników rozpylenia paliwa Ocenę równomierności średniego zasięgu promieniowego strugi paliwa prowadzono dla 2 kolejnych powtórzeń wtryskiwanego paliwa. Analizę prowadzono w zakresie czasu od,5 ms do,3 ms dla takich samych dawek paliwa jak poprzednio. Wartości zasięgu promieniowego przedstawiono na rys Największe zmiany zasięgu promieniowego strugi zaobserwowano podczas rozpoczęcia wtrysku. Wraz z upływem czasu wtrysku obserwowano zmniejszenie rozrzutów tego wskaźnika t [µs] t wtr =,3 ms µs µs 15 µs 2 µs 25 µs 3 µs t wtr =,7 ms µs µs 15 µs 2 µs 25 µs 3 µs numer próby [-] numer próby [-] Rys Wyniki badania zasięgu promieniowego 2 kolejnych dawek wtryskiwanego paliwa w zakresie czasu,5-,3 ms (dla dwóch wielkości dawek t wtr =,3 ms oraz t wtr =,7 ms)

62 Odległość min2 -max1 [mm] Odległość min2 -max1 [mm] 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 62 Analizę wyników zaprezentowanych na rysunku 5.39 wskazuje na istnienie znacznych wartości nierównomierności zasięgu promieniowego wynoszących około 2% podczas rozpoczęcia wtrysku (niezależnie od wielkości dawki). Pełna analiza nierównomierności zasięgu promieniowego wskazuje na istnienie krytycznego czasu, po którym wartości nierównomierności zasięgu promieniowego są mniejsze od 5%. Czas ten wynosi około,2 ms (rys. 5.4). Po tym czasie wartości rozrzutów osiągają poziom poniżej 5%, co stanowi wartość akceptowalną. Należy zauważyć, że uzyskany czas t =,2 ms, po którym nierównomierność zasięgu osiąga wartość poniżej 5% nie zależy od czasu wtrysku a więc od wielkości dawki paliwa Krytyczne rozrzuty zasięgu po rozpoczęciu wtrysku o wartości CoV(P) > 5% t wtr =,3 ms 25 2 Krytyczne rozrzuty zasięgu po rozpoczęciu wtrysku o wartości CoV(P) > 5% t wtr =,7 ms P [mm], CoV(P) [%] Zasięg strugi paliwa obszar akceptowalnych wartości CoV(P) < 5% P [mm], CoV(P) [%] Zasięg strugi paliwa obszar akceptowalnych wartości CoV(P) < 5% czas od rozpoczęcia wtrysku [ µs] czas od rozpoczęcia wtrysku [ µs] Rys Analiza nierównomierności średniego zasięgu promieniowego wtryskiwanego paliwa przy różnych czasach wtrysku paliwa Optyczna analiza wskaźników geometrycznych strugi paliwa jest możliwa gdy na podstawie kolejnych obrazów w sposób jednoznaczny jest możliwe określenie zasięgu strugi. Zasięg ten zależy od wielu czynników z których najważniejszymi są ciśnienie paliwa oraz gęstość ośrodka do którego następuje wtrysk. Gęstość ta jest ściśle związana z przeciwciśnieniem tego ośrodka. W przedstawionych badaniach stosunek ciśnienia paliwa do przeciwciśnienia ośrodka wynosił 1:1. Przy tak ustalonych wartościach dokonano analizy jednoznacznego określenia zasięgu strugi paliwa. Badania takie są możliwe jeśli struga penetruje w głąb analizowanej przestrzeni, a nie występuje zwiększone zawirowanie czoła strugi. Przeprowadzona analiza wskazuje, że przy stosowaniu mniejszych dawek (t wtr =,3 ms) struga penetruje w głąb komory w zakresie do około,4 ms. Po tym czasie następuje zwiększenie intensywności promieniowej strugi co nie pozwala jednoznacznie na określenie jej zwiększonego zasięgu. Stosowanie większych wartości czasów wtrysku (większej dawki) zwiększa ten czas do,5 ms.,4,2, Brak jednoznacznego określenia zasięgu strugi,4,2, Brak jednoznacznego określenia zasięgu strugi -,2 -,4 -,6 -,8-1, Kolejny zasięg większy od poprzedniego t wtr =,3 ms -,2 -,4 -,6 -,8-1, Kolejny zasięg większy od poprzedniego t wtr =,7 ms przedział czasu [ µm] przedział czasu [ µm] Rys Analiza możliwości określenia zasięgu strugi na podstawie analiz optycznych Potwierdzeniem tych analiz jest m.in. praca [82], w której Autorzy wykorzystując metodę Mie, wskazali kierunki ruchu rozpylonego paliwa. W początkowej fazie wtrysku powietrze jest wypierane przez rozpylane paliwo. Ze względu na dużą względną gęstość powietrza pod wpływem sił oporu działających na rozpylane paliwo powstaje wir kierujący strugę pali-

63 V [m/s] 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 63 wa na zewnątrz. Ponieważ struga ma kształt pustego stożka, powietrze jest z niego porywane do góry, co wykazano również w pracach [78, 88]. Następnie w połączeniu z siłami oporu powietrza powstaje drugi wir obrotowy (typu vortex). Wiry te, zależne od przeciwciśnienia, skutecznie redukują penetrację rozpylanej cieczy. Uzupełnieniem powyższych badań mogą być prace Kima i in. [47], w których wyznaczano prędkość zawirowania ładunku podczas wtrysku strugi paliwa. Badania wykonano przy ciśnieniu wtrysku 2 MPa do komory o stałej objętości. Z rozkładu pola prędkości wynika, że prędkość strugi paliwa nie jest większa niż 5 m/s (po czasie wtrysku t =,5 ms). Strefa recyrkulacji powstaje w dolnej części strugi, gdzie dominującą rolę odgrywa zawirowanie ładunku. Wypływające z wnętrza pustego stożka powietrze powoduje porywanie ładunku do góry na zewnątrz w kierunku wtryskiwacza. Ocena średnich wartości prędkości strugi paliwa Prędkość wypływu paliwa w okolicy iglicy wtryskiwacza wynosi od około 15 m/s (na podstawie badań [98, 99]) do 2 m/s [47] w zależności od ciśnienia wtryskiwanego paliwa i przeciwciśnienia ośrodka. Prędkość ruchu powietrza powodująca zawirowanie rozpylonej strugi (końca jej stożka) wynosi około 5 1 m/s. W badaniach statycznych (bez ruchu ładunku) przy wykorzystaniu komory stałej objętości wykonano badania tej prędkości uwzględniając określony czas po rozpoczęciu wtrysku paliwa. Wyniki badań są skorelowane z zasięgiem strugi gdyż prędkość strugi określono na podstawie różnicy zasięgu odniesionego do czasu filmowania. Z wartości zawartych na rysunku 5.41 wynika, że największą prędkość uzyskuje struga po rozpoczęciu wypływu paliwa z rozpylacza. Wartość uzyskanej prędkości waha się od 45 do 75 m/s. Wraz z rozwojem strugi prędkość nie zmniejsza się. Charakterystyczne jest to, że gwałtownie zmniejsza się również nierównomierność tej prędkości. Już po,1 ms od rozpoczęcia wtrysku prędkość strugi jest zmienna w niewielkim zakresie. Analiza zawarta na rys wskazuje na występowanie znacznych nierównomierności prędkości w początkowej fazie wtrysku paliwa. W zakresie do,7 ms wartości nierównomierności oscylują w przedziale około 5%. Mimo, że prędkość strugi maleje to nierównomierność prędkości w końcowym zakresie pomiarowym zwiększa się. Wynika to z faktu większej penetracji promieniowej paliwa i mniejszej możliwości określania zasięgu (oraz prędkości strugi). t wtr =,3 ms µs µs 7 15 µs µs 4 25 µs µs t wtr =,7 ms µs µs 7 15 µs µs 4 25 µs µs V [m/s] numer próby [-] numer próby [-] Rys Zmiana prędkości strugi paliwa przy dwóch wielkościach czasu wtrysku dla 2 kolejnych powtórzeń

64 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy V [m/s], CoV(V) [%] Prędkośc strugi paliwa t wtr =,3 ms obszar akceptowalnych wartości CoV(V) < 5% V [m/s], CoV(V) [%] Zasięg [mm] Zasięg [mm] Prędkośc strugi paliwa t wtr =,7 ms obszar akceptowalnych wartości CoV(V) < 5% czas od rozpoczęcia wtrysku [µs] czas od rozpoczęcia wtrysku [µs] Rys Analiza prędkości strugi paliwa oraz jej nierównomierności przy dwóch dawkach wtryskiwanego paliwa (t wtr =,3 ms oraz t wtr =,7 ms) Jak wynika z przedstawionych badań dotyczących zasięgu strugi największe nierównomierności pojawiają się podczas rozpoczęcia wtrysku paliwa. Z tego względu w dalszej części pracy dokonano analiz szczegółowych tego fragmentu wtrysku paliwa z wtryskiwacza. Ocena warunków rozpoczęcia wtrysku paliwa Oceny tej dokonano podczas czasu wtrysku t =,5 ms po jego rozpoczęciu. Analizowano zasięg strugi podczas 2 kolejnych dawek wtryskiwanego paliwa. Wyniki tych analiz przedstawiono na rys Wynika z niego, że maksymalna zmiana między uzyskanymi zasięgami może wynosić od 2,2 mm do 4,1 mm przy czasie wtrysku t =,3 ms. Podczas zwiększonej dawki wtryskiwanego paliwa początkowy średni zasięg po czasie t =,5 ms wynosi również 3 mm. 4,5 4, 3,5 t = 5 µs po rozpoczęciu wtrysku kolejny średni 4,5 4, 3,5 kolejny średni t = 5 µs po rozpoczęciu wtrysku 3, 3, 2,5 2,5 2, 2, 1,5 1,5 1,,5 t wtr =,3 ms 1,,5 t wtr =,7 ms, numer pomiaru [-], numer pomiaru [-] Rys Chwilowa i średnia wartość zasięgu strugi paliwa podczas rozpoczęcia wtrysku podczas wykonania 2 kolejnych pomiarów Większość prac przedstawiających wskaźniki strugi paliwa z wtryskiwaczy outward- -opening bazuje na wyznaczeniu tych wielkości na podstawie jednej płaszczyzny filmowania [58]. Analizę zasięgu linowego i promieniowego benzyny z drugiej generacji systemów wtrysku benzyny przedstawili Zigan i in. [11]. Dokonując badań w dwóch płaszczyznach wtrysku paliwa przedstawiono zasięg promieniowy również przy uwzględnieniu szerokości strugi paliwa (na podstawie płaszczyzny równoległej do osi strugi). Szczegółowa analiza promieniowa takiego zasięgu została przedstawiona na rysunku Wynika z niego dość znaczne zróżnicowanie zasięgu nawet podczas jednego wtrysku paliwa. Na podstawie tak dużego zróżnicowania zasięgu strugi nie jest możliwe zbyt bliskie umieszczenie wtryskiwacza i świecy zapłonowej. Nie ma pewności, że struga paliwa w krótkim czasie dotrze do określonego miejsca w przestrzeni w celu zapewnienia zapalności mieszanki.

65 5. Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy 65 t = 5 µs po rozpoczęciu wtrysku t wtr =,3 ms zasięg [mm] 5, numer 1 4,5 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, próbki t = 5 µs po rozpoczęciu wtrysku t wtr =,7 ms zasięg [mm] 4,5 numer 1 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 próbki ,,5, Rys Analiza promieniowego zasięgu strugi paliwa po czasie t =,5 ms przy dwóch czasach wtrysku paliwa (t wtr =,3 ms oraz t wtr =,7 ms) Przedstawiona analiza dotycząca nierównomierności zasięgu strugi oraz nierównomierności jej prędkości pozwala na określenie kilku wniosków: 1. Wtrysk paliwa z wtryskiwaczy typu outward-opening cechuje duża powtarzalność zasięgu promieniowego (odchylenia od profilu kołowego): w zakresie czasu t =,1 do,5 ms podczas wtrysku małych dawek, oraz w zakresie czasu t =,1 do,2 ms dla dużych dawek wtryskiwanego paliwa (bazując na rys. 5.36). Oznacza to, że podczas wtrysku małych dawek konieczne jest skrócenie czasu wystąpienia zapłonu po rozpoczęciu wtrysku. Wtrysk dużych dawek przy stosunku ciśnień paliwo/powietrze równym 1:1 wskazuje na zwiększenie tej równomierności (której wartość krytyczną oceniono na 5%). 2. Ocena średniego zasięgu promieniowego (bazując na rys. 5.37) wskazuje na istnienie czasu po którym wartość nierównomierności tego zasięgu spada poniżej 5%. Czas ten niezależnie od wielkości dawki wtryskiwanego paliwa określono na około,2 ms. 3. Średnia wartość promieniowego zasięgu strugi paliwa od rozpoczęcia wtrysku jest identyfikowalna w zakresie czasu do,4 ms (bazując na rys. 5.38). Oznacza to, że przy przeciwciśnieniu zasięg promieniowy jest jednoznacznie zwiększany do wyznaczonej powyżej wielkości czasu. W kolejnych przedziałach czasu brak jest możliwości jednoznacznego określenia zasięgu, co może wynikać z dużej szybkości parowania paliwa benzynowego jak również z początku zawirowania wywołanego powietrznym stożkiem wewnątrz takiego rozpylanej cieczy. 4. Ze względu na dużą początkową prędkość strugi paliwa (w czasie do t =,5 ms) i brak jednoznacznego określenia tej prędkości nie jest możliwe uzyskanie dużej skuteczności zapłonu w tak krótkim czasie po rozpoczęciu wtrysku. Duża nierównomierność wyznaczania prędkości strugi wynika z dużej nierównomierności uzyskiwanego zasięgu w takim czasie. Może ona również być spowodowana niejednakowym początkiem wypływu paliwa z wtryskiwacza. Może to oznaczać konieczność zwiększenia szybkości filmowania w celu określenia dokładnego początku wypływu paliwa z rozpylacza.

66 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 6.1. Charakterystyka i zakres podjętych badań spalania Badania procesu wtrysku i rozpylenia paliwa poparto analizą spalania tak przygotowanej mieszanki, której wyniki przedstawiono w poniższym rozdziale. Badania procesu spalania podzielono w zależności od sposobu tworzenia mieszanki oraz od wartości globalnego współczynnika nadmiaru powietrza. Z tego względu analizy spalania przedstawiono w oparciu o proces niepodzielonej dawki uzyskanej z jednego wtryskiwacza oraz z podziałem na dwie części (dwa wtryskiwacze) lub z wtryskiem sekwencyjnym podzielonym na trzy części (oba wtryskiwacze). W zależności od możliwości tworzenia ładunku o określonej wartości współczynnika nadmiaru powietrza uzyskano plan badań przedstawiony w tablicy 6.1. Tablica 6.1. Zakres badań procesu spalania współczynnik nadmiaru powietrza /dawka paliwa [mg] Podrozdział strategia [ms-mpa] ~1, ~1,2 ~1,5 ~2,2 ~3, ,3/,3/,3-2 1,16/58,5,3/,7/,3-2,82/83,4/,4-2 1,1/61,8,3/,3/,3-15 1,25/54,3/,3/,3-2 1,16/58,5,8-2 1,38/49,5,3/,3-2 1,75/39,3/,3/,3-1 1,52/45,6-1 2,4/28,5,3/,3/,3-5 2,17/31,5,3/,3-1 2,28/3,3/,3-15 1,9/36,3-15 3,8/18,3/,3-5 3,25/21 W tablicy zamieszczono tylko takie sekwencje (czasu ciśnienia wtrysku paliwa), które pozwalały na utworzenie mieszanki o określonym współczynniku nadmiaru powietrza. Ze względu na chęć wykorzystania w dużym stopniu czasów wtrysku paliwa, które analizowano w poprzednich rozdziałach, wartości różnią się między sobą (przypisane do tej samej grupy badawczej). Spalanie mieszanek zbliżonych do stechiometrycznych przy wykorzystaniu pojedynczego wtrysku paliwa wymagały bardzo długich czasów wtrysku i z tego powodu nie były analizowane. Przedstawione w tablicy 6.1 wartości współczynnika nadmiaru powietrza pozwoliły na sklasyfikowanie badań w kilku grupach: a) spalanie mieszanek o współczynniku nadmiaru powietrza zbliżonym do mieszanek stechiometrycznych, b) spalanie mieszanek ubogich ( 1,5), c) spalanie mieszanek bardzo ubogich ( 2,2 oraz 3,5).

67 P cyl [MPa] 2 MPa dq [J/ms] 2 MPa 15 MPa 15 MPa 2 MPa 2 MPa 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy Badania spalania mieszanek zbliżonych do stechiometrycznych Spalanie mieszanek o składzie zbliżonym do stechiometrycznego prowadzono dla mieszanek o wartości współczynnika nadmiaru powietrza = 1,2. Ze względu na założony jeden z celów cząstkowych pracy w postaci możliwości spalania mieszanek ubogich, nie rozpatrywano spalania mieszanek typowo stechiometrycznych. Ze względu na umieszczenie dwóch wtryskiwaczy w komorze spalania oczywistym jest, że możliwe będzie spalanie mieszanek o wartości = 1. Takich badań nie prowadzono (jedynie w kontekście porównania procesów świecących), skupiając się na spalaniu mieszanek ubogich. Badania procesu spalania mieszanek zbliżonych do stechiometrycznych prowadzono przy użyciu trzech strategii wtrysku paliwa z użyciem dwóch wtryskiwaczy: wtrysk jednoczesny oraz wtrysk sekwencyjny przy zróżnicowanych wartościach ciśnienia paliwa (rys. 6.1). Jak wynika z tablicy 6.1, wartości globalnego współczynnika nadmiaru powietrza nie były jednakowe lecz zbliżone do siebie. Przedstawione na rysunku 6.1a przebiegi ciśnienia paliwa wskazują na duże znaczenie wcześniejszego rozpylenia paliwa w komorze spalania. Strategia z jednoczesnym wtryskiem paliwa o najmniejszej wartości ( = 1,1), pozwala na uzyskanie najmniejszej wartości ciśnienia maksymalnego w cylindrze. Wartość ta wynosi 4,2 MPa. Duża koncentracja paliwa w okolicy świecy zapłonowej nie pozwala na pełne i szybkie odparowanie paliwa, co prowadzi do małej szybkości wywiązywania ciepła o wartości 68 J/ms (rys. 6.1b). Pozostałe dwie strategie różniące się między sobą jedynie ciśnieniem wtryskiwanego paliwa ( = 1,25 oraz = = 1,16) mają znacznie większe szybkości wywiązywania ciepła (odpowiednio 12 J/ms i 175 J/ms), co świadczy o lepszym przygotowaniu ładunku do spalania. Mimo, że zapłon mieszanki rozpoczyna się w tym samym punkcie na osi czasu, to pierwsza dawka wtryskiwanego paliwa z wyprzedzeniem o wartości 5 ms pozwala na jej odparowanie i zwiększenie całkowitej szybkości spalania. Wartości maksymalnego ciśnienia spalania są podobne i wynoszą około 5 MPa (o,3 MPa więcej przy zwiększonej wartości ciśnienia wtryskiwanego paliwa). Mimo większego współczynnika nadmiaru powietrza uzyskano korzystniejsze przebiegi ciśnienia podczas spalania). Dodatkowo, przy tej strategii, dawka wtryśnięta z jednego z wtryskiwaczy umieszczonych kątowo pozwala na uzyskanie znacznie większej penetracji komory spalania niż w przypadku klasycznego wtrysku typu spray-guided. Tradycyjny układ wtrysku typu spray-guided wymusza bliskie usytuowanie świecy zapłonowej i wtryskiwaczy. W omawianym systemie spalania takie wymagania nie muszą być spełnione. a) b) 6 5,4 ms 2 ms,4 ms,3/5/,3 ms 1,2 2 15,4 ms,4 ms 2 ms 1,2 4,3 ms 2 ms,3/5/,3 ms 1 2 ms,3/5/,3 ms 3,3 ms 2 ms 5,3 ms 2 ms t [ms] t [ms] Rys Przebieg ciśnienia w cylindrze (a) i szybkości wywiązywania ciepła (b) podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 1,2

68 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 68 Analiza rozwoju płomienia (rys. 6.2) wskazuje na małą szybkość jego rozwoju podczas jednoczesnego wtrysku dwoma wtryskiwaczami. W odniesieniu do wtrysku trzyczęściowego obserwuje się znaczne przyspieszenie tworzenia płomienia w początkowej fazie. Przy ciśnieniu wtrysku paliwa o wartości 2 MPa szybkość ta jest największa. Charakterystycznym zjawiskiem jest druga faza spalania (powstawania płomienia) podczas wtrysku trzyczęściowego przy ciśnieniu paliwa o wartości 15 MPa. Wynikać ono może z dotrysku paliwa wynikającego z częstotliwości drgań własnych iglicy wtryskiwacza. Zjawisko to zostało opisane dość szczegółowo w pracy [68]. Analizę rozwoju płomienia przedstawiono także w postaci obrazów uzyskanych podczas spalania. Trzy przypadki przedstawione na rys. 6.1 oraz 6.2 przedstawiono na rys Wtrysk dużej dawki paliwa (sekwencja ostatnia) o wartości ciśnienia paliwa 2 MPa charakteryzuje 1 8 1,2 2 MPa 15 MPa,4 ms,4 ms,3/5/,3 ms,3 ms 2 ms 2 ms A [%] 6 2 MPa,3/5/,3 ms,3 ms 2 ms t [ms] Rys Pole powierzchni płomienia podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 1,2 Rys Sekwencje obrazów (kolory odpowiadają liniom na rys. 6.2) procesu podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 1,2 (przesunięcia czasowe obrazów t = 2 ms, pierwsze zdjęcie dotyczy początku spalania proces świecący)

69 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 69 się dużą intensywnością procesu, co potwierdza znaczne możliwości kształtowania procesu spalania w proponowanym systemie wtrysku paliwa. Mimo dużej intensywności procesu płomień nie obejmuje całej komory spalania (w zakresie dostępu optycznego). Potwierdza to również przebieg obszaru płomienia, którego maksymalna wartość wynosi około 9% powierzchni przekroju komory spalania (dostępu optycznego) Wpływ sposobu wtrysku paliwa na spalanie mieszanek ubogich Spalanie mieszanek ubogich prowadzono przy współczynniku nadmiaru powietrza o wartości λ 1,5. Dokonano analizy wtrysku jednej dawki oraz jednoczesnego wtrysku dwoma wtryskiwaczami o skróconym czasie otwarcia wtryskiwacza (rys. 6.4a). Analiza przebiegu ciśnienia w cylindrze modelowego silnika wskazuje na podobny przebieg rozpoczęcia procesu; jednak spalanie pojedynczej dawki skutkuje 1-procentowym zwiększeniem maksymalnego ciśnienia w cylindrze (z 4 MPa przy wtrysku jednoczesnym do 4,3 MPa przy wtrysku pojedynczym). Od czasu t = 93 ms po rozpoczęciu sprężania zauważalne jest większe ciśnienie spalania dla wtrysku realizowanego dwoma wtryskiwaczami. Oznacza to, że podczas spalania mieszanki ubogiej proces jest wydłużony (o czym świadczy przebieg krzywej rozprężania rys. 6.4a). Maksymalna szybkość wywiązywania ciepła osiąga wartość o 13% mniejszą przy wtrysku jednoczesnym (wtrysk pojedynczy 98 J/ms, wtrysk jednoczesny 85 J/ms). Mimo niedużych różnic w przebiegu ciśnienia spalania zaobserwowano znaczne rozbieżności w obszarze płomienia. Przy spalaniu pojedynczej dawki obszar komory spalania objętej płomieniem jest dwukrotnie większy (odpowiednio 4% oraz 8% komory spalania). Obszar komory spalania objęty płomieniem jest zbliżony do analogicznego obszaru podczas spalania mieszanki o wartości = 1,2. Oznacza to podobny czas trwania procesów świecących podczas spalania paliwa w zakresie zmian = 1,2 1,5. a) b) MPa 2 MPa,8 ms,3 ms,3 ms 2 ms 2 ms 1, MPa 2 MPa,8 ms,3 ms,3 ms 2 ms 2 ms 1,5 P cyl [MPa] 3 dq [J/ms] t [ms] t [ms] Rys Przebieg ciśnienia w cylindrze (a) i szybkości wywiązywania ciepła (b) podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 1,5 Zróżnicowane wartości obszaru płomienia można również zaobserwować podczas analizy obrazów płomienia (rys. 6.6). Podczas spalania paliwa wtryśniętego jednocześnie dwoma wtryskiwaczami jego obszar rozpylenia jest większy, co skutkuje zmniejszoną intensywnością rejestrowanego płomienia (potwierdzają to dane przedstawione na rys. 6.5). Przy większej penetracji strugi cieczy nadmiar powietrza powoduje tylko lokalne występowanie mieszanki zapalnej, a przez to ograniczenie intensywności świecenia płomienia. Z tego powodu przebieg

70 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 7 spalania wynikający z wtrysku paliwa jest odmienny przy mieszance zbliżonej do stechiometrycznej i ubogiej ,5 2 MPa 2 MPa,8 ms,3 ms,3 ms 2 ms 2 ms A [%] t [ms] Rys Pole powierzchni płomienia podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 1,5 Rys Sekwencje obrazów (kolory odpowiadają liniom na rys. 6.5) procesu podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 1,5 (przesunięcia czasowe obrazów t = 2 ms, pierwsze zdjęcie dotyczy początku spalania proces świecący) 6.4. Rozkład temperatury płomienia podczas spalania paliwa Zastosowanie dwóch wtryskiwaczy w komorze spalania pozwala na użycie strategii wtrysku paliwa polegającej na sekwencyjnym i przemiennym podawaniu trzech dawek benzyny. W omawianych badaniach wykorzystano dwie strategie wtrysku o dwóch różnych wielkościach dawek całkowitych. Ich sposób podziału przedstawiono na rys wtryskiwacz 1 wtrysk,3 ms wtryskiwacz 1 wtrysk,3 ms wtryskiwacz 2 wtrysk,3 ms spalanie Rys Sekwencja procesu wtrysku i spalania z użyciem dwóch wtryskiwaczy przy ciśnieniu paliwa wynoszącym P wtr = 2 MPa (w drugiej strategii t wtr =,7 ms wtryskiwacz 2)

71 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 71 Cykl roboczy realizowano przy ciśnieniu końca sprężania o wartości 2, MPa, czyli w warunkach odpowiadających średnim obciążeniom doładowanego silnika spalinowego z wtryskiem bezpośrednim benzyny. W pierwszej strategii łączna dawka paliwa wynosiła 58,5 mg, a powstała mieszanka charakteryzowała się wartością współczynnika nadmiaru powietrza wynoszącą = 1,16. Przy drugiej strategii wtrysku uzyskano współczynnik nadmiaru powietrza =,82 przy łącznej dawce paliwa wynoszącej 83 mg. Na rysunku 6.8 przedstawiono charakterystyczne wielkości pracy maszyny pojedynczego cyklu przy zastosowaniu obu strategii wtrysku paliwa. Porównano przebiegi ciśnienia spalania w odniesieniu do czasu trwania procesu. Badania spalania przy obu strategiach wtrysku przeprowadzono przy takich samych warunkach początkowych. Sprężano powietrze pod ciśnieniem początkowym równym ciśnieniu otoczenia wynoszącym p o =,12 MPa. Stopień sprężania wynosił ε = 9,5. Przy stosowaniu obu strategii uzyskano zbliżony czas występowania początku spalania (start of combustion) SoC,88 s oraz czas występowania maksymalnego ciśnienia Pmax,92 s od początku sprężania. Przebiegi przykładowych cykli spalania przy obu strategiach wtrysku przedstawiono na rys Spalanie większej dawki powoduje o 66% większą wartość szybkości przyrostu ciśnienia, która wynosi dp/dt = 1,5 MPa/s. Dla większej dawki uzyskano także o 22% większe maksymalne ciśnienie spalania wynoszące P max = 6,12 MPa w stosunku do 5,4 MPa. Spalanie dużej dawki powoduje większe o 36% maksymalne wywiązywanie ciepła wynoszące 735 J w stosunku do 542 J (podczas spalania mniejszej dawki). W całym cyklu uzyskano o 37,5% większe wywiązanie ciepła podczas stosowania strategii z dłuższym otwarciem wtryskiwacza wynoszące 1448 J w stosunku do pierwszej strategii, w której wartość wywiązanego ciepła wyniosło 944 J. Uzyskano większą o 78% szybkość wywiązania ciepła dla większej dawki paliwa, której maksymalna wartość wyniosła dq 32 J/ms. a) b) h_ps_1 [mm] htł [mm],3/,7/,3 ms,3/,3/,3 ms Pcyl [MPa] P_cyl_1 [bar] dq [J/ms] Time t [ms] [ms] Time t [ms] [ms] 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, -,2 -,4 Q [kj] Rys Przebieg ciśnienia w cylindrze (a) i szybkości wywiązywania ciepła (b) podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 1,16 linia ciągła mała dawka (58,5 mg), przerywana linia duża dawka (83 mg, =,82) Pełną analizę zmian zarejestrowanej temperatury płomienia przedstawiono na rys Zakres temperatury płomienia przy obu strategiach wtrysku osiąga wartości do 3 K. Temperatura płomienia o największym udziale powierzchni mieści się w zakresie 16 2 K. Płomień o takim zakresie temperatury występuje także najdłużej podczas spalania przy obu strategiach wtrysku. Zastosowanie większej dawki spowodowało wystąpienie większego obszaru płomienia dla całego zakresu temperatury. Analiza czasu spalania na podstawie rozwoju płomienia wskazuje na dwukrotnie dłuższy proces podczas spalania większej dawki paliwa. Płomień o temperaturze powyżej 2 K występuje dość krótko (w środkowej części jego trwania) bez względu na całkowity czas spalania i zastosowaną dawkę paliwa. Analiza zakre-

72 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 72 sów temperatury płomienia nie w pełni pokrywa się z czasem występowania procesów świecących przedstawionych powyżej. Wynika to z faktu, że procesy świecące możliwe są do obserwacji, jednak analiza wartości temperatury za pomocą metody dwubarwowej jest ograniczona. Jak wynika z badań prezentowanych przez [36, 68, 96] zakres temperatury możliwej do analizy tą metodą wynosi od około 1 K. Z tego powodu czas występowania płomienia określony na podstawie badań optycznych jest dłuższy niż obliczony czas występowania określonych wartości temperatury na rys Podobne zmiany (nieścisłości) dotyczą obliczonej powierzchni płomienia oraz obliczonych powierzchni uwzględniających wartości temperatury płomienia. a) b) flame area [%] flame A [%] area [%] flame A [%] area [%] A [%] A [%] qo ~ 44 mg qo ~ 3 mg = = 1, =, t [ms] Rys Analiza rozkładu temperatury podczas spalania mieszanki ubogiej (a) i zbliżonej do stechiometrycznej (b) Szczegółowe wartości rozwoju płomienia o danych przedziałach temperatury przedstawiono na rys Podczas spalania obu typów mieszanek największą wartość obszaru płomienia uzyskano dla zakresu temperatury K. Drugim dominującym przedziałem temperatury jest zakres K. Oznacza to, że temperatura w zakresie 16 2 K jest ma największy udział podczas spalania mieszanek utworzonych w wyniku zaproponowanego schematu wtrysku paliwa. flame area [%] t [ms] a) b) 2 T = 14-2 K qo 3 mg = 1,16 16 = t [ms] T = 14-2 K qo 44 mg = =, t [ms] Rys Rozkład wybranych wartości temperatury płomienia podczas spalania mieszanek w systemie dwóch wtryskiwaczy: a) 1,16, b),82

73 P cyl [MPa] 15 MPa 1 MPa dq [J/ms] 15 MPa 1 MPa 5 MPa 5 MPa 1 MPa 1 MPa 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy Badania spalania mieszanek bardzo ubogich tworzonych z użyciem dwóch wtryskiwaczy benzyny Wpływ sposobu wtrysku paliwa na spalanie mieszanki o = 2,2 Badanie spalania mieszanek bardzo ubogich prowadzono dla dwóch wartości współczynnika nadmiaru powietrza: = 2,2 oraz = 3,5. W pierwszym przypadku wykorzystano cztery strategie wtrysku paliwa o zróżnicowanych wartościach ciśnienia wtryskiwanego paliwa (rys. 6.11a. Przebieg procesu wskazuje na największe wartości ciśnienia spalania (P max = 3,8 MPa). uzyskane podczas jednoczesnego wtrysku dwoma wtryskiwaczami dawek o wartości t =,3 ms i ciśnieniu wtrysku P wtr = 15 MPa. Najmniejsze wartości maksymalnego ciśnienia spalania uzyskano podczas spalania pojedynczej dawki paliwa (3,2 MPa) wartości te są mniejsze o 15% od maksymalnych. Przebieg ciśnienia spalania odpowiada zmianom szybkości wywiązywania ciepła (rys. 6.11b), która przy spalaniu pojedynczej dawki wynosi 3 J/ms, natomiast podczas spalania paliwa wtryskiwanego przy dużym ciśnieniu wartość ta jest większa o 66%. Pomimo dużego zubożenia mieszanki proces spalania prowadzony jest w sposób umożliwiający obserwację płomienia o dużej powierzchni (rys. 6.12). Maksymalne wartości przekraczają 8% powierzchni komory spalania, natomiast minimalne są o ponad 5% mniejsze. Szybkości zwiększania powierzchni płomienia podczas spalania mieszanek bardzo ubogich są zbliżone do siebie (rys. 6.12), jednak wyniki te nie są bezpośrednio potwierdzone przez szybkość wywiązywania ciepła, która jest zróżnicowana. Przedstawione powyżej zróżnicowania szybkości wywiązywania ciepła oraz powierzchni płomienia pozwalają stwierdzić że konieczne jest oprócz badań procesów szybkozmiennych również prowadzenie badań optycznych procesu spalania. Są one nie tyle potwierdzeniem badań poprzednich ile ich uzupełnieniem. Jednocześnie pozwalają one na zwiększenie danych ilościowych podczas analizy procesu spalania. Analiza powierzchni płomienia potwierdzona jest przez analizę obrazów wskazującą na sposób spalania. Wtrysk pojedynczej dawki paliwa skutkuje dużą intensywnością świecenia (wynikająca z dużej koncentracji paliwa w pobliżu świecy zapłonowej) rys Jednocześnie wtrysk podzielonej dawki paliwa o ciśnieniu 15 MPa, skutkował największym przyrostem ciśnienia w cylindrze, dużą szybkością wywiązywania ciepła ale mniejszą intensywnością, szybko zanikającego procesu spalania. a) b) ,6 ms 2 ms,3/5/,3 ms,3 ms 2 ms,3 ms,3 ms 2 ms,3 ms,3 ms 2 ms 2, ,6 ms 2 ms,3/5/,3 ms,3 ms 2 ms,3 ms,3 ms 2 ms,3 ms,3 ms 2 ms 2, t [ms] t [ms] Rys Przebieg ciśnienia w cylindrze (a) i szybkości wywiązywania ciepła (b) podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 2,2

74 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy ,2 1 MPa 5 MPa,6 ms 2 ms,3/5/,3 ms,3 ms 2 ms A [%] 6 1 MPa,3 ms,3 ms 2 ms 4 15 MPa,3 ms,3 ms 2 ms t [ms] Rys Pole powierzchni płomienia podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 2,2 Rys Wybrane sekwencje obrazów (kolory odpowiadają liniom na rys. 6.12) procesu podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 2,2 (przesunięcia czasowe obrazów t = 1 ms, pierwsze zdjęcie dotyczy początku spalania proces świecący) Wpływ sposobu wtrysku paliwa na spalanie mieszanki o = 3,5 Analizę procesu spalania prowadzono również wtryskując najmniejszą dawkę paliwa (q = = 18 mg) przy ciśnieniu 15 MPa. Wynikało to z chęci uzyskania podobnej wartości dawki paliwa przy jednoczesnym wtrysku paliwa dwoma wtryskiwaczami przy ciśnieniu paliwa 5 MPa. Łączna dawka paliwa wynosiła wówczas 21 mg. Współczynnik nadmiaru powietrza wynosił odpowiednio 3,8 oraz 3,25. Ze względu na zróżnicowaną dawkę paliwa uzyskano odmienne wartości ciśnienia w cylindrze. Jednak przy zachowaniu ogólnych warunków mieszanki bardzo ubogiej stwierdzono znacznie większy przyrost ciśnienia w cylindrze podczas podziału dawki wtryskiwanego paliwa o ponad 11% (rys. 6.14a). Odnotowano także ponad dwukrotnie większą wartość szybkości wywiązywania ciepła wynoszącą 28 J/ms (przy 8,5 J/ms podczas braku podziału dawki paliwa). Wtrysk pojedynczej dawki paliwa skutkuje bardzo małą powierzchnią (rys. 6.15) i jednocześnie małą intensywnością płomienia, co zarejestrowano na obrazach przedstawionych na rys Podczas spalania dawki paliwa wtryskiwanej dwoma wtryskiwaczami uzyskuje się skrócenie procesu spalania (w za kresie promieniowania widzialnego) oraz nieznacznie większą intensywność procesów świecących.

75 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 75 a) b) MPa 15 MPa,3 ms,3 ms,3 ms 2 ms 2 ms 3, MPa 5 MPa,3 ms,3 ms,3 ms 2 ms 2 ms 3,5 P cyl [MPa] 3 dq [J/ms] t [ms] t [ms] Rys Przebieg ciśnienia w cylindrze i szybkości wywiązywania ciepła podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 3, ,5 15 MPa 5 MPa,3 ms,3 ms,3 ms 2 ms 2 ms A [%] t [ms] Rys Pole powierzchni płomienia podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 3,5 Rys Sekwencje obrazów (kolory odpowiadają liniom na rys. 6.15) procesu podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 3,5 (przesunięcia czasowe obrazów t = 1 ms, pierwsze zdjęcie dotyczy początku spalania proces świecący)

76 P cyl [MPa] 1 MPa 1 MPa 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 76 Przytoczone sekwencje procesu wtrysku paliwa pozwalają na sterowanie procesem spalania również w zakresie mieszanek bardzo ubogich. Większą dowolność w tym sterowaniu wykazuje system z dwoma wtryskiwaczami umieszczonymi w komorze spalania Badania spalania mieszanek o różnych konfiguracjach wtrysku paliwa Kolejną częścią badań było zróżnicowanie sposobu wtrysku podzielonej dawki paliwa. Analizy tej dokonano przy założeniu, że wtrysk takiej samej dawki następuje jednym lub dwoma wtryskiwaczami. Spalanie mieszanek bardzo ubogich ( = 2,2) tworzonych przez wtrysk podzielonej dawki jednym wtryskiwaczem skutkuje mniejszymi wartościami ciśnienia w cylindrze. Wynika to z faktu, że dawka paliwa jest wtryskiwana w ten sam obszar komory spalania, co nie prowadzi do zwiększenia intensywności jego odparowania (rys. 6.17a). a) b) MPa 1 MPa,3/,7/,3 ms ms 2 ms,3/,2 ms,3 ms 2 ms 2, MPa 1 MPa,3/,7/,3 ms ms,3/,2 ms,3 ms 2 ms 2 ms 2,2 P cyl [MPa] 3 dq [J/ms] t [ms] t [ms] Rys Przebieg ciśnienia w cylindrze i szybkości wywiązywania ciepła podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 2,2 podczas rożnej strategii wtrysku 1 8 2,2,3/,6/,3 ms ms 2 ms,3/,1 ms,3 ms 2 ms t [ms] Rys Pole powierzchni płomienia podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 2,2 Wtrysk tej samej dawki przez dwa wtryskiwacze pozwala na zwiększenie obszaru komory spalania objętego wtryskiem paliwa, co sprzyja intensywności parowania a jednocześnie pozwala na uzyskanie korzystnych efektów w postaci zwiększonego przyrostu ciśnienia w cy-

77 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 77 lindrze. Analiza szybkości wywiązywania ciepła wskazuje na większą intensywność procesu podczas wtrysku jednym wtryskiwaczem, co jest wynikiem zwiększonej koncentracji paliwa podczas zapłonu. Jednak szybkość ta jest większa tylko w początkowym stadium rozwoju płomienia (rys. 6.18). W konsekwencji czas trwania procesów świecących jest podobny w obu strategiach bardzo krótki, co obrazują dane przedstawione na rys Rys Sekwencje obrazów (kolory odpowiadają liniom na rys. 6.18) procesu podczas spalania ładunku ze współczynnikiem nadmiaru powietrza 2,2 (przesunięcia czasowe obrazów t = 1 ms, pierwsze zdjęcie dotyczy początku spalania proces świecący) 6.7. Powtarzalność badań procesu spalania w maszynie pojedynczego cyklu Problem powtarzalności badań w MPC Badania procesów spalania z wykorzystaniem maszyn pojedynczego cyklu prowadzi się głównie w celu uzyskania informacji o procesie wywiązywania ciepła (badania indykatorowe) lub informacji o lokalnych wartościach parametrów tych procesów (badania optyczne). Informacje takie mają istotną wartość poznawczą jeżeli pochodzą z analizy procesów, które mogą zostać uznane za reprezentatywne dla określonych wskaźników obciążenia i szybkobieżności silnika. Informacje dotyczące powtarzalności procesów świecących na MPC są nieliczne. Badania procesu spalania CNG prowadzone przez Huanga [39] na podstawie analiz 5 kolejnych cykli pracy MPC wskazują na zadowalającą powtarzalność badań indykatorowych, w których uzyskano współczynnik zmienności dla czasu wystąpienia maksymalnego ciśnienia spalania 8%, czasu trwania spalania 7% oraz czasu zakończenia spalania 12%. Mniejsze wartości zmienności, czyli ich większej powtarzalności, uzyskano dla wskaźników termodynamicznych: wartości maksymalnego ciśnienia oraz maksymalnej szybkości przyrostu ciśnienia 3%. Badania emisji spalin wskazują na występowanie dużego zróżnicowania wyników, gdyż współczynnik zmienności wynosi tutaj około 12% (pomiary emisji CO) oraz 1% podczas pomiarów emisji NO x. Jest to jednak zrozumiałe ze względu na konieczność oceny emisji w bardzo małej masie spalin pochodzących z jednego cyklu roboczego, a nie z ciągłego ich przepływu przy ciągłej pracy silnika. Badania procesu spalania prowadzone na MPC opisywane szeroko w literaturze nie podejmowały analiz dotyczących powtarzalności rejestrowanych procesów. Odnosi się to zarówno do badań spalania lekkich paliw węglowodorowych [17, 66, 68], jak i oleju napędowego [18, 75]. Analizę powtarzalności narastania ciśnienia podczas sprężania azotu w MPC zawarł Liu w pracy [51], jednak nie przedstawił oceny ilościowej tej powtarzalności. Badania optyczne prowadzone na maszynie pełnego cyklu pracy silnika (sprężania i rozprężania) prowadzone przez Parka [63] z wykorzystaniem oleju napędowego także nie zawierają oceny powtarzalności procesów optycznych.

78 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 78 Monteiro [59] badając spalanie gazu syntetycznego skojarzył obserwacje optyczne z wykresem indykatorowym MPC, jednak w swej pracy on także nie wspomina o prowadzeniu analizy powtarzalności badań optycznych. Ze względu na to, że przeprowadzone studium literatury wykazało brak pełnych ocen i analiz powtarzalności badań indykatorowych i optycznych prowadzonych na MPC, w kolejnych podrozdziałach przedstawiono analizę tego zagadnienia Ocena powtarzalności badań indykatorowych Zarówno prace rozwojowe, jak i badawcze oprócz rozpowszechnionych w ostatnich latach licznych metod symulacyjnych, wciąż stanowią znaczące podłoże poznawcze. Jest to związane z eksperymentalnymi badaniami przy wykorzystaniu silników badawczych wielo- lub jednocylindrowych oraz maszyn pojedynczego cyklu spalania Te ostatnie umożliwiają prowadzenie badań optycznych zarówno rozpylenia paliwa, jak i spalania, w pojedynczym cyklu pracy maszyny cieplnej. Maszyny takie ze względu na znaczne możliwości badawcze są obecnie szeroko stosowane do analizy procesu wtrysku i spalania, ponieważ pozwalają ograniczyć koszty i zwiększyć intensywność badań w porównaniu z badaniami, w których wykorzystuje się silniki transparentne. Ze względu na cykliczną charakterystykę pracy silników spalinowych poszczególne cykle pracy różnią się w niewielkim stopniu. Stopień powtarzalności procesu spalania przy użyciu MPC nie jest rozpoznany. Niniejsze badania stanowią syntetyczny opis niepowtarzalności pracy MPC wyrażający się przedstawieniem rozrzutów głównych wskaźników procesu spalania. Prowadzenie badań z użyciem maszyny pojedynczego cyklu prowadzi się z myślą o adaptacji otrzymanych wyników do silników spalinowych, dlatego kryteria równomierności pracy silnika spalinowego są także kryteriami dla takiej maszyny [3, 36]. Przyjmuje się, że równomierna praca silnika spalinowego występuje przy współczynniku zmienności średniego ciśnienia indykowanego (lub użytecznego) CoV(p i ) poniżej 5%. Ocenę równomierności pracy maszyny pojedynczego cyklu wykonano na podstawie analizy ciśnienia w cylindrze z dziesięciu cykli pomiarowych (rys. 6.2). Na podstawie współczynnika zmienności określono nierównomierność uzyskiwania wskaźników pracy MPC w postaci: maksymalnego ciśnienia spalania P max, kąta maksymalnego ciśnienia spalania Pmax, średniego ciśnienia indykowanego (p i ), termodynamicznego początku spalania AI5 (określanego na podstawie kąta 5-procentowego progu wywiązywania ciepła) oraz końca spalania AI9 (określanego jako kąt 9-procentowej wartości maksymalnego wywiązywania ciepła). Pcyl [MPa] ,3/,7/,3 ms Pwtr = 2 MPa qo = 83 mg h Vcyl Pcyl t [ms] Rys Wyniki pomiarów ciśnienia spalania, drogi tłoka i objętości cylindra dla 1 kolejnych cykli pracy MPC h [mm] Vcyl [cm3]

79 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 79 Ocenę wskaźników pracy maszyny prowadzono przy strategii wtrysku paliwa określanej jako,3/,7/,3 przy ciśnieniu 2 MPa z wykorzystaniem dwóch wtryskiwaczy (spalanie mieszanki o wartości współczynnika nadmiaru powietrza =,82). Z rysunku 6.2 można zaobserwować dużą jakościowo powtarzalność przebiegu ciśnienia w komorze spalania. Do oceny powtarzalności wykorzystano współczynnik zmienności CoV danej wielkości Wynik jest procentową wartością miary zróżnicowania rozkładu cechy. Nierównomierność pracy MPC można scharakteryzować kilkoma wielkościami, do których należy m. in. wartość maksymalnego ciśnienia spalania. Na rysunku 6.21 przedstawiono różnicę między osiągniętymi ciśnieniami spalania w komorze MPC. Przebieg wartości maksymalnego ciśnienia otrzymano na poziomie powyżej 61 bar natomiast najmniejsza maksymalna wartość zarejestrowanego ciśnienia wynosiła 57,5 bar. Różnica na poziomie około 4 bar pozwoliła na osiągniecie współczynnika CoV(P max ) równego 2,15%. Pcyl [MPa] Pcyl [MPa] 6.8 Pcyl_max 6.4 Pcyl_śr 6. Pcyl_min t [ms] t [ms] Rys Analiza ciśnienia spalania dla wybranych cykli pracy maszyny [16] Do analizy wybrano 1 kolejnych cykli pracy, dla których rozrzut analizowanych wartości został przedstawiony na rysunku Pmax [bar] Pmax 3. pi [bar] pi Q9 Q Cykle [-] Q5, Q9 [J] Rys Rozrzut analizowanych wartości w MPC

80 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 8 4 bar Pmax [bar] 4 Q5 [J] J 4 Q9 [J] J Liczba prób [-] 2 Liczba prób [-] 2 Liczba prób [-] , 58,4 58,8 59,2 59,6 6, 6,4 6,8 61,2 61, Rys Ocena przedziałów zmienności charakterystycznych wielkości pracy maszyny pojedynczego cyklu Kolejnym etapem oceny było oszacowanie powtarzalności średniego ciśnienia indykowanego oraz ilość wywiązanego ciepła i szybkość jego wywiązywania. Na rysunku 6.24 przedstawiono analizę wywiązywania ciepła. Zaznaczono obwiednie zewnętrzne obejmujące obszar, w którym wystąpiły zmiany wywiązywania ciepła oznaczone jako Qmax i Qmin oraz zmiany szybkości wywiązywania ciepła dqmax i dqmin. W ten sposób przebieg wywiązywania ciepła oprócz wartości maksymalnych jakie uzyskano podczas poszczególnego cyklu badawczego przedstawiono także przy pomocy różnicy Q = Qmax Qmin, które graficznie przedstawiono na rysunku dq [J/ms] dqmax Qmax Qmin dqmin t [ms] Q [kj] Rys Przebieg i prędkość wywiązywania ciepła dla 1 cykli pomiarowych Największe różnice osiągnięte zostały w przedziale od 88,8 do 9 ms pomiaru czasu trwania cyklu spalania. Wyznaczone wartości CoV(Q5) oraz CoV(Q9) na poziome odpowiednio 3,53% i 3,48% wskazują jednak na równomierność wartości wywiązanego ciepła. Dodatkowo obliczone nierównomierności czasu wystąpienia 5-procentowego progu wywiązywania ciepła CoV(AI5) oraz końca spalania CoV(AI9) (określanego jako 9-procentowy próg wywiązywania ciepła) na poziomie,33% oraz,36% wskazują na wysoką powtarzalność tych wskaźników. Przedstawione na rysunku 6.25 szybkości wywiązywania ciepła określają najszybszy i najwolniejszy przyrost ciepła w komorze maszyny z analizowanych 1 cykli pomiarowych. Na rysunku 6.26 przedstawiono natomiast przedziały zmienności dotyczące szybkości wywiązywania ciepła. Maksymalne wartości szybkości uzyskano na poziomie zmienności CoV(dQ max ) = 5,31%, nieznacznie przekraczając granicę w świetle przytaczanych danych literaturowych. Natomiast czas wystąpienia dq max mimo pokazanego rozrzutu na rysunku

81 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy o wartości,8 ms osiągnął poziom CoV( dqmax ) równy,36% a więc wartość ta jest akceptowalna Q [kj] delta_q [kj] t [ms] t [ms] Rys Delta przebiegu wywiązywania ciepła dla wybranych maksymalnych i minimalnych przebiegów bar pi [bar] 4 J/ms dqmax [J/ms] Liczba prób [-] 3 2 Liczba prób [-] , 1,2 1,4 1,6 1,8 2, 2,2 2,4 2,6 2, Rys Ocena przedziałów zmienności szybkości wywiązywania ciepła w MPC dq [J/ms] t ms dq J/ms dq J/ms t [ms] Rys Analiza zmienności szybkości wywiązywania ciepła Analizowane w pracy wskaźniki równomierności zestawiono na rysunku 6.28 oraz w tablicy 6.2. Przyjmując akceptowalny zakres CoV na poziomie poniżej 5% stwierdzono, że wskaźniki takie jak: Pmax, Q5, Q9 spełniają założenia dla równomiernej pracy maszyny pojedynczego cyklu. Wskaźnikami, które nie spełniają progu jest średnie ciśnienie indykowane oraz maksymalna szybkość wywiązywania ciepła. W przypadku pierwszego wskaźnika tak

82 CoV [%] 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 82 duża nierównomierność spowodowana jest niepowtarzalnością samego procesu spalania. Na podstawie przeprowadzonej analizy potwierdzono poprawność oraz przydatność prowadzenia badań procesu spalania z wykorzystaniem maszyny pojedynczego cyklu ,3 zakres nieakceptowalny CoV >5% zakres akceptowalny CoV < 5% 2,15 3,5 3,5 5,3 Pmax pi Q5 Q9 dqmax Rys Zestawienie niepowtarzalności wskaźników pracy MPC Analiza powtarzalności badań optycznych procesu spalania Strategie wtrysku paliwa Wykorzystanie dwóch wtryskiwaczy w komorze spalania umożliwiło zastosowanie strategii wtrysku paliwa polegającej na sekwencyjnym, przemiennym wtrysku dawki benzyny. W omawianych badaniach wykorzystano dwie strategie wtrysku o dwóch różnych wielkościach dawek całkowitych. Ich sposób podziału przedstawiono na rys wtryskiwacz 1 wtryskiwacz 2 P wtr = 2 MPa; P pow =,5 MPa strategia strategia 1; q = 1; 58,5 qo mg, ~ 3 mg; = 1,16 = 1, strategia 2; q = 83 mg, =,82 strategia 2; qo ~ 44 mg; = 1,4,1 ms,2 ms,3 ms,4 ms,5 ms,6 ms,7 ms,8 ms,9 ms 1, ms,1 ms,1 ms 1, ms,3 ms,3 ms wtryskiwacz 1,3 ms,3 ms wtryskiwacz 1,3 ms wtryskiwacz 2,7 ms wtryskiwacz 2 Rys Strategie wtrysku; rozwój strugi paliwa obrazujący strategię 1 (bez zapłonu) i wielkości dawek wykorzystane w badaniach Cykl roboczy realizowano dla ciśnienia końca sprężania o wartości 2, MPa, czyli w warunkach odpowiadających średnim obciążeniom doładowanego silnika spalinowego z wtryskiem bezpośrednim benzyny. W pierwszej strategii łączna dawka paliwa wynosiła 58,5 mg, a powstała mieszanka charakteryzowała się wartością współczynnika nadmiaru powietrza wynoszącą = 1,16. W drugiej strategii uzyskano współczynnik nadmiaru powietrza =,82 przy łącznej dawce paliwa wynoszącej 83 mg. Przykładowe przebiegi rozprzestrzeniania się płomienia dla dwóch strategii wtrysku przedstawiono na rys. 6.3.

83 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 83 a) t = ms,5 ms 1, ms 1,5 ms 2, ms 2,5 ms 3, ms 3,5 ms 4, ms 4,5 ms 5, ms 5,5 ms 6, ms 6,5 ms 7, ms 7,5 ms 8, ms 8,5 ms 9, ms 9,5 ms 1, ms 1,5 ms 11, ms 11,5 ms b) t = ms,5 ms 1, ms 1,5 ms 2, ms 2,5 ms 3, ms 3,5 ms 4, ms 4,5 ms 5, ms 5,5 ms 6, ms 6,5 ms 7, ms 7,5 ms 8, ms 8,5 ms 9, ms 9,5 ms 1, ms 1,5 ms 11, ms 11,5 ms Rys Przebieg rozprzestrzeniania się płomienia dla wtrysku wieloczęściowego: a) q = 58,5 mg; b) q = 83 mg Powtarzalność spalania malej dawki paliwa Analiza rozwoju płomienia przedstawionego na rys. 6.3 pozwala na określenie pola jego powierzchni w każdym analizowanym przedziale czasu. Badania prowadzone z rozdzielczością t =,5 ms i czasem rejestracji 12,5 ms pozwoliły na uzyskanie 25 punktów analizy obszaru płomienia. Oznacza to dość dokładne odwzorowanie zmian jego powierzchni w czasie. Wyniki tych analiz przedstawiono na rys obszar płomienia [% komory spalania] t11 =,3 ms t22 =,3 ms t31 =,3 ms P wtr = 2 MPa P pow =,5 MPa t [ms] numer próby Rys Obszary płomienia uzyskane podczas spalania małych dawek (sekwencja wtrysku,3/,3/,3 ms) paliwa dla 15 kolejnych cykli pracy MPC Analiza przebiegu zmienności obszaru objętego płomieniem wskazuje, że spalanie małej dawki przy nadmiarze powietrza prowadzi do znacznych rozbieżności w procesie spalania. Mimo, że jedynie w dwóch próbach nastąpiło wyraźne opóźnienie początku spalania (gwał-

84 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 84 towny przyrost powierzchni płomienia), to jego początkowy rozwój przebiega z podobną intensywnością, natomiast po około 2 ms w jego przebiegu następują duże zmiany. Przyczyn takiego rozwoju płomienia można poszukiwać m.in. w sposobie rozpylenia paliwa, sposobie wyładowania napięcia na świecy oraz w przygotowaniu ładunku do spalania w okolicy świecy zapłonowej. Powtarzalność procesu spalania zobrazowano w postaci rozkładu częstości występowania określonych wielkości histogramów. Jednocześnie dla każdej z tych wielkości wyznaczono współczynnik zmienności. Wyniki powyższych działań przedstawiono na rys Maksymalny obszar zajmowany przez płomień A max w czasie całego procesu spalania wynosił od 18% do 51% obszaru komory spalania. Jednak największa częstotliwość występowania (3-krotne wystąpienie na 15 cykli, czyli 2%) przypada na wartość 21%; częstość występowania nieco mniejszą (2-krotnie) wykazują wartości 18, 24, 42, 45%. Oznacza to, że obszar zajmowany przez płomień jest dość zróżnicowany. Potwierdzeniem tych rozrzutów jest wartość współczynnika zmienności wynosząca 37%. Oznacza to małą powtarzalność procesu rozprzestrzeniania się płomienia. Bardziej powtarzalnym wskaźnikiem jest czas wystąpienia maksymalnego obszaru płomienia t(a max ). W tym przypadku wartość 3,5 ms od początku filmowania powtarza się 5-krotnie. Czas z przedziału 2,75 3,5 ms powtarza się 11-krotnie, czyli ok. 73% wszystkich prób. Tę zależność potwierdza 18-procentowy współczynnik zmienności czasu wystąpienia maksymalnego obszaru płomienia. Wartość ta jest o 5% mniejsza niż zmienność pola płomienia. 4 3 Amax [%] CoV(Amax) = 37% t(amax) [ms] CoV(t(Amax)) = 18% częśtość [-] 2 1 częśtość [-] ,5 1,75 2, 2,25 2,5 2,75 3, 3,25 3,5 3,75 4, 4,25 4,5 4,75 5, przedziały wartości [-] przedziały wartości [-] częśtość [-] t(amax)-t [ms] CoV(t(Amax)-t) = 23% 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 przedziały wartości [-] częśtość [-] , 7,5 9, 1,5 da/dt [%pow./ms] CoV(dA/dt) = 41% 12, 13,5 15, 16,5 18, 19,5 21, 22,5 24, 25,5 27, przedziały wartości [-] częśtość [-] CoV(suma A) = 33% Suma A [tys. pix] przedziały wartości [-] Rys Histogramy wskaźników optycznych podczas spalania małych dawek w MPC W badaniach uwzględniono także przesunięcie czasowe wystąpienia zapłonu t (oznaczone jako t(a max ) t) widoczne na rys (dla krzywych z próby 1 oraz 2). Mimo tego przesunięcia otrzymano większe wartości współczynnika zmienności płomienia t(a max ) t. Wartość ta wynosi 23%. Analiza szybkości zmian pola powierzchni płomienia wskazuje na wartości w zakresie 7,5 13,5-procentowej zmiany powierzchni przypadającej na 1 ms. Wartości te różnią się między sobą o 1%, co powoduje, że współczynnik zmienności da/dt przyjmuje wartość 41%. Jest to największa wartość współczynnika zmienności spośród analizowanych, co oznacza, że wielkość ta nie powinna być rozpatrywana przy analizie powtarzalności pracy maszyny pojedynczego cyklu. Ocena skumulowanych wartości powierzchni płomienia prowadzi do wniosków, że rozrzuty uzyskane podczas badania spalania małych dawek paliwa również nie wskazują na celowość uwzględniania tej wielkości podczas analiz powtarzalności pracy MPC. Podczas analizy tej wielkości uzyskano CoV o wartości 33%.

85 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 85 Uzyskane wartości ilościowe dotyczące rozwoju płomienia posłużyły do wyznaczenia zależności jego pola od czasu występowania jego maksymalnej wielkości (rys. 6.33). Ze względu na zagęszczenie punktów wokół określonej wartości przedstawiono przedziały tych zmian, nie wyznaczając jednocześnie wskaźników ilościowych (np. współczynnika determinacji R 2 ) rys Analiza zależności z rys. 6.33a i 6.33b wskazuje na tendencję zwiększania obszaru płomienia wraz z upływem czasu wystąpienia maksymalnego jego obszaru. Analiza szybkości zmian pola powierzchni wskazuje na stałą szybkość spalania wynoszącą od 5 do 15% pow./ms niezależnie od czasu rozpoczęcia spalania (rys. 6.33c). Stanowi to około 2,2 do 6,8 cm 2 /ms. a) b) c) Amax [%] t(amax) [ms] Amax [%] t(amax)-t[ms] t(amax)-t [ms] Rys Wskaźniki optyczne dotyczące spalania małych dawek paliwa w MPC: a) pole powierzchni płomienia jako funkcja czasu wystąpienia jego maksymalnej wartości, b) pole powierzchni płomienia jako funkcja czasu wystąpienia jego maksymalnej wartości skorygowana o czas zapłonu, c) szybkość zmian pola powierzchni płomienia Duże wartości uzyskanych współczynników zmienności analizowanych wartości skłoniły autorów do analizy obszaru płomienia podczas procesu spalania. Wyznaczono obwiednie (minimalne i maksymalne chwilowe pola powierzchni) z 15 obszarów płomienia. Na tej podstawie uzyskano wartości rozrzutów określone przez liczby ujemne (mniejsze od wartości bieżącej próby) i większe od niej (maksymalne rozrzuty przedstawiono na rys. 6.34). Z analizy rozrzutów pola powierzchni płomienia wynika, że wartości rozrzutów powyżej 1% zawierają się w przedziale 1,5 do 6 ms po rozpoczęciu spalania. Uzyskane z tych obliczeń sumy kwadratów rozrzutów ujemnych i dodatnich dały sumy (15 wyników), której najmniejsza wartość oznacza pole powierzchni płomienia będącego średnim polem dla próbki. da/dt [% pow./ms] Rozrzut od wartośći średniej [%] ,5 3 4,5 6 7,5 9 1, ,5 t [ms] Rys Sposób wyznaczenia rozrzutów pola powierzchni płomienia (przedstawiono rozrzuty maksymalne) Analiza przebiegu rozrzutów pola płomienia przy uwzględnieniu średniego pola (przebieg spalania nr 4) na rys. 6.35, wskazuje, że obszar ten zawiera się w całkowitym obszarze płomienia w jego środkowym zakresie (nie jest zbliżony do żadnej linii granicznej). Oznacza to, że przyjęta wartość średniego przebiegu jest wartością mogącą reprezentować pozostałe procesy spalania. min max

86 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 86 obszar płomienia [% komory spalania] wartość średnia pola (4 przebieg) wartośc minimalna wartość maksymalna t11 =,3 ms t22 =,3 ms t31 =,3 ms P wtr = 2 MPa P pow =,5 MPa t [ms] Rys Rozrzuty pola powierzchni płomienia podczas spalania małej dawki paliwa Powtarzalność spalania dużej dawki paliwa Badania powtarzalności procesu spalania przeprowadzone na MPC wykonano także dla większej dawki (sekwencja wtrysku paliwa,3/,7/,3 ms) wynoszącej 83 mg. Tak jak dla poprzedniego punktu badawczego wykorzystano częstotliwość filmowania 2 khz, co oznacza odstępy między kolejnymi zdjęciami wynoszące t =,5 ms. Zarejestrowano 25 zdjęć w czasie 12,5 ms dla 15 powtórzeń cyklu. Wyniki tych analiz przedstawiono na rys obszar płomienia [% komory spalania] t11 =,3 ms t22 =,7 ms t31 =,3 ms P wtr = 2 MPa P pow =,5 MPa t [ms] numer próby Rys Obszary płomienia uzyskane podczas spalania dużych dawek paliwa 15 kolejnych cykli pracy MPC Z analizy zmiany powierzchni płomienia wynikają znacznie mniejsze rozbieżności procesu spalania dla dużej dawki paliwa w stosunku do jej mniejszej wartości. Przebiegi rozwoju płomienia są bardzo zbliżone, a ich rozbieżności zwiększają się dopiero w okolicach maksymalnej powierzchni płomienia, która dla wszystkich prób występuje z podobnym opóźnieniem około 3 ms po początku rejestracji. Dobra równomierność spalania może być spowodowana dużą powtarzalnością wtrysku, co mogło zwiększyć lokalną koncentrację paliwa. Większa dawka paliwa umożliwiła osiągnięcie większych lokalnych wartości temperatury, co w efekcie mogło doprowadzić do spalania mieszanki zbliżonej do homogenicznej. Analizę powtarzalności pracy MPC przedstawiono na rys Podobnie jak poprzednio na rys. 6.32, powtarzalność zobrazowano w postaci częstości występowania określonych wielkości oraz ich współczynników zmienności.

87 Amax [%] Amax [%] da/dt [% pow./ms] częśtość [-] 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 87 częśtość [-] CoV(Amax) = 5% Amax [%] przedziały wartości [-] częśtość [-] , 2,15 2,3 2,45 2,6 2,75 2,9 3,5 3,2 3,35 3,5 3,65 3,8 3,95 4,1 przedziały wartości [-] t(amax) [ms] CoV(t(Amax)) = 6% t(amax)-t [ms] CoV(t(Amax)-t) = 6% da/dt [%pow./ms] CoV(dA/dt) = 6% 4 3 CoV(suma A) = 8% SumaA [tys. pix] częśtość [-] , 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3, 3,1 3,2 3,3 3,4 przedziały wartości [-] przedziały wartości [-] częśtość [-] przedziały wartości [-] Rys Histogramy wskaźników optycznych podczas spalania małych dawek w MPC Powtarzalność maksymalnego obszaru płomienia, określona za pomocą procentowej wartości obszaru komory spalania objętej płomieniem, wykazuje rozrzut wyników poniżej 2%. Maksymalny obszar komory spalania wypełniony płomieniem wynosił od 78% do 92% komory spalania. Największy udział obszarów zaobserwowano o wartości 82% i 9% (po 4 przypadki) oraz 4 przypadki między nimi. Oznacza to mały przedział zmian obszaru występowania płomienia, wskazujący na dużą powtarzalność procesu, co potwierdza współczynnik zmienności wynoszący 5%. Podobnie powtarzalną wielkością jest czas wystąpienia maksymalnego obszaru płomienia. Czas ten jest znacznie krótszy niż podczas spalania małej dawki paliwa. Wartość t = 2,75 ms występuje 7 razy, a wokół niej występuje kolejnych 6 przypadków. Dzięki dużemu skupieniu wartości czasu występowania maksymalnego płomienia uzyskano wskaźnik zmienności wynoszący 6%. Uwzględnienie przesunięcia czasowego wystąpienia zapłonu t wskazuje na uzyskanie podobnych wartości. Wskaźnik zmienności wynosi 6%, co oznacza, że czas wystąpienia rozwoju płomienia (uwzględnienie czasu t) nie wpływa na końcową wartość współczynnika zmienności. Wynik ten jest czterokrotnie mniejszy od wskaźnika zmienności podczas spalania małych dawek paliwa. Dla 5 prób uzyskano czas 2,6 ms, a kolejne 9 znajduje się w okolicy tej wartości. Analiza szybkości zmian pola powierzchni płomienia wskazuje na wartości w zakresie procentowej zmiany powierzchni przypadającej na 1 ms. Oznacza to ponad 2-krotne zwiększenie przyrostu obszaru płomienia w stosunku do małych dawek. Współczynnik zmienności da/dt określony dla wszystkich cykli wynosi również 6%. Analiza skumulowanych wartości powierzchni płomienia wykazuje rozrzut wartości mniejszy niż dla małej dawki paliwa. Współczynnik zmienności CoV(suma A) wyniósł 8%. Wartości ilościowe analiz optycznych umożliwiły wyznaczenie zależności pola powierzchni płomienia od czasu występowania maksymalnej wartości tego pola (rys. 6.38). Dodatkowo naniesiono wyznaczone wcześniej wskaźniki podczas spalania małej dawki paliwa. Zwiększenie dawki paliwa skutkuje większą powtarzalnością maksymalnego pola powierzchni płomienia osiągającego około 9% komory spalania. Dodatkowo czas jego wystą- 1 8 =, =, =, = 1, = 1, = 1, t(amax) [ms] t(amax)-t [ms] t(amax)-t [ms] Rys Wskaźniki optyczne spalania dużych ( =,82) i małych ( = 1,16) dawek paliwa w MPC

88 obszar płomienia [% komory spalania] 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 88 pienia jest uzyskiwany w ograniczonym przedziale. Podobne wnioski można uzyskać analizując pole powierzchni jako funkcję czasu wystąpienia maksymalnego pola powierzchni płomienia skorygowanego o czas wystąpienia zapłonu. Zwiększenie dawki paliwa powoduje zwiększenie szybkości przyrostu pola powierzchni płomienia, które przy =,82 wynosi ponad 3% pow./ms (około 13,5 cm 2 /ms). Oznacza to dwukrotne zwiększenie szybkości spalania przy dużej stabilizacji czasu wystąpienia maksymalnego pola powierzchni płomienia. Podjęto również próbę określenia przebiegu średniego. W tym celu wyznaczono dwie obwiednie z 15 prób pól płomienia uzyskano maksymalne i minimalne teoretyczne pola płomienia. Następnie wyznaczono rozrzuty dla każdej z 15 prób od uzyskanych obwiedni. Na rysunku 6.39 zaprezentowano wyniki w postaci wartości dodatnich i ujemnych (mniejsze od wartości bieżącej próby). Największe amplitudy oznaczają największy rozrzut wartości bieżącej od obwiedni. Największy rozrzut o wartości powyżej 2% uzyskano około 1,7 ms po rozpoczęciu spalania. Rozrzut od wartośći średniej [%] min max 1,5 3 4,5 6 7,5 9 1, ,5 t [ms] Rys Sposób wyznaczenia rozrzutów pola powierzchni płomienia podczas spalania dużych dawek paliwa Przebiegi obwiedni pól płomienia dla wartości maksymalnej, minimalnej oraz średni przebieg pola płomienia (przebieg nr 4) przedstawiono na rysunku 6.4. Analiza danych wskazuje na mały zakres możliwości zmiany pola powierzchni podczas badań 15 powtórzeń rozwoju płomienia. Oznacza to, że przebieg wartości średniej (4 cykl spalania) może reprezentować wszystkie cykle badawcze, gdyż sumy kwadratów odchyleń od obu obwiedni są minimalne. Na podstawie analiz optycznych ustalono, że najczęściej płomień osiąga maksymalny obszar w czasie t = 3,5 ms (rys. 6.31) od rozpoczęcia spalania małej dawki paliwa oraz 2,75 ms podczas spalania dużej dawki paliwa (rys. 6.36). Obrazy obszarów płomieni dla wybranych powyżej wartości czasu przedstawiono na rys wartość średnia pola (4 przebieg) wartośc minimalna wartość maksymalna t11 =,3 ms t22 =,7 ms t31 =,3 ms P wtr = 2 MPa P pow =,5 MPa t [ms] Rys Rozrzuty pola powierzchni płomienia podczas spalania dużej dawki paliwa ( =,82)

89 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 89 Spalanie małej dawki paliwa dla wszystkich cykli przebiega w innym obszarze komory. Dla 7 prób zauważalna jest znacznie większa temperatura lokalna w stosunku do pozostałej części komory spalania, szacowana na podstawie luminancji płomienia. Obszary dużej temperatury występują w okolicach środka komory spalania, gdzie występuje największa koncentracja paliwa w okolicach świecy. Taki przebieg spalania charakterystyczny jest dla ładunków uwarstwionych, jakim jest wtrysk małej dawki przy = 1,16. Pozostałe próby wykazują się brakiem znacznego, lokalnego przyrostu powierzchni płomienia i jego intensywności świecenia, co może wskazywać na większą homogenizację ładunku. Wynika z tego, że spalanie ubogiej mieszanki wykazuje się nieregularnością przebiegu tego procesu. Inaczej przebiega spalanie dla dużych dawek paliwa przy =,82. spalanie małej dawki paliwa ( = 1,16) spalanie dużej dawki paliwa ( =,82) próba próba Rys Obszar płomienia przy jednakowym czasie dla 15 powtórzeń cykli roboczych: a) dla małej dawki paliwa po czasie t = 3,5 ms od początku spalania (7 zdjęcie), b) dla dużej dawki paliwa po czasie t = 2,75 ms (55 zdjęcie) Dla wszystkich prób zaobserwowano dużą intensywność świecenia płomienia, co wskazuje na duże lokalne wartości temperatury. Intensywność świecenia jest zbliżona dla wszystkich przypadków spalania w czasie t = 2,75 ms, co oznacza dużą powtarzalność procesu spalania. Zaobserwowano także mniejsze zróżnicowanie miejsc występowania maksymalnej intensywności świecenia płomienia.

90 6. Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy 9 Zastosowanie maszyny pojedynczego cyklu pozwala na optyczną rejestrację procesu spalania oraz analizę rozkładu płomienia przy akceptowalnych rozrzutach wskaźników spalania, jakimi są głównie obszar płomienia, czas jego występowania oraz szybkość zmian tego obszaru. Powtarzalność ta jest tym bardziej istotna, że ze względu na specyfikę działania MPC, analizuje się jej pojedynczy cykl pracy. Przeprowadzone badania pozwoliły na określenie powtarzalności optycznych wskaźników procesu spalania uzyskanych z 15 kolejnych cykli spalania. Zestawienie wyników dla różnych strategii wtrysku paliwa przedstawiono na rys CoV [%] qo = 58,5 mg qo = 83 mg 37,8 41,5 22,9 17,9 5,5 5,9 6,4 5,6 Amax t(amax) t(amax)-t da/dt Rys Porównanie współczynników zmienności wybranych wskaźników optycznych podczas pracy maszyny pojedynczego cyklu przy spalaniu małych i dużych dawek paliwa Zastosowanie mniejszej dawki ( = 1,16) powodującej powstanie mieszanki ubogiej skutkuje dużymi wartościami rozrzutów dla wszystkich analizowanych wskaźników pracy MPC. Najmniejszą wartość wskaźnika zmienności uzyskano dla czasu wystąpienia maksymalnej powierzchni płomienia t(a max ) oraz czasu wystąpienia maksymalnej powierzchni płomienia skorygowanego o czas wystąpienia zapłonu t(a max ) t. Wynoszą one ponad 17% dla wskaźnika t(a max ). Podczas spalania dawki paliwa o wartości q = 83 mg wartości współczynnika zmienności t(a max ) oraz t(a max ) t osiągają wartości około 6%. Największą powtarzalność uzyskano dla obszaru płomienia, która wynosi 5,5% (dla mniejszej dawki wartość ta była siedmiokrotnie większa i wyniosła 37,8%). Mała wartość współczynnika zmienności wszystkich wskaźników optycznych podczas spalania dużej dawki paliwa ( =,82) wskazuje na powtarzalność pracy MPC. Wszystkie analizowane wskaźniki nie przekraczają 1% zmienności, a więc są wartościami akceptowalnymi nawet podczas pracy silnika spalinowego.