POSSIBLE IMROVEMENT OF THE MAIN OPERATIONAL PARAMETERS OF SI ENGINES FUELLED WITH INJECTED LIQUID BUTAN

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines No. 1 ISSN 131 POSSIBLE IMROVEMENT OF THE MAIN OPERATIONAL PARAMETERS OF SI ENGINES FUELLED WITH INJECTED LIQUID BUTAN Sławomir Luft, Marek Gola Politechnika Radomska, Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Al. Chrobrego, 6-6 Radom Abstract During investigation of new fuel system for S.I. engine one-cylinder test engine with sequence injection of liquid butane into suction manifold the set of load characteristics was obtained. There was noticed engine overall efficiency was higher and the drop of NO x and CO emission occurred. Analysis of pressure diagrams shows that the burning rate is lower for gas fuelling as a consequence the maximum pressure was shifted about º of C.A. in comparison with gasoline fuelling. Taking into account the differences of combustion of gas and gasoline some changes of engine regulation were done. The ignition timing for gas fuelling was advanced by º of C.A. After changes the rise of brake torque and engine power in comparison with standard fuelling was observed. Also lower specific fuel consumption for new regulation as well as lower NOx and CO emission was obtained. ANALIZA MOŻLIWOŚCI POPRAWY PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW ROBOCZYCH SILNIKA O ZAPŁONIE ISKROWYM ZASILANEGO WTRYSKOWO CIEKŁYM BUTANEM 1. WSTĘP Jak wynika z zestawień statystycznych w Polsce od kilku lat systematycznie rośnie zużycie gazu ciekłego LPG używanego jako paliwo silnikowe praktycznie wyłącznie do zasilania silników o ZI. Popularność zasilania skroplonymi mieszankami propanu-butanu po stosunkowo nieskomplikowanej modyfikacji silników o ZI stawia Polskę w czołówce państw europejskich, gdy chodzi o zużycie ciekłego LPG do celów silnikowych. Przy zużyciu autogazu wynoszącym w roku tys. ton a w roku już 6 tys. ton [1] Polska znajduje się na trzecim miejscu po Włochach i Holandii w dystrybucji tego paliwa. Powodem tak dużego zainteresowania ciekłym gazem jest relatywnie niska jego cena w stosunku do ceny benzyny. Jak wynika z publikowanych danych [] w roku cena ciekłego propanu-butanu w Polsce tylko w dwóch miesiącach (listopad i grudzień) osiągnęła poziom % ceny benzyny, w pozostałych ciekły gaz był relatywnie tańszy osiągając w czerwcu poziom zaledwie 3% ceny benzyny. Podobne relacje cen utrzymywały się w roku 1 i na początku roku, co każe przypuszczać że ten trend ma charakter trwały i będzie w pozytywny sposób stymulował dalszy rozwój rynku pojazdów zasilanych LPG. Z obserwacji wynika, że instalując systemy zasilania LPG użytkownicy pojazdów czynili to z powodów czysto ekonomicznych i dlatego godzili się z podstawowym mankamentem cechującym wszystkie stosowane dotychczas instalacje gazowe jakim było zauważalne pogorszenie parametrów dynamicznych silnika (momentu obrotowego i mocy użytecznej). Wynika to z faktu, że ciekły LPG w tych systemach przed doprowadzeniem do układu dolotowego jest odparowywany i już w postaci gazowej podawany w układach starszej generacji do mieszalnika lub w układach nowej generacji wtryskiwany (a raczej wdmuchiwany) przez specjalne wtryskiwacze do kolektora dolotowego. W efekcie doprowadzania paliwa gazowego do strumienia zasysanego powietrza następuje zmniejszenie współczynnika napełnienia cylindrów. 16

2 Prowadzone od kilku lat w Zakładzie Silników i Pojazdów Politechniki Radomskiej badania nowego systemu zasilania LPG, w którym nie jest on odparowywany lecz doprowadzany do układu dolotowego silnika o ZI w fazie ciekłej przez wtrysk sekwencyjny do kolektora dolotowego wykazały, że możliwe jest nie tylko wyeliminowanie obniżenia osiągów silnika zasilanego LPG ale również poprawa innych parametrów roboczych w stosunku do standardowego zasilania benzyną [3, ]. Badania prowadzone w innych ośrodkach między innymi w Politechnice Krakowskiej [] przyniosły podobne rezultaty.. PROGRAM BADAŃ SILNIKA Z SYSTEMEM WTRYSKU CIEKŁEGO BUTANU I STANOWISKO BADAWCZE Badania systemu zasilania silnika o ZI ciekłym gazem wtryskiwanym do kolektora dolotowego obejmowały wykonanie pomiarów dla sporządzenia rodziny charakterystyk obciążeniowych z jednoczesnym dokonywaniem rejestracji przebiegu ciśnień w komorze spalania przy użyciu nowoczesnego systemu do indykowania współpracującego z systemem komputerowym bazującym na szybkiej karcie pomiarowej [ 6]. Schemat zasilania silnika z użyciem systemu wtrysku ciekłego gazu przedstawia rys. 1. filtr powietrza zasysanego elektroniczny moduł sterujący zbiornik ciekłego gazu wtryskiwacz ciekłego gazu sonda λ wylot spalin Fig. 1. The scheme of fuelling of SI engine with LPG injected into suction manifold Obiektem badań był jednocylindrowy silnik badawczy o ZI przekonstruowany z dwucylindrowego silnika 17A. w którym wyłączono z pracy -gi cylinder poprzez zaślepienie kanału dolotowego (w ten sposób jeden cylinder generował moc indykowaną a drugi tylko straty mechaniczne). Istotną zmianą jaką wprowadzono w silniku 17A. było zainstalowanie sekwencyjnego wtryskiwacza w ściance kolektora dolotowego w taki sposób, że wtrysk następował do komory mieszankowej kolektora (przed rozdzieleniem się indywidualnych kanałów ssących). Dla pozostawienia możliwości sterowania napełnieniem cylindrów w układzie dolotowym pozostawiono oryginalny dwuprzelotowy gaźnik Weber 3 DGF 7/7 wykorzystując w czasie badań jedynie system przepustnic. Zamiast mieszanki propan butan w badaniach używano czystego n- butanu. Spowodowało to obniżenie prężności gazu zgromadzonego w butli a jednocześnie ułatwiło analizę otrzymanych wyników badań z uwagi na możliwość precyzyjnego określenia niektórych właściwości fizyko-chemicznych, w tym przede wszystkim wartości opałowej paliwa jednoskładnikowego (w przypadku mieszanek propanu z butanem ze względu na zmienność udziału obu składników byłoby to uciążliwe). Badania miały charakter porównawczy, to znaczy dla każdej z wybranych prędkości sporządzano charakterystyki zasilając silnik wg jednego z trzech sposobów: wtryskowo benzyną do grzanego kolektora dolotowego wtryskowo ciekłym butanem do grzanego kolektora dolotowego wtryskowo ciekłym butanem do niegrzanego kolektora dolotowego 17

3 Wykorzystywano do wtrysku paliwa standardowy wtryskiwacz benzynowy o działaniu sekwencyjnym przy czym czas otwarcia wtryskiwacza mógł być przestawiany ręcznie w szerokim zakresie przy wykorzystaniu specjalnego modułu sterującego opracowanego specjalnie dla przeprowadzenia opisywanych badań. Ustawienia czasu otwarcia wtryskiwacza w pojedynczym cyklu były dobierane w ten sposób aby dostosować wielkość dawki wtryskiwanego paliwa do aktualnego poziomu obciążenia silnika przy zachowaniu stechiometrycznego składu mieszanki paliwowo-powietrznej ( λ =1). Zarówno przy zasilaniu silnika benzyną jak i ciekłym butanem wykorzystywano ten sam wtryskiwacz, przy czym w przypadku zasilania benzyną właściwe ciśnienie robocze wytwarzała pompa zasilająca zainstalowana w torze zasilania benzyną a w przypadku zasilania ciekłym butanem wykorzystywano naturalną prężność butanu zgromadzonego w butli. Tor zasilania ciekłym butanem wyposażono w system eliminowania korków parowych, jakie powstają w przypadku miejscowego podwyższenia temperatury ciekłego gazu znajdującego się w instalacji w stanie równowagi. Wypełnianie się elementów instalacji ciekłego gazu fazą lotną uniemożliwiałoby prawidłowe zasilanie paliwem poprzez sekwencyjny wtrysk. 3. WYNIKI BADAŃ Wybrane wyniki podstawowych badań przedstawiono na rys -. Ilustrują one zależność głównych wielkości opisujących pracę silnika od momentu obrotowego jako parametru obciążenia dla wybranej prędkości obrotowej n=6obr/min i trzech wymienionych wyżej sposobów zasilania silnika. Niezależnie od sposobu zasilania zachowywano stały kąt wyprzedzenia zapłonu zgodny z fabryczną regulacją dla przypadku całkowitego obciążenia..8 Ge[kg/h].6 ge*[j/ws] 6. Charakterystyka obciążeniowa n=6 obr/min, αz =3 o OWK 6 T sp [ o C] Temperatura spalin w funkcji momentu obrotowego n=6 obr/min, αz =3 o OWK.. 6 wtrysk butanu do niegrzanego kolektora wtrysk butanu do grzanego kolektora Fig.. Mass fuel consumption G e and specific fuel consumption g e * vs. engine load 3 Fig. 3. Exhaust gas temperature T sp vs. engine load 8 T m [ o C] Temperatura mieszanki w kolektorze w funkcji momentu obrotowego n=6 obr/min, αz =3 o OWK Fig.. Temperature inside suction manifold T m vs. engine load 18

4 Analiza powyższych wykresów wskazuje przede wszystkim, że wtrysk ciekłego butanu eliminuje spadek osiągów silnika jaki cechowały systemy zasilania odparowanym LPG. Przy całkowitym obciążeniu uzyskany przy wtrysku ciekłego butanu moment obrotowy jest porównywalny a dla przypadku wtrysku do niegrzanego kolektora nawet większy niż przy standardowym zasilaniu benzyną. Można to wytłumaczyć obniżeniem temperatury powstającej mieszanki (rys.) i wynikającym z tego poprawieniem napełnienia cylindrów przynajmniej do poziomu właściwego dla wtrysku benzyny do grzanego kolektora. Niezależnie od poprawy osiągów silnika, jaki uzyskano dzięki zmianie sposobu wprowadzania gazu do układu dolotowego badania wykazały, że dla zasilania ciekłym butanem uzyskuje się zauważalne w całym analizowanym zakresie obciążeń zmniejszenie jednostkowego zużycia energii (rys.) o około, J/WS, co oznacza wzrost sprawności ogólnej silnika. Jednocześnie porównanie wyników pomiarów stężeń podstawowych składników spalin wskazuje, że w przypadku zasilania ciekłym butanem następuje obniżenie w spalinach stężenia dwutlenku węgla CO przy porównywalnym jak dla zasilania benzyną poziomie stężenia tlenku węgla CO (rys.). Ten wynikający, jak należy przypuszczać z mniejszego dla butanu niż dla benzyny udziału węgla w elementarnym składzie obu paliw, korzystny efekt obniżenia stężenia składnika odpowiedzialnego za efekt cieplarniany jest dodatkowo wzmocniony przez fakt zmniejszenia wydatku spalin przy porównywalnym obciążeniu z uwagi na mniejsze zużycie paliwa (nie kompensuje tego nieco większe teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalenia jednostkowej masy paliwa dla butanu L t =1, kg powietrza /kg paliwa niż dla benzyny L t =1,9 kg powietrza /kg paliwa). CO, CO [%] Emisja CO i CO przy zmiennym obciążeniu i n= 6 obr/min, αz = 3o OWK wtrysk butanu do grzanego kolektora wtrysk butanu do niegrzanego kolektora Fig.. CO and CO concentration in exhaust gases vs. engine load NO x [ppm] Emisja NO x przy zmiennym obciążeniu i n= 6 obr/min, αz = 3o OWK wtrysk butanu do grzanego kolektora wtrysk butanu do niegrzanego kolektora Fig. 6. NO x concentration in exhaust gases vs. engine load Również w przypadku tlenków azotu NO x wtryskowe zasilanie ciekłym butanem przynosi pozytywny efekt obniżenia ich stężenia w spalinach w całym zakresie obciążeń o -8 ppm co wskazywać może na obniżenie się szczytowych temperatur obiegu (rys 6). Ponieważ również temperatura spalin jest w tym przypadku niższa o -3 o niż dla zasilania benzyną (rys3) świadczyć to może o obniżeniu średniej temperatury obiegu.. ANALIZA PROCESU ROBOCZEGO Opisane powyżej pozytywne zmiany kilku podstawowych parametrów istotnych w ocenie jakości procesu roboczego silnika jakie zaobserwowano dla zasilania wtryskowego ciekłym butanem wymagały wyjaśnienia poprzez analizę procesu roboczego na bazie zarejestrowanych przebiegów ciśnienia dokonywanych w każdym punkcie pomiarowym. Rejestrację przebiegu ciśnień realizowano w kolejnych cyklach roboczych z rozdzielczością co 1, o OWK a następnie na ich podstawie wygenerowano uśredniony wykres indykatorowy otwarty reprezentatywny dla danego punktu pomiarowego (ciśnienia w poszczególnych punktach tego wykresu są średnią arytmetyczną odpowiednich ciśnień ze wszystkich analizowanych cykli roboczych). Takie 19

5 wykresy były przedmiotem analizy polegającej na wyznaczeniu wybranych wielkości charakteryzujących proces roboczy a w szczególności fazę spalania takich jak: maksymalna wartość ciśnienia obiegu p max położenie punktu występowania maksymalnego ciśnienia obiegu scharakteryzowane poprzez kąt przesunięcia tego punktu w stosunku do GMP α Pmax maksymalna prędkość narastania ciśnienia w fazie spalania (dp/dα ) max średnia prędkość narastania ciśnienia w fazie spalania ( Δ p/ Δ α ) śr P max [MPa] 3. α Pmax po GMP 3 [ o OWK] Zależność położenia punktu maksymalnego 9 ciśnienia obiegu od obciążenia silnika n=6 obr/min, αz =3o OWK Zależność maksymalnego ciśnienia obiegu od obciążenia silnika n=6 obr/min, αz =3 o OWK Fig. 7. Maximum cylinder pressure vs. engine load Fig. 8. Maximum pressure location vs. engine load (dp/dα) max. [MPa/ o OWK].18 Zależność maksymalnej prędkości narastania ciśnienia od obciążenia silnika n=6 obr/min, αz =3o OWK (dp/dα) śr.1 [MPa/ o OWK].9 Zależność średniej prędkości narastania ciśnienia od obciążenia silnika n=6 obr/min, αz =3o OWK Fig. 9. Maximum cylinder pressure vise rate vs. engine load Fig. 1. Average cylinder pressure vise rate vs. engine load Wykresy ilustrujące przebiegi tych wielkości w funkcji wartości zmierzonego momentu obrotowego dla badanych sposobów zasilania i wybranej prędkości obrotowej n=6 obr/min przedstawiono na rysunkach 7-1. Wskazują one na zmniejszenie maksymalnego ciśnienia obiegu i zmniejszenie prędkości narastania ciśnienia w fazie spalania dla wtryskowego zasilania ciekłym butanem. Jednocześnie w takim przypadku następuje przesunięcie punktu występowania maksymalnego ciśnienia obiegu o około o OWK dalej za GMP niż dla zasilania benzynowego. Ten efekt spowolnienia procesu spalania, któremu towarzyszy jednak omawiane wcześniej zwiększenie sprawności ogólnej wynikać może z obniżenia temperatur obiegu. To z kolei może być związane z istotnym powiększenie sprawności cieplnej ze względu na zmniejszenie strat ciepła odprowadzanego do ścianek cylindra i ze strumieniem spalin przy obniżeniu się temperatur obiegu. Na rysunkach 11-1 przedstawiono przebiegi sprawności mechanicznej i cieplnej silnika wyliczonych dla badanych sposobów zasilania dla prędkości n=6 obr/min. 16

6 1 ηm [1] Zależność sprawności mechanicznej od obciążenia silnika n=6 obr/min, αz =3o OWK. η c [1] Zależność sprawności cieplnej od obciążenia silnika n=6 obr/min, αz =3 o OWK Fig. 11. Engine overall efficiency vs. engine load Fig. 1. Thermal efficiency vs. engine load Analiza przebiegu sprawności mechanicznej i sprawności cieplnej potwierdza znaczący wpływ powiększenia sprawności cieplnej na ostateczny efekt obniżenia jednostkowego zużycia energii (powiększenia sprawności ogólnej) dla zasilania wtryskowego ciekłym butanem. Potwierdzony analizą procesu roboczego efekt spowolnienia spalania w przypadku zasilania ciekłym butanem wskazuje na potrzebę innej regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu dla takiego sposobu zasilania niż w przypadku standardowego zasilania benzyną. Przesunięcie punktu zapłonu w kierunku przyśpieszenia o kąt o OWK stwarzało przesłanki do dalszego powiększenia osiągów silnika i zmniejszenia jednostkowego zużycia energii.. WYNIKI BADAŃ UZUPEŁNIAJĄCYCH W ramach badań uzupełniających uwzględniających omówione powyżej wyniki analizy procesu roboczego sporządzono dla silnika 17 A. w wersji pełnogabarytowej (z włączonym do pracy -gim cylindrem) porównawcze charakterystyki prędkościowe dla 8% obciążenia i zachowanego stechiometrycznego składu mieszanki. W tym przypadku porównano przebiegi momentu obrotowego M o, mocy użytecznej N e, godzinowego zużycia paliwa G e i godzinowego zużycia powietrza G p oraz jednostkowego zużycia energii g e * dla standardowego sekwencyjnego wtrysku benzyny do grzanego kolektora i wtrysku ciekłego butanu do niegrzanego kolektora. Badania uzupełniające uwzględniały dodatkowe przyśpieszenie zapłonu o kąt o OWK dla zasilania ciekłym butanem w stosunku do wartości kąta wyprzedzenia zapłonu realizowanej przy zasilaniu benzyną wg fabrycznej charakterystyki kąta wyprzedzenia zapłonu dla stanu całkowitego obciążenia silnika. Dodatkowo porównano temperaturę mieszanki t m, temperaturę spalin t sp oraz stężenia w spalinach: tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO, tlenków azotu NO x i niespalonych węglowodorów HC. Wykresy sporządzonych charakterystyk przedstawiają rysunki Z porównania sporządzonych charakterystyk wynika widoczny przyrost momentu obrotowego i mocy użytecznej w całym badanym zakresie prędkości obrotowych dla przypadku wtryskowego zasilania ciekłym butanem w stosunku do zasilania standardowego benzyną a to potwierdziło wcześniejsze obserwacje co do możliwości zwiększenia osiągów silnika przy tym sposobie zasilania i uwzględnieniu zmienionej regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu. Wzrost ten można uzasadnić w pierwszej kolejności potwierdzonym zwiększeniem napełnienia cylindrów o czym świadczy większe dla wtrysku butanu niż dla zasilania standardowego zużycie godzinowe powietrza (rys 1). Potwierdzono również uzyskanie niższych temperatur mieszanki na co wpływ miało wyłączenie podgrzewania kolektora dla zasilania ciekłym butanem. 161

7 M or [Nm] 6 Wykres mocy zredukowanej i momentu zredukowanego przy zasilaniu wtryskowym benzyną i butanem moc zredukowana () moc zredukowana (wtrysk gazu) moment zredukowany (wtrysk gazu) moment zredukowany () N er [kw] G er Gp [kg/h] [kg/h] 1 1 Wykres godzinowego i jednostkowego zużycia paliwa oraz godzinowego zużycia powietrza przy zasilaniu wtryskowym benzyną i butanem godzinowe zużycie paliwa () godzinowe zużycie powietrza () godzinowe zużycie powietrza (wtrysk gazu) godzinowe zużycie paliwa (wtrysk gazu) g * e [J/Ws] jednostkowe zużycie paliwa () jednostkowe zużycie paliwa (wtrysk gazu) Fig. 13. Reduced engine torque M or and power N er vs. engine speed Fig. 1. Mass fuel consumption G er mass air consumption G p and specific energy consumption g e * vs. engine speed T m [ o C] 6 Wykres temperatury spalin i temperatury mieszanki w kolektorze dolotowym przy zasilaniu wtryskowym benzyną i butanem temperatura spalin () temperatura spalin (wtrysk gazu) temperatura mieszanki () temperatura mieszanki (wtrysk gazu) T sp [ o C] Fig. 1. Exhaust gas temperature T sp and mixture temperature vs. engine speed 18 CO 1 CO [%] 1 HC [ppm] 1 NO x [ppm] Stężeńia HC i NO x w spalinach przy zasilaniu wtryskowym benzyną i butanem stężenie węglowodorów () stężenie weglowodorów (wtrysk gazu) stężenie tlenków azotu (wtrysk gazu) stężenie tlenków azotu () Stężeńia CO i CO w spalinach przy zasilaniu wtryskowym benzyną i butanem stężenie dwutlenku węgla () 6 6 stężenie dwutlenku węgla (wtrysk gazu) stężenie tlenku węgla () 16 stężenie tlenku węgla (wtrysk gazu) Fig. 16. CO and CO concentration in exhaust gases vs. engine speed Fig. 17. NO x and HC concentration in exhaust gases vs. engine speed Korekta kąta zapłonu oprócz poprawy osiągów silnika spowodowała spektakularny spadek jednostkowego zużycia energii (rys. 1) oraz zauważalne obniżenie temperatury spalin (rys 1). 16

8 Analiza spalin na bazie charakterystyk prędkościowych potwierdziła wcześniejsze obserwacje. Dla zasilania ciekłym butanem przy porównywalnym z zasilaniem benzyną stężeniu w spalinach tlenku węgla następuje obniżenie stężenia dwutlenku węgla i tlenków azotu (rys 16-17). Jednocześnie wyniki analizy analizatorem NDIR wskazują na większe w tym przypadku stężenie niespalonych węglowodorów (rys 18), co niekoniecznie musiałoby się potwierdzić jeśli analiza przeprowadzona byłaby z użyciem analizatora FID z grzaną drogą gazową. 6. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Wyniki przeprowadzonych badań silnika i analiz jego procesu roboczego wykazały istotny wzrost osiągów po wprowadzeniu systemu zasilania wtryskowego ciekłym butanem i dokonanej korekcie regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu w stosunku do standardowego zasilania wtryskowego benzyną. Jednocześnie uzyskano obniżenie jednostkowego zużycia energii i zmniejszenie w spalinach stężenia dwutlenku węgla i tlenków azotu. Wyniki analiz pokazują, że zaobserwowane pozytywne zmiany są efektem zwiększenia napełnienia cylindrów ale z drugiej strony skutkiem poprawy sprawności cieplnej silnika. Ponieważ opisane efekty zasilania ciekłym butanem wpisują się w światowe trendy gdy chodzi o kształtowanie zmianami konstrukcyjnymi podstawowych parametrów roboczych silnika (dążenie do zmniejszania jednostkowego zużycia energii przy wymuszonym względami ekologicznymi ograniczeniu emisji toksycznych składników spalin) przedstawiony alternatywny sposób zasilania silnika o ZI wydaje się być interesującym rozwiązaniem. 7. LITERATURA 1. Thackray T. Porównanie rozwoju rynku autogazu w Polsce, Niemczech, Wielkiej Brytanii, Francji, Włoszech i Holandii. Materiały konferencji V Międzynarodowe Forum Gazowe, Warszawa 1. Rudnicki P. Ceny autogazu w r. Przyszłościowy rynek. Materiały konferencji V Międzynarodowe Forum Gazowe, Warszawa 1 3. KowalewiczA., Luft Sł., Gola M., Michalczewski A., Rózycki A.Wybrane aspekty zasilania silników o ZI metodą wtrysku butanu do kolektora dolotowego. Materiały konferencji Silniki Gazowe, Vyśne Rużbachy- Słowacja. Luft Sł., Gola M. Silnik o ZI zasilany wtryskowo ciekłym butanem - wybrane aspekty badań. Materiały konferencyjne Międzynarodowej Konferencji Motoryzacyjnej AUTOPROGRES KONMOT. Dutczak J. Wpływ parametrów wtrysku propanu-butanu na wybrane wskaźniki pracy silnika ZI. Rozprawa doktorska, Politechnika Krakowska Różycki A. Microkomputer system for measurement of high speed parameters for IC engines. Bratislava 1 8 th EAEC Congres,Bratislava 1, paper n o SAITS