WINCENTY LOTKO. 1. Wprowadzenie

Transkrypt

1 ARHIWUM MTRYZAJI 4, pp (2005) cena opóźnienia samozapłonu silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim zasilanego mieszaninami oleju napędowego z estrami metylowymi oleju rzepakowego WINENTY LTK Politechnika Radomska W artykule zamieszczono wyniki badań silnika AD3.152 zasilanego olejem napędowym i porównawczo mieszaninami oleju napędowego z estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego. Głównym celem badań była ocena opóźnienia samozapłonu tych paliw w silniku o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim. hodziło o porównanie tego parametru oraz wybranych parametrów procesu wtrysku i charakterystyki prędkościowej uzyskanych przy zasilaniu silnika czystym olejem napędowym oraz jego mieszaninami z estrami metylowymi oleju rzepakowego produkowanych w Rafinerii Trzebinia. 1. Wprowadzenie statnie kryzysy energetyczne z lat siedemdziesiątych zmusiły do poszukiwania dostępu do innych paliw alternatywnych przydatnych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Można wyraźnie zauważyć, że w ostatnim okresie badania idą szeroko w dwóch kierunkach: - nad zastosowaniem mieszanin oleju napędowego z paliwami roślinnymi (m.in. olejem rzepakowym, sojowym, słonecznikowym i palmowym), - nad zastosowaniem naturalnego gazu ziemnego do silników o zapłonie samoczynnym. Przy stosowaniu mieszanin oleju napędowego z olejami roślinnymi mamy do czynienia z ich estrami. Idea zastosowania paliw roślinnych do silników wysokoprężnych ma historię równą powstaniu konstrukcji silnika wysokoprężnego i została opatentowana już w 1892 roku przez Rudolfa Diesel a, a jego silnik zasilany olejem arachidowym był zaprezentowany na wystawie w Paryżu w 1900 roku [1]. becnie rosnące dynamicznie ceny oleju napędowego przyspieszyły decyzje o produkcji estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego (Rafineria Trzebinia) zgodnie z wymaganiami jakościowymi dla (EMKR) FAME (Fatty Acid Methyl Esters) wg normy PN-EN ena sprzedawanego dziś w Rafinerii Trzebinia 1 litra oleju (w tym 20% FAME) jest o 20 gr niższa od oleju napędowego. Prze-

2 322 W. Lotko wagą stosowania paliw roślinnych w stosunku do olejów napędowych jest to, że charakteryzuje je korzystny wpływ na środowisko: - bardzo niska biodegradowalność (ok. 98% w ciągu 2 dni), podczas gdy dla oleju napędowego wynosi tylko 40% [2]. - prawie zerowa emisja tlenków siarki, - niewielka zawartość wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, - niska emisja niespalonych węglowodorów, - zdecydowanie niższe (do 50%) zadymienie spalin [3-6]. Należy tu przypomnieć, że stosowanie naturalnego oleju rzepakowego jest zdecydowanie utrudnione z uwagi na jego kilkunastokrotnie większą lepkość i dużo gorszą lotność. Dlatego powszechnie przyjęto przetwarzanie chemiczne naturalnego oleju rzepakowego będącego mieszaniną estrów, gliceryny i kwasów tłuszczowych do postaci estrów metylowych kwasów tłuszczowych i gliceryny. Takie paliwo może być stosowane jako całkowity zamiennik oleju napędowego. W praktyce, jak już wspominano, stosuje się mieszaniny estrów kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego EMKR (RME - Rape Methyl Ester, FAME - Fatty Acid Methyl Esters) z olejem napędowym. elem podjętych badań będzie określenie wpływu stosowania mieszanin oleju napędowego z estrem metylowym kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego (EMKR) na wybrane parametry procesu wtrysku i spalania w silniku z wtryskiem bezpośrednim AD3.152 bez elektronicznego sterowania wtryskiem paliwa. Wybór tego silnika do badań uzasadniony jest tym, że w naszym kraju znaczne ich ilości eksploatowane są w gospodarstwach rolnych. elem badań jest chęć wyjaśnienia wpływu stosowania tych paliw na okres opóźnienia samozapłonu. 2. harakterystyka paliw rzepakowych ząstka oleju rzepakowego jest zdecydowanie odmienna od cząstki oleju napędowego pochodzącej z przerobu ropy naftowej. Biorąc pod uwagę samozapłon paliwa najbardziej przydatne do silnika wysokoprężnego byłyby węglowodory parafinowe zbudowane z łańcuchów, na końcach których wiązań chemicznych występują grupy metylowe H 3, a wewnątrz mają grupy metylenowe H 2. Budowę trójglicerydu typowego oleju roślinnego pokazano na rysunku 1 [7]. W znacznej ilości olejów roślinnych, ich główny skład stanowią estry nienasycone o 1 do 3 wiązań podwójnych (ponad 50%). Zawartość tych estrów zdecydowanie wpływa na ich lepkość. Miarę przydatności oleju rzepakowego do silnika wysokoprężnego określają połączenia olefinowe. Podwójne wiązania cechują się dużą aktywnością chemiczną, głównie w odniesieniu do łańcuchów kwasów tłuszczowych. lej rzepakowy cechuje mała lotność w procesie podgrzewania, wiązania olefinowe ulegają rozpadowi i otrzymujemy substancje lotne, które łatwo ulegają zapłonowi. Powoduje to intensyfikację reakcji przedpłomiennych w silniku w wyniku czego obserwowany jest wzrost efektywności ich spalania [8].

3 cena opóźnienia samozapłonu silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim 323 H H H H H (H 2 ) 16 H 3 stearynowy HH H (H 2 ) 16 H 3 H H + H (H 2 ) 7 H oleinowy H(H 2 ) 7 H 3 HH + H (H 2 ) 7 H H(H 2 ) 7 H 3 H H H H (H 2 ) 7 H linolowy H H 2 H H(H 2 ) 4 H 3 HH H H (H 2 ) 7 H H H 2 H H(H 2 ) 4 H 3 gliceryna + kwasy t³uszczowe woda + trójgliceryd Rys. 1. Budowa typowego trójglicerydu roślinnego [7]. Fig. 1. Structural formula of a typical vegetable triglyceride [7]. Duże cząstki oleju roślinnego (masa cząsteczkowa , a więc jest czterokrotnie większa od masy cząsteczkowej oleju napędowego [9, 10]) i obecność w nich tlenu powodują, że niektóre właściwości oleju rzepakowego znacznie odbiegają od własności paliw węglowodorowych. Dla zmiany budowy ciężkich cząsteczek oleju rzepakowego jest on poddawany procesowi transestryfikacji, który zachodzi z wyższego alkoholu (metylowego lub etylowego) w obecności katalizatora (wodorotlenku sodu lub potasu). Ma wówczas miejsce chemiczna przebudowa cząstki, która polega na zastąpieniu grupy glicerynowej grupą alkoholową (rys. 2) [11]. H 2 R 1 H 2 H R 1 H 3 H R H 3 H katalizator H H + R 2 H 3 H 2 H 2 H R 3 H 3 R 3 trójgliceryd + metanol gliceryna + estry metylowe Rys.2. Schemat przebudowy chemicznej trójglicerydów oleju roślinnego w procesie transestryfikacji na estry metylowe kwasów tłuszczowych; R 1, R 2, and R 3 reprezentują łańcuch węglowodorowy kwasów tłuszczowych trójglicerydu [11]. Fig. 2. Scheme of the transesterification reaction allowing to convert vegetable triglycerides to fatty acid methyl esters; R 1, R 2, and R 3 represent the hydrocarbon chains of the fatty acid elements of the triglyceride [11]. Estry metylowe kwasu tłuszczowego oleju rzepakowego cechują się nieco większą gęstością niż olej napędowy. Ma to znaczenie w procesie zasilania paliwem, gdyż pompa wtryskowa podaje dawki o tej samej objętości. Rzeczywista ilość energii dostarczona w paliwie EMKR do cylindra silnika będzie mniejsza, w wyniku jego mniejszej wartości opałowej. Spadek ten będzie częściowo rekompensowany jego nieco większą gęstością.

4 324 W. Lotko W tabeli 1 zamieszczono wybrane własności badanych paliw, opisane obowiązującymi normami. Tabela 1. Zestawienie wybranych własności fizykochemicznych paliwa FAME oraz N wg aktualnie obowiązujących norm. Tab. 1. hosen physical and chemical properties of FAME and diesel oil according to Polish standards. Własność paliwa Jednostka Zakresy wartości parametrów paliwa FAME zgodne z PN-EN Wartość parametru dla paliwa N zgodne z wymaganiami PN-EN 590 minimum maximum Gęstość w temperaturze 15 kg/m Lepkość w temperaturze 40 mm 2 /s Temperatura zapłonu 120 Temperatura zablokowania zimnego filtra Zawartość siarki mg/kg Pozostałość po koksowaniu (z 10% pozostałości destylacyjnej) % (m/m) Liczba cetanowa Zawartość wody mg/kg Zawartość zanieczyszczeń stałych Badane paliwa miały następującą gęstość: 0% EMKR - 100% N [g/cm 3 ], 10% EMKR - 90% N [g/cm 3 ], 20% EMKR - 80% N [g/cm 3 ], 30% EMKR - 70% N [g/cm 3 ]. mg/kg Samozapłon paliw rzepakowych gniska samozapłonu w komorze spalania silnika pojawiają się zawsze po upływie przedziału czasu od momentu początku wtryskiwanego paliwa. kres ten wyrażany w jednostkach czasu lub stopniach obrotu wału korbowego silnika jest nazywany okresem opóźnienia samozapłonu i najczęściej oznaczony jest symbolem τ s. Ma on zdecydowany wpływ na podstawowe parametry procesu spalania i wynikające z nich własności robocze silnika i emisję spalin. zas opóźnienia samozapłonu można obliczyć na podstawie wtrysku paliwa oraz bilansu energii w procesie jego parowania i spalania z zależności [13, 14]: n / RT τs = Aρ e Ea (1) gdzie: τ s okres opóźnienia samozapłonu [ms], ρ ciśnienie powietrza (mieszaniny paliwa z powietrzem) [bar], E a umowna energia aktywacji [J/mol], R indywidualna stała gazowa [J/(mol K)],

5 cena opóźnienia samozapłonu silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim 325 T temperatura powietrza (mieszaniny paliwa z powietrzem) [K], A, stałe zależne od paliwa (i niekiedy związane również z przebiegiem n wtrysku i stanem powietrza w spoczynku lub ruchu). Najbardziej znana formuła doświadczalna określająca opóźnienie samozapłonu do stechiometrycznych mieszanin węglowodorów parafinowych z powietrzem opiera się na równaniu Arheniusa. Podaje ono związek między okresem opóźnienia samozapłonu (praktycznie jego częścią chemiczną), a ciśnieniem i temperaturą powietrza, tj. czynnikami wywierającymi najsilniejszy wpływ na przebieg reakcji chemicznych [3]. Wynika z niej, że okres opóźnienia samozapłonu rośnie wraz z obniżeniem temperatury, zależność ta daje nam dużą zbieżność obliczeń teoretycznych z wynikami eksperymentalnymi, ale w komorach ciśnieniowych, a nie w komorze spalania silnika [3]. Budowa cząsteczki paliwa ma zdecydowany wpływ na fizyczny i chemiczny okres opóźnienia samozapłonu. Zarówno przebieg destylacji, jak i różna budowa chemiczna cząsteczki paliw EMKR będzie oddziaływać na procesy odparowania, utleniania a w konsekwencji na okres opóźnienia samozapłonu. Można spotkać się z opinią, że bardziej zamknięte trójglicerydy kwasów tłuszczowych powinny cechować się lepszymi własnościami zapłonowymi [7]. Z badań uzyskanych w komorze ciśnieniowej o stałej objętości wynika, że w przypadku trójglicerydów kwasów nasyconych zawierających 12 do 18 atomów węgla w kwasach tłuszczowych opóźnienie samozapłonu rośnie wraz z ilością atomów węgla w cząsteczce. Można to uzasadnić malejącą lotnością trójglicerydów w wyniku wzrostu ich masy cząsteczkowej oraz wzrostu lepkości i napięcia powierzchniowego [3]. Przeciwną prawidłowość stwierdzono dla estrów metylowych kwasów tłuszczowych. Uzasadniono to odmiennymi własnościami fizycznymi i chemicznymi estrów metylowych trójglicerydów [3, 15]. Najbardziej uniwersalnym kryterium przydatności paliwa do silnika o ZS jest liczba cetanowa. Im wyższa wartość tej liczby tym lepszymi własnościami samozapłonowymi charakteryzuje się paliwo. Fizyczna część okresu opóźnienia samozapłonu paliw roślinnych jest zwykle większa niż część powodowana przez procesy chemiczne [16]. Z wyników dotychczas przeprowadzonych badań zawartych w literaturze [3] widać, że skłonność do samozapłonu dla estrów paliw roślinnych zależy głównie od temperatury paliwa i temperatury powietrza w cylindrze silnika. Stwierdzono ponadto, że bazujące na tradycyjnej metodzie pomiarów, większe wartości liczby cetanowej estrów metylowych oleju rzepakowego nie dają podstaw do przewidywania lepszej zdolności do samozapłonu takiego paliwa w porównaniu z olejem napędowym. Podczas pracy silnika na biegu jałowym (przy niskich temperaturach w cylindrze), a także przy niewielkich obciążeniach silnika, skłonność do samozapłonu paliw rzepakowych może być ogólnie gorsza niż dla oleju napędowego z uwagi na większe krople paliwa oraz wyższe wartości ciepła parowania obniżające temperaturę w cylindrze silnika [3, 17].

6 326 W. Lotko Z uwagi na to, że EMKR zawiera większą o ponad 10% zawartość tlenu w cząsteczce niż olej napędowy oraz wiązania nienasycone; powinno to sprzyjać lepszemu procesowi zapłonu i powodować pełniejsze spalanie paliwa. Tlen zawarty w tym paliwie może wykazywać większą aktywność w procesie spalania niż tlen z powietrza. Należy tu podkreślić, że estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego dobrze rozpuszczają się w oleju napędowym. 4. Wpływ wybranych własności paliw rzepakowych na parametry procesu wtrysku Wyższa lepkość i gęstość paliw rzepakowych w stosunku do oleju napędowego ma zdecydowany wpływ na działanie aparatury wtryskowej i przebieg wtrysku paliwa (dotyczy to, co prawda w mniejszym stopniu również mieszanin EMKR z olejem napędowym). Mamy tu do czynienia ze wzrostem oporów elementów ruchu aparatury wtryskowej (tłoczek pompy, zawór odcinający, iglica rozpylacza). Występującą w procesie tłoczenia siłę oporów ruchu można wyznaczyć z zależności [18]: πdl P = η u pal δ (2) gdzie: P - siła oporów ruchu, η pal lepkość dynamiczna paliwa, d średnica elementu ruchomego, l długość powierzchni bocznej elementu ruchomego stykającego się z paliwem w szczelinie, δ grubość warstwy paliwa między elementami (ruchomym i stałym), u prędkość przemieszczania się elementu ruchomego. Ze wzoru 2 wynika, że zwiększanie ilości oleju rzepakowego w mieszaninie z olejem napędowym będzie wymagało poboru większej mocy do tłoczenia bardziej lepkich paliw. pory te wyrażane stratą ciśnienia, w przewodzie kołowym np. wtryskowym określić można na podstawie wzoru Darcy-Weisbacha: 2 L p = λ v ρ (3) pal 2d gdzie: p spadek ciśnienia, λ współczynnik strat tarcia, L długość odcinka przewodu, do którego są odnoszone straty tarcia, v średnia prędkość przepływu paliwa, d średnica przewodu, w którym odbywa się przepływ, gęstość paliwa. ρ pal Zwiększona lepkość paliwa rzepakowego będzie miała wpływ na przepływy paliwa w otworach elementu tłoczącego i w gnieździe zaworu tłoczącego pompy wtryskowej oraz w otworach wylotowych rozpylacza.

7 cena opóźnienia samozapłonu silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim 327 Dlatego można przewidywać gorsze napełnianie cylinderka elementu tłoczącego oraz osłabienie efektu odciążenia przewodu wysokiego ciśnienia za pomocą zaworu odcinającego. W konsekwencji uzyskamy wzrost ciśnienia resztkowego w instalacji wtryskowej tłoczącej paliwa rzepakowe. Taki jest skutek wzrostu oporów hydraulicznych przepływu i zmniejszenia czynnych przekrojów przepływu w stosunku do wielkości geometrycznych. Zmniejszenie to, spowodowane lepkością i zjawiskiem kontrakcji, uwzględnia poprawkowy empiryczny współczynnik przepływu µ o występujący w równaniu Torricellego, określającym wydatek cieczy q, przepływającej przez przewężenie [3]: 2 p q = µ of (4) o ρ gdzie: q wydatek cieczy, µ o poprawkowy współczynnik przepływu, f o teoretyczny przekrój przepływu wyznaczony z wymiarów geometrycznych, p różnica ciśnienia panującego po obu stronach przewężenia, ρ pal gęstość paliwa. Zwiększone opory ruchu iglicy i wypływu paliwa przez otwory wylotowe rozpylacza powodują wzrost ciśnienia paliwa w chwili otwierania rozpylacza i w czasie wtrysku paliwa [19]. Wzrost tych ciśnień może w pewnym stopniu korzystnie rekompensować negatywny wpływ większej lepkości paliw rzepakowych na jakość ich rozpylania. W związku z tym w efekcie np. pogarszania się sprawności napełniania cylinderka elementu tłoczącego, dawka tłoczonego paliwa może nie tylko ulegać zmniejszeniu, ale mogą nawet wystąpić przerwy w zasilaniu silnika takim paliwem. Jednak możliwe jest również przeciwne oddziaływanie lepkości na wartość tłoczonej dawki paliwa. Mianowicie, wskutek zmniejszania się przecieków paliwa w elemencie tłoczącym i w rozpylaczu, dawka paliwa może nawet w pewnych warunkach wzrastać. Wiązać się to będzie z prędkością tłoczenia paliwa w elemencie tłoczącym, czyli prędkością obrotową wałka krzywkowego pompy wtryskowej. Wynika to z zależności Poiseuille'a (obowiązującej w laminarnym zakresie przepływu) [18]: gdzie: l 3 b p q = 12η L pal q wydatek paliwa, b szerokość szczeliny, l chwilowa wysokość szczeliny (luzu miedzy tłokiem i cylindrem), zmieniająca się pod wpływem ciśnienia, p różnica ciśnień na długości szczeliny, η pal lepkość dynamiczna paliwa, L długość szczeliny. pal (5)

8 328 W. Lotko Zwiększona lepkość paliwa rzepakowego będzie wpływać również na przebieg wzniosu iglicy wtryskiwacza, determinowanego oddziaływaniem ciśnienia paliwa pod iglicą i nacisku sprężyny powrotnej, które zmieniają się odpowiednio do drgań sprężystych paliwa w układzie wtryskowym. Wartość współczynnika tłumienia ruchu iglicy Θ można wyznaczyć na podstawie znajomości luzu między iglicą i korpusem rozpylacza oraz lepkości paliwa: χ Θ = (6) gdzie: 3 q p Θ współczynnik tłumienia, χ współczynnik tarcia wewnętrznego, q p przeciek paliwa w szczelinie między iglicą i korpusem rozpylacza. Natomiast χ wyraża poniższa zależność: gdzie: pη pal χ = (7) 12 χ współczynnik tarcia wewnętrznego, p przyrost ciśnienia, η pal lepkość dynamiczna paliwa, b szerokość szczeliny, L długość szczeliny. Wydłużanie czasu wtrysku ze wzrostem lepkości paliwa (przy zwiększaniu udziału oleju rzepakowego w oleju napędowym), mogące niekorzystnie wpływać na parametry silnika, stwierdzono m.in. w pracy [19]. Lepkość, oprócz napięcia powierzchniowego, jest istotnym czynnikiem determinującym proces rozpylania paliwa. Pod wpływem zaburzeń wywołanych siłami zewnętrznymi lub wewnętrznymi na powierzchni strugi paliwa tworzą się fale o rosnącej amplitudzie. W wyniku narastania amplitudy tych fal następuje rozpad paliwa na krople. Według wielu autorów rozpad strugi paliwa na krople, obserwowany bezpośrednio po opuszczeniu otworu wylotowego rozpylacza, spowodowany jest głównie zawirowaniami, które są generowane w otworze wylotowym. Wywołują one tzw. burzliwą pulsację paliwa, z intensywnymi, poprzecznymi ruchami jego cząstek. Energia pulsacji jest wprost proporcjonalna do gęstości paliwa i kwadratu umownej prędkości charakteryzującej stopień burzliwości strugi. Jest ona rozłożona nierównomiernie w poprzecznym przekroju strugi, gdyż jej większość jest skupiona w pobliżu obwodu strugi, co ułatwia odrywanie kropel paliwa od powierzchni. Średnica kropel, tworzonych kosztem energii burzliwej pulsacji, po opuszczeniu otworu wylotowego może być określona ze wzoru [3, 20]: b L

9 gdzie: cena opóźnienia samozapłonu silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim 329 d k średnica kropli, σ napięcie powierzchniowe, E p energia pulsacji, A stała zależna od rodzaju paliwa, η pal lepkość dynamiczna paliwa, ν w prędkość wypływu paliwa z rozpylacza. d k = E p 6 σ (8) Aη vw Przy stosowaniu paliw rzepakowych, o znacznie większej lepkości od oleju napędowego, a więc np. mieszanin oleju rzepakowego z olejem napędowym, można spodziewać się zmniejszenia przecieków takiego paliwa zarówno w elemencie tłoczącym, jak i we wtryskiwaczu. Przy stałym położeniu listwy sterującej pompy wtryskowej powinno to sprzyjać zwiększeniu objętościowej dawki paliwa rzepakowego. W rezultacie wpływ zwiększonej lepkości na objętość dawki paliwa tłoczonego przez pompę wtryskową nie jest jednoznaczny. Wielkość tej dawki będzie wypadkową zwiększonych oporów przepływu w zwężeniach układu wtryskowego i zmniejszonych przecieków paliwa w elemencie tłoczącym oraz we wtryskiwaczu [3]. Przy stałym położeniu listwy sterującej pompy wtryskowej objętościowa dawka tłoczonego paliwa jest funkcją zarówno rodzaju paliwa, jak i prędkości obrotowej pompy wtryskowej. A więc, przy mniejszych prędkościach obrotowych pompy wtryskowej objętość tłoczonego paliwa zwiększa się wraz z powiększaniem zawartości oleju rzepakowego, co jest skutkiem mniejszych przecieków w elemencie tłoczącym i we wtryskiwaczu. Przy większych prędkościach obrotowych jest widoczne zmniejszenie tłoczonej objętości paliwa zawierającego coraz więcej oleju rzepakowego, wskutek dominującego wpływu gorszego napełniania cylinderka elementu tłoczącego nad korzystnym zmniejszaniem się przecieków paliwa. Z powyższego wynika, że różna lepkość paliw rzepakowych może poprzez zmianę charakterystyki dawkowania pompy wtryskowej oddziaływać na przebieg momentu obrotowego silnika zasilanego takimi paliwami [3]. Wpływ stosowania paliw rzepakowych i paliw o różnych właściwościach fizykochemicznych na szczegółowe parametry wtrysku i rozpylania paliwa (mikrostrukturę strugi, zasięg strugi, kąt stożka strugi wtryskiwanego paliwa, średnicę kropel) omówiono szczegółowo w [3, 6, 12]. Na podstawie wyników badań własnych i analizy innych opracowań wynika, że większa lepkość paliw oddziałuje na: - wielkość dawki paliwa, - czas trwania wtrysku, - charakter otwarcia iglicy wtryskiwacza, - ciśnienie wtrysku, - parametry strugi rozpylonego paliwa, średnice kropel paliwa, opóźnienie samozapłonu. paal

10 330 W. Lotko To oddziaływanie stosowania estrów rzepakowych i ich mieszanin z olejem napędowym będzie naturalnie mniej wyraźne z uwagi na mniejszą lepkość w stosunku do czystego paliwa rzepakowego. Istotny wpływ na parametry procesu wtrysku i rozpylania ma szereg innych własności fizykochemicznych tych paliw, jak na przykład napięcie powierzchniowe i ich ściśliwość. 5. Stanowisko badawcze Schemat zastosowanego stanowiska badawczego zaprezentowano na rysunku 3. Rys. 3. Schemat stanowiska badawczego: 1 stacja robocza z wbudowaną kartą pomiarową KPI 3110 firmy Keithley, 2 przetwornik obrotowo impulsowy firmy Intron, 3 masowy przepływomierz paliwa, 4 badany silnik AD3.152, 5 hamulec silnikowy, 6 szafa sterowania hamulca i kontroli parametrów pracy silnika, 7 generator podstawy czasu, 8 moduł kontroli prędkości obrotowej wału korbowego, 9 wzmacniacz sygnału. Fig. 3. Diagram of the test stand: 1 computer with Keithley KPI 3110 measurement card, 2 encoder of crankshaft angle, 3 fuel flow meter, 4 tested engine AD3.152, 5 engine brake, 6 steering module of engine brake, 7 time base generator, 8 engine crankshaft speed control module, 9 amplifier of piezosensor signal.

11 cena opóźnienia samozapłonu silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim Wyniki badań Rysunek 4 przedstawia przykładowe przebiegi zmian ciśnienia: spalania w cylindrze p c =f(α), paliwa w przewodzie wtryskowym p w =f(α) i wzniosu iglicy h i =f(α) dla charakterystyki prędkościowej silnika AD3.152 zasilanego paliwem o składzie: 10% EMKR 90% N, pracującego w warunkach ustalonych przy prędkości obrotowej wału korbowego n=1600 obr/min. Rys. 4. Przebiegi szybkozmienne ciśnień p c =f(α), p w =f(α) i wzniosu iglicy h i =f(α) uzyskane dla silnika AD3.152 zasilanego paliwem o składzie: 10% EMKR 90% N, α dpt kąt dynamicznego początku tłoczenia paliwa. Fig. 4. ourses of high speed parameters p c =f(α), p w =f(α) and needle lift h i =f(α) obtained for AD3.152 engine fuelled with the fuel containing 10% EMKR and 90% diesel oil, α dpt angle of fuel pumping beginning. Uzyskane wyniki z badań pokazano na rysunkach Na rysunku 5 zestawiono przebiegi wzniosu iglicy h i =f(α) wtryskiwacza badanego silnika uzyskane dla jego charakterystyki prędkościowej. Z rysunków tych wynika, że istnieją niewielkie różnice w charakterze wzniosu iglicy h i =f(α) rozpylacza dla silnika zasilanego badanymi paliwami. Widać również, że na charakter zmian h i =f(α) ma wpływ prędkość obrotowa wału napędzającego pompę wtryskową. Różnice w gęstości badanych paliw rzędu 1,4% wykazują również niewielkie zmiany charakteru krzywych narastania ciśnienia wtrysku [ p=f(a)].

12 332 W. Lotko a) 0.4 h i [mm] 0.3 n=1000 [obr/min] 30%EMKR - 70%N 20%EMKR - 80%N 10%EMKR - 90%N 0%EMKR - 100%N b) h i [mm] α [ WK] n=1200 [obr/min] 30%EMKR - 70%N 20%EMKR - 80%N 10%EMKR - 90%N 0%EMKR - 100%N α [ WK] c) 0.4 h i n=1400 [obr/min] [mm] %EMKR - 70%N 20%EMKR - 80%N 10%EMKR - 90%N 0%EMKR - 100%N α [ WK] Rys. 5. Przebiegi wzniosu iglicy rozpylacza silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami uzyskane dla prędkości obrotowej wału korbowego: a) n=1200 obr/min, b) n=1400 obr/min, c) n=1600 obr/min. Fig. 5. ourses of the nozzle needle lift of AD3.152 engine fuelled with the investigated fuels for crankshaft speed: a) n=1000 rpm, b) n=1200 rpm, c) n=1400 rpm.

13 cena opóźnienia samozapłonu silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim 333 Z zestawienia danych na rysunku 6 widać jednak zauważalne zmiany przyrostu ciśnienia wtrysku p wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wału korbowego silnika. Różnice te pokazano na rysunku 7. a) 35 p w [MPa] %EMKR - 70%N 20%EMKR - 80%N 10%EMKR - 90%N 0%EMKR - 100%N n=1000 [obr/min] b) 0 p 35 w [MPa] α [ WK] 30%EMKR - 70%N 20%EMKR - 80%N 10%EMKR - 90%N 0%EMKR - 100%N n=1200 [obr/min] c) 0 p 35 w [MPa] α [ WK] 30%EMKR - 70%N 20%EMKR - 80%N 10%EMKR - 90%N 0%EMKR - 100%N n=1400 [obr/min] α [ WK] Rys. 6. Przebiegi zmian ciśnienia we wtryskiwaczu silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami uzyskane dla prędkości obrotowej wału korbowego: a) n=1000 obr/min, b) n=1200 obr/min, c) n=1400 obr/min. Fig. 6. ourses of pressure in the injector of AD3.152 engine fuelled with the investigated fuels for crankshaft speed: a) n=1000 rpm, b) n=1200 rpm, c) n=1400 rpm.

14 334 W. Lotko p w [MPa] %EMKR - 100%N 10%EMKR - 90%N 20%EMKR - 80%N 30%EMKR - 70%N n [obr/min] Rys. 7. Przyrosty ciśnienia w przewodzie wtryskowym silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami dla jego charakterystyki prędkościowej. Fig. 7. Pressure rise in the injection pipe of the AD3.152 engine fuelled with investigated fuels for engine speed characteristic. Ponadto zestawienie wyników p=f(a) (rys. 6) pokazuje wartości kąta dynamicznego początku tłocznia paliwa α dpt (rys. 4) - rosnące wraz ze zwiększaniem prędkości obrotowych silnika. Rysunek 8 pokazuje zmiany okresu opóźnienia samozapłonu τ s =f(α) badanych paliw dla parametrów charakterystyki prędkościowej silnika AD t [s] %EMKR - 100%N 10%EMKR - 90%N 20%EMKR - 80%N 30%EMKR - 70%N n [obr/min] Rys. 8. kresu opóźnienia samozapłonu silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami dla jego charakterystyki prędkościowej. Fig. 8. Selfignition delay of the AD3.152 engine fuelled with investigated fuels for engine speed characteristic.

15 cena opóźnienia samozapłonu silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim 335 Nieznaczne różnice w gęstości i lepkości badanych paliw przy ich porównywalnej liczbie cetanowej i wartości opałowej, praktycznie nie wykazują zmian w okresie opóźnienia samozapłonu badanego silnika z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Wreszcie na rysunkach 9 i 10 zestawiono charakterystyki prędkościowe M e =f(n), N e =f(n) dla silnika AD3.152 zasilanego olejem napędowym i porównawczo mieszaninami EMKR z olejem napędowym. M e [Nm] %EMKR - 100%N 10%EMKR - 90%N 20%EMKR - 80%N 30%EMKR - 70%N n [obr/min] Rys. 9. Prędkościowa charakterystyka momentu obrotowego silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami. Fig. 9. Speed characteristic of torque of the AD3.152 engine fuelled with investigated fuels. N e [kw] %EMKR - 100%N 10%EMKR - 90%N 20%EMKR - 80%N 30%EMKR - 70%N n [obr/min] Rys. 10. Prędkościowa charakterystyka mocy efektywnej, silnika AD3.152 zasilanego badanymi paliwami. Fig. 10. Speed characteristic of effective power of the AD3.152 engine fuelled with investigated fuels. Zależności pokazane na rysunkach 9 i 10 wskazują, że zasilanie badanego silnika kolejno mieszaninami estru rzepakowego EMKR z olejem napędowym nie powoduje istotnych zmian wartości momentu obrotowego i mocy efektywnej. W przypadku porównania przebiegów momentu obrotowego stwierdzone różnice względne nie

16 336 W. Lotko przekraczają wartości 2.5 % przy prędkości obrotowej n=1400 obr/min i mieszczą się w granicach błędu pomiaru metody 7. Podsumowanie W zasianiu silnika AD3.152 z wtryskiem bezpośrednim mieszaninami oleju napędowego z estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego (produkcji Rafinerii Trzebinia) nie zaobserwowano istotnych zmian parametrów charakterystyki prędkościowej M e = f(n), N e = f(n). Stosowanie paliwa EMKR do oleju napędowego powoduje szereg przeciwstawnych zjawisk w procesie wtrysku paliwa: - większe opory przepływu, - większe opory ruch iglicy rozpylacza, - większe opory wypływu paliwa z rozpylacza, - mniejsze przecieki paliwa w procesie jego tłoczenia, - większe ciśnienia paliwa w chwili otwierania iglicy rozpylacza, - gorsze rozpylanie paliwa (większa lepkość), - większy zasięg strugi rozpylanego paliwa, - wzrost wartości kąta strugi rozpylanego paliwa, - większe opory aerodynamiczne wtryskiwanego paliwa, i spalania: - krótszy okres opóźnienia samozapłonu dla wysokich temperatur w komorze spalania, - mniejszy stopień przyrostu ciśnienia spalania (dp c /dα), - mniejszy hałas silnika. Przeprowadzona analiza uzyskanych wyników badań wykazała, że wraz ze wzrostem zawartości paliwa EMKR w oleju napędowym, rośnie jego gęstość, a występujące różnice w wartościach momentu obrotowego i mocy efektywnej badanego silnika z wtryskiem bezpośrednim AD3.152 mieszczą się w granicach błędu pomiaru metody badawczej. Literatura [1] NNENMAN J.: Biodiesel in Europe Fuels nd International olloqium, Technische Akademie Esslingen [2] ULSHAV F, A.: The Potential of Biodiesel from ilseed Rape. Proceedings of J. Mech. E. Journal of Power and Energy, 1993, Vol [3] SZLAHTA Z.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi. WKŁ, Warszawa [4] LTK W.: Zasilanie silników spalinowych paliwami alternatywnymi. ITE, Radom, [5] LTK W.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami węglowodorowymi i roślinnymi. WNT, Warszawa [6] LTK W.: Studium zastosowań paliw alternatywnych do silników o zapłonie samoczynnym. ITE, Radom [7] GERING. E.; SHWAB A. W.; DAUGHERTY M. J: PRYDE E. H; HEAKIN A.: Fuel properties of eleven vegetable oils. Transactions of the Society of Agricultural Enginieers, 1982.

17 cena opóźnienia samozapłonu silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim 337 [8] ZIEJEWSKI M.; GETTLER H. J.: Reduced injection needle mobility caused by lacquer deposits fuel injection nozzle for alternate fuels. SAE Technical Paper 1988, No [9] PĄGWSKI Z.; WIŚLIKI B.; KRZYŻANWSKI R.; ZAWADZKI A.: Paliwo rzepakowe-alternatywy strategiczne. Mat II Symp. Silniki spalinowe w zastosowaniach wojskowych, Warszawa [10] VELLGUTH G.: Performance of vegetable oils and their monoesters as fuels for diesel engines, SAE Transactions, 1983, No [11] WILSN D.: Improving the quality of RME by the use of performance chemicals. FUELS, Ist Internationaal olloqium Technische Akademie Esslingen, [12] KWALEWIZ A.: Wybrane zagadnienia samochodowych silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom [13] HENEIN N. A., ZAHDEH R. R., XASSINE M. K., BRYZIK W.: Diesel engine cold starting combustion instability. SAE Transactions, 1992, No [14] KWALEWIZ A.: Systemy spalania szybkoobrotowych silników spalinowych. WKŁ, Warszawa [15] KAMPMMAN K., PRATT G., ZIEJEWSKI M., GETTLER H.: Fuel injection anomalies observed during long-term engine performance tests on alternate fuels. SAE Transactions, 1985 No [16] WAGNER L. E., LARK S. J., SHRK M. D.: Effects of soybean esters on the performance lubricating oil, and water of diesel engines. SAE Transactions, 1984 No [17] KWALEWIZ A., LTK W.: Performances and same combustion charakteristics of I engines fuelled with rape oil and its ester. 21 st International ongres on ombustion Engines IMA Interlaken 1995, paper D 54. [18] FALKWSKI H., HAUSER G., JANISZEWSKI T., JASKUŁA.: Układy wtryskowe silników wysokoprężnych. WKŁ, Warszawa [19] ZABŁKI M., SWA K., SĘDZIK M.: Analiza wpływu oleju rzepakowego na działanie aparatury wtryskowej silnika wysokoprężnego. Prace Politechniki Krakowskiej nr 467/IPSiSS/90, Kraków [20] ZABŁKI M.: Wtrysk i spalanie paliwa w silnikach wysokoprężnych. WKŁ, Warszawa Estimation of self-ignition delay of a direct-injection diesel engine fuelled with mixtures of diesel oil and rapeseed methyl esters S u m m a r y The paper presents results of investigation on an AD3.152 engine fuelled with diesel oil and, comparatively, with its mixtures with rapeseed oil methyl esters. The main goal of this work was an estimation of self-ignition delay of a direct injection diesel engine. The investigations were done to compare this parameter with other chosen injection process parameters as well as speed courses obtained at fuelling the engine with pure diesel oil and its mixtures with rapeseed oil methyl esters produced by Trzebinia Refinery.