Wpływ ruchu ładunku w kolektorze ssącym na przebieg procesu spalania w silniku o zapłonie samoczynnym

Transkrypt

1 Tomasz Borowczyk Politechnika Poznańska Instytut Silników Spalinowych i Transportu Stypendysta projektu pt. Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski, Poddziałanie Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki. Wpływ ruchu ładunku w kolektorze ssącym na przebieg procesu spalania w silniku o zapłonie samoczynnym 1. Opis ogólny pracy Kierunki rozwoju współcześnie produkowanych silników zmierzają zasadniczo do zmniejszenia emisji składników toksycznych spalin, minimalizację zużycia paliwa, poprawę innych parametrów pracy silnika (np. zwiększania stopnia koncentracji mocy - downsizing) etc. Do spełnienia powyższych celów używa się różnorakie środki konstrukcyjne m.in. układy oczyszczania spalin, turbodoładowanie, wysokociśnieniowe układy wtryskowe. Poszukuje się również możliwości poprawy i optymalizacji procesu spalania w silniku. To właśnie możliwości poprawy procesu spalania wpłynęły na wybór tematu przez autora. Należy zaznaczyć, że w pracy ograniczono się ze względu obszerności zagadnienia do rozważań oraz badań z zakresu silników o zapłonie samoczynnym (dalej zwanych ZS) pomijając silniki o zapłonie iskrowym (ZI). Optymalny przebieg procesu spalania w silniku o ZS (rys. 1) zależy od trzech podstawowych czynników: parametrów konstrukcyjnych silnika, rodzaju i parametrów wtrysku paliwa oraz rodzaju i właściwości paliwa.

2 Rys. 1. Czynniki determinujące optymalny przebieg spalania w silniku o ZS Tematyka poruszanych zagadnień w rozprawie skupia się na wybranych dwóch parametrach konstrukcyjnych: geometrii układu dolotowego oraz układu rozrządu. Podjęto rozważania, jaki ma wpływ zmiana parametrów ruchu ładunku w kolektorze dolotowym (poprzez zastosowanie wybranego środka konstrukcyjnego) na przebieg procesu spalania. 2. Wpływ na aktualny stan wiedzy Istotnym jest przedstawienie nowatorskiego podejścia do rozważań na temat wpływu ruchu ładunku na proces spalania. W istniejących konstrukcjach oraz w informacjach zawartych literaturze, w odniesieniu do silników o ZS istnieje praktycznie jeden nurt rozumowania w odniesieniu do ruchu ładunku. Dotyczy on wykorzystania pędu cząsteczek powietrza do oddziaływania na strugę wtryskiwanego do cylindra paliwa. Jednym z możliwości wykorzystania ruch ładunku jest równomierne rozprowadzenie rozpylanego paliwa w całej objętości cylindra (rys. 2). Rys. 2. Ruch powietrza w kolektorze ssącym i komorze spalania silnika

3 Kształt układu dolotowego i komory spalania (w tym przede wszystkim denka tłoka) wpływają na kierunek ruchu cząsteczek wywołując ruch powietrza (o silnie turbulentnej strukturze) w płaszczyźnie poziomej (swirl) i pionowej (tumble) a także wykorzystując wyciskające działanie tłoka (squish). Ruch powietrza ponadto jest wykorzystywany do odziaływania na kropelki paliwa wspomagając mechanizm rozpylania. Powyższe podejście jest słuszne a środki konstrukcyjne pozwalające oddziaływać na ruch powietrza są skutecznym sposobem poprawy procesu spalania. Jednakże, należy zastanowić się, co jeszcze może mieć wpływ na spalanie? Czy obecne podejście wyczerpuje zagadnienie? Ponieważ spalanie jest jednym z typów rekcji chemicznych należy oczekiwać, że oddziałując na parametry reakcji możemy wpływać na jej przebieg. Odpowiedź na to, co zrobić by oddziaływać na proces spalania znajdujemy w dziale kinetyki reakcji chemicznych. Z tej obszernej dziedziny chemii wynika, że szybkość reakcji chemicznych zależy przede wszystkim od stężenia substratów reakcji (w przypadku silnika: powietrza i paliwa). Wynika również, że szybkość spalania zależy od temperatury (wg formuły Arrheniusa). Te wnioski są również wykorzystywane dotychczas w odniesieniu do silnika, a odnoszą się przede wszystkim do odpowiedniego stopnia sprężania gwarantującego wystąpienia samozapłonu. Jednak pomija się dyskusję nad tym, że szybkość reakcji zależy również od stanu ruchu substratów, co powiązane jest z teorią absolutnej szybkości reakcji. Ze względu na zwięzłość streszczenia ograniczono się do przedstawienia wniosków płynących z tej teorii. Z rozważań wynika, iż należy poszukiwać środków konstrukcyjnych, które umożliwiają kontrolowane oddziaływanie na kinetykę reakcji chemicznych spalania w odniesieniu do ruch cząsteczek substratów (paliwa i powietrza). Nowatorskość tego podejścia (zawartego w rozprawie) w odniesieniu do obecnego stanu wiedzy przedstawiono na rysunku 3. a) b) Rys. 3 Cel oddziaływania na ruch ładunku: a) definiowany dotychczas, b) nowatorskie podejście autora

4 Powyższy wniosek stanowi zarazem, cel główny pracy. Za środek konstrukcyjny, służący do oddziaływania na ruch ładunku przyjęto przesłonę w kolektorze dolotowym, której zadaniem jest zwiększanie prędkości napływu ładunku do cylindra. Schemat stanowiska oraz konstrukcję przesłony spiętrzającej przedstawiono na rys. 4. Widok stanowiska pomiarowego z wyszczególnioną przesłoną przedstawiono na rys. 5. Rys. 4. Schemat stanowiska pomiarowego i konstrukcja przesłony spiętrzającej Rys. 5. Stanowisko badawcze, silnik S.B 3.1 z zamontowaną przesłoną (czerwony obszar) Autor zdjęcia: Tomasz Borowczyk Oczekuje się, że zmiana prędkości napływu czynnika wpływa na zmianę kinetyki chemicznej spalania, co oceniane jest poprzez pomiar stężenia składników spalin. Badania dla różnych parametrów silnika wykazały, że następuje zmiana emisji składników toksycznych spalin wraz z przymykaniem przesłony. Przykładowo w odniesieniu do NO x (rys. 6) w całym obszarze charakterystyki silnika uzyskano wzrost emisji, świadczący o wzroście temperatury spalin, zatem o wpływie na przebieg reakcji spalania.

5 Rys. 6. Względna zmiana emisji NO x w zależności od prędkości obrotowej i obciążenia silnika Przesłona jest więc skutecznym środkiem do oddziaływania na proces spalania. Podczas przymykania przesłony maleje strumień powietrza dostarczanego do cylindra (2-8%). W wyniku tego zjawiska zmienia się funkcja stężeń w reakcji spalania. Aby oddzielić efekt zmiany funkcji stężeń od efektu związanego z wpływem na kinetykę chemiczną postanowiono zastosować układ doładowujący, którego zdaniem jest utrzymanie wydatku powietrza na stałym poziomie. 3. Cel utylitarny i możliwości wykorzystania efektów pracy w praktyce Oprócz celu naukowego zdefiniowanego powyżej, w toku realizacji rozprawy postawiono sobie również cel utylitarny. Jest on związany z wykorzystaniem otrzymanych rezultatów w praktyce. Ponieważ przesłona spiętrzająca posiada pewne ograniczenia konstrukcyjne, związane w szczególności z czasem przesterowania, by móc myśleć o aplikacji pomysłu, należy wprowadzić inny, znacznie szybciej działający środek konstrukcyjny. Stąd też zdecydowano się podjąć próbę oddziaływania na prędkość ruchu ładunku (kinetykę chemiczną) poprzez wpływ na zmianę przebiegu wzniosu zaworu dolotowego. Dostrzeżono, że można uzyskać efekt konfuzora, czyli zmniejszenia przekroju przepływowego (tak jak miało to miejsce przy zastosowaniu przesłony) przez przymknięcie zaworu podczas jego ruchu. Idę tę przedstawiono na rysunku 7.

6 Rys. 7. Proponowany przebieg wzniosu zaworu dolotowego pozwalającego uzyskać efekt konfuzora obszar wypełniony kolorem czerwonym, na tle krzywkowego napędu lina przerywana Realizacja takiego ruchu zaworu jest możliwa przy wykorzystaniu elektrohydraulicznego układu rozrządu. W skład takiego sytemu wchodzi elektrohydrauliczny rozdzielacz, siłownik oddziałujący na trzonek zaworu oraz układ sterowania. Rozdzielacz elektrohydrauliczny zgłoszono do uzyskania patentu (nr zgłoszenia WIPO ST 10/C PLP ). Ponieważ udało się zaproponować gotowe rozwiązanie konstrukcyjne, istnieje możliwość wykorzystania wyników w praktyce. Autor widzi kilka możliwości w odniesieniu do Województwa Wielkopolskiego. Po pierwsze produkcję rozdzielacza elektrohydraulicznego możliwa byłaby w firmie WSK POZNAŃ, która posiada odpowiedni park maszynowy, zaplecze technologiczne i konstrukcyjne. Podjęto wstępne rozmowy z firmą WSK. Po drugie ideę oraz gotowe rozwiązanie można przedstawić innej Wielkopolskiej firmie HCP Cegielski, która mimo ciężkiej sytuacji wciąż poszukuje możliwości poprawy i konkurencyjności swoich produktów, jakimi są silniki agregatowe na paliwo ciekłe i gazowe. Ponadto, gdyby udało się wdrożyć pomysł, uaktywnienie innych Wielkopolskich firm byłoby możliwe. Mowa tutaj o firmach zajmujących się produkcją układów sterujących jak i inne przedsiębiorstwa wytwarzające np. elementy polimerowe przydatne w konstrukcji układu.