DOBOR PARAMETROW REGULACYJNYCH DWUPALIWOWEGO SILNlKA 0 ZAPLONIE SAMOCZYNNYM ZASILANEGO GLOWNIE CIEKLYM GAZEM PROPAN-BUTAN

Transkrypt

1 Journal ofkones. Combustion Engines ol 8 No DOBOR PARAMETROW REGULACYJNYCH DWUPALWOWEGO SLNlKA ZAPLONE SAMOCZYNNYM ZASLANEGO GLOWNE CEKLYM GAZEM PROPANBUTAN Slawomir Luft Politechnika Radomska nstytut Eksploatacji Pojazdow i Maszyn Streszczenie. W Zaldadzie Silnik6w Spalinowych i Pojazd6w Politechniki Radomskiej przebadano dwupaliwowy silnik zasilany g6wnie mieszanina gaz6w propanbutan. Badania przeprowadzono w warunkach sporzadzania charakterystyk obciazeniowych silnika dla roznych reguacji wartosci inicjujacej zapon dawki oleju napedowego i roznych regulacji kata wyprzedzenia wtrysku tej dawki. Podczas badan mierzono zawartosc sldadnik6w w spalinach. Zaobserwowano ze wartosc tych parametr6w regulacyjnych wyraznie wplywa na maksymalny moment obrotowy sprawnosc ogolna silnika oraz zawartosc sldadnik6w w spalinach. Badania pozwolily na wyb6r najkorzystniejszych regulacji ze wzgledu na osiagany moment obrotowy sprawnosc oraz zawartosc sldadnik6w w spalinach. 1. WstfP Mieszanina gazow propanbutan (w fazie cieldej LPG) jest popularnym paiwem stosowanym do zasilania silnikow zaplonie iskrowym. Popularnosc tego paliwa wynika z nastepujacych jego cech: Duza wartosc liczby oktanowej dla mieszaniny 5%5% propanbutan LOB := 14 [1]. Wartosc opatowa mieszaniny stechiometrycznej z powietrzem W = MJm 3 [1]. Cecha ta stwarza szanse na uzyskanie podobnej mocy przez silnik zasilany LPG i benzyna Mozliwosc przewozenia i magazynowania mieszaniny LPG w stanie cieklyrn wobec stosunkowo niewysokich cisnien par nasyconych w spotykanych w naszym klimacie temperaturach otoczenia. Cisnienie to wynosi od ok. 1 bara do ok. 1 barow w zakresie temperatur 1O+5 C [2]. Korzystniejszy sklad spalin charakterystyczny dla paliw gazowych. Nizsza cenajednostkowa energii tego paliwa w porownaniu z cena benzyny. Ta ostatnia cecha jest glowna przyczyna gwaltownego WZTOstu popularnosci stosowania tego paliwa w Polsce. Omawiane cechy paliwa LPG uzasadniaja rowniez mozliwosc stosowania tego paliwa do silnikow zaplonie samoczynnym niezbyt wysokim stopniu sprezania bowiem: wartosc opalowa mieszaniny stechiometrycznej oleju napedowego z powietrzem W = MJm 3 [2] podobna do podanej wyzej wartosci dla LPG stwarza rowniez szanse na uzyskanie porownywalnej mocy przez silnik zasilany LPG i olejem napedowym paliwo rnoze bye przewozone i magazynowane w stanie cieklym pod cisnieniem ok. 1 barow duza wartosc liczby oktanowej pozwala na sprezanie mieszaniny gazow propanbutan z powietrzem w silniku ZS niezbyt wysokim stopniu sprezania bez obawy 53

2 wystepowanie przedwczesnych zaplonow oraz po zapaleniu mieszaniny palnej rokuje poprawne bezstukowe spalanie tego paliwa paliwa gazowe stosowane do silnikow ZS poprawiaja sklad spalin tychi:e silnikow ni:i:sza cena jednostki energii tego paliwa w porownaniu z cena oleju napedowego powinna rowniez bye cecha zachecajaca do stosowania tego paliwa. Cena jednostki energii oleju napedowego wynosi ok. CoN = 7 zllmj Oak wspomniano wyzej dla LPG CLPG = 58 zllmj). Analiza literatury wskazuje :i:e coraz czesciej dokonuje sie prob zasilania silnikow spalinowych ubogimi homogenicznymi mieszaninami paliw gazowych i powietrza. Z publikacji tych wynika ze rozpatrywane Sl\. dwa systemy zaplonu tj iskrowy [3 4] i od inicjujacej zaplon dawki oleju napedowego [ Ten pierwszy jest korzystny ze wzgledu na jednopaliwowosc silnika. Wymaga jednak stosowania specjalnych rozwiazan systemu zaplonowego ze wzgledu na trudnosc zaplonu ubogich mieszanin od iskry. Problem ten nie wystepuje w silniku zaplonie od inicjujacej dawki oleju napedowego. Jednak silnik musi bye wtedy zasilany jednoczesnie dwoma paliwami. W Zakladzie Silnikow Spalinowych i Pojazdow Politechniki Radomskiej przeprowadzono wstepne badania prototypowego ukladu zasilania silnika HC2 (silnika ZS z wtryskiem bezposrednim) paliwem propanbutan z zaplonem od inicjujacej dawki oleju napedowego 2. Zasada pracy dwupaliwowego silnika ZS zasilanego glownie mieszanina gazu LPG i powietrza W celu umo:i:liwienia spalania gazu LPG w silniku zaplonie samoczynnym dokonano modyfikacji ukladu zasilania jednocylindrowego silnika HC12 produkowanego w WSW Andrych6w. Przyjeto zasade mo:i:liwie najmniejszej ingerencji w konstrukcje silnika. Zdecydowano na modyfikacje jedynie ukladu zasilania polegajaca na zastosowaniu odparowywacza cieklego LPG przy u:i:yciu typowego dla silnik6w Z reduktora firmy Lovato z wykorzystaniem ciepla z ukladu chlodzenia silnika. dea tego systemu przedstawiona zostala na rys.. zaw6r ) odcinajl\cy reduktor odparowywacz zaw6r mieszalnik gazu r CY propanbutan! Z powletrzem r! i : ON pompa wtryskowa cieczz ladu chlodzenia Rys. 1. Schemat ukladu zastlania silnika ZSprzystosowanego do zasilania mieszaninq gazowlpg 54

3 Mieszanina gazu LPG i powietrza doprowadzana jest do cylindra silnika w procesie suwu zasysania i pod koniec suwu sprezania zapala sie od inicjujacej zaplon dawki oleju napedowego. Wtrysk tej dawki realizowany jest przy uzyciu standardowej dla silnika HCl2 aparatury paliwowej. Opisany spos6b umozliwia zasilanie silnika ZS glownie mieszanina gazu LPG i powietrza zas modyfikacja jego konstrukcji ogranicza sie do zastosowania systemu zasilania w formie przystawki charakterystycznej dla silnik6w zaplonie iskrowym. 3. Procedura i wyniki badan W trakcie badan wykonano szereg charakterystyk obciazeniowych silnika zasilanego standardowo i dwupaliwowo. Charakterystyki te sporzadzono dla trzech roznych predkosci obrotowych silnika (n = 15 obrmin n2 = 18 obrmin n3 =22 obrmin) trzech roznych regulacji kata wyprzedzenia wtrysku inicjujacej zaplon dawki oleju napedowego (a.w = 2 WK przed GMP a.w2 =25 WK przed GMP Uw3 =3 WK pried GMP) oraz trzech roznych wartosci tej dawki (dr =: 17 gcykl d2 =: 24 gcykl d3 =: 32 gcykl). W trakcie badan mierzono zuzycie obu paliw oraz zawartosci skladnikow w spalinach. Wyniki pomiar6w zuzycia obu paliw pozwolily na sporzadzenie szeregu charakterystyk obciazeniowych jednostkowego zuzycia energii. Zestawiono je w tabeli rys n =15 obrminl n =18 obrminl n =22 obrminl.. _.... Rys. 2.. T:::::: <:L =2 ::t=.._. a' \.. J>. \: b W OWl< y 1' ' przed. GMP t> <:L =25 OWl<. : :1 _..._. _... t+:. T:::::: _ a..loo 1\ \: przed 't K; '>: L GMP.' f>i: : 11.: ': _ a._! 1l.U:1..._. _... ::t=. <:L =3. 1\ OWl< przed GMP *_ l.. 1 T?.. Porownanie jednostkowego zuzycia energu g*[jlwsj i. ch analiza pozwolila na okreslenie maksymalnych wartosci momentu obrotowego M badanych wersji silnik6w przy przyjetych regulacjach kata wyprzedzenia wtrysku inicjujacej 55

4 zaplon dawki oleju napedowego <lw oraz wartosci tej dawki dion Charakterystyki pr\!dkosciowe maksymalnego momentu obrotowego M i jednostkowego zuzycia energii ge* Analiza zamieszczonych w tabeji rys. 2 przebiegow charakterystyk obciazeniowych jednostkowego zuzycia energii pozwolila na sporzadzenie ograniczonych do trzech punktow charakterystyk maksymalnego momentu obrotowego. Charakterystyki te wraz z odpowiadajacymi im charakterystykami jednostkowego zuzycia energii g.* zestawiono na rys. 3 zas charakterystyki sprawnosci ogolnej silnika 1] na rys. 4. _ 5 [Nm] 55. '. lfl +lflo;d1 \ r '\ l'\. )ij. ON+lPG cq: ON+JG cd ' P'. v v 7.' [lwsj 1' l2 23 n [obrminj Rys. 3. Zarejestrowane w trakciesporzqdzania charakterystyk obciqzeniowych maksymalne wartosci momentu obrotowego M stlnika zasilanego standardowo (a; 3'OWKprzed GMP) i zasilanego dwupaliwowo (a; = 2'OWKprzed GMP) oraz odpowiadajqce im wartosci jednostkawego zuzycta energii ge* [1].3.25 ' '. + ON+1JlG dl '_' ON+L.PG d3 t'. < r.15.' eoo n (obrmin) Rys. 4. Charakterystyki zmian sprawnosci ogolnej 1] w funkcji predkosci obrotowejsilnika n Okazuje sie ze silnik zasilany standardowo uzyskuje maksymalne wartosci momentu obrotowego dla kata wyprzedzenia wtrysku inicjujacej zaplon dawki oleju napedowego U w3 = 3 WK przed GMP zas silnik zasilany dwupaliwowo Uw2 =2 WK przed GMP dla kazdej ze stosowanych wartosci inicjujacej zaplon dawki oleju napedowego. Analiza przebiegu krzywych jednostkowego zuzycia energii wykazuje ze korzystna z punktu widzenia maksymalnej sprawnosci ogolnej jest wartosc d2 inicjujacej zaplon dawki oleju napedowego. Jej przyjecie skutkuje wprawdzie obnizeniem wartosci maksymalnego 56

5 momentu obrotowego w zakresie mniejszych predkosci obrotowych w por6wnaniu do wartosci maksymalnych przy stosowaniu dawki d 3 lecz wyraznie wplywa na poprawe sprawnosci og61nej silnika (obnizenie jednostkowego zuzycia energii So*). Do dalszych porownan przyjeto zatem jedynie wyniki badan silnika zasilanego standardowo oraz dwupaliwowo z dawka ds z tytulu najwyzszych osiaganych wartosci momentu obrotowego oraz d 2 z tytulu uzyskania przy tej regulacji maksymalnej wartosci sprawnosci ogolnej silnika Por6wnanie zawartosci skladnik6w w spalinach W trakcie sporzadzania charakterystyk rejestrowano rowniez w poszczegolnych punktach pomiarowych zawartosci CO HC NO. oraz zadymienie spalin. Wyniki zestawiono na rys. 5. co.! +. ON+LPG d2 CW+LPG cd. <; < ' !1OD n [o:witrirol OH+LPG d2 ON+lPGd3 r. t r He (ppm] ' '5 + OH. ON+LPG d2 tm+lpg cd <> ::::: ' D '\ < < < ' +. ON+lPG d2 ' n[obrfmin] ' '4 15 HOO n) n(.fmi Rys. 5. Zawartosci CO HC. NO w spalinach oraz zadymienie spalin D odpowiadajqce maksymalnym wartosciom momentu obrotowego silnika zasilanego standardowo (a; 3 WKprzedGMP) i zasilanego dwupaliwowo (a; = 2 WKprzed GMP) Z punku widzenia poprawy zawartosci skladnikow w spalinach wydaje sie iz najkorzystniejszaregulacja wartosci inicjujacej zaplon dawki oleju napedowego jest dawka d2 tym bardziej ze towarzyszy jej wyrazna poprawa sprawnosci ogolnej silnika. Zarejestrowane przy przyjetej regulacji kata wyprzedzenia wtrysku awl = 2 OWK przed GMP i wartosci inicjujacej zaplon dawki oleju napedowego d 2 := 24 glcykl zawartosci skladnikow w spalinach odpowiadajace charakterystykom obciazeniowych silnika dwupaliwowego porownano z odpowiednimi zawartosciami dla silnika zasilanego standardowo przy jego standardowej regulacji kata wyprzedzenia wtrysku a w = 3 OWK przed GMP. Charakterystyki te zestawiono na rys

6 a nol!oc_ e n.1sdodb* A CH ' r \ '\ T '. '..;. oo oo oo N. 1.._ '*. 1 :ll 3 «. 6l ld '... llo_.'....y'. ;: k<»«:. ) j :' oo N e.11_ 1f X X ll X Ol. $.l1lllo_. oo A'l'l r: '. '1._ ( '\ X Jl 4 fig ll ( ' a ' [p1. a 2._ 1;. om oo oo oo oo oo!o ld X Jl. lll. A oo r ld 2 ' 4D 1 1 M N '\ _.''''. J.J '. l ld:l3 «llltd lo:jlllll4llllllml 1:1:11 4 ll 11.1*1.1*<1.PMo Rys. 6. Porownanie zawartosci CO HC NO. w spalinach oraz zadymienie spalin D silnika zasilanego standardowo (a; = 3 'OWKprzed GMP) i zasilanego dwupaliwowo (a; = 2 'OWKprzedGMP intcjujqcq zapon dawka oleju napedowego d i1 O24 glcykl) Wnioski 1. Wartosci inicjujacej zaplonu dawki oleju napedowego d oraz kata wyprzedzenia wtrysku tej dawki silnie wplywaja na osiagany moment obrotowy silnika jego sprawnosc ogolna oraz zawartosc podstawowych skladnik6w w spalinach. 2. Wyb6r inicjujacej zaplon dawki oleju napedowego d 2 = 24 glcykl oraz kata wyprzedzenia wtrysku tej dawki CXwl = 2 WK przed GMP skutkuje podwyzszeniem osiaganego momentu obrotowego silnika ok. 5+1% w calym zakresie przyjetych do badan predkosci obrotowych silnika oraz podwyzszeniem sprawnosci og61nej przy 58

7 pelnych obciazeniach silnika z wartosci T\oON = 16+22% do T\oON+LPG = 24+32%. 3. Badany dwupaliwowy silnik z opisanymi w p. 2 regulacjami kata wyprzedzenia wtrysku oraz wartoscia inicjujace] zaplon dawki oleju napedowego w porownaniu z rozwiazaniem standardowym charakteryzuje sie zmniejszeniem emisji CO w zakresie pelnych obciazen podwyzszona zawartoscia HC w zakresie czesciowych obciazen przy zachowaniu podobnego poziomu emisji d1a pelnych obciazen obnizeniem emisji NO. szczegolnie zakresie obciazen czesciowych obnizeniemzadymiania spalin. Literatura 1. Kowalewicz A: Systemy spalania tlokowych silnikow spalinowych. WKiL Warszaws Jarczewski M.: Gaz propanbutan jako paliwo silnikowe. Biuletyn.Rzeczoznawcs Samochodowy PZM Nr 12' Kowalewicz A Pawlak G. Rozycki A: Lean Operating Limit of Spark gniotion Engine Fuelled with Different Homogeneous Mixtures. The Fourth nternational Symposiurr COMODA'98 Proceedings Japan Koyoto Duclos J.M. Zolver M.: 3D Modeling of ntake njection and Combustion in DS] Engine under Homogeneous and Stratified Operating Conditions. The Fourth nternationa Symposium COMODA'98 Proceedings Japan Koyoto Kusaka J. Daisno Y. Kihara R. Saito T.: Combustion and Exhaust Gas Emissior Characteristicsofa Diesel Engine DualFuelled with Natural Gas. The Fourth nternationa Symposium COMODA'98 Proceedings Japan Koyoto Ogawa H. Chenyu L. Tosaka S. Fujiwara Y. Miyamoto N.: Combustion Mechanisrr Analysis with nchamber Gas Composition Measurements in a Premixed Lear Compression gnition Engine. The Fourth nternational Symposium COMODA'9! Proceedings Japan Koyoto Furutani M. Ohta Y. Kono M. Hasegawa M.: An UltraLean Premixed Compression. gnition Engine Concept and its Characteristics. The Fourth nternational Symposiurr COMODA'98 Proceedings Japan Koyoto Miyamoto T. Hayashi A K. Harada A Sasaki S. Akagawa H. Tsujimura K.: Numerica Simulation of Premixed Lean Diesel Combustion in 1 Engine. The Fourth nternationa Symposium COMODA'98 Proceedings Japan Koyoto Takatsuto R. garashit. ida N.: Auto gnition and Combustion ofdme and nbutane. Air Mixtures in Homogeneous Charge Compression gnition Engine. The Fourtl nternational Symposium COMODA'98 Proceedings Japan Koyoto Amneus P. Nilsson D. Mauss F. Christensen M. Johansson B.: Homogeneous Charge Compression gnition Engine: Experiments and Detailed Kinetic Calculations. The Fourtl nternational Symposium COMODA'98 Proceedings Japan Koyoto l l.kowalewicz A: Ecological Concepts of Automotive C Engines. FSTA '98 Proceedings Paris CDROM