W artykule nr 3/2011 (146) PTNSS-2011-SC-144 pt. "Program do analizy procesu spalania w silniku ZS" po rozdziale 4 powinien znaleźć się zapis:

Transkrypt

1 Errata do numeru 3/2011 (146) W artykule nr 3/2011 (146) PTNSS-2011-SC-144 pt. "Program do analizy procesu spalania w silniku ZS" po rozdziale 4 powinien znaleźć się zapis: Artykuł powstał w ramach projektu nr 5178/B/T02/2011/40 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki. W artykule nr 3/2011 (146) PTNSS-2011-SC-145 pt. " Ocena wpływu podziału dawki na parametry procesu spalania w małym silniku ZS" po rozdziale 5 powinien znaleźć się zapis: Artykuł powstał w ramach projektu nr 5178/B/T02/2011/40 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki. Erratum to the issue 3/2011 (146) In the article no. 3/2011 (146) PTNSS-2011-SC-144 titled A program to analyze the combustion process in diesel engine after chapter 4 should be found the record: This publication has been produced as part of the research project no. 5178/B/T02/2011/40 financed from the resources of the National Science Centre. In the article no. 3/2011 (146) PTNSS-2011-SC-145 titled Evaluation of the fuel dose distribution on the combustion process in a small diesel engine after chapter 5 should be found the record: This publication has been produced as part of the research project no. 5178/B/T02/2011/40 financed from the resources of the National Science Centre.

2 Dariusz PIETRAS, Tomasz GILOWSKI, Tomasz KNEFEL PTNSS 2011 SC 144 A program to analyze the combustion process in diesel engine In modern diesel engines for medium loads and speeds the fuel dose is usually divided into several parts. The allocation of the dose is therefore crucial in determining the characteristics of fuel injection from the standpoint of the combustion process and engine parameters. The paper discusses the model and program used to analyze the combustion process in a small diesel engine with a divided of the fuel dose. A very important component of the program was the adoption of targets and identify, by way of the fuel supply during the heat cycle analysis. In this regard, an original method for determining the intensity of the fuel injection developed by one of the authors. Key words: combustion process, heat release, diesel engine Program do analizy procesu spalania w silniku ZS We współczesnych silnikach o zapłonie samoczynnym w zakresie średnich obciążeń i prędkości obrotowych dawka paliwa jest dzielona najczęściej na kilka części. Sposób podziału dawki staje się zatem kluczowy przy określaniu charakterystyki wtrysku paliwa z punktu widzenia przebiegu procesu spalania i parametrów pracy silnika. W pracy omówiono model oraz program służący do analizy procesu spalania w małym silniku o zapłonie samoczynnym z podziałem dawki paliwa. Bardzo istotnym elementem programu było przyjęcie założeń i określenie sposobu doprowadzenia paliwa podczas analizy obiegu cieplnego. W tym celu wykorzystano autorską metodę określającą natężenie wtrysku paliwa opracowaną przez jednego ze współautorów. Słowa kluczowe: proces spalania, wydzielanie ciepła, przejmowanie ciepła, silnik ZS 1. Wstęp Zagadnienie analizy procesu spalania stało się obecnie podstawowym narzędziem we współczesnych badaniach optymalizacyjnych nad doborem parametrów charakterystyki wtrysku paliwa w silnikach o zapłonie samoczynnym. Analiza ta jest często prowadzona w trakcie realizacji badań doświadczalnych w oparciu o oprogramowania obliczające parametry procesu spalania on-line. Jednakże są to często programy zawierające wiele założeń upraszczających cykl obliczeniowy. W analizach po badawczych stosowane są programy bardziej złożone. W pracy omówiono model oraz program służący do analizy procesu spalania w małym silniku o zapłonie samoczynnym z podziałem dawki paliwa. Bardzo istotnym elementem programu, odróżniającym go od wielu podobnych, było przyjęcie założeń określających sposób doprowadzenia paliwa podczas analizy obiegu cieplnego. W tym celu wykorzystano autorską metodę określenia natężenia wtryskiwanego paliwa, opracowaną przez dr inż. Tomasza Knefla, jednego ze współautorów, w ramach realizacji własnych prac naukowych. 2. Założenia przyjęte w modelu Do obliczania parametrów procesu spalania na podstawie wykresów indykatorowych rejestrowanych w czasie badań doświadczalnych został opracowany model matematyczny a następnie program numeryczny o nazwie Indyk. Na podstawie zarejestrowanego przebiegu ciśnienia program oblicza następujące parametry procesu spalania: kąt początku spalania, całkowity kąt spalania, masy: czynnika roboczego m c, powietrza m pow, spalin m egr, współczynnik napełnienia η v, współczynnik nadmiaru powietrza λ, średnie ciśnienie indykowane p i, sprawność cieplną obiegu η c, przebieg temperatury czynnika w funkcji kąta obrotu wału korbowego, przebiegów pierwszej i drugiej pochodnej ciśnienia, φ przebieg wykładnika adiabaty κ, przebieg wykładnika politropy m, maksymalne ciśnienie spalania p max i kąt maksymalnego ciśnienia ϕ pmax, maksymalna temperatura procesu T max i kąt maksymalnej temperatury ϕ tmax. Parametry rzeczywistego procesu uzyskano w wyniku następujących obliczeń: 1) Geometryczne parametry cylindra w funkcji kąta obrotu wału korbowego: 1

3 a) chwilowe położenie tłoka w funkcji kąta obrotu wału korbowego, wynikające z geometrii układu korbowo-tłokowego = [m](1) R promień wykorbienia [m], l długość korbowodu [m], ϕ położenie wału korbowego [ OWK], współczynnik wykorbienia. λ κ b) chwilowa objętość nad tłokiem = + [m3 ] (2) V k objętość komory spalania [m 3 ], D średnica cylindra [m], s chwilowe położenie tłoka [m]. 2) Masa czynnika doprowadzonego do cylindra a) masa powietrza doprowadzonego do cylindra!" = #$ %&' ( [kg] (3) ) *+ $!" masowe natężenie przepływu powietrza [kg/h], n prędkość obrotowa [obr/min], i liczba cylindrów. b) masa spalin recyrkulowanych doprowadzanych do cylindra,-. = #$ /01 ( [kg] (4) ) *+ $,-. masowe natężenie przepływu spalin recyrkulowanych [kg/h] c) masa paliwa, a w zasadzie strumień doprowadzonego paliwa został wyznaczony w oparciu o unikalną metodę badawczą rozwijaną przez T. Knefla w ramach realizacji pracy habilitacyjnej. Chwilowe natężenie wtrysku w funkcji kąta OWK wprowadzana jest do modelu w postaci pliku. d) całkowita ilość czynnika dostarczona do cylindra 2 =!" +,-. + m pal [kg] (5) 3) Współczynnik nadmiaru powietrza λ l t = #$ %&' 3 4 #$%56 (6) teoretyczne zapotrzebowanie powietrza (przyjęto l t =14,6 kg pow/kg pal.), $73 zużycie paliwa [kg/h]. 4) Współczynnik napełnienia ηv 8 9 = # %&'. %&' : %&' (7) %&' ; <= m?@ masa powietrza doprowadzonego do cylindra [kg],!" stała gazowa powietrza w warunkach otoczenia A B E, C D F!" temperatura powietrza otoczenia [K], G!" ciśnienie powietrza otoczenia [Pa], H2 objętość skokowa cylindra [m 3 ]. 5) Średnie ciśnienie indykowane: G ) = ; [Pa] (8) ; <= V objętość przestrzeni roboczej nad tłokiem [m 3 ]. 6) Sprawność cieplna obiegu 8 2 = ; (9) # %56 J K 73 masa paliwa doprowadzona do cylindra w czasie jednego cyklu [kg], L wartość opałowa paliwa [J/kg]. 7) Średnia chwilowa temperatura czynnika w funkcji kąta obrotu wału korbowego obliczona na postawie przebiegu ciśnienia: F= ; [K] (10) # =. = 2 chwilowa objętość przestrzeni roboczej [m 3 ], 2 masa czynnika w cylindrze [kg], 8) Kąt spalania stała gazowa czynnika A B C D E. H = H H [ OWK] (11) H kąt końca spalania [ OWK], kąt początku spalania [ OWK]. H 9) Kąt końca spalania został określony, jako punkt powstały w wyniku przecięcia się krzywych wykładników adiabaty κ i politropy m rys. 1. Wykładnik adiabaty κ oraz politropy m wykładnik adiabaty κ wykładnik politropy m koniec spalania ϕ [ OWK] Rys. 1. Wyznaczanie kąta końca spalania M NOP 2

4 10) Kąt początku spalania został obliczany dwiema metodami, w pierwszej z nich ustalony w wyniku wyznaczenia lokalnego ekstremum (minimum) drugiej pochodnej ciśnienia w cylindrze (rys.2), który występuje za punktem określającym kąt wyprzedzenia wtrysku. W drugiej metodzie kierowaną się wartością minimalną wykładnika politropy [2]. Wyniki obydwu sposobów obliczania początku były weryfikowane. obiekt obliczeń modelowych (rys. 4) oraz dane uzupełniające (rys. 5 i 6). Ciśnienie ładunku p [MPa] ciśnienie p pierwsza pochodna ciśnienia dp dϕ druga pochodna ciśnienia d 2 p dϕ 2 d 2 p dϕ 2 7 początek spalania 0 Rys. 3. Widok wyboru plików wejściowych w programie Indyk ϕ [ OWK] Rys. 2. Wyznaczanie kąta początku spalania M POP 11) Wykładnik politropy m = 3!C%QRKQ %QSKQ 3!C TQSKQ TQRKQ (12) 12) Wykładnik adiabaty κ U= 2 % 2 % V. = (13) ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu A B C D E, 2 stała gazowa czynnika A B E, C D Wielkości i 2 zostały wyznaczane na podstawie uśrednionego, chwilowego składu czynnika w cylindrze. Rys. 4. Widok okna danych silnika 3. Struktura programu W oparciu o przedstawione w rozdziale 2 założenia został wykonany program numeryczny. Na rysunkach 3 11 przedstawiono przykładowe widoki programu Indyk. Do programu przed przystąpieniem do obliczeń, pierwszym krokiem wprowadzania danych jest wprowadzanie plików z przebiegiem ciśnienia i natężenia wtrysku (rys. 3). Następnie w trzech kolejnych oknach dialogowych wprowadza się dane uzupełniające charakteryzujące sam silnik, jako Rys. 5. Widok okna danych silnika cd. i parametrów punktu pracy 3

5 bardzo pomocna funkcja, ponieważ szybki podgląd wykresów, a w zasadzie ocena ich charakteru prze- zapisem danych do biegu i wartości, jeszcze przed plików wyjściowych może wykazać ewentualne błędy przy wprowadzaniu danych wejściowych. Przykładowe przebiegi trzech najważniejszych parametrów obiegu tj. ciśnienia, temperatury i szybkości wydzielania ciepła przedstawiono odpowiednio na rysunkach 9, 10 i 11. Rys. 6. Widok okna danych uzupełniających Wyniki obliczeń prezentowanee są na ekranie monitora w oknie dialogowym (rys. 7) oraz zapi- obróbki w sywane w pliku tekstowym do dalszej programach zewnętrznych (rys. 8). Rys. 9. Widok wykresu z przebiegiem ciśnienia czyn- nika w cylindrze Rys. 7. Widok okna z wynikami obliczeń Rys. 10. Widok wykresu z przebiegiem temperatury czynnika w cylindrze Rys. 8. Widok okna dialogowego wyboru plików wyjściowych W celu szybkiej oceny uzyskiwanych wyników obliczeń program wyposażony jest w funkcje wy- szyb- kreślania przebiegów ciśnienia, temperatury, kości wydzielania ciepła, sumy wydzielonego cie- itd. Jest pła, przebiegów pochodnych ciśnienia to Rys. 11. Widok wykresu szybkości wydzielania ciepła 4. Podsumowanie Przeprowadzone wstępne obliczenia w oparciu o opracowany program numeryczny potwierdziły w pełni jego przydatność do analizy obiegu silnika. 4

6 Znajomość takich parametrów wejściowych jak: natężenie masowe powietrza, spalin recyrkulowanych oraz paliwa zapewnia wysoką dokładność obliczeń. Uwzględnienie w programie natężenia doprowadzenia paliwa podczas procesu spalania wierniej oddaje rzeczywiste zjawiska zachodzące w silniku w procesie spalania. Podział dawki paliwa we współczesnych systemach zasilania powoduje zazwyczaj problemy z jednoznaczną identyfikacją początku spalania. Zastosowanie obydwu metod określania początku spalania równocześnie oraz wzajemne porównywanie wyznaczonych wartości kąta początku spalania, daje dużą pewność w jego prawidłowym określeniu. W oparciu o wyniki uzyskane z obliczeń rzeczywistych procesów zachodzących w przestrzeni roboczej silnika opracowanym programem, będzie można z dużą dokładnością zweryfikować opracowany model teoretyczny procesu roboczego silnika ZS z dzieloną dawką oleju napędowego. Posłuży on do optymalizacji procesu wtrysku i opracowania strategii sterowania procesem spalania. Artykuł powstał w ramach projektu nr 5178/B/T02/2011/40 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki. This publication has been produced as part of the research project no. 5178/B/T02/2011/40 financed from the resources of the National Science Centre. Bibliography/Literatura [1] Wajand J. A.: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe. Wyd.4 zm. - Warszawa : WN-T, 2005 [2] Stelmasiak Z., Gilowski T.: Metody określania początku spalania w obliczeniach wykorzystujących wykresy indykatorowe uzyskane z badań silnika. V Konferencja Komputerowe Systemy Wspomagania Nauki, Przemysłu i Transportu TRANSCOMP Zakopane [3] Stelmasiak Z.: Studium procesu spalania gazu w dwupaliwowym silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym gazem ziemnym i olejem napędowym. Wyd. ATH, [4] Wajand J. A., Wajand J. T.: Tłokowe silniki spalinowe. WNT, Warszawa 1993 [5] Stelmasiak Z.: The Modeling of the Gas Combustion Course Using Theoretical Diphase Model that Describes the Combustion in a Dual Fuel Engine Fed with Both Natural Gas and Diesel Oil. Fisita Mr Dariusz Pietras, DEng. doctor in the Faculty of Mechanical Engineering and Computer Science at University of Bielsko-Biała. Dr inż. Dariusz Pietras adiunkt na Wydziale Budowy Maszyn i Informatyki Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej World Automotive Congress, Paper No. F02 V211, 2002 [6] Informator techniczny firmy Bosch. Zasobnikowe układy wtryskowe Common Rail. WKiŁ, Warszawa 2000 [7] Hoffmann K.H., Hummel K., Maderstein T., Peters A.: Das Common-Rail-Einnspritzsystem ein neues Kapitel der Dieseleinspritztechnik. MTZ 58 (1997)/10 [8] Badami M., Mallamo F., Millo F., Rossi E.E.: Experimental investigation on the effect of multiple injection strategies on emissions, noise and brake specific fuel consumption of an automotive direct injection common-rail diesel engine. International Journal of Engine Research, Volume 4, Number 4, 1 December Mr Tomasz Gilowski, Mgr Eng. Assistant in the Faculty of Mechanical Engineering and Computer Science at University of Bielsko-Biała. Mgr inż. Tomasz Gilowski asystent na. Wydziale Budowy Maszyn i Informatyki Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej. Mr Tomasz Knefel, DEng. doctor in the Faculty of Mechanical Engineering and Computer Science at University of Bielsko-Biała Dr inż. Tomasz Knefel adiunkt na Wydziale Budowy Maszyn i Informatyki Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej. 5

7 Dariusz PIETRAS PTNSS 2011 SC 145 Evaluation of the fuel dose distribution on the combustion process in a small diesel engine The article discusses the impact of the fuel dose division on diesel engine combustion parameters. In the work described in this paper experimental study of a small diesel engine with Common Rail fuel delivery with the division into three parts for light duty was performed. During the tests at selected points of engine operation performed measurements for the dose shared into three and two parts, and for a unshared dose. Based on the developed program calculating the basic parameters of the combustion process was performed. The calculation results are graphically in the charts presented and their analysis was carried out. Key words: combustion process, small diesel engine Ocena wpływu podziału dawki na parametry procesu spalania w małym silniku ZS W artykule omówiono zagadnienie wpływu podziału dawki paliwa w silniku ZS na parametry procesu spalania. W ramach prac opisanych w referacie wykonano badania doświadczalne małego silnika o zapłonie samoczynnym z zasilaniem typu Common Rail i podziałem dawki paliwa na trzy części w zakresie małych obciążeń. W takcie badań w wytypowanych punktach pracy silnika wykonano pomiary dla dawki dzielonej na trzy i dwie części oraz dla dawki niedzielonej. W oparciu o opracowany program wykonano obliczenia podstawowych parametrów procesu spalania. Wyniki obliczeń zostały przedstawione graficznie na wykresach oraz przeprowadzono ich analizę. Słowa kluczowe: proces spalania, wydzielanie ciepła, przejmowanie ciepła, silnik ZS 1. Wprowadzenie Współczesne systemy sterowania silników o zapłonie samoczynnym, oferujące realizację koncepcji Multijet", coraz częściej dokonują podziału dawki wtrysku na trzy, a nawet na pięć oddzielnych dawek. Obecny stan wiedzy wskazuje na to, że ilość wtrysków przypadających na jeden cykl roboczy silnika, wielkości poszczególnych dawek oraz kąty opóźnienia lub przyspieszenia początków tych dawek, a więc ogólnie charakterystyka ilościowoczasowa procesu wtrysku ma zasadniczy wpływ na proces wydzielania ciepła, a w konsekwencji na osiągi silnika, zawartość emisji szkodliwych substancji w spalinach, w tym zawartości cząstek stałych (głównie sadzy) oraz hałaśliwości pracy. Przedmiotem badań wpływu różnych przebiegów wtrysku Multijet było pozyskanie danych doświadczalnych, przede wszystkim w zakresie przebiegów ciśnień szybkozmiennych w przestrzeni roboczej cylindra oraz toksyczności. Wyniki tych badań stanowiły podstawę do analiz modelowych mających na celu wyznaczenie istotnych wielkości charakteryzujących parametry procesu spalania. Przedmiotem tych analiz była ocena wpływu charakterystyki czasowo-ilościowej wtrysku paliwa na proces spalania. 2. Metodyka badań Badania polegały na pomiarze ciśnienia indykowanego oraz podstawowych parametrów pracy silnika. Zostały one przeprowadzone dla prędkości obrotowych: 1500, 2500 i 3500 obr/min. Dla każdej prędkości obrotowej wykonano pomiary dla różnych obciążeń silnika odpowiadających kolejno 25, 50, oraz 75 Nm. Punkty pomiarowe zostały tak dobrane by dla każdej prędkości obrotowej i poszczególnego obciążenia silnika przeprowadzić badania przy różnych podziałach dawki paliwa oraz korekcji kąta wyprzedzenia wtrysku, różnych od ustawień fabrycznych. Dla przykładu przy prędkości obrotowej wynoszącej 1500 obr/min i obciążeniu 25 Nm dokonano 7 pomiarów w następującej kolejności: 1. 3 dawki, (pilotażowa, wstępna i główna), 2. 2 dawki, (wstępna i główna), 3. 2 dawki, korekta kąta wyprzedzenia wtrysku dawki głównej na 4 przed GMP, 4. 2 dawki, korekta kąta wyprzedzenia wtrysku dawki głównej na 8 przed GMP, 5. 1 dawka (główna), 6. 1 dawka, korekta kąta wyprzedzenia wtrysku na 4 przed GMP, 7. 1 dawka, korekta kąta wyprzedzenia wtrysku na 8 przed GMP, Następnie dla prędkości obrotowej 1500 obr/min zwiększano obciążenie silnika do 50 i 75 Nm. Pomiary przeprowadzano według powyższego podziału. Analogicznie przebiegały pomiary dla prędkości obrotowej 2000, 2500 obr/min oraz 3500 obr/min. Przy każdym punkcie pomiarowym przed zarejestrowaniem mierzonych wartości odczekiwano w celu ustabilizowania się pracy silnika. 1

8 Na rysunku 1 przedstawiona jest charakterystyka momentu obrotowego silnika 1.3 JTD Multijet wraz z zaznaczonymi punktami pomiarowymi. AVL, który został wykonany na specjalne zamówienie na podstawie wymiarów świecy żarowej przedstawionej. Nowe konstrukcje silników Diesla, w których używa się świec żarowych o końcówkach średnicy 3,5 do 4,3mm wymagają zastosowania nowatorskich konstrukcji czujników celem pomiaru przebiegu ciśnienia spalania. Nowy czujnik (Glow Plug Pressure Transducer GU13G) umożliwia za pośrednictwem specjalnej konstrukcji frontowej części błony czujnika jak i,,optymalizującego działania dalszej części kanałowej czujnika, pozyskanie najwyższego jakościowo sygnału do minimum redukując zjawisko efektu piszczałkowego pipe oscillation. Rys. 1. Charakterystyka momentu obrotowego silnika 1.3 Multijet wraz z naniesionymi punktami pomiarowymi Mierzone wartości zapisywane były w czterech plikach tekstowych. W pierwszym i drugim pliku znajdowały się informacje dotyczące przebiegu ciśnienia w komorze spalania rejestrowanego, co 0,5 OWK plik pierwszy oraz podstawowe dane charakteryzujące obieg jak ciśnienie indykowane ciśnienie maksymalne procesu itp. w pliku drugim. Wartości zapisane w pliku drugim miały charakter porównawczy do danych otrzymywanych w drodze obliczeń modelowych opisanych w dalszej części rozdziału. W kolejnym pliku znajdowały się dane zapisane przez program HAMOWNIA obsługi hamowni silnikowej. Natomiast ostatni plik posiada wartości zarejestrowane przez program monitorowania parametrów sterowania pracą silnika. 3. Obiekt badań, stanowisko badawcze Obiektem badań był nowoczesny czterocylindrowy silnik o zapłonie samoczynnym zasilany systemem Common Rail. W głowicy zabudowane są dwa wałki rozrządu oraz cztery zawory przypadające na każdy cylinder. Układ rozrządu napędzany jest systemem łańcuchowym z bezpośrednim przeniesieniem napędu pomiędzy wałkami rozrządu. Silnik doładowany jest zespołem turbosprężarkowym z chłodzeniem powietrza doładowującego oraz posiada system recyrkulacji spalin. Silnik wyposażony jest w programowalny elektronicznie sterowany układ wtryskowy Common Rail umożliwiający podział dawki paliwa. Pomiary zostały zrealizowane w laboratorium Katedry Silników Spalinowych i Pojazdów Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej. Silnik zabudowany był na stanowisku badawczym i połączony z hamulcem elektrowirowym Schenck W130. Widok silnika i stanowiska badawczego przedstawia rysunek 2. Urządzeniem do pomiaru przebiegu ciśnienia w komorze spalania był przetwornik piezokwarcowy, GU13G, Glow Plug Sensor, TIGH13GPA.01 firmy Rys. 2. Widok silnika zabudowanego na stanowisku badawczym 4. Wyniki badań W oparciu o wyniki badań doświadczalnych opisanych w pkt. 2 przeprowadzono obliczenia numeryczne parametrów procesu spalania wykorzystując do tego celu program numeryczny Indyk, opracowany w Zakładzie Silników Spalinowych i Pojazdów Akademii Techniczno- Humanistycznej w Bielsku-Białej. Najważniejszymi parametrami będącywmi wynikami obliczeń, będącymi przedmiotem dalszych analiz były: ciśnienie indykowane p i, sprawność ogólną obiegu η o, maksymalne ciśnienie spalania p max i kąt maksymalnego ciśnienia ϕ pmax maksymalna temperatura procesu T max i kąt maksymalnej temperatury ϕ tmax maksymalny przyrost ciśnienia spalania dp max i kąt maksymalnego przyrostu ϕ dpmax maksymalny przyrost wydzielonego ciepła dq i kąt maksymalnego przyrostu ϕ dqmax kąt początku spalania ϕ psp kąt spalania ϕ sp wartość 50% wydzielonego ciepła Q 50 i kąt wydzielenia 50% ciepła ϕ Q50 2

9 10 Szybkość wydzielania ciepła dq/dα [MJ/kmol ºOWK] dq - 3 dawki dq - 2 dawki dq - 1 dawka -2 ºOWK Rys. 3. wpływu podziału dawki paliwa na przebieg wydzielania ciepła dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i momentu obrotowego 25 Nm 7 Szybkość wydzielania ciepła dq/dα [MJ/kmol ºOWK] dq - std dq - std+4º dq - std+8º -1 ºOWK Rys. 4. Wpływ zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku na szybkość wydzielania ciepła dla dawki podzielonej na dwie części dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i momentu obrotowego 25 Nm 14 Szybkość wydzielania ciepła dq/dα [MJ/kmol ºOWK] dq - std dq - std+4º dq - std+8º -2 ºOWK Rys. 5. Wpływ zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku na szybkość wydzielania ciepła dla dawki niepodzielonej dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i momentu obrotowego 25 Nm 3

10 Rysunek 3 przedstawia wykres wpływu podziału dawki paliwa na przebieg wydzielania ciepła dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i obciążenia 25 Nm. Przedstawiony na rysunku 3 wpływu podziału dawki paliwa na przebieg wydzielania ciepła potwierdza doniesienia literaturowe o bardzo dynamicznie przebiegającym procesie wydzielania ciepła przy dawce niepodzielonej. Ma to miejsce, pomimo, iż proces spalania dla dawki pojedynczej zaczyna się dość późno. Regulacja kąta wyprzedzenia wtrysku odnosi się do kąta dawki głównej, zatem wyłączając kolejne dawki pilot i pre proces spalania zaczyna się później. Dynamika jest bardzo duża pomimo znacznie zwiększającej się już objętości nad tłokiem. Będzie to miało wpływ na ma maksymalne wartości temperatury i ciśnienia oraz sprawność ogólną. Podział dawki na trzy części potwierdza łagodny charakter procesu wydzielania ciepła, co powinno wpłynąć pozytywnie na obniżenie zawartości tlenków azotu. Rysunki 4 5 przedstawiają wykres wpływu zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku na szybkość wydzielania ciepła dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i obciążenia 25 Nm Porównując przebiegi szybkości wydzielania ciepła przedstawione na rysunkach 4 i 5 można zauważyć różnicę w charakterze przebiegu krzywej w zależności od podziału dawki. W obydwu przypadkach, (choć ma to wyraźniejszy wpływ przy niepodzielonej dawce) dynamika procesu wzrasta wraz ze wzrostem kąta wyprzedzenia wtrysku, co powinno skutkować wzrostem wartości maksymalnych temperatury i ciśnienia. podziału dawki paliwa i zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i obciążenia 25 Nm. n=1500obr/min Mo=25 Nm Temperatura [K] Temperatura maksymalna obiegu std std +4 std dawki 2 dawki 1 dawka Rys. 7. Zależność maksymalnej temperatury od podziału dawki paliwa i zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i momentu obrotowego M o =25 Nm n=1500obr/min Mo=25 Nm Ciśnienie [bar] 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 3,758 std std +4 std +8 Ciśnienie indykowane 3,540 3,537 3,459 3,411 3,463 3,199 0,500 n=1500obr/min Mo=25 Nm Ciśnienie maksymalne obiegu 0,000 3 dawki 2 dawki 1 dawka Ciśnienie [bar] 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 57,64 std std +4 std +8 53,49 65,77 66,66 58,68 57,78 47,11 3 dawki 2 dawki 1 dawka Rys. 6. Zależność maksymalnego ciśnienia od podziału dawki paliwa i zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i momentu obrotowego M o =25 Nm Rysunki 6 11 przedstawiają wykresy słupkowe maksymalnych wartości ciśnienia i temperatury czynnika w cylindrze, wartości ciśnienia indykowanego, kąta odpowiadającemu 50% wydzielonego ciepła, sprawności ogólnej oraz zawartości tlenków azotu w spalinach w funkcji Rys. 8. Zależność ciśnienia indykowanego od podziału dawki paliwa i zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i momentu obrotowego M o =25 Nm Porównując wykresy słupkowe maksymalnego ciśnienia i temperatury przedstawione na rysunkach 6 i 7 potwierdzają się spostrzeżenia wynikające z analizy wykresów zawartych na rysunkach 3 do 5. Obydwa parametry wykazują wzrost w przypadku zwiększania kąta wyprzedzenia wtrysku. Niebieskie słupki potwierdzają spostrzeżenie, iż pomimo znacznie większej dynamiki procesu spalania dla dawki podzielonej na dwie części i dawki niepodzielonej, to z uwagi na późno rozpoczynający się proces spalania (rosnąca objętość przestrzeni roboczej nad tłokiem) wartości maksymalne obydwu parametrów są niższe niż dla dawki podzielonej na trzy części. Wartości jednak te szybko rosną wraz ze wzrostem kąta wyprzedzenia wtrysku i przekraczają maksymalne ciśnienia i temperatury dla dawki podzielonej na trzy części. Przyspieszenie kąta wyprzedzenia wtrysku o 4 4

11 OWK skutkuje uzyskaniem zbliżonych wartości maksymalnych temperatury i ciśnienia jak dla dawki podzielonej na trzy części. Bardzo zatem jest to ciekawy przypadek, gdyż analizując dalsze parametry będzie można ocenić wpływ podziały na sprawności toksyczność przy podobnych maksymalnych parametrach termodynamicznych obiegu. Pomimo wzrostu kąta wyprzedzenia wtrysku i zbliżonych, a nawet dla kąta przyspieszonego o 8 OWK, większych wartości maksymalnych ciśnienia i temperatury obiegu to wartości ciśnienia indykowanego są niższe dla dawki dzielonej na dwie części i dawki nie podzielonej (rys. 8). Potwierdza to wpływ powiększającej się objętości przestrzeni roboczej nad tłokiem, co ma również przełożenie na duże wartości kąta obrotu wału korbowego dla których to ma miejsce wydzielenie się 50% ciepła. Biorąc pod uwagę sprawność obiegu najkorzystniejszymi wartościami są kąty wyprzedzenia wtrysku pomiędzy 8 a 14 OWK, dla których następuje 50% wydzielenia ciepła w przedziale pomiędzy 8-10 OWK po GMP, co przekłada się na wysokie wartości sprawności. Zatem w omawianych przypadkach (rys. 9) wynik dla dawki podzielonej na trzy części mieści się w podanym przedziale. Z kolei dla dawki podzielonej na dwie i dawki niepodzielonej mamy do czynienia ze znacznymi rozrzutami wartości tego kąta. Po raz kolejny potwierdza się fakt, że najkorzystniejszym jest przypadek wyprzedzenia o 4 OWK. n=1500obr/min Mo=25 Nm 18,0 16,0 14,0 Kąt OWK dla 50% przejętego ciepła std std +4 std +8 15,8 niskie wartości występują dla dawki niepodzielonej dla regulacji standardowej i przyspieszonego kąta wyprzedzenia wtrysku o 4 OWK. Z kolei dla podziału dawki na dwie części wpływ regulacji kąta wydaje się być niewielki. n=1500obr/min Mo=25 Nm η o [-] 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 Sprawność ogólna silnika std std +4 std +8 0,426 0,420 0,430 0,430 0,428 0,436 0,402 3 dawki 2 dawki 1 dawka Rys. 10. Zależność sprawności ogólnej od podziału dawki paliwa i zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i momentu obrotowego M o =25 Nm n=1500obr/min Mo=25 Nm NOx [ppm] Zawartość NOx w spalinach std std +4 std ºOWK po GMP 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 10,0 11,4 8,8 10,4 4,8 5,0 0 3 dawki 2 dawki 1 dawka Rys. 11. Zawartość tlenku azotu w spalinach w funkcji podziału dawki paliwa i zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i momentu obrotowego M o =25 Nm 2,0 0,0 3 dawki 2 dawki 1 dawka Rys. 9. Zależność kąta odpowiadającego 50% wydzielonego ciepła od podziału dawki paliwa i zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku dla prędkości obrotowej 1500 obr/min i momentu obrotowego M o =25 Nm Znajduje to potwierdzenie dla sprawności ogólnej przedstawionej na rysunku 10. Dla regulacji przedstawionej kolorem fioletowym sprawność ogólna jest zbliżona do tej jak występuje w przypadku podziału dawki na trzy części. Przedstawiona na rysunku 11 zależność zawartości tlenku azotu w spalinach w funkcji podziału dawki paliwa i zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku nie jest niestety jednoznaczna. Bardzo 5. Podsumowanie Wyniki obliczeń numerycznych wpływu różnych przebiegów wtrysku Multijet na parametry procesu spalania i przedstawiona w niniejszym opracowaniu analiza tych wyników, jednoznacznie potwierdzają istotny wpływ na parametry procesu spalania sposobu realizacji przebiegu wtrysku paliwa (przebiegi wydzielania ciepła). Analiza przebiegów wydzielania ciepła wykazała konieczność opracowania modelu teoretycznego silnika, dzięki któremu będzie można analizować wpływ sposobu doprowadzania paliwa podczas wtrysku na własności użytkowe silnika i toksyczność spalin. 5

12 Bardzo istotne dla autora było pozyskanie w badaniach wiedzy w zakresie wpływu regulacji charakterystyki wtrysku na wymienione parametry. Wiedza ta pozwoli zbudować model teoretycznoemipryczny silnika badawczego, dzięki któremu analiza kształtowania przebiegu wtrysku na osiągi i toksyczność spalin (tlenki azotu) będzie możliwa na wystarczającym poziomie dokładności. Wnioski szczegółowe 1. Zawartość tlenków azotu wyraźnie wzrastała wraz ze wzrostem kąta wyprzedzenia wtrysku. 2. Podział dawki paliwa na trzy części w zakresie niskich obciążeń i prędkości obrotowych wyraźnie wpływa na wzrost sprawności ogólnej silnika i obniżenie stężenia tlenków azotu w spalinach. 3. Charakter przebiegu krzywej ciśnienia ładunku roboczego dla dawek dzielonych wymaga zastosowania bardzo precyzyjnych procedur numerycznych wyznaczania początku spalania. Artykuł powstał w ramach projektu nr 5178/B/T02/2011/40 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki. This publication has been produced as part of the research project no. 5178/B/T02/2011/40 financed from the resources of the National Science Centre. Bibliography/Literatura [1]. Badami M., Mallamo F., Millo F., Rossi E.E.: Experimental investigation on the effect of multiple injection strategies on emissions, noise and brake specific fuel consumption of an automotive direct injection common-rail diesel engine. International Journal of Engine Research, Volume 4, Number 4, 1 December 2003 [2]. Stelmasiak Z., Knefel T., Larisch J. - The influence of the time break of the fuel divided dose on the work parameters of the injector Common Rail system, Combustion Engines, No 2007-SC2, s , [3]. Janiszewski T., Mavrantzas S.: Elektroniczne układy wtryskowe silników wysokoprężnych, WKŁ, Warszawa [4]. BOSCH, Układ wtryskowy Common Rail, WKŁ, Warszawa [5]. Zbierski T.: Układy wtryskowe Common Rail, Łódź [6]. Larisch J., Knefel T., Stelmasiak Z., Pietrasina W.: A Development Control Unit For Common Rail Injection System. Referat zarejestrowany pod numerem PTNSS P05- C158, PTNSS Congress 2005, Bielsko-Biała- Szczyrk [7]. Pietras D, Sobieszczański M., Świątek A., Pajdowski P.: Dobór parametrów pracy silnika 1.3 multijet charakterystycznych dla testu jezdnego NEDC do badań rozwojowych. Referat numer PTNSS P05-C065, PTNSS Kongres [8]. Badami M., Millo F. and D'Amato, D. Experimental investigation on soot and NO, formation in a DI common rail diesel engine with pilot injection. SAE Paper , [9]. Benajes, J., Molina, S. and Garcia, J. M. Influence of pre- and post-injection on the performance and pollutant emissions in a HD diesel engine. SAE Paper , 2001 [10]. Rinolfi, R., Imarisio, R. and Buratti, R. The potential of a new common rail diesel fuel injection system for the next generation of DI diesel engines. In 16 Internationales Wiener Motorensymposium, Vol. 12, No. 239 (VDI-Verlag, Reihe). [11]. K. Boulouchos, H. Stelber, R. Schubiger, M. Eberle, T. Lutz, Combusion System and Process Optymalisation for Lorger Diesel Engines with Common Rile Fuel Injection, MTZ 5/2000 [12]. Broge J.L.: The diesel is coming. Automotive Engineering Int., January Mr Dariusz Pietras, DEng. Faculty of Mechanical Engineering at University of Bielsko-Biała Dr inż. Dariusz Pietras Wydziale Budowy Maszyn Akademii Techniczno- Humanistycznej w Bielsku-Białej 6