Poprawa parametrów ekonomicznych i ekologicznych silników z komorą wirową spalania zasilanych paliwem rzepakowym

Transkrypt

1 Poprawa parametrów ekonomicznych i ekologicznych silników z komorą wirową spalania zasilanych paliwem rzepakowym Tomasz Stoeck, Andrzej Borodyn Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział InŜynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych Szczecin, Al. Piastów 19, tstoeck@wp.pl Streszczenie Mając na uwadze międzynarodowe regulacje prawne dotyczące ochrony środowiska naturalnego, zachowanie bezpieczeństwa energetycznego czy konieczność racjonalnego wykorzystania zasobów kopalnych, coraz większą rolę w transporcie odgrywają paliwa pochodzenia roślinnego. W tym zakresie alternatywę dla paliw klasycznych stanowią przede wszystkim alkohol etylowy do silników o zapłonie iskrowym i ester metylowy oleju rzepakowego do silników o zapłonie samoczynnym. Ich stosowanie wydaje się w pełni uzasadnione w przypadku starszych jednostek napędowych, dla których inne rozwiązania byłyby kłopotliwe lub ekonomicznie i ekologicznie nieracjonalne. Jednocześnie pozostaje problem zmniejszenia niekorzystnych aspektów pracy silnika zasilanego paliwem o odmiennych właściwościach fizykochemicznych w porównaniu z benzyną czy olejem napędowym. W referacie omówiono próbę sprostania tym wymaganiom przez zmianę wybranych nastaw regulacyjnych silnika wolnossącego z wirową komorą spalania, traktując ester metylowy oleju rzepakowego jako paliwo samodzielne. Keywords: compression ignition engine, smokiness, vegetable fuel 1. WSTĘP W ostatnich latach obserwuje się intensyfikację działań na rzecz ochrony środowiska naturalnego, co w przypadku silników o zapłonie samoczynnym skutkuje dominującym i nieustannym rozwojem konstrukcji z wtryskiem bezpośrednim. Spełniają one bowiem większość postulatów stawianych współczesnym jednostkom napędowym, z których najwaŝniejsze dotyczą niskiego zuŝycia paliwa, małej toksyczności spalin i dobrych właściwości dynamicznych. Pomimo szeregu zalet wymogom tym nie sprostały silniki z komorami wirowymi, które do niedawna były bardzo chętnie stosowane do napędu samochodów osobowych. Jednym z najistotniejszych problemów tych konstrukcji było stosunkowo duŝe jednostkowe zuŝycie paliwa, których nie rekompensowała zdolność pracy z duŝymi prędkościami obrotowymi, w miarę niska toksyczność gazów wylotowych czy mniejsza hałaśliwość procesu spalania [4, 5]. Na znaczeniu straciła równieŝ moŝliwość stosowania olejów napędowych o niskiej liczbie cetanowej, gdyŝ przy dzisiejszych obostrzeniach praktycznie nie są one produkowane. Jej wartość jest naturalnie wysoka takŝe w przypadku estru metylowego oleju rzepakowego, które to paliwo jest najchętniej wykorzystywane jako zamiennik tradycyjnych olejów ropopochodnych [3]. NaleŜy przy tym podkreślić, Ŝe coraz częściej wysuwane zastrzeŝenia dotyczące jakości paliw pochodzenia roślinnego, odgrywają mniejszą rolę w przypadku silników z komorami

2 dzielonymi, gdzie nie stawia się tak restrykcyjnych wymagań w sposobie przygotowania mieszaniny palnej jak przy wtrysku bezpośrednim [2]. Oczywiście nie oznacza to, Ŝe proces spalania będzie przebiegał w warunkach optymalnych. W celu poprawy parametrów roboczych dokonano zmian nastaw fabrycznych silników produkcji niemieckiej typu JK i CY, a regulację prowadzono dla kąta wyprzedzenia wtrysku, ciśnienia wtrysku oraz objętościowej dawki paliwa. Wyniki badań przedstawiono w formie zbiorczych charakterystyk zewnętrznych jednostkowego zuŝycia paliwa i zadymienia spalin. 2. METODYKA POMIARU Obiektem prowadzonych badań były dwa, czterosuwowe silniki o zapłonie samoczynnym firmy Volkswagen, z wtryskiem pośrednim do komory wirowej Ricardo Comet Mark V. Są to bliźniacze jednostki napędowe bazujące na identycznych cechach konstrukcyjnych, przy czym wersja CY, w porównaniu z JK, została dodatkowo wyposaŝona w turbospręŝarkę Garret III generacji. W poszczególnych cyklach pomiarowych silniki zasilano estrem metylowym oleju rzepakowego (RME) i dla porównania olejem napędowym (ON). Wykorzystano do tego celu typową hamownię silnikową z hamulcem hydraulicznym typu HH-1, dynamometrem, układem sterującym, tachometrem optyczno-stykowym DT-1236L, masową miernicą paliwa i dymomierzem absorpcyjnym MDO2 [1]. Wartości nastaw nominalnych aparatury wtryskowej i zakres prowadzonej regulacji wyglądał następująco: 1) Ciśnienie wtrysku, p wtr [MPa]: - silnik JK: nastawa nominalna - 13,5; pozostałe nastawy - 11; 12; 13; 14; 15; - silnik CY: nastawa nominalna - 16; pozostałe nastawy - 13; 14; 15; 2) Kąt wyprzedzenia wtrysku, α ww [ o OWK]: - silnik JK i CY: nastawa nominalna - 26; pozostałe nastawy - 12; 19; 33; 40; 3) Dawka paliwa, Q pal [mm 3 /cykl]: - silnik JK: nastawa nominalna - 11; pozostałe nastawy - 8; 14; 17; - silnik CY: nastawa nominalna - 12; pozostałe nastawy - 9; 15; WYNIKI BADAŃ W badaniach stanowiskowych wyodrębniono nastawy regulacyjne, dla których parametry robocze silnika zasilanego paliwem roślinnym były najbardziej korzystne lub zbliŝone do tych, jakie uzyskano przy stosowaniu oleju napędowego i ustawieniach zalecanych przez producenta. Na podstawie przeprowadzonej analizy uznano, Ŝe wynoszą one dla silnika typu JK: α ww = 19 OWK przed GMP tłoka, p wtr = 14MPa, Q pal = 8mm 3 /cykl oraz dla silnika typu CY: α ww = 19 OWK przed GMP tłoka, p wtr = 15MPa, Q pal = 15mm 3 /cykl. W obu przypadkach jednoczesna zmiana wszystkich trzech nastaw nie przyniosła spodziewanych rezultatów. Przykładowo dla jednostki wolnossącej obserwowano prawie 23% wzrost zuŝycia paliwa w rejonie wyŝszych prędkości obrotowych w porównaniu do cyklu, gdy silnik zasilano tradycyjnym olejem napędowym. Przy nieznacznej poprawie parametrów dynamicznych uzyskano równieŝ znaczący wzrost zadymienia spalin, zawierający się w granicach od 33 do 51%. Z tego powodu postanowiono wybrać tylko jedną nastawę, która w sposób najbardziej efektywny poprawi przebiegi rozpatrywanych charakterystyk zewnętrznych. Biorąc pod uwagę najistotniejsze wady silnika z komorą wirową spalania, skoncentrowano się głównie na ograniczeniu zuŝycia paliwa, przy utrzymaniu moŝliwie niskiego poziomu zadymienia spalin wylotowych. Na rysunku 1 przedstawiono zbiorczą charakterystykę zewnętrzną jednostkowego zuŝycia paliwa silnika JK. MoŜna zauwaŝyć, Ŝe najbardziej poŝądany przebieg uzyskano

3 przy zasilaniu jednostki paliwem roślinnym i zmniejszeniu objętościowej dawki paliwa o 3mm 3 /cykl. Dla tej nastawy wartości rozpatrywanego parametru pracy były zdecydowanie najniŝsze. Jedynie przy maksymalnej prędkości obrotowej 3600 mni -1 jednostkowe zuŝycie paliwa wzrosło o 4,5 g/kwh w porównaniu do kompletacji oleju napędowego i ustawień fabrycznych. Pozostała grupa krzywych ma charakter bardzo zbliŝony, choć trudno ocenić je pozytywnie i wskazać ewentualne korzyści wynikające z danego sposobu regulacji dla nastaw, które wcześniej uznano za optymalne. Bardzo interesujące rezultaty uzyskano równieŝ przy zwiększeniu ciśnienia wtrysku do 15MPa, czyli ustawienia skrajnego nie przedstawionego na wykresie. Jednostkowe zuŝycie paliwa było niemal identyczne jak przy zasilaniu silnika olejem napędowym, np. osiągając przy prędkości obrotowej 1200 min -1 wartość 360 g/kwh. Niestety analiza pozostałych parametrów pracy tj. mocy efektywnej, momentu obrotowego i współczynnika absorpcji promieniowania podczerwonego sprawiła, Ŝe ustawienie to pominięto w dalszych rozwaŝaniach. Rys. 1. Charakterystyka zewnętrzna jednostkowego zuŝycia paliwa silnika JK zasilanego ON i RME dla nastaw fabrycznych oraz optymalnych regulowanych parametrów W ujęciu ekologicznym Ŝaden z proponowanych sposobów regulacji nie przyniósł wymiernych korzyści (Rys. 2). Decydującą rolę odegrał rodzaj stosowanego paliwa, gdyŝ przy ustawieniach zalecanych przez producenta, róŝnice między krzywymi były zdecydowanie największe. W rejonie niskich prędkości obrotowych zadymienie spalin silnika zasilanego olejem napędowym wzrosło nawet o 45% w porównaniu do sytuacji, gdy jako paliwo stosowano ester metylowy oleju rzepakowego. PowyŜej 2400 min -1 wartości współczynnika absorpcji stabilizują się na określonym poziomie (niezaleŝnie od wartości bezwzględnej), co obserwuje się równieŝ dla pozostałych krzywych i świadczy o mniejszym wpływie zmian regulacyjnych. Zdecydowanie większe znaczenie mają więc specyficzne właściwości fizykochemiczne paliwa roślinnego, czyli dodatkowe wiązania tlenowe w cząsteczkach i śladowa wręcz zawartość siarki. Tym niemniej bardzo zbliŝony poziom zadymienia spalin w odniesieniu do ustawień fabrycznych uzyskano dla regulacji

4 8 mm 3 /cykl, szczególnie w rejonie niskich i średnich prędkości obrotowych, co pozwala wskazać tą nastawę jako najbardziej efektywną. Rys. 2. Charakterystyka zewnętrzna współczynnika absorpcji silnika JK zasilanego ON i RME dla nastaw fabrycznych oraz optymalnych regulowanych parametrów Rys. 3. Charakterystyka zewnętrzna jednostkowego zuŝycia paliwa silnika CY zasilanego ON i RME dla nastaw fabrycznych oraz optymalnych regulowanych parametrów

5 Z analizy zbiorczej charakterystyki jednostkowego zuŝycia paliwa silnika CY wynika jednoznacznie, iŝ kaŝda z trzech proponowanych regulacji wpłynęła negatywnie na wartości omawianego parametru pracy (Rys. 3). Zdecydowanie lepszym rozwiązaniem było utrzymanie zalecanych przez producenta nastaw fabrycznych. W takim przypadku wzrost jednostkowego zuŝycia paliwa dla estru metylowego oleju rzepakowego, w porównaniu do zasilania jednostki olejem napędowym, kształtował się w granicach od 10 do 14%. MoŜna to tłumaczyć niŝszą zawartością węgla i wodoru, co tym samym przekłada się na mniejszą wartość opałową paliwa roślinnego. Interesujące wyniki uzyskano dla nastawy obniŝającej ciśnienie wtrysku do 15 MPa, gdyŝ dodatkowo parametry dynamiczne silnika były zbliŝone lub nawet lepsze jak dla innych sposobów prowadzonej regulacji. W aspekcie ekonomicznym pozostałe krzywe juŝ znacząco odbiegają od wartości uzyskiwanych dla oleju napędowego, gdyŝ róŝnice w jednostkowym zuŝyciu paliwa przekraczały nawet 20%. Rys. 4. Charakterystyka zewnętrzna współczynnika absorpcji silnika CY zasilanego ON i RME dla nastaw fabrycznych oraz optymalnych regulowanych parametrów Korzyści wynikające zarówno z prowadzonej regulacji, jak i zasilania badanego silnika paliwem rzepakowym, moŝna zauwaŝyć na rysunku 4. Zdecydowanie najniŝszym poziomem zadymienia spalin, wyraŝonym współczynnikiem absorpcji promieniowania podczerwonego, charakteryzowała się nastawa zmniejszająca kąt wyprzedzenia wtrysku do 19 OWK przed GMP tłoka. Wartości analizowanego parametru pracy zawierały się bowiem w niewielkich granicach od 0,65 do 0,74 m -1. Bardzo zbliŝony i zadawalający przebieg krzywej uzyskano równieŝ przy zwiększeniu objętościowej dawki paliwa o 3 mm 3 /cykl, w porównaniu z ustawieniem zalecanym przez producenta. Dla tak prowadzonych regulacji róŝnice w poziomie zadymienia spalin w odniesieniu do zasilania silnika olejem ropopochodnym zawierały się przedziale od 52 do 73%, przy czym największe z nich odnotowano dla skrajnych prędkości obrotowych wału korbowego silnika. Nie zmienia to jednak faktu, Ŝe czynnikiem mającym decydujący wpływ na rozpatrywany współczynnik absorpcji, miał rodzaj stosowanego w badaniach paliwa.

6 4. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania własne wykazały, Ŝe przy zasilaniu silników z wirową komorą spalania estrem metylowym oleju rzepakowego, lepsze rezultaty uzyskano w przypadku zmiany nastaw regulacyjnych jednostki wolnossącej. Z punktu widzenia parametrów ekologicznych i ekonomicznych zaleca się zmniejszyć objętościową dawkę paliwa do wartości 8 mm 3 /cykl. Taką regulację uznano za najbardziej wskazaną ze względu na bardzo niskie zuŝycie paliwa, przy zachowaniu niewielkiego poziomu zadymienia spalin wylotowych. Zastosowanie systemu doładowania turbospręŝarką wpłynął na polepszenie większości przebiegów parametrów roboczych drugiej wersji badanego silnika, równieŝ w sytuacji zasilania paliwem roślinnym. Niekorzystnym aspektem takiego rozwiązania był jednak wzrost współczynnika absorpcji promieniowania podczerwonego, który moŝna co prawda zmniejszyć przez jedną z przedstawionych regulacji, ale zawsze kosztem zwiększonego zuŝycia paliwa. 5. LITERATURA [1] A. Borodyn, J. Mysłowski, Wpływ zmiany ciśnienia wtrysku biopaliwa EMKOR na przebieg powierzchniowych charakterystyk zewnętrznych wybranych parametrów operacyjnych silnika typu JK, Energia odnawialna nr 8 (Szczecin: Wydawnictwo Bioenergetyka Zachodniopomorska Sp. z o.o., 2006) 4-9. [2] J. Merkisz, Ekologiczne problemy silników spalinowych, Tom 2, (Poznań: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 1999) [3] T. Stoeck, Aspekt ekonomiczny i ekologiczny stosowania paliw rzepakowych do zasilania silnika z zapłonem samoczynnym, Autobusy nr 1-2, (Radom: Wydawnictwo Autobusy Sp. z o.o., 2006) [4] J. A. Wajand, J. T. Wajand, Tłokowe silniki spalinowe średnio i szybkoobrotowe, (Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2000) [5] F. Wardziński, Samochodowe silniki spalinowe (Warszawa: Państwowe Wydawnictwa Szkolnictwa Zawodowego, 1968) THE IMPROVEMENT OF ECONOMIC AND ECOLOGICAL PARAMETERS OF ENGINES WITCH TURBULENCE COMBUSION CHAMBER SUPPLIED BY VEGETABLE FUEL Abstract - Having in mind the international legal regulations that refer to the protection of natural environment, the preservation of energy security or finally the necessity of rational use of the resources of mineral fuels, a larger and larger role in transportation is played by fuels of the plant origin. With respect to this, an alternative for classic fuels is first of all ethyl alcohol for engines with spark ignition and rapeseed methyl esters for engines with compression ignition. Their use seems to be fully justified in case of older motive units for which other solutions would be troublesome or irrational economically and ecologically. At the same time, there is a problem of minimising unfavourable aspects of the operation of engine fed with a fuel with different physicochemical properties when compared with petrol or diesel oil. In the paper is discussed an attempt to cope with these requirements by changing selected control settings of a normally aspirated engines with turbulence combustion chamber, treating rapeseed methyl esters as a self-contained fuel.