Przebieg ciśnienia w cylindrze silnika ZS z wieloetapowym wtryskiem paliwa zasilanego mieszaninami oleju napędowego i estrów FAME

Transkrypt

1 Andrzej Ambrozik 1, Tomasz Ambrozik 2, Dariusz Kurczyński 3, Piotr Łagowski 4 Politechnika Świętokrzyska Przebieg ciśnienia w cylindrze silnika ZS z wieloetapowym wtryskiem paliwa zasilanego mieszaninami oleju napędowego i estrów FAME Wstęp Rozwój współczesnych tłokowych silników spalinowych to dążenie do zminimalizowania ich szkodliwego oddziaływania na naturalne środowisko człowieka. Doskonalenie silników ma przede wszystkim na celu wyeliminowanie ze spalin toksycznych składników, zmniejszenie emisji dwutlenku węgla oraz zmniejszenie zużycia paliwa. Uzyskać to można na drodze doskonalenia konstrukcji tłokowych silników spalinowych, opracowania skutecznych urządzeń neutralizujących spaliny, stosowania napędów hybrydowych, zwiększenia stopnia wykorzystania energii zawartej w paliwie, poprawy jakości paliw konwencjonalnych oraz poszukiwania paliw alternatywnych. Paliwami alternatywnymi, które mogą być stosowane do zasilania silników spalinowych są paliwa gazowe. Do paliw gazowych należy gaz ziemny w postaci sprężonej lub skroplonej oraz mieszanina propanu i butanu czyli paliwo LPG. Coraz więcej uwagi poświęca się także możliwościom wykorzystania biogazu otrzymywanego z substancji organicznych do zasilania silników spalinowych. W przyszłości być może wodór stanie się paliwem podstawowym. Paliwa gazowe, ze względu na swoje właściwości, nadają się do zasilania silników o zapłonie iskrowym. Zastosowanie paliw gazowych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym wymaga istotnych zmian konstrukcyjnych samego silnika, jego układu zasilania, jak również jego sterowania i regulacji. Paliwem stosowanym do zasilania silników o zapłonie samoczynnym, nie wymagającym istotnych zmian w jego konstrukcji są paliwa ciekłe otrzymywane z roślin oleistych. Oleje roślinne charakteryzują się innymi właściwościami fizykochemicznymi w porównaniu do oleju napędowego, co powoduje trudności ich stosowania. Paliwem roślinnym, które ma zbliżone właściwości do oleju napędowego są estry olejów roślinnych. Można je stosować w mieszaninach z olejem napędowym lub w czystej postaci. Producenci nie zalecają jednak ich stosowania w nowoczesnych konstrukcjach silników o zapłonie samoczynnym wyposażonych w układ zasilania Common Rail. Możliwości zastosowania estrów olejów roślinnych jako paliw do silników o zapłonie samoczynnym, jest jednak w dalszym ciągu przedmiotem licznych badań i publikacji [2, 3, 5, 7, 13, 14, 15]. Pomiary ciśnienia w cylindrze silnika Pomiar przebiegu zmian ciśnienia w cylindrze silnika w funkcji kąta obrotu wału korbowego lub położenia tłoka w cylindrze nazywany jest indykowaniem silnika. W pierwszym skonstruowanym przez siebie silniku Nikolaus August Otto dokonał pomiarów takiego ciśnienia. Znajomość przebiegów zmiany ciśnienia w cylindrze silnika podczas kolejnych cykli jego pracy, jest podstawowym źródłem informacji o procesach w nim zachodzących [1]. Znajomość tych procesów pozwala na ocenę efektywności pracy silnika, poprawności przebiegu procesów tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej i jej spalania oraz diagnostyki silnika i wyznaczania jego wskaźników pracy. Pomiar zmiany ciśnienia w cylindrze może być w przyszłości wykorzystywany do sterowania i regulacji silnika w czasie rzeczywistym. Będzie to możliwe dzięki rozwojowi technik pomiarowych, elektroniki i systemów komputerowych. Pomiary ciśnienia w cylindrze silnika zwiększają swoją wartość informacyjną jeśli zostaną wzbogacone pomiarami przebiegu zmiany ci- 1 Prof. dr hab. inż. A. Ambrozik, Kierownik, Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra Pojazdów Samochodowych i Transportu, Zakład Silników Cieplnych 2 Dr inż. T. Ambrozik, adiunkt, Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra Pojazdów Samochodowych i Transportu, Zakład Techniki Samochodowej i Transportu 3 Dr inż. D. Kurczyński, adiunkt, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra Pojazdów Samochodowych i Transportu, Zakład Silników Cieplnych 4 Dr inż. P. Łagowski, adiunkt, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra Pojazdów Samochodowych i Transportu, Zakład Silników Cieplnych Logistyka 6/

2 śnienia wtrysku paliwa, wzniosu iglicy wtryskiwacza, jak również wzniosu zaworów. Według [16] indykownie jest wiarygodną i powtarzalną procedurą badawczą dostarczającą dokładnych informacji o rzeczywistych procesach zachodzących w cylindrach silnika. Rozwój systemów komputerowych oraz czujników pomiarowych sprawił, że pomiar szybkozmiennych wielkości silnika, w szczególności ciśnienia w cylindrze, spełnia wymagania stawiane w zakresie dokładności pomiarów [6]. Dokładność ta umożliwia otrzymanie innych istotnych i wiarygodnych wielkości oceniających pracę silników. Indykowanie ciśnienia w cylindrze stało się obecnie standardową metodą badawczą stosowaną w tłokowych silnikach spalinowych. Obecnie, powszechnie do pomiarów wysokich ciśnień szybkozmiennych stosuje się czujniki piezoelektryczne. Przetwornik takiego czujnika wykonany jest z materiału o właściwościach piezoelektrycznych. Klasycznym materiałem powszechnie stosowanym w budowie czujników do pomiarów ciśnień w cylindrze jest kwarc. Zjawisko piezoelektryczne polega na powstawaniu ładunku elektrycznego na ściankach płytki kryształu, przy jego deformacji mechanicznej, spowodowanej obciążeniem zewnętrznym. W przetwornikach tych ciśnienie oddziaływuje na płytki materiału piezoelektrycznego za pośrednictwem metalowej membrany. Ładunek powstający na ściankach płytek kryształu odprowadzany jest przewodami do wzmacniacza ładunku, a następnie do rejestratora, co pozwala ocenić wielkość siły działającej na płytki przetwornika. Wielkość tak wytworzonego ładunku elektrycznego jest wprost proporcjonalna do ciśnienia działającego na powierzchnię membrany, zamykającej przetwornik od strony komory spalania. W obecnie budowanych czujnikach ciśnienia stosuje się elementy pomiarowe składające się ze stosu płytek wykonanych najczęściej z kwarcu. Rozwiązanie takie pozwala zwiększyć czułość czujnika. Małym wartościom zmiany ciśnienia odpowiada wówczas większy wzrost ładunku elektrycznego niż w przypadku zastosowania elementu pomiarowego składającego się z pojedynczego kryształu kwarcu. Kwarc powszechnie wykorzystywany jest do budowy przetworników ciśnienia ze względu na jego korzystne własności, a w szczególności dużą wytrzymałość mechaniczną i małą zależność zjawiska piezoelektrycznego od zmian temperatury, pod warunkiem, że jest ona utrzymana w określonych granicach [4]. Współczesne czujniki piezokwarcowe charakteryzują się bardzo małymi rozmiarami i zapewniają poprawność oraz dokładność pomiarów w szerokim zakresie zmian temperatury bez konieczności jego chłodzenia. Pozwala to na pomiary ciśnień w cylindrze silników seryjnie produkowanych bez jakiejkolwiek ingerencji w ich konstrukcje. Czujniki można umieścić w świecy żarowej lub świecy zapłonowej i wówczas można realizować pomiary w każdych warunkach pracy silnika. Miniaturyzacja czujników była możliwa dzięki zastosowaniu w ich budowie nowych materiałów, pozwalających na pracę czujników w szerszym zakresie zmian temperatury, bez większej zmiany dokładności pomiarów. Takim materiałem jest na przykład kwarc sztucznie wytwarzany o czystszej sieci krystalicznej. Firma AVL specjalizująca się między innymi w produkcji aparatury do pomiaru wielkości szybkozmiennych w silnikach spalinowych, do budowy czujników piezoelektrycznych wykorzystuje ortofosforan galu GaPO4 (tabela 2). Paliwa stosowane podczas badań Pomiary ciśnienia w cylindrze silnika o zapłonie samoczynnym Fiat 1.3 Multijet realizowano przy zasilaniu go trzema paliwami. Pierwszym z nich był handlowy olej napędowy ON nie zawierający dodatków estrów kwasów tłuszczowych olejów roślinnych FAME. Paliwo to spełniało wymagania normy PN-EN 590: [10]. Dwa pozostałe paliwa to mieszaniny wspomnianego wyżej oleju napędowego i estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME. Pierwsza mieszanina zawierała 80% V/V oleju napędowego ON i 20% V/V estrów oleju rzepakowego FAME i oznaczono ją symbolem B20. Druga zawierała 70% V/V oleju napędowego ON i 30% V/V estrów oleju rzepakowego FAME i oznaczono ją symbolem B30. Wybór takich paliw podyktowany był faktem, że w najbliższej przyszłości być może zwiększany będzie możliwy udział estrów FAME w oleju napędowym. Poza tym estry nie zastąpią całkowicie oleju napędowego, ze względu na ograniczone możliwości ich wytwarzania. Ponadto producenci silników o zapłonie samoczynnym z układem zasilania Common Rail nie dają gwarancji na poprawne funkcjonowanie tych silników przy zasilaniu ich estrami FAME. Estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME wykorzystane w zrealizowanych badaniach to paliwo produkowane w Rafinerii Trzebinia S.A. Spełnia ono wymagania normy PN-EN 14214:2012 [11]. Estry te otrzymywane są w procesie transestryfikacji triglicerydów oleju rzepakowego metanolem. Wybrane właściwości oleju napędowego ON i estrów metylowych oleju rzepakowego FAME wykorzystanych w badaniach przedstawiono w tabeli Logistyka 6/2014

3 Tabela 1. Właściwości fizykochemiczne oleju napędowego ON oraz estrów metylowych oleju rzepakowego FAME przedstawione w świadectwach jakości dla tych paliw [8, 12] Parametr Jednostki Olej napędowy FAME Zawartość estrów metylowych kwasów tłuszczowych FAME - < 0,05 % (V/V) 97,9 % (m/m) Gęstość w temperaturze 15 C kg/m 3 833,4 883,1 Lepkość kinematyczna w temperaturze 40 C mm 2 /s 2,596 4,55 Liczba cetanowa - 51,0 51,3 Temperatura mętnienia C Temperatura zablokowania zimnego filtru C Temperatura zapłonu C 63,5 powyżej 111 Zawartość siarki S mg/kg 8,3 6,4 Zawartość wody mg/kg Zawartość zanieczyszczeń stałych mg/kg 7,3 18 Pozostałość po koksowaniu z 10%-owej pozostałości destylacyjnej %(m/m) 0,01 0,21 Badania działania korodującego na miedź (3 godziny w temperaturze 50 C ocena klasa 1 klasa 1 Stanowisko badawcze Badania przeprowadzono na hamowni silnikowej znajdującej się w Laboratorium Silników Cieplnych Politechniki Świętokrzyskiej. W składa tego stanowiska wchodziły następujące elementy: silnik o zapłonie samoczynnym Fiat 1.3 Multijet SDE 90KM, hamulec elektrowirowy typu EMX 100/ firmy Elektromex Centrum, szafa sterująca pracą silnika i hamulca z układem sterowania firmy Automex, system pomiarowy wielkości szybkozmiennych AVL IndiSmart, dawkomierz paliwa typu 730 Dynamic Fuel Consumption firmy AVL, termiczny masowy przepływomierz powietrza SENSYFOLW ig firmy ABB, komputer PC umożliwiający sterowanie pracą stanowiska hamownianego i odczyt wybranych parametrów jego pracy, system diagnostyczny FSA 740 z urządzeniem Bosch KTS 540. Rysunek 1. Schemat blokowy hamownianego stanowiska badawczego Logistyka 6/

4 Schemat blokowy stanowiska hamownianego z silnikiem 1.3 MultiJet SDE 90 KM przedstawiono na rysunku 1. Podstawowe dane techniczne hamulca elektrowirowego typu EMX 100/ firmy Elektromex Centrum stosowanego podczas badań przedstawiono w tabeli 2. Szafa sterownicza stanowiska składa się z panelu mocy hamulca AMX 202, modułu AMX 211 sterującego zespołem silnik-hamulec, modułu pomiarowego AMX212 PMO umożliwiającego pomiar najważniejszych parametrów pracy silnika oraz panelu przeznaczonego do pomiaru temperatur i ciśnień. Ponadto w szafie sterowniczej umieszczony był panel do sterowania dawkomierzem paliwa 730 Dynamic Fuel Consumption AVL oraz panel z regulatorami temperatury LUMEL RE43. Tabela 2. Podstawowe dane techniczne hamulca elektrowirowego typu EMX 100/ firmy Elektromex Centrum Parametr Jednostka Wartość Maksymalna moc pochłaniania kw 100 Maksymalna prędkość obrotowa obr/min Maksymalny moment obrotowy Nm 240 Długość ramienia pomiarowego m 0,370 Kierunek obrotów - Dowolny Zapotrzebowanie na wodę m 3 /h 2,5 Ciśnienie wody bar 0,75 1,25 Masa hamulca kg 250 Obiekt badań Obiektem badań był silnik Fiat 1.3 Multijet SDE 90 KM. Jest to nowoczesna konstrukcja silnika o zapłonie samoczynnym wyposażona w układ zasilania Common Rail. Elementy układu pochodzą z firmy Bosch, natomiast system sterowania jest firmy Magneti Marelli. Wtryskiwacze elektromagnetyczne firmy Bosch sterowane elektronicznie pracują przy maksymalnym ciśnieniu wynoszącym 160. Dawka paliwa przypadająca na jeden cykl pracy, może być w zależności od warunków pracy silnika, dzielona na trzy części. Poprawę osiągów silnika i możliwość ich kształtowania otrzymano dzięki zainstalowaniu w układzie dolotowym powietrza turbosprężarki o zmiennej geometrii łopatek kierownicy. Sprężone powietrze zanim dotrze do cylindrów silnika jest chłodzone. W silniku zastosowano również układ recyrkulacji spalin z ich chłodzeniem. Elektroniczny system sterujący pracą silnika 1.3 MultiJet steruje: wartością dawki paliwa i jej podziałem, kątem wyprzedzenia wtrysku paliwa, ciśnieniem paliwa w zbiorczej szynie paliwowej, ilością recyrkulowanych spalin, prędkością biegu jałowego, maksymalną prędkością obrotową wału korbowego silnika oraz pracą świec żarowych [9]. Podstawowe dane techniczne badanego silnika Fiat 1.3 Multijet SDE 90 KM przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Podstawowe dane techniczne silnika FIAT 1.3 Multijet SDE 90 KM Parametr Jednostka Wartość Układ cylindrów - rzędowy Liczba cylindrów, c - 4 Rodzaj wtrysku - bezpośredni, wieloetapowy wtrysk paliwa Kolejność pracy cylindrów Stopień sprężania, - 17,6 Średnica cylindra, D m 69, Skok tłoka, S m Pojemność skokowa silnika, V ss m 3 1, Moc nominalna silnika, N e kw 66 Prędkość obrotowa mocy nominalnej, n N obr/min 4000 Maksymalny moment obrotowy silnika, M e Nm 200 Prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego, n M obr/min 1750 Prędkość obrotowa biegu jałowego, n bj obr/min 850±20 17 Logistyka 6/2014

5 System do pomiaru wielkości szybkozmiennych Do pomiaru wielkości szybkozmiennych wykorzystany był system pomiarowy AVL IndiSmart. System ten umożliwiał pomiar przebiegów ciśnienia czynnika roboczego w cylindrze silnika Fiat 1.3 Multijet i ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym w funkcji kata obrotu wału korbowego. Składał się z następujących elementów: systemu akwizycji danych AVL IndiSmart 612, piezoelektrycznego czujnika ciśnienia w cylindrze silnika, tensometrycznego czujnika ciśnienia w przewodzie wtryskowym, enkodera kąta obrotu wału korbowego silnika. Pomiar ciśnienia czynnika roboczego w cylindrze silnika dokonywany był w sposób ciągły z zastosowaniem czujnika piezoelektrycznego. Analogowy sygnał ciśnienia pochodzący z czujnika, próbkowany był z wysoką częstotliwością. Podstawowe dane techniczne czujnika piezoelektrycznego stosowanego do badań przedstawiono w tabeli 4. Zastosowany czujnik ciśnienia posiada micro chip, w którym zapisane są podstawowe dane rozpoznawalne przez system po podłączeniu czujnika. W systemie zastosowano enkoder fotoelektryczny firmy AVL 365C o rozdzielczości 720 impulsów elektrycznych na jeden obrót wału korbowego silnika. Oznacza to, że kolejny pomiar odbywał się, co określoną wartość kątową wynoszącą Δα = 0,5 WK. System umożliwia multiplikacje tego sygnału, co daje możliwość zwiększenia rozdzielczości pomiaru do Δα = 0,1 OWK. Dane techniczne enkodera AVL 365C przedstawiono w tabeli 5. Pomiar ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym, tuż przed wtryskiwaczem, był realizowany za pomocą czujnika tensometrycznego firmy AVL, którego parametry techniczne przedstawiono w tabeli 6. Ponadto w skład systemu wchodził program AVL Indicom Mobile 2012 służący do obsługi całego systemu w tym do sporządzania wykresów indykatorowych i charakterystyk wydzielania ciepła podczas procesu spalania. Tabela 4. Specyfikacja techniczna piezoelektrycznego czujnika ciśnienia w cylindrze silnika AVL Parametr Wartość Zakres pomiarowy bar Czułość 16 pc/bar Liniowość <±0,3 Trwałość > 10 8 cykli zmian obciążenia Dopuszczalne przeciążenie 300 bar Materiał pomiarowy GaPO4 Transmisja sygnału światłowód Tabela 5. Specyfikacja techniczna enkodera kąta obrotu wału korbowego silnika AVL 365C Parametr Wartość Rozdzielczość impulsy/obr 720 Zasada działania optyczny Maksymalna prędkość obrotowa obr/min Odporność na udary 1000 g Temperatura pracy elektroniki enkodera C Temperatura pracy elementów- mechanicznych i optyki enkodera C Transmisja sygnału światłowód Tabela 6. Specyfikacja techniczna tensometrycznego czujnika ciśnienia firmy AVL w układzie wtryskowym Parametr Wartość Zakres pomiarowy bar Czułość 2.6 ٠10-4 MV/Vbar Liniowość, <±0,5 Trwałość, > 10 8 cykli zmian obciążenia Dopuszczalne przeciążenie, 4000 bar Logistyka 6/

6 Wyniki badań Pomiary zmian ciśnienia w cylindrze silnika przeprowadzono na hamowni, przy pracy silnika Fiat 1.3 Multijet według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej oraz charakterystyk obciążeniowych dla prędkości obrotowych wału korbowego wynoszących 1750 obr/min i 4000 obr/min. W ustalonych warunkach pracy silnika rejestrowano przebiegi ciśnienia dla co najmniej pięćdziesiąt kolejnych cykli pracy w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Do analizy wykorzystano wykresy uśrednione z kolejnych pięćdziesięciu cykli pracy. Na rysunku 2 przedstawiono przebiegi zmiany ciśnienia w cylindrze silnika Fiat 1.3 Multijet pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej i zasilaniu go mieszaninami oleju napędowego ON i estrów metylowych oleju rzepakowego FAME o objętościowej zawartości estrów 20% (B20) i 30% (B30), oraz dla porównania olejem napędowym ON nie zawierającym estrów FAME. Dla paliw B20 i B30 otrzymano nieznacznie mniejsze wartości ciśnień niż w przypadku oleju napędowego. Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono przebiegi ciśnień w cylindrze silnika Fiat 1.3 Multijet pracującego według charakterystyk obciążeniowych dla prędkości obrotowych wału korbowego 1750 obr/min i 4000 obr/min, zasilanego mieszaninami oleju napędowego i estrów metylowych oleju rzepakowego FAME: B20 i B30, oraz czystym olejem napędowym. Przy pracy silnika według charakterystyk obciążeniowych otrzymano nieznacznie większe wartości ciśnień dla paliw B20 i B30 niż w przypadku zasilania silnika czystym olejem napędowym. Rysunek 2. Przebiegi ciśnienia w cylindrze silnika Fiat 1.3 Multijet pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej i zasilaniu go paliwami: ON, B20, B30, przy prędkościach obrotowych wału korbowego: a) przy n = 1750 obr/min i b) n = 4000 obr/min 19 Logistyka 6/2014

7 Rysunek 3. Przebiegi ciśnienia w cylindrze silnika Fiat 1.3 Multijet pracującego według charakterystyki obciążeniowej dla prędkości obrotowej wału korbowego n = 1750 obr/min i zasilaniu go paliwami: ON, B20, B30, dla obciążeń wyrażonych momentem obrotowym: a) przy M = 80 Nm, b) M = 160 Nm Rys. 4. Przebiegi ciśnienia w cylindrze silnika Fiat 1.3 Multijet pracującego według charakterystyki obciążeniowej dla prędkości obrotowej wału korbowego n = 4000 obr/min i zasilaniu go paliwami: ON, B20, B30, dla obciążeń wyrażonych momentem obrotowym: a) przy M = 40 Nm, b) M = 100 Nm Z uśrednionych wykresów indykatorowych odczytano maksymalne wartości ciśnień w cylindrze silnika otrzymane przy zasilaniu silnika paliwami ON, B20 i B30. Na podstawie uśrednionych wykresów indykatorowych obliczono szybkość narastania ciśnienia dp/dα w cylindrze silnika w kolejnych przedziałach kątowych Δα. Odczytano z nich maksymalne wartości tych szybkości w cylindrze silnika Fiat 1.3 Multijet zasilanego paliwami ON, B20 i B30. W tabeli 7 przedstawiono wartości maksymalnego ciśnienia w cylindrze silnika pmax, wartości maksymalnych szybkości narastania ciśnienia w cylindrze (dp/dα)max, oraz wartości kątów ich wystąpienia, przy zasilaniu badanego silnika paliwami: ON, B20 i B30 i przy jego pracy według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej, dla dwóch prędkości obrotowych wału korbowego n = 1750 oraz 4000 obr/min. Logistyka 6/

8 Tab. 7. Wartości ciśnień maksymalnych i maksymalnych szybkości narastania ciśnienia w cylindrze silnika Fiat 1.3 Multijet oraz kątów ich wystąpienia, przy zasilaniu go paliwami: ON, B20, B30 i jego pracy według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej n = 1750 obr/min pmax pmax (dp/dα)max / α(dp/dα)max n = 4000 obr/min pmax pmax (dp/dα)max / α(dp/d α)max Paliwo ON 13, ,60 0,48 367,00 15, ,9 2,00 361,4 B20 13, ,50 0,62 366,90 15, ,7 1,58 363,5 B30 12, ,90 0,49 371,20 15, ,0 1,57 363,7 W tabelach 8 i 9 przedstawiono wartości maksymalnego ciśnienia w cylindrze silnika pmax, wartości maksymalnych szybkości narastania ciśnienia w cylindrze (dp/dα)max, oraz wartości kątów ich wystąpienia, przy zasilaniu badanego silnika Fiat 1.3 Multijet paliwami: ON, B20 i B30 i jego pracy według charakterystyk obciążeniowych przy dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego n = 1750 obr/min i 4000 obr/min oraz przy różnych obciążeniach silnika wyrażonych momentem obrotowym. Tab. 8. Wartości ciśnień maksymalnych i maksymalnych szybkości narastania ciśnienia w cylindrze silnika Fiat 1.3 Multijet oraz kąty ich wystąpienia, przy zasilaniu go paliwami: ON, B20, B30 i jego pracy według charakterystyki obciążeniowej przy prędkości obrotowej wału korbowego n = 1750 obr/min Paliwo Mo = 80 Nm p max p max (dp/dα) max / α(dp/dα)max Mo = 160 Nm p max p max (dp/dα) max / α(dp/dα)max ON 7, ,6 0, ,9 11, ,3 0,54 371,2 B20 7, ,2 0, ,5 11, ,4 0,57 370,2 B30 7, ,8 0,62 370,8 11, ,5 0,45 371,5 Tab. 9. Wartości ciśnień maksymalnych i maksymalnych szybkości narastania ciśnienia w cylindrze silnika Fiat 1.3 Multijet oraz kąty ich wystąpienia, przy zasilaniu go paliwami: ON, B20, B30 i jego pracy według charakterystyki obciążeniowej przy prędkości obrotowej wału korbowego n = 4000 obr/min Mo = 40 Nm Mo = 100 Nm Paliwo p max p max (dp/dα) max / α(dp/dα)max p max p max (dp/dα) max / α(dp/dα)max ON 9, ,4 0, ,7 13, ,8 0, B20 9, ,8 0, ,4 13, ,2 0, ,7 B30 9, ,9 0, ,0 14,11 369,4 0,93 360,4 Podsumowanie Wybrany do badań silnik o zapłonie samoczynnym Fiat 1.3 Multijet to nowoczesna konstrukcja, w której zastosowano większość obecnie stosowanych rozwiązań technicznych. Silnik został wyposażony w układ zasilania Common Rail z wtryskiwaczami elektromagnetycznymi, pracujący przy ciśnieniach do 160. Układ tego typu stawia duże wymagania paliwom stosowanych do zasilania silników wyposażonych w ten układ zasilania. Podczas badań silnik zasilano olejem napędowym bez dodatków estrów FAME oraz jego mieszaninami z estrami metylowymi oleju rzepakowego FAME o objętościowej zawartości estrów 20% i 30%. Zastosowane estry charakteryzują się większą gęstością i lepkością kinematyczną oraz większą zawartością wody i zanieczyszczeń stałych w porównaniu do oleju napędowego. Zastosowanie mieszanin estrów metylowych FAME i oleju napędowego zawierających 20% i 30% objętościowo estrów miało nieznaczny wpływ na przebiegi ciśnienia w cylindrze w porównaniu do tych przebiegów otrzymanych przy zasilaniu badanego silnika olejem napędowym nie zawierającym estrów FAME. Przy pracy silnika według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej i zasilaniu go paliwami B20 i B30, otrzymano nieznacznie 21 Logistyka 6/2014

9 mniejsze wartości ciśnień niż przy zasilaniu go olejem napędowym. Przy pracy silnika według charakterystyk obciążeniowych, porównując przebiegi ciśnienia dokładnie wyznaczone przy tych samych obciążeniach, otrzymano nieznacznie większe wartości ciśnień w cylindrze przy zasilaniu silnika paliwami B20 i B30 w porównaniu z zasilaniem go olejem napędowym. Różnice te mogą być wynikiem innego składu mieszanki paliwowo-powietrznej oraz innych właściwości fizykochemicznych estrów. Różnice te, przy zasilaniu silnika paliwami zawierającymi dodatki estrów w ilości 20% (V/V) i 30% (V/V) nie są jednak zbyt duże. Streszczenie Rozwój tłokowych silników spalinowych związany jest między innymi z koniecznością ograniczania ich szkodliwego oddziaływania na środowisko w którym żyje człowiek. Dąży się do zminimalizowania emisji związków toksycznych oraz dwutlenku węgla będącego produktem zupełnego spalania paliw węglowodorowych. Jedną ze skutecznych metod ograniczania szkodliwego oddziaływania silników spalinowych na środowisko jest doskonalenie przebiegu procesów zachodzących w cylindrze silnika. Jest to możliwe dzięki rozwojowi elektronicznych układów sterowania oraz opracowywania nowych konstrukcji czujników dostarczających informacji o przebiegu ciśnienia w cylindrze silnika oraz o właściwościach powietrza i paliwa. Fizykochemiczne właściwości paliwa mają istotny wpływ na przebieg procesów tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej oraz proces jej spalania. W artykule przedstawiono wpływ dodatku estrów metylowych oleju rzepakowego FAME na przebieg zmiany ciśnienia czynnika roboczego w cylindrze silnika, a tym samym na wybrane parametry procesu spalania. Badania przeprowadzono na nowoczesnym silniku o zapłonie samoczynnym wyposażonym w zasobnikowy układ zasilania Common Rail z wtryskiwaczami elektromagnetycznymi sterowanymi elektronicznie. Silnik zasilano mieszaninami oleju napędowego z estrami FAME o ich objętościowej zawartości w mieszaninach 20% i 30% oraz dla celów porównawczych czystym olejem napędowym. Estry FAME w czystej postaci nie zastąpią całkowicie oleju napędowego, ale ich ilości w oleju napędowym mogą stopniowo wzrastać. Wykazano wpływ dodatku estrów metylowych oleju rzepakowego FAME do oleju napędowego na postać wykresu indykatorowego silnika. IN-CYLINDER PRESSURE PROFILE IN MULTI-POINT FUEL INJECTION CI ENGINE FUELLED BY DIESEL OIL / ESTER (FAME) BLENDS Abstract The development of internal combustion engines is related, among others, to the necessity of reducing their impact on human environment. It is necessary to minimize the emissions of toxic compounds and carbon dioxide which is the product of the complete combustion of hydrocarbon fuels. One of the effective means of decreasing the negative environmental impact of combustion engines involves improving the pattern of processes that occur in the engine cylinder. That is possible due to the development of electronic control systems and new designs of sensors that provide information on in-cylinder processes and on air and fuel properties. Fuel physico-chemical properties significantly affect the air-fuel mixture formation and its combustion. The paper presents the effect produced by the addition of rapeseed oil methyl esters FAME on the profile of the working medium pressure changes in the engine cylinder, and thus on the selected parameters of the combustion process. The tests were conducted on a modern-design compression ignition engine equipped with the Common Rail fuel system with electronically controlled electromagnetic injectors. The engine was fuelled with diesel oil/ester blends with 20% and 30% FAME volume fraction, and for the sake of comparison, with neat diesel oil. Neat esters will not replace diesel oil, but their share may gradually increase. The paper shows the effect of the addition of rapeseed oil methyl esters FAME to diesel oil on the form of the engine indicator diagram. Literatura [1] Ambrozik A., Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, Kielce [2] Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P.: The Influence of the Injection Advance Angle on the Fuel Spray Parameters and Nitrogen Oxide Emissions for a Self - Ignition Engine Fed with Diesel Oil and FAME, Polish Journal of Environmental Studies, Vol. 23, No. 6, Logistyka 6/

10 [3] Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P., Orliński P., Orliński S.: Badania silnika AD3.152 UR zasilanego olejem napędowym, FAME i ich mieszaniną. Logistyka 3/2014, s [4] Badania silników spalinowych. Redaktor naukowy Wojciech Serdecki. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [5] Kruczyński S.W., Orliński P., Combustion of methyl esters of various origins in the agricultural engine. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, Vol. 20, December 2013, pp [6] Kurczyński D., Wpływ paliw roślinnych i ich mieszanin z olejem napędowym na wskaźniki pracy silnika o zapłonie samoczynnym. Praca doktorska, Kielce [7] Labecki L., Ganippa L.C.: Effects of injection parameters and EGR on combustion and emission characteristics of rapeseed oil and its blends in diesel engines. Fuel 98/2012, s [8] Orzeczenie laboratoryjne nr S/14541/0/01/2013 Olej napędowy. [9] Pietras D., Świątek P.: Dobór kalibracji sterowania silnika 1,3 Multijet w aspekcie jego osiągów i składu spalin. Silniki Spalinowe, Nr 2/2008 (133) s [10] PN-EN 590: Paliwa do pojazdów samochodowych. Oleje napędowe. Wymagania i metody badań. [11] PN-EN 14214:2012 Ciekłe przetwory naftowe. Estry metylowe kwasów tłuszczowych (FAME) do użytku w silnikach samochodowych o zapłonie samoczynnym (Diesla) i zastosowań grzewczych. Wymagania i metody badań. [12] Świadectwo jakości nr wyrobu Biodiesel. [13] Tsolakis A., Megaritis A., Wyszynski M. L., Theinnoi K.: Engine performance and emissions of a diesel engine operating on diesel-rme (rapeseed methyl ester) blends with EGR (exhaust gas recirculation). Energy 32/2007, s [14] Tziourtzioumis D., Stamatelos A., Effects of a 70% biodiesel blend on the fuel injection system operation during steady-state and transient performance of a common rail diesel engine. Energy Conversion and Management 60/2012, s [15] Varatharajan K., Cheralathan M.: Influence of fuel properties and composition on NOx emissions from biodiesel powered diesel engines: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16/2012, s [16] Wimmer A., GlaserJ.: Indykowanie silnika. Wydanie polskie, AVL List GmbH, Przedstawicielstwo w Polsce, Warszawa Logistyka 6/2014