MOTROL, 2007, 9, 7 14 WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI PALIW MINERALNYCH I ROŚLINNYCH NA PRĘDKOŚĆ NARASTANIA CIŚNIENIA W PRZEWODZIE WTRYSKOWYM I EMISJĘ AKUSTYCZNĄ WTRYSKIWACZA Andrzej Ambrozik, Tomasz Ambrozik, Stanisław Kruczyński, Stanisław Orliński Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Politechnika Warszawska Wydział Mechaniczny, Politechnika Radomska, Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań i analizę wpływu prędkości narastania ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym na emisję akustyczną wtryskiwacza silnika AD3.152 pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej i zasilanego olejem napędowym oraz paliwami roślinnymi. Badania przeprowadzono na stanowisku hamown(icz)ym wyposaŝonym w system do pomiarów wielkości szybkozmiennych i hałasu. Wykazano, Ŝe rodzaj paliwa, którym zasilany jest silnik wywiera istotny wpływ na przebieg procesu wtrysku paliwa i emisję akustyczną wtryskiwacza. Słowa kluczowe: silniki spalinowe, badania hamown(icz)e, paliwa ekologiczne, hałas, środowisko WSTĘP Od wielu lat tendencje rozwoju tłokowych silników spalinowych charakteryzuje ciągła poprawa ich wskaźników energetycznych, ekonomicznych i ekologicznych. Dodatkowo obserwuje się duŝy wzrost zapotrzebowania na paliwa alternatywne. Istnieje zatem potrzeba stworzenia własnej, krajowej, moŝliwie największej bazy paliwowej, zapewniającej zasilanie silników spalinowych. Jedną z dróg rozwiązywania tego problemu jest wykorzystywanie i wytwarzanie paliw roślinnych [Ambrozik et al. 2002]. Stwarza to moŝliwości rozwoju w danym kraju nowych technologii produkcji paliw oraz zapewnia dodatkowe miejsca pracy i efekty ekologiczne. Paliwa roślinne charakteryzują się innymi właściwościami fizykochemicznymi niŝ paliwa węglowodorowe. Powoduje to róŝnice zarówno w procesie doprowadzania, jak i rozpylania paliwa, a tym samym w procesie spalania w cylindrze silnika o zapłonie samoczynnym [Ambrozik et al. 2002].
8 Andrzej Ambrozik, Tomasz Ambrozik, Stanisław Kruczyński, Stanisław Orliński STANOWISKO BADAWCZE, CEL I ZAKRES BADAŃ Celem badań było określenie wpływu zasilania silnika AD3.152 z bezpośrednim wtryskiem róŝnymi paliwami na prędkość narastania ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym oraz emisję akustyczną wtryskiwacza. Analizę przeprowadzono przy pracy silnika wg zewnętrznej charakterystyki prędkościowej w zaleŝności od prędkości obrotowej wału korbowego. Badania prowadzono zgodnie z BN-74/1340-12 i PN-88/S-02005 na stanowisku hamownianym z silnikiem o zapłonie samoczynnym typu AD3.152. Stanowisko wyposaŝone było w system pomiarowy wielkości szybkozmiennych i emisji akustycznej [Dok. Techn. 2002]. Podstawowe wybrane właściwości fizykochemiczne paliw: węglowodorowego Ekodiesel Plus 50B i roślinnego BioDiesel D-FAME (EMKOR) przedstawiono w tabeli 1., zaś schemat blokowy stanowiska badawczego na rys. 1. Tabela 1.Wybrane własności fizykochemiczne paliw Plus 50B oraz BioDiesel D-FAME (EMKOR) [Polski Koncern 2006] Table 1. Selected physicochemical properties of fuel Ekodiesel Plus 50 and Biodiesel D-FAME (EMKOR) Właściwości Ekodiesel Plus 50B Biodiesel D-FAME (EMKOR) Liczba cetanowa 51,8 51,3 Napięcie powierzchniowe, 10-2 N/m 2 3,47 3,52 Gęstość w 20 o C, kg/m 3 848 882 Lepkość kinematyczna w 40 o C, mm 2 /s 3,00 3,55 Wartość opałowa, MJ/kg 43,0 36,7 Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska badawczego [Dok. techn. 2002] Fig. 1. Test stand scheme
WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI PALIW MINERALNYCH I ROŚLINNYCH... 9 METODYKA BADAŃ Badania przeprowadzono w Zakładzie Technicznej Eksploatacji Pojazdów Instytutu Technicznej Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Politechniki Radomskiej. Przed przystąpieniem do badań silnik doprowadzono do stanu równowagi cieplnej, sprawdzono ustawienie względem GMP nadajnika kąta obrotu wału korbowego, przeprowadzono skalowanie torów pomiarowych oraz wyregulowano wg zaleceń producenta ciśnienie robocze otwarcia wtryskiwaczy na wartość 17,5 MPa. Ponadto ustawiono nominalny kąt dynamicznego początku tłoczenia paliwa na wartość α dpt = 17 OWK. W czasie sporządzania zewnętrznej charakterystyki prędkościowej, w kaŝdym punkcie pomiarowym prędkości obrotowej silnika z zakresu 1000 2000 obr/min, ustalonym co 200 obr/min, rejestrowano 100 kolejnych cykli pracy, przebiegi ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym oraz wartości sygnałów emisji akustycznej wtryskiwacza [Ranachowski 2006]. Na podstawie wyników pomiarów otrzymano: uśrednione prędkości narastania ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym, uśrednione wartości amplitudy napięcia sygnału emisji akustycznej wtryskiwacza. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 2 przedstawiono porównanie przebiegu ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym dla badanych paliw i przy pracy silnika z prędkością obrotową n = 1400 obr./min, odpowiadającą maksymalnemu momentowi obrotowemu silnika. Tabela 2. Maksymalne wartości prędkości narastania ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym Table 2. Maximum values of fuel pressure increase rate in injection pipe Prędkość obrotowa silnika, n obr/min Uśredniona maksymalna wartość prędkości narastania ciśnienia paliwa Bio- Diesel D-FAME (EMKOR) dp/dα Uśredniona maksymalna wartość prędkości narastania ciśnienia paliwa Ekodiesel Plus 50B dp/dα 1000 7,71 7,2 1200 7,81 7,18 1200 7,75 7,22 1600 7,88 7,37 1800 8,02 7,43 2000 8,06 7,54 Tabela 2 ilustruje róŝnice procentowe maksymalnych wartości prędkości narastania ciśnienia w przewodzie wtryskowym silnika AD3.152 pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej, zasilanego paliwami: Ekodiesel Plus 50B oraz BioDiesel D-FAME (EMKOR). Porównanie uśrednionych ze 100 cykli wtrysku paliwa przebiegów narastania ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym przy prędkości obrotowej mak-
10 Andrzej Ambrozik, Tomasz Ambrozik, Stanisław Kruczyński, Stanisław Orliński symalnego momentu obrotowego n = 1400 obr/min przeprowadzono przy zasilaniu silnika paliwem Ekodiesel Plus 50B oraz paliwem BioDiesel D-FAME (EMKOR). Rys. 2. Uśrednione przebiegi ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym p w = f(α) Fig. 2. Average curves at fuel pressure in injection pipe as a function of α m Rys. 3. Uśredniony ze 100 cykli pomiarowych przebieg przyrostu prędkości narastania ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym Fig. 3. Rate of fuel pressure increase in injection pipe (100 measurement cycles on average) Na rysunku 3 przedstawiono uśrednione ze 100 cykli pomiarowych przebiegi przyrostu prędkości narastania ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym przy zasilaniu silnika paliwami: Ekodiesel Plus 50B i BioDiesel D-FAME (EMKOR) przy prędkości obrotowej n = 1400 obr/min. Na rysunku 4 pokazano porównanie róŝnic procentowych uśrednionych maksymalnych wartości prędkości narastania ciśnienia badanych rodzajów paliwa w przewodzie wtryskowym.
WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI PALIW MINERALNYCH I ROŚLINNYCH... 11 n, obr/min EMKOR EKODIESEL Plus 50B 2000 1800 1600 1400 1200 1000 80 85 90 95 100 Rys. 4. Procentowa ocena maksymalnych wartości prędkości narastania ciśnienia w przewodzie wtryskowym Fig. 4. Percentage values of maximum rates of pressure increase in injection pipe for engine fuelled Rp, % Tabela 3. Wartości uśrednionych ze 100-cykli pracy silnika AD3.152 Table 3. Tests results of average amplitude of injector AD3.152 engine (100 measurement cycles average) Prędkość obrotowa silnika, n, obr/min Uśredniona amplituda napięcia U śr, mv dla paliwa węglowodorowego Ekodiesel Plus 50 Uśredniona amplituda napięcia U śr, mv dla paliwa roślinnego BioDiesel D-FAME (EMKOR) 1000 555 448 1200 727 567 1400 957 738 1600 1043 842 1800 1110 980 2000 1174 1023 W tabeli 3 przedstawiono wyniki badań uśrednionej wartości amplitudy napięcia sygnałów emisji akustycznej wtryskiwacza silnika AD3.152 zasilanego paliwami Ekodiesel Plus 50 oraz zasilanego paliwem BioDiesel D-FAME (EMKOR). Na rys. 5 pokazano wybrany przebieg amplitudy napięcia emisji akustycznej wtryskiwacza, zaś rys. 6. przedstawia zbiorcze porównanie maksymalnych uśrednionych amplitud sygnałów napięcia emisji akustycznej dla badanych paliw.
12 Andrzej Ambrozik, Tomasz Ambrozik, Stanisław Kruczyński, Stanisław Orliński Rys. 5. Wybrany przebieg sygnałów napięcia emisji akustycznej wtryskiwacza w funkcji czasu, przy zasilaniu silnika paliwem BioDiesel D-FAME (EMKOR), pracującego przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika n = 1400 obr/min Fig. 5. Selected diagram of signals of injector acoustic signal voltage vs. time (of 100 cycles) and BioDiesel D-FAME (EMKOR) fuel at ratiotonal speed n = 1400 rpm EKODIESEL Plus 50 BioDiesel D-FAME (EMKOR) U śr, uv 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 1000 1200 1400 1600 1800 2000 n, obr/min Rys. 6. Porównanie maksymalnych uśrednionych amplitud sygnałów napięcia emisji akustycznej wtryskiwacza przy zasilaniu silnika paliwami Ekodiesel Plus 50 i BioDiesel D-Fame (EMKOR) Fig. 6. Comparison of maximum average amplitude of acoustic emission voltage signals in injection between Ekodiesel Plus 50B and BioDiesel D-FAME (EMKOR) fuels
WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI PALIW MINERALNYCH I ROŚLINNYCH... 13 WNIOSKI Na podstawie wyników badań moŝna sformułować następujące wnioski: 1. Wartości uśrednionych przebiegów ciśnień róŝnych paliw w przewodzie wtryskowym i prędkości narastania ciśnienia oraz wzniosy iglicy wtryskiwacza, zmierzonych w zakresie prędkości obrotowych 1000 2000 obr/min okazały się większe przy zasilaniu silnika paliwem roślinnym EMKOR w porównaniu z tymi wartościami otrzymanymi przy zasilaniu silnika paliwem węglowodorowym Ekodiesel Plus 50B. 2. RóŜnice procentowe pomiędzy wartościami prędkości narastania ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym dla prędkości obrotowych zmieniających się od 1000 do 2000 obr/min pozwalają stwierdzić, Ŝe prędkość narastania tego ciśnienia jest większa dla paliwa EMKOR, w stosunku do oleju napędowego Ekodiesel Plus 50B. RóŜnice tych prędkości wahają się od 8% przy prędkości maksymalnego momentu obrotowego do 6,4% przy prędkości 2000 obr/min, na korzyść paliwa roślinnego EMKOR. 3. Z analizy przebiegów ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym wynika, Ŝe największe róŝnice ciśnień występują przy prędkości maksymalnego momentu obrotowego, tj. przy n = 1400 obr/min. 4. Otrzymane wyniki badań uśrednionych wartości amplitud napięcia emisji akustycznej wtryskiwacza umoŝliwiają określenie wpływu parametrów fizykochemicznych paliwa na wielkość napięciowego sygnału drgań wtryskiwacza, który ma istotny wpływ na proces wtrysku paliwa. 5. RóŜnice uśrednionych maksymalnych napięciowych wartości amplitud sygnałów emisji akustycznej wtryskiwacza w całym badanym przedziale prędkości obrotowej silnika są o 14 24% mniejsze dla paliwa EMKOR w porównaniu z tymi wartościami dla paliwa węglowodorowego Ekodiesel Plus 50. WiąŜe się to z mniejszym hałasem silnika. PIŚMIENNICTWO Ambrozik A., Orliński P., Orliński S. 2002: Sygnał wibroakustyczny jako parametr diagnostyczny drgań iglicy wtryskiwacza silnika o zapłonie samoczynnym. Autobusy 12. Dokumentacja techniczna 2002: Stanowisko pomiarowe parametrów pomiarowych szybkozmiennych ciśnień, IEPiM Politechnika Radomska, Radom. Polski Koncern Naftowy ORLEN S.A, 2006: Świadectwo jakości; Rafineria Trzebinia: Właściwości fizykochemiczne estrów metylowych kwasów oleju rzepakowego paliwa EMKOR Ranachowski Z. 2006: Instrukcja obsługi przenośnego analizatora dźwięku i drgań. IPPT, PAN Warszawa.
14 Andrzej Ambrozik, Tomasz Ambrozik, Stanisław Kruczyński, Stanisław Orliński INFLUENCE OF NATURAL AND VEGETABLE FUEL PROPERTIES ON THE RATE OF PRESSURE INCREASE IN INJECTION PIPE AND INJECTOR ACOUSTIC EMISSION Summary. The paper presents investigation results and analysis in the area of the rate measurements of fuel pressure increase in injection pipe as well as amplitude measurements of acoustic emission signal of the injector as function of engine AD3.152 rotational speed on external characteristics basis for fuelling with natural and vegetable fuels. The measurements were carried out on test stand equipped with measurement system of quickvariable values and acoustic emission of the injector. It was shown that fuel type had an essentia influence on fuel injection process and acoustic emission of the injector. Key words: combustion engines, test stand, investigation, ecological fuels, environment