ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/212 Stanisław W. Kruczyński 1, Michał Kurek 2, Patryk Hirszler 3 ANALIZA PROCESU SPALANIA ETANOLU NA CHARAKTERYSTYCE REGULACYJNEJ SKŁADU MIESZANKI SILNIKA ROVER 1.4 1. Wstęp Przy obecnych tendencjach rozwojowych w motoryzacji konstruktorzy silników o zapłonie iskrowym (ZI) muszą uwzględniać w swoich działaniach 2 bardzo ważne czynniki: Spadek podaży ropy naftowej. Analizy prowadzone przez World Oil oraz Gas Journal doprowadzają do jednoznacznego wniosku, że trzeba szukać alternatywnych źródeł energii. Dodatkowo obecna sytuacja geopolityczna powoduje niepewność zachowania ciągłości dostaw ropy, co powoduje lawinowy wzrost ceny baryłki. Drugim problemem są coraz bardziej restrykcyjne normy emisji spalin Euro-5 dla lekkich samochodów osobowych, oraz wchodząca w życie od 214 roku norma Euro-6 dla ciężkich pojazdów samochodowych. Jedną z najbardziej obiecujących alternatyw dla klasycznych paliw wytwarzanych z ropy naftowej jest bioetanol, czyli paliwo otrzymywane z produktów roślinnych takich jak zboża, buraki cukrowe, ziemniaki, trzcina cukrowa. Na rynku tego typu paliwo najczęściej występuje w formie mieszanki zawierającej 15% benzyny i 85% bioetanolu, zwane paliwem. Etanol, obok wodoru, jest uważany za paliwo najbardziej przyjazne środowisku. Jako dodatek do paliw zawierający tlen powoduje zmniejszenie emisji tlenku węgla i toksycznych składników spalin takich jak benzen i cząstki stałe [1]. Aby można było je stosować w samochodach muszą one być wyposażone w system Flexifuel (tego typu samochody na rynku polskim sprzedają m.in. Ford, Peugeot, Citroen, Volvo). Tabela 1. Porównanie podstawowych parametrów i Benzyna Etanol Wartość opałowa [MJ/dm3] 31 23 Wartość opałowa [MJ/kg] 41 26,8 Granica zapalności [ λ ],4-1,4,3-2,1 Liczba cetanowa/oktanowa RON 15/95 -/18 Celem niniejszego opracowania jest analiza procesu spalania etanolu, na charakterystyce regulacyjnej składu mieszanki paliwa na silniku Rover 1.4. Opracowanie to pozwoli na lepsze poznanie procesów zachodzących podczas zasilania silnika paliwem typu bioetanol, oraz na laboratoryjne wyznaczenie stężeń substancji szkodliwych w spalinach. 1 prof. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów 2 mgr. inż. Michał Kurek Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów 3 mgr. inż. Patryk Hirszler PIMOT 129
2. Opis stanowiska badawczego Badania prowadzone były na hamowni silnikowej, na której zamontowany był silnik DOHC Rover K16 MPI z wielopunktowym wtryskiem. Pojemność skokowa silnika 1398cm 3, moc 76 KW. Ze względu na to, że nie jest to silnik typu flexi-fuel przystosowany do zasilania paliwem dokonano modyfikacji umożliwiającej regulowanie parametrów pracy silnika, poprzez zamontowanie urządzenia typu piggyback Digital ECU Tuner II, firmy ECU Master, co umożliwiło zasilanie silnika paliwem. Dodatkowy kontroler umożliwia zmianę wartości sygnałów sterujących komputerem samochodowym ECU, oraz regulację takich parametrów jak zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu, czy skład mieszanki paliwowo-powietrznej która to funkcjonalność była wykorzystywana podczas badań. Dodatkowo podczas pomiarów pobierano próbkę gazów spalinowych z układu wydechowego, które były kierowane bezpośrednio do analizatora spalin AVL CEB II poprzez drogi grzewcze o temperaturze około 15 C. Takie rozwiązanie pozwoliło uniknąć osadzania się HC na powierzchni dróg gazowych. Analizator mierzył stężenia takich substancji jak tlenek węgla (CO), węglowodory (HC) oraz tlenki azotu (NO x ). Moc efektywna była mierzona hamulcem elektromechanicznym. Rys. 1. Stanowisko pomiarowe 3. Opis metodyki badawczej oraz wyniki badań Metodyka pomiarów polegała na regulowaniu składu mieszanki paliwowopowietrznej, podczas pracy przy stałym kącie otwarcia przepustnicy TPS=22,4, oraz przy prędkości obrotowej n=29obr/min Zakres regulacji wynosił od mieszanki bogatej λ=,8, do mieszanki ubogiej λ=1,2 z krokiem co,5. Pomiary prowadzone były dla 3 rodzajów paliw: Standardowe paliwo produkcji PKN Orlen Paliwo zawierające 85% etanolu Mieszanina 5% i 5%, na potrzeby badań oznaczona jako E4 13
Ciśnienie [MPa] Przeprowadzono następujące pomiary na charakterystyce składu mieszanki paliwa, przy stałym ϕ=36 OWK: Ciśnień w komorze spalania w funkcji kąta obrotu wału korbowego Stężeń substancji szkodliwych CO, HC, NOx Następnie obliczono i dokonano analiz następujących parametrów pracy silnika: przyrost ciśnień dp/dα wydzielanie ciepła dq/dα nieregularność procesu spalania Przeprowadzone badania zostały następnie zestawione w postaci wykresów porównawczych, przedstawionych poniżej. Na rysunkach umieszczono przykładowe wartości pomiarów przedstawione dla optymalnego kąta wyprzedzenia zapłonu ф=36 OWK. Indykowanie zrobiono w programie Indiview. 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5-3 -2-1 1 2 3 Kąt obrotu wału korbowego α [ OWK] Rys. 2 Wykresy indykatorowe p=f(α) przy pracy silnika w następujących warunkach: n=29obr/min, TPS=22,4, λ=1, ф=36 OWK E4 131
ILOść wydzielonego ciepła [%/ OWK] dp/dα [Mpa/ OWK] 2 1,5 1 E4,5 -,5-3 -2-1 1 2 3-1 Kąt obrotu wału korbowego α [ OWK] Rys. 3. Wykresy przyrostu ciśnień dp/dα=f(α) przy pracy silnika w następujących warunkach: n=29obr/min, TPS=22,4, λ=1, ф=36 OWK 7 6 5 Lo95 E4 4 3 2 1-3 -2-1 1 2 3-1 Kąt obrotu wału korbowego α[ OWK] Rys. 4. Wykres wydzielania ciepła dq/dα=f(α) przy pracy silnika w następujących warunkach: n=29obr/min, TPS=22,4, λ=1, ф=36 OWK 132
Za pomocą oprogramowania AVL Concerto wyznaczono także nieregularność procesu spalania i wyznaczono odchylenie standardowe. Poniżej znajdują się przykładowe wyniki dla kąta wyprzedzenia zapłonu ф=36 OWK. Rys.5. Nieregularność procesu spalania; paliwo, n=29 obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=36 OWK, odchylenie standardowe σ=,15 Rys.6. Nieregularność procesu spalania; paliwo E4, n=29 obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=36 OWK, odchylenie standardowe σ=,14 133
Stężenie [ppm] Rys.7. Nieregularność procesu spalania; paliwo, n=29 obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ϕ=36 OWK, odchylenie standardowe σ=,11 Za pomocą analizatora spalin zmierzono stężenia substancji szkodliwych, których przebiegi wyznaczono na zbiorczych wykresach. 8 7 6 5 4 3 E4 2 1,8,85,9,95 1 AFR 1,5 1,1 1,15 1,2 Rys. 8. Stężenie CO na charakterystyce regulacyjnej składu mieszanki przy parametrach: n=29obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=36 OWK 134
Stężenie [ppm[ Stężenie [ppm] 25 2 E4 15 1 5 4. Wnioski Rys. 9. Stężenia NOx na charakterystyce regulacyjnej składu mieszanki przy parametrach: n=29obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=36 OWK Rys. 1. Stężenia HC na charakterystyce regulacyjnej składu mieszanki przy parametrach: n=29obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=36 OWK Spalanie paliwa i E4 w stosunku do spalania przy optymalnym kącie zapłonu (ф=36 OWK), powoduje późniejsze narastanie ciśnienia, późniejszy przyrost dp/dα i późniejsze wywiązywanie się ciepła. Spalanie i E4 powoduje zmniejszenie nieregularności pracy silnika o 15% w stosunku do spalania. Stężenia CO, HC wzrastają wraz ze wzrostem λ. 45 4 35 3 25 2 15 1 5,8,85,9,95 1 1,5 1,1 1,15 1,2 Spalanie i E4 powoduje zmniejszenie emisji NOx i HC w stosunku do spalania. 135 AFR,8,85,9,95 1 1,5 1,1 1,15 1,2 AFR E4
Spalanie i E4 nie powoduje zmniejszenia emisji CO w stosunku do. Analizując powyższe wyniki badań procesu spalania etanolu i jego wpływ na parametry pracy silnika można stwierdzić, że etanol jest bardzo perspektywicznym paliwem do zasilania silnika ZI, jako, że powoduje stabilniejszą i lepszą pracę (rys. 5,6,7), a także znaczący spadek emisji substancji szkodliwych (rys. 9,1), za wyjątkiem tlenku węgla (rys. 8), którego emisja była większa w stosunku do klasycznej benzyny. Lepsza i stabilniejsza praca silnika stwierdzona podczas badań wynika najprawdopodobniej z odmiennej budowy fizykochemicznej etanolu, co ma znaczący wpływ na proces spalania. Alkohol etylowy CH 3 CH 2 OH występujący w tym paliwie zawiera w swojej strukturze dodatkowo jeden atom tlenu, co powoduje wyższą liczbę oktanową wynoszącą około 15 i pozwala na obniżenie stężenia węglowodorów oraz tlenku węgla w spalinach. Wymagałoby to jednak dodatkowych badań. Należałoby także zbadać jaki jest długotrwały wpływ stosowania etanolu na komponenty silnika, który nie był fabrycznie przystosowany do zasilania tego typu paliwem. Literatura [1] Radkowski S., Piętak A., Kruczyński S., Szewczyk K., Struś M.: Wieloaspektowa analiza stosowania paliw w Polsce ze szczególnym uwzględnieniem biopaliw; Warszawa 26; Dostępne: www.transport.gov.pl [2] Kurek M.: Ocena wpływu etanolu na parametry pracy silnika ZI, Praca magisterska, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska, Warszawa 21 [3] Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie iskrowym, Wydanie I, Warszawa 25 Streszczenie W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań i analizę procesu spalania etanolu na charakterystyce regulacyjnej składu mieszanki na silniku Rover 1.4. Wyniki te pozwoliły na wyznaczenie emisji substancji szkodliwych, odtworzenie wykresów indykatorowych, oraz analizę wybranych parametrów pracy silnika. Przedstawiono również opis stanowiska badawczego, oraz metodykę wykonywania pomiarów. Artykuł zawiera porównanie 3 paliw pod względem ich wpływu na proces spalania. Ponadto przedstawione wyniki są efektem prac hamownianych, które umożliwią stworzenie komputerowej symulacji procesu spalania etanolu za pomocą odpowiedniego oprogramowania komputerowego. ANALYSIS OF COMBUSION OF THE ETHANOL ON THE REGULATION CHARACTERISTIC OF FUEL MIXTURE ON ROVER 1.4 ENGINE Summary This article presents the results and analysis of combustion of the ethanol on the regulation characteristic of fuel mixture on Rover 1.4 engine. This results allowed to designate the emission of harmful substances, reconstruction of the indicator graphs, and analysis of selected engine operating parameters. The article presents also a description of measurement station, and methodology of measurements. The article is comparison of 3 fuels in terms of their influence on combustion process. Moreover presented results are the effect of dyno measurements, which will allow to prepare a computer simulation of ethanol combustion process, on the specialized computer software. 136