MAMALA Jarosław 1, AUGUSTYNOWICZ Andrzej 2 Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny, Katedra Pojazdów Drogowych i Rolniczych Obniżenie emisji pierwotnej silników o zapłonie samoczynnym 1. WSTĘP Silnik spalinowe, zwłaszcza o zapłonie samoczynnym, są powszechnie wykorzystywane do napędu pojazdów drogowych służących do przewozu dóbr i osób. Tym samym rozwój transportu drogowego jest konsekwencją ekspansji nowoczesnego społeczeństwa i jego mobilności. We wszystkich tych pojazdach drogowych są odpowiednio przygotowane silniki spalinowe zasilane przede wszystkim paliwem kopalnianym ale również ostatnio paliwami alternatywnymi. W ten sposób uzyskana energia mechaniczna z paliwa, jest przetworzona na siłę napędową na kołach pojazdu, której wartość zależy od wykonanej pracy przewozowej. Taka konfiguracja układu napędowego wynika przede wszystkim z dobrych wskaźników energetycznych liczonych według formuły WTW ( from well to wheel ) [6, 8], dobrych właściwości eksploatacyjnych i dużej wytrzymałości na ciężkie warunki pracy. Stąd wysoka niezawodność pojazdów oraz ich długie okresy miedzy przeglądami technicznymi, dają w branży transportowej ogromne korzyści. Jednak pracy silników spalinowych towarzyszy emisja gazów wylotowych zawierających zarówno szkodliwe związki toksyczne jak i nietoksyczne. Zatem celowe staje się udoskonalanie silników oraz podzespołów pojazdów, nie tylko w celu zapewnienia niskiego poziomu awaryjności podczas eksploatacji ale również ze względu na zaostrzające się normy emisji spalin dla różnych kategorii pojazdów. Przy czym dąży się do utrzymywania określonego poziomu emisji na całej drodze życiowej pojazdu [9]. Rys. 1. Aktualnie obowiązujące normy emisji spalin w Japonii, Europie i Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnych Źródło: Worldwide Emissions Standards. Passenger Cars and Light Duty Vehicles, Delphi 2014-2015 1 mail: j.mamala@po.opole.pl, 2 mail: a.augustynowicz@po.opole.pl.
Normy o nazwie Euro (przedstawione na rysunku 1) opracowano dla pojazdów drogowych. Natomiast dla pojazdów sektora maszyn przemysłowych i rolniczych zwanych non-road opracowano inne normy emisji o nazwie Tier. Na przestrzeni ostatnich lat [1, 2, 5, 8], rozwinięto wiele konstrukcji układów zasilania silników spalinowych. Początkowo były to układy mechaniczne: pompy rzędowe, pompy rozdzielaczowe, pompowtryskiawacze, a następnie wprowadzono do sterowania pracą tych układów elementu elektronicznego EDC (Elektronic Diesel Control). Obecnie najbardziej popularne są układy zasilania oparte na wysokim ciśnieniu wtrysku oraz zasobniku paliwa, powszechnie znane pod nazwą Common Rail. Systemy te pozwalają w znaczny sposób ograniczyć nie tylko niekorzystne skutki pracy silnika spalinowego, obniżyć poziom generowanego przez nie hałasu oraz drgań a jednocześnie zapewnić równomierną pracę silnika. W pracach [3, 4, 6] przedstawiono możliwości poprawy wskaźników pracy silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym, wyposażonego w układ zasilania paliwem oparty na rzędowej pompie wtryskowej sterowanej z układu elektronicznego. Taka konfiguracja umożliwia zmianę wskaźników pracy silnika przez odpowiednie ustawienie parametrów wtrysku paliwa do komory spalania. W ten sposób istnieje możliwość zmiany szybkości narastania ciśnienia spalania w cylindrze silnika ZS. 2. UKŁAD ZASILANIA PALIWEM Prowadzone badania w UE wskazują, że najczęściej wykorzystywaną gałęzią transportu jest transport za pomocą pojazdów drogowych [15], którego udział wynosi ponad 44% wyrażonej w wielkości pracy przewozowej w tonokilometrach. W tej kwestii gra toczy się o wysoką stawkę, o miliny sztuk produkowanych silników które muszą spełniać wspomniane już normy spalin. Wymusza to na producentach, i ośrodkach badawczych poszukiwanie rozwiązań technicznych, mogących spełnić bardzo rygorystyczne warunki pracy silników. Jednym ze sposobów rozwiązanie tego problemu jest modyfikacja parametrów układu wtryskowego paliwem, mających wpływ na emisję pierwotną silnika. Według opracowania [11] zasadnicze znaczenie w kształtowaniu przebiegu procesu spalania w cylindrze silnika, zgodnie z wykresem przedstawionym na rysunku 2, mają poszczególne fazy wtrysku paliwa. Rys. 2. Przebieg wtrysku paliwa w silniku ZS Źródło: Steuerung und Regelung von Dieselmotoren Grundlagen der Dieseleinspritzung, wyd. Konrad Reif, seria Bosch Fachinformation Automobil, s.48
Wtrysk wstępny (punkt 1 na rys. 2) powoduje łagodne narastanie ciśnienia spalania przekładając się na mniejsze zużycie paliwa, lepsze spalanie, ograniczoną emisję tlenków azotu i węglowodorów, zmniejszony hałas pracy silnika. Narastający przebieg ciśnienia podczas wtrysku zasadniczego (punkt 2) skutkuje zmniejszeniem emisji tlenków azotu. Trwałe wysokie ciśnienie podczas wtrysku zasadniczego (punkty 3 i 4) zmniejsza emisję cząstek stałych przy współpracy z systemem recyrkulacji spalin. Zmienny przebieg ciśnienia podczas wtrysku zasadniczego (punkt 4) ogranicza emisję tlenków azotu i cząstek stałych. Dotrysk bezpośrednio po wtrysku zasadniczym (punkt 8) przekłada się na dalsze ograniczenie emisji cząstek stałych. Natomiast późny dotrysk paliwa (punkt 9) wykorzystywany jest do redukcji tlenków azotu poprzez wspomaganie reaktora katalitycznego. W technice silnikowej wykorzystuje się różne układy zasilania paliwowego, które umożliwiają realizację wtrysku wielofazowego paliwa do cylindra. Jednym z takich rozwiązań, wykorzystanych w Katedrze Pojazdów Drogowych i Rolniczych Politechniki Opolskiej, jest zastosowany układ zmechatronizowanej rzędowej pompy wtryskowej do kontroli procesu wtrysku paliwa a tym samym wpływu na przebieg ciśnienia spalania w silniku o zapłonie samoczynnym. Jest to połączenie zmodyfikowanej klasycznej, niezawodnej rzędowej pompy wtryskowej z elektroniczną jednostka sterującą EDC. Główna modernizacja dotyczy zmodyfikowanych sekcji tłoczących, charakteryzujących się dużym kątem tłoczenia (obejmującym kąt 195 o wału pompy) przy stałej prędkości tłoczka a w miejsce zaworów odcinających zastosowano elektromagnetyczne układy sterujące wtryskiem paliwa. Każda elektroniczna sekcja tłocząca jest połączona z przewodem wysokiego ciśnienia i wtryskiwaczem paliwa w cylindrze, obsługuje jeden cylinder. Zamontowany układ zasilania paliwem zastosowano w silniku badawczym Z- 1505. Przełożenie prędkości wału pompy w stosunku do wału korbowego silnika wynosi 1:2. Widok pompy EPP.4M przedstawiono na rysunku 3, a podstawowe jej parametry zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Podstawowe parametry techniczne rzędowej pompy wtryskowej [7] Dane techniczne Wartość Rys. 3. Zmodernizowana rzędowa pompa wtryskowa typu EPP.4M Maksymalna moc cylindra silnika 35 kw Liczba sekcji tłoczących 3-8 Średnica tłoczka 10 mm Skok tłoczka sekcji 15 mm Maksymalne ciśnienie robocze pompy 180 MPa Rozstaw sekcji tłoczących 45 mm Średnica zewnętrzna sekcji tłoczącej 35 mm Dawka paliwa 180 mm 3 /skok Maksymalna prędkość pompy 1500 obr -1 Jak wynika z przedstawionych w pracach [3, 4] wyników badań własnych układu zasilania paliwem, przeprowadzonych na stanowisku badawczym, ze względu za zastosowany układ sterowania, istnieje możliwość realizacji wtrysku wielofazowego począwszy od wtrysku wstępnego aż po dotrysk paliwa. Szybkość reakcji elektronicznych zaworów regulujących paliwa jest wystarczająco duża, ograniczeniem jest jednak prędkość wypływu paliwa z sekcji tłoczącej, są to zjawiska hydrauliczne zachodzące w układzie wysokiego ciśnienia. Ograniczenie to powoduje, że skutecznie można dokonać regulacji procesu wtryskiwanego paliwa do prędkości obrotowej silnika 1600 obr/min Na rysunku 4 przedstawiono charakterystykę pracy krzywki sekcji tłoczącej zmechatronizowanej rzędowej pompy wtryskowej.
Rys. 4. Charakterystyka sekcji tłoczącej pompy wtryskowej EPP.4M: (linia czerwona wznos tłoczka sekcji tłoczącej) Źródło: opracowanie własne Przez pełne 90 o kąta obrotu wału krzywkowego pompy, a więc 180 o stopni kąta obrotu wału korbowego (jeden pełny suw tłoka w cylindrze) parametry sekcji tłoczącej mogą być stałe, dla których zastosowano wtrysk paliwa wielofazowy. W pracy dokonano porównania wtrysku jednofazowego, dwufazowego zgodnymi z parametrami fabrycznymi oraz zmodyfikowani parametry układu wtryskowego mającego na celu zmniejszenie emisji substancji szkodliwych i poprawę równomierności pracy silnika. Zmodyfikowany wtrysk paliwa dwu fazowy, odniesiono do pozycji GMP tłoka i określony został wartością kątów wtrysku paliwa, według schematu przedstawionego na rysunku 5. Rys. 5. Sposób podziału dawki wtryskowej w sterowniku silnika badawczego Z-1505 - schemat rozmieszczenia poszczególnych faz wtrysku oraz odpowiadające im parametry sterujące Inj0 kąt fazy wtrysku, PreInj0 kąt fazy wstępnego wtrysku Źródło: opracowanie własne 3. OBIEKT I STANOWISKO BADAWCZE Badania zrealizowano na hamowni silnikowej Politechniki Opolskiej w Katedrze Pojazdów Drogowych i Rolniczych przy wykorzystaniu silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym typu Z1505. Hamownia silnikowa jest w pełni skomputeryzowana umożliwiając jednocześnie pomiar i rejestrację wielu wskaźników pracy silnika, dostępnych zarówno z EDC komputera silnika jak i zapisywanych bezpośrednio z stanowiska takich jak: momentu obrotowego, mocy, prędkości obrotowych, ciśnienia w układzie wtryskowym, wewnątrz komory spalania, temperatury umieszczonych w różnych punktach silnika czy stężenia składników gazowych w spalinach (NOx, HC, CO, CO2, PM, O2).
Widok silnika zainstalowanego na hamowni silnikowej wraz z schematem podłączenia układu zasilania paliwem do sterownika silnika został przedstawiony na rysunku 6. a) b) EDC Silnika ADCIS Rys. 6. Obiekt badań silnik spalinowy typu Z1505: a) widok silnika w części siłowej, b) schemat podłączenia układu zasilania Źródło: a) opracowanie własne 4. WYNIKI BADAŃ Badania przeprowadzono przy stałej prędkości obrotowej silnika spalinowego pracującego w różnych stanach obciążeń przy zmiennych parametrach wtrysku paliwa. Jak już zaznaczono modyfikowano nie tylko liczbę faz wtrysku paliwa ale również i parametry wtrysku paliwa tj. kąt wyprzedzenia wtrysku głównego względem GMP, kąt trwania wtrysku głównego, kąt wyprzedzenia wtrysku pilotującego od rozpoczęcia wtrysku głównego czy kąt trwania wtrysku pilotującego. Na rysunku 7 przedstawiono wykresy porównujące pracę silnika z fabrycznymi ustawieniami kątów wtrysku paliwa, zarówno dla wtrysku jednofazowego jak i dwufazowego. Badany układ zasilania paliwem jest konstrukcją prototypową, zatem parametry wtrysku paliwa mogły być nie zoptymalizowane. Wyniki badań ciśnienia wtrysku paliwa w funkcji kąta obrotu wału korbowego, ciśnienia wewnątrz cylindra silnika w funkcji kąta obrotu wału korbowego przedstawiono na rysunku 7. Analiza krzywych ciśnienia paliwa w układzie wysokiego ciśnienia (rys. 7a) pozwala stwierdzić, iż wpływa to na przebieg procesu spalania w cylindrze silnika testowego (rys. 7b). Wtrysk dwufazowy, w początkowej fazie narastania ciśnienia przebiega podobnie jak jednofazowy, jednak wcześniejszy wtrysk paliwa (wtrysk wstępny) powoduje łagodny wzrost ciśnienia jeszcze przed GPM a maksymalna jego wartość jest osiągnięta bezpośrednio po GMP. Wtrysk jednofazowy powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia wewnątrz cylindra, bezpośrednio po GMP, odznaczający się twardą i hałaśliwą pracą silnika [3].
a) b) Rys. 7. Wyniki badań silnika pracującego z prędkością obrotową 915 obr/min bez obciążenia i włączonym fabrycznym wtrysku paliwa 1-fazowym i 2-fazowym: a) ciśnienie wtrysku paliwa w funkcji kąta obrotu wału korbowego, b) ciśnienie indykowania w funkcji kąta obrotu wału korbowego Źródło: Kowalski D.: Analiza nierównomierności pracy silnika o zapłonie samoczynnym z wtryskiem wielofazowym, Praca doktorska, Politechnika Opolska, Opole 2014 Jednocześnie rejestrowano wskaźniki emisyjne silnika, stężenie tlenku azotu NOx i zadymienie spalin PM, które przedstawiono na rysunku 8. Wtrysk dwufazowy powoduje, że pomimo narastania ciśnienia spalania w cylindrze płynnie, bez charakterystycznego piku ciśnienia jak w przypadku wtrysku jednofazowego, zanotowano znaczący wzrost emisji silnika w gazach wylotowych: podwyższenie emisji cząstek stałych o 800% oraz tlenków azotu o 26% (tabela 3).
NO x, ppm Jednocześnie analizowano równomierność pracy silnika na podstawie sygnału z hallotronowego czujnika prędkości obrotowej koła zamachowego według zależności: x 100%, (1) gdzie: ω max maksymalna prędkość kątowa wału korbowego, ω min minimalna prędkość kątowa wału korbowego, ω śr średnia prędkość kątowa wału korbowego. a średnią prędkość kątową wału korbowego obliczono na podstawie wzoru:. (2) Płynne i równomierne narastanie ciśnienia spalania w cylindrze dla wtrysku dwufazowego charakteryzuje się wyższą kulturą pracy silnika, co jest zilustrowane tabeli nr 2 przedstawiającym wskaźnik równomierności pracy silnika. Tabela nr 2. Stopień nierównomierności pracy silnika pracującego z prędkością obrotową 915 obr/min bez obciążenia i włączonym fabrycznym wtrysku paliwa jednofazowym i dwufazowym Rodzaj wtrysku Wartość % jednofazowy wtrysk paliwa - fabryczny 9 dwufazowy wtrysk paliwa fabryczny 6 Przedstawione wyniki dla wtrysku dwufazowego przy ustawieniach fabrycznych parametrów układu wtryskowego wpłynęło na poprawę wybranych wskaźników pracy silnika, jednak nie poprawiło wskaźników emisyjnych. Zatem sprawdzono czy modyfikacja parametrów wtrysku paliwa może również poprawić wskaźniki emisyjne przy możliwie najniższej wartości stopnia nierównomierności pracy silnika. Modyfikowano ustawienia kątów wtrysku paliwa dla prędkości obrotowej silnika 915 obr/min od następujących wartości bazowych: kąt wyprzedzenia wtrysku głównego od GMP 24 OWK, kąt trwania wtrysku głównego 8 OWK, kąt wyprzedzenia wtrysku pilotującego od głównego 16 OWK, kąt trwania wtrysku pilotującego 10 OWK. 240 200 NO x PM 10 8 160 120 6 4 PM, mg m -3 80 2 40 0 4 8 12 16 20 24 kąt wyprzedzenia wtrysku pilotującego, o OWK Rys. 8. Modyfikacji parametrów wtrysku paliwa dla silnika nieobciążonego pracującego z prędkością obrotową 915 obr/min dla emisji substancji szkodliwych zawartych w spalinach Źródło: opracowanie własne
Modyfikacja ustawień kątów wtrysku dwufazowego modyfikowanego, spowodowało poprawę stopnia równomierności pracy silnika do wartości 4,5 % przy jednocześnie uzyskanych wyższych wartościach ciśnienia wewnątrz cylindra o 8 atmosfer po GMP. Modyfikacja parametrów układu wtryskowego może doprowadzić, pomimo wykonania przesterowania sekcji pompy wtryskowej, do zaniku wtrysku dwufazowego ze względu na przepływy hydrauliczne paliwa w układzie wysokiego ciśnienia [3, 4]. Punkty charakteryzujące się najlepszymi ustawieniami poddano analizie ze względu na wskaźniki emisyjne (PM i NOx), dla najlepszych ustawień EDC silnika, co zostało przedstawione tabeli 3. Tabela nr 3. Parametry emisyjne dla silnika pracującego z prędkością obrotową 915 obr/min bez obciążenia i włączonym fabrycznym wtrysku paliwa jednofazowym i dwufazowym oraz modyfikowanym Rodzaj wtrysku PM mg/m 3 NO x ppm jednofazowy wtrysk paliwa - fabryczny 0,5 262 dwufazowy wtrysk paliwa fabryczny 4,5 331 dwufazowy wtrysk paliwa - modyfikowany 2,92 250 Modyfikacja ustawień dla wtrysku dwufazowego, spowodowała 35% redukcję emisję cząstek sadzy (PM) w stosunku do dwufazowego wtrysku fabrycznego przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji tlenków azotu poniżej progu jednofazowego wtrysku fabrycznego. 5. PODSUMOWANIE W pracy skupiono się na badaniu punktów pracy silnika, nie obciążonego, pracującego z niską prędkości obrotową tzw. bieg jałowy, która charakteryzuję się niekorzystnymi warunkami pracy. W odniesieniu do przedstawionych wyników badań, istnieje możliwość poprawy kultury pracy silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym przez osiągnięcie jak najniższego wskaźnika nierównomierności pracy oraz korzystnych przebiegów ciśnienia spalania, jednak powinna się wiązać z obszernymi badaniami emisyjnymi silnika. Przedstawione w pracy rozwiązanie systemu układu paliwowego opartego na mechatronizacji rzędowej pompy wtryskowej, jest rozwiązaniem tanim i łatwym do zastosowania w praktyce. Opracowana konstrukcja pompy wtryskowej wyróżnia się niskim kosztem adaptacji do obecnie użytkowanych silników, związanym z brakiem ingerencji w jego konstrukcję. Jednostka sterująca silnika spalinowego EDC jest przygotowana do współpracy z układami wtórnymi oczyszczania spalin. Jest to szczególnie istotne w perspektywie, ciągle zmieniających, rygorystycznych norm emisji spalin dla pojazdów drogowych i poza drogowych. Takie badania, w oparciu o nowoczesny układ wtryskowy, mogą przyczynić się do ograniczenia negatywnego wpływu na środowisko naturalne silników spalinowych a zatem stanowią ważny aspekt ekologiczny w transporcie. Streszczenie W pracy przedstawiono możliwości poprawy wskaźników pracy silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym, pracującego na biegu jałowym i nieobciążonego, wyposażonego w układ zasilania paliwem oparty na rzędowej pompie wtryskowej sterowanej z układu elektronicznego. Taka konfiguracja umożliwia wpływ na wskaźniki pracy silnika przez zmianę parametrów wtrysku paliwa do komory spalania. W ten sposób istnieje możliwość zmiany szybkości narastania ciśnienia spalania w cylindrze silnika przy jednoczesnej poprawie stopnia nierównomierności pracy i wpływie na wskaźniki emisyjne silnika. Słowa kluczowe: silnik spalinowy, wskaźniki pracy, emisja. Reducing the primary emission diesel engines Abstract
The paper presents the possibilities to improve indicators diesel engine. This engine at idling speed and was unloaded, in addition, it features a fuel supply system based on in-line injection pump driven from the electronic circuit. This configuration allows the impact indicators of engine operating parameters, by changing the fuel injection into the combustion chamber. In this way it is possible to change the rate of pressure rise in the cylinder combustion engine, while improving the degree of inequality of work and impact on emission rates of the engine. Key words: diesel engines, index work, emissions. LITERATURA [1] Bocheńska A., Bocheński C. I. (2005): Badanie wpływu zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku i stopnia recyrkulacji spalin na toksyczność spalin i zużycie paliwa silnika z zapłonem samoczynnym, MOTROL - Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa, str. 15-23 [2] CHEN Z., MECHEFSKE C.K.: Maschine signature identification by analysis of impulse vibration signals, Journal of Sound and Vibration, Vol. 244, No. 1, 2001, s. 155-167 [3] Graba M., Lechowicz A., Mamala J., Bieniek A.: Wielofazowy wtrysk paliwa dla silników z zapłonem samoczynnym wyposażonych w rzędową pompę wtryskową, Inżynieria Rolnicza Nr 5(123)/2010 Kraków. s. 29-35 [4] Kowalski D.: Analiza nierównomierności pracy silnika o zapłonie samoczynnym z wtryskiem wielofazowym, Praca doktorska, Politechnika Opolska, Opole 2014 [5] LEJDA K., WOŚ P.: Badania symulacyjno-eksperymentalne przebiegu wywiązywania się ciepła w silniku wysokoprężnym dla różnych strategii zasilania, PTNSS-2008-SS1-102, Combustion Engines, No. 1/2008 (132), s. 17-24 [6] Mamala J.: Emisja dwutlenku węgla a perspektywy rozwoju silników spalinowych jako źródła napędu pojazdów, rozdział w monografii Energetyka alternatywna; Jedna doktryna i różnorodność rozwiązań, Wydawnictwo Dolnośląskiej Wyższej Szkoły Przedsiębiorczości i Techniki w Polkowicach, Polkowice 2014, str. 59-68, [7] Materiały formowe: Motorpal: Katalog części Motorpal, [dostęp 01-06-2010]: http://ww.motorpal.cz [8] Merkisz J., Pielecha I., Radzimirski S.: Emisja zanieczyszczeń motoryzacyjnych, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2012 [9] Worldwide Emissions Standards. Passenger Cars and Light Duty Vehicles, Delphi 2014-2015 [10] Wierzbicki S., Smieja M.: Visualization of the Parameters and Changes of Signals Controlling the Operation of Common Rail Injectors, MECHATRONIC SYSTEMS, MECHANICS AND MATERIALS II, Book Series: Solid State Phenomena, Volume: 210 Pages: 136-141, Published: 2014 [11] Steuerung und Regelung von Dieselmotoren Grundlagen der Dieseleinspritzung, wyd. Konrad Reif, seria Bosch Fachinformation Automobil, s.48