Opóźnienie samozapłonu wybranych paliw węglowodorowych

LONGWIC Rafał 1 SANDER Przemysław 2 LOTKO Wincenty 3 Opóźnienie samozapłonu wybranych paliw węglowodorowych WSTĘP Uzyskiwanie poprawnego po względem technicznym działania silnika o zapłonie samoczynnym jest uzależnione przede wszystkim od właściwego przebiegu procesu spalania. Jednym z istotniejszych zagadnień związanych z tym procesem jest samozapłon paliwa. Podstawową, charakterystyczną cechą samozapłonu węglowodorów jest to, że występuje on zawsze po upływie tzw. okresu indukcji od chwili osiągnięcia danej temperatury samozapłonu. Ze względu na charakter zjawisk towarzyszących opóźnieniu samozapłonu możemy w nim wyróżnić część fizyczną oraz chemiczną. Chemiczny proces utleniania węglowodorów jest zawsze poprzedzony odparowaniem i mieszaniem paliwa z powietrzem. Okres ten zależy od wielu czynników zależnych od paliwa oraz parametrów ładunku wewnątrz komory spalania. Jednym z czynników związanych z paliwem jest liczba atomów węgla w drobinie paliwa. Dla większej liczby atomów węgla w drobinie paliwa opóźnienie samozapłonu winno się zmniejszać [9]. W artykule zaprezentowano wyniki indykowania silnika o zapłonie samoczynnym przy zasilaniu różnymi paliwami węglowodorowymi. Na podstawie przeprowadzonych badań określono opóźnienia samozapłonu tych paliw. Uwzględniono różne odmiany handlowe oleju napędowego, oleje roślinne i ich mieszaniny z olejem napędowym, mieszaniny oleju napędowego w eterem etylo tert - butylowym. Artykuł jest próbą wstępnego podsumowania wieloletnich prac autorów w zakresie stosowania paliw alternatywnych głównie pod kątem oceny opóźnienia samozapłonu [1, 4, 5]. 1. BADANIA EMPIRYCZNE 1.1. Obiekt badań, własności wykorzystanych paliw Obiektem badań był trzycylindrowy silnik o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim paliwa. Podstawowe dane techniczne silnika badawczego przedstawiono w tabeli 2. Do zasilania badanego silnika użyto następujących paliw: Oleju napędowego ekodiesel w odmianie letniej EDL, Oleju napędowego miejskiego ONM, Mieszaniny objętościowej o składzie 20 % oleju rzepakowego i 80 % EDL 20%OR; Mieszaniny objętościowej o składzie 40 % oleju rzepakowego i 60 % EDL 40%OR; Oleju rzepakowego 100%OR; Mieszaniny objętościowej o składzie 10 % eteru etylo-tert-butylowego i 90 % EDL EETB10; Mieszaniny objętościowej o składzie 20 % eteru etylo-tert-butylowego i 80 % EDL EETB20; Mieszaniny objętościowej o składzie 30 % eteru etylo-tert-butylowego i 70 % EDL EETB30; Mieszaniny objętościowej o składzie 40 % eteru etylo-tert-butylowego i 60 % EDL EETB40. Wybrane własności fizykochemiczne paliw użytych do badań przedstawiono w tabeli 1. Badania prowadzono dla nominalnej wartości kąta dynamicznego początku tłoczenia paliwa) i nominalnego statycznego ciśnienia otwarcia wtryskiwaczy. 1 Politechnika Lubelska, Katedra Pojazdów Samochodowych, r.longwic@pollub.pl 2 Politechnika Lubelska, Katedra Pojazdów Samochodowych, p.sander@pollub.pl 3 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny w Radomiu, Zakład Technicznej Eksploatacji Pojazdów 3801

Tab. 1. Wybrane własności fizykochemiczne paliw użytych do badań [1, 4, 5] Rodzaj paliwa Liczba cetanowa Wartość opałowa [MJ/kg] Wskaźnik lepkości kinematycznej w temp. 40 C Gęstość w temp. 15 C [g/cm 3 ] [mm 2 /s] EDL 52,7 42,8 2,79 0,839 ONM 53 43 1,76 0,813 100%OR 51 37,1 19,85 0,9 40%OR 51,5 41,97 8,49 0,87 20%OR 52 43,12 5,52 0,86 EETB10 46 42,1 2,24 0,831 EETB20 42,7 41,1 1,79 0,821 EETB30 38,4 40,8 1,47 0,814 EETB40 31,4 40 1,21 0,804 Tab. 2. Podstawowe dane techniczne silnika badawczego Maksymalna moc 28 kw przy 2200 obr/min Maksymalny moment obrotowy 139,6 Nm przy 1300 obr/min Prędkość obrotowa biegu jałowego 750 obr/min Objętość skokowa 2,502 dm 3 Liczba cylindrów 3 Stopień sprężania 16,5 Średnica cylindrów 0,0914 m Jednostkowe zużycie paliwa przy mocy maksymalnej 228 g/(kwh) Układ zasilania pompa rotacyjna DPA, końcówki wtryskiwacza typ DSL150A-38 Nominalny kąt dynamicznego początku tłoczenia paliwa 17 o OWK przed GMP Ciśnienie robocze otwarcia wtryskiwaczy 17,5 MPa System wtrysku wtrysk bezpośredni 1.2. Metodyka badań Badani prowadzono metodą swobodnego rozpędzania silnika wywołanego skokową zmiana położenia dźwigni sterującej dawką paliwa [1]. Warunki początkowe pomiaru charakteryzowała niezmienność: początkowej prędkości obrotowej wału korbowego silnika, ustalonego stanu cieplnego silnika, którego miarą była temperatura oleju smarującego. W chwili, gdy prędkość obrotowa wału korbowego i temperatura oleju pracującego silnika były równe wartościom ustalonym dla warunków początkowych, operator wyzwalał start pomiarów. System pomiarowy rozpoczynał pomiar ciśnienia w komorze spalania, ciśnienia przed wtryskiwaczem i wzniosu iglicy wtryskiwacza od punktu określonego górnym zwrotnym położeniem tłoka (suw dolotu). Po około 4 8 cyklach pracy silnika uruchamiano przesuw listwy sterującej dawką paliwa. System pomiarowy rejestrował ciśnienia w komorze spalania, ciśnienia przed wtryskiwaczem, wznios iglicy wtryskiwacza i prędkość obrotową wału korbowego dla 30 kolejnych cykli pracy silnika. W zarejestrowanym cyklu pomiarowym (30 kolejnych cykli pracy silnika) można wyróżnić trzy okresy pracy silnika: I. Prędkość obrotowa wału korbowego i temperatura oleju pracującego silnika są równe wartościom ustalonym dla warunków początkowych, położenie listwy sterującej dawką paliwa h const, przyspieszenie kątowe wału korbowego silnika = 0. 3802

II. Okres ten można podzielić na dwa podokresy: 1- n const, nieustalony stan cieplny silnika, h = h max, 0; 2- rozpoczynający się od chwili zadziałania regulatora pompy wtryskowej n const, nieustalony stan cieplny silnika, h const, 0 (podokres ten obejmował zazwyczaj ostatni cykl pracy silnika w okresie II). Dalszej analizie poddano pierwszy z omawianych podokresów. III. n = n max, quasi ustalony stan cieplny silnika, h const, = 0. Wykonano po 10 powtórzeń pomiaru ściśle zachowując określone wcześniej warunki początkowe (określające prędkość początkową wału korbowego silnika i temperaturę oleju w skrzyni korbowej). Analizie poddawano cykle pracy silnika należące do okresu II-1 procesu swobodnego rozpędzania silnika. Przykładowy przebieg procesu rozpędzania silnika przedstawiono na rysunku 1. Na rysunku tym zaznaczono trzy wyróżnione powyżej okresy pracy silnika. Rys. 1. Zarejestrowany przebieg ciśnienia w komorze spalania dla 30 kolejnych cykli pracy silnika w warunkach swobodnego rozpędzania [1]; I okres pracy silnika na biegu jałowym, II okres swobodnego rozpędzania silnika, III okres pracy silnika na biegu luzem 1.3. Stanowisko badawcze Badania realizowano na stanowisku badawczym, którego schemat funkcjonalny przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego: 1 silnik badawczy, 2 wał napędowy, 3 hamulec wodny (odłączany od silnika na czas badań realizowanych z zastosowaniem metody swobodnego rozpędzania), 4 szafa kontrolno-sterująca, 5 komputer PC wraz z kartą pomiarową, 6 generator podstawy czasu, 7 kaseta pomiarowa z zespołem wzmacniaczy, 8 nadajnik kąta obrotu wału korbowego INTROL (rozdzielczość pomiaru 1,4 o OWK), 9 czujnik ciśnienia w komorze spalania, 10 wtryskiwacze silnika badawczego, 11 czujnik wzniosu iglicy wtryskiwacza, 12 czujnik 3803

ciśnienia paliwa przed wtryskiwaczem, 13 pompa wtryskowa silnika badawczego [1] System pomiarowy [1, 5]] wyposażony został w cztery tory pomiarowe oraz dekoder kąta obrotu wału korbowego. Panele wzmacniaczy ładunku umieszczono w jednej kasecie z cyfrowym panelem odczytowym, który wykorzystywano do skalowania torów pomiarowych. Tor pomiarowy ciśnienia w komorze spalania składał się z następujących elementów: przetwornika piezokwarcowego 8Qp 500c firmy AVL Austria, przewodu łączącego czujnik ze wzmacniaczem, wzmacniacza ładunku CL 111 firmy ZEP Marki. Tor pomiarowy ciśnienia w przewodzie wtryskowym składał się z następujących elementów: przetwornika piezokwarcowego 5Qp 60002 firmy AVL Austria, przewodu łączącego czujnik ze wzmacniaczem ładunku, wzmacniacza ładunku CL 111. W skład toru pomiarowego wzniosu iglicy wtryskiwacza wchodziły: miniaturowy transformatorowy przetwornik przemieszczeń (prototyp firmy ZEP Marki), przewód połączeniowy, wzmacniacz z falą nośną CL 104. Pomiary rejestrowano z wykorzystaniem karty pomiarowej LC-030-1612 o maksymalnej częstości próbkowania 500 khz, wyposażonej w pamięć wewnętrzną. W zastosowanym systemie do pomiaru czasu trwania kolejnych cykli pracy silnika przyspieszającego wykorzystano nadajnik kąta obrotu wału korbowego o rozdzielczości 1,4 OWK oraz generator podstawy czasu - wytwarzający prostokątny sygnał napięciowy o amplitudzie 1V i okresie od 0,1 ms do 20 ms. Dodatkowo podczas badań wykorzystywano testery AVL873 i AVL845 umożliwiające precyzyjne ustawienie kąta dynamicznego początku tłoczenia paliwa. 2. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Na rysunku 3 pokazano wartości kąta zwłoki samozapłonu dla dwóch prędkości obrotowych (1300 obr/min prędkość występowania momentu maksymalnego, 2000 obr/min prędkość występowania mocy maksymalnej dla silnika badawczego), przy zasilaniu badanymi paliwami w warunkach swobodnego rozpędzania. Kąt zwłoki samozapłonu był większy dla wszystkich z paliw przy wyższej z prędkości obrotowych jest to związane wprost z zasadą działania rotacyjnej pompy wtryskowej i przyspieszeniem procesu wtrysku przy wyższych prędkościach obrotowych. Największe wartości kąta zwłoki samozapłonu uzyskano dla 30% i 40% mieszaniny oleju napędowego z eterem etylo tert butylowym EETB30 i EETB40. Znaczące wartości kąta zwłoki samozapłonu uzyskiwano również dla czystego oleju rzepakowego (100%OR) i 40% mieszaniny OR z olejem napędowym (40%OR). Najmniejsze wartości kąta zwłoki samozapłonu występowały przy zasilaniu silnika olejem napędowym miejskim ONM i olejem napędowym ekodiesel EDL. Maksymalna obserwowana różnica bezwzględna pomiędzy ONM i EETB40 wynosiła 3,2 OWK dla 1300 obr/min i 4,4 OWK dla 2000 obr/min. Należy zwrócić uwagę, że nie jest to różnica znaczna mając na uwadze fakt, że bezwzględna różnica w wartościach liczby cetanowej dla ONM i EETB40 wynosi aż 21,6. Prowadząc wstępną analizę w zakresie przyczyn obserwowanych różnic w wartościach kąta zwłoki samozapłonu paliw uwzględniono trzy parametry fizykochemiczne: liczbę cetanową wyrażającą zdolność paliwa do samozapłonu a więc i pośrednio temperaturę zapłonu [1, 3, 4, 9], wskaźnik lepkości kinematycznej mający wpływ na przebieg procesu wtrysku i tworzenia mieszaniny palnej [1, 3, 4, 9], gęstość wpływająca na proces tworzenia mieszaniny palnej i masową dawkę paliwa dostarczonego do spalania [1, 3, 4, 9]. Na rysunkach od 4 do 6 poczyniono próbę powiązania wymienionych parametrów fizykochemicznych z wartościami kąta zwłoki samozapłonu. Stwierdzono, że żaden z uzyskanych przebiegów (interpolacja wartości z badań) nie ma charakteru zależności funkcyjnych. Zatem żaden z tych parametrów nie determinuje w sposób jednoznaczny zjawiska opóźnienia zapłonu. 3804

Rys. 3. Kąt zwłoki samozapłonu badanych paliw Rys. 4. Kąt zwłoki samozapłonu w zależności od liczby cetanowej przy prędkości obrotowej silnika 1300 obr/min. 3805

Rys. 5. Kąt zwłoki samozapłonu w zależności od wskaźnika lepkości kinematycznej paliwa przy prędkości obrotowej silnika 1300 obr/min. Rys. 6. Kąt zwłoki samozapłonu w zależności od gęstości paliwa przy prędkości obrotowej silnika 1300 obr/min. Analiza przebiegu z rysunku nr 4 wskazuje, że np. dla paliw 100%OR i EETB30, o skrajnie różnych wartościach liczby cetanowej kąt zwłoki samozapłonu jest zbliżony. Dla paliw o zbliżonych wartościach liczby cetanowej ONM i 100%OR różnica w kącie zwłoki samozapłonu jest znaczna. Nie można zatem uzależniać kąta z włoki samozapłonu od liczby cetanowej nie biorąc pod uwagę 3806

składu chemicznego paliwa. Wnioskowanie o wpływie liczby cetanowej jest słuszne ale dla grup paliw o podobnym składzie chemicznym np. w obrębie mieszanin oleju napędowego z EETB, mieszanin oleju napędowego z olejem rzepakowym. Wydaje się, że podobieństwo w składzie chemicznym paliwa jest w odniesieniu do zjawiska opóźnienia samozapłonu decydujące a liczba cetanowa nie ujmuje tych różnic. Analogiczna sytuacja ma miejsce w przypadku wskaźnika lepkości kinematycznej i gęstości. Wskaźnik lepkości kinematycznej w znaczący sposób oddziaływał na kąt zwłoki samozapłonu tylko dla mieszanin oleju rzepakowego z olejem napędowym. Znacząca lepkość oleju rzepakowego powoduje wzrost oporów przepływu wstecznego w przewodach wysokiego ciśnienia po zakończeniu procesu wtrysku. Wzrastają zatem wartości ciśnienia resztkowego paliwa. W konwencjonalnym układzie wtryskowym kolejne chwile wtrysku będą zatem rozpoczynać się wcześniej [1]. Wzrost kąta początku wtrysku skutkuje tym, że wtrysk paliwa następuje do komory spalania, w której panuje mniejsza temperatura i ciśnienie ładunku. Będzie to w oczywisty sposób oddziaływać na zwiększenie kąta zwłoki samozapłonu. Kierunkowość wpływu gęstości paliwa zaznacza się głównie w zakresie grup paliw o zbliżonym składzie chemicznym. Jest on odmienny dla każdej z grup. Gęstość paliwa oddziałuje nie tylko na wielkość dawki energetycznej paliwa ale również na parametry tworzącej się mieszaniny palnej zasięg strugi paliwa, kąt rozpylenia paliwa, rozpad wtórny kropel paliwa. Parametry tworzenia mieszaniny palnej muszą być skorelowane nie tylko z geometrią komory spalania ale również z własnościami chemicznymi paliwa stąd niejednoznaczny wpływ gęstości paliwa na kąt zwłoki samozapłonu w poszczególnych grupach paliw. WNIOSKI Autorzy artykułu prowadząc badania różnych paliw węglowodorowych dysponowali danymi w zakresie ich własności fizykochemicznych oraz uzyskiwanych wartości kąta zwłoki samozapłonu. Podjęto próbę skorelowania liczby cetanowej tych paliw i kąta zwłoki samozapłonu. Jak wykazano korelacja taka jest możliwa ale jedynie w zakresie grupy paliw o zbliżonych własnościach chemicznych. Porównania pomiędzy grupami dają niejednoznaczne wyniki np. maksymalna obserwowana różnica bezwzględna pomiędzy ONM i EETB40 wynosiła 3,2 OWK dla 1300 obr/min i 4,4 OWK dla 2000 obr/min, a różnica bezwzględna w wartościach liczby cetanowej dla ONM i EETB40 wynosi aż 21,6. Podobny wniosek dotyczy lepkości i gęstości paliw a więc parametrów, który oddziałują na proces wtrysku i proces tworzenia mieszaniny palnej. Kąt zwłoki samozapłonu badanych paliw ustalono w bardzo zbliżonych warunkach w zakresie parametrów termodynamicznych ładunku wewnątrz komory spalania. Wynika to z faktu powtarzalności warunków początkowych pomiaru i kąta początku wtrysku. Mimo powyższego uzyskano czasem odmienne wartości kąta zwłoki samozapłonu przy zbliżonych wartościach liczby cetanowej. Wydaje się zatem, że decydujący jest skład chemiczny paliwa węglowodorowego i jego energia aktywacji a nie liczba cetanowa. Formuły teoretyczne np. Łyszewskiego [9] służące ustalaniu wartości kąta zwłoki samozapłonu nie mogą być stosowane w całej grupie paliw węglowodorowych. Należy również rozważyć czy prawidłowa jest metodyka ustalania liczby cetanowej dla paliw odmiennych składem chemicznym od oleju napędowego. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań w zakresie kąta zwłoki samozapłonu paliw węglowodorowych. Badania prowadzono metodą swobodnego rozpędzania silnika. Podjęto próbę korelacji pomiędzy liczbą cetanową badanych paliw a kątem zwłoki samozapłonu. Ignition delay of some hydrocarbon fuels Abstract The article gives the results of the research in the field of auto-ignition delay angle hydrocarbon fuels. Fieldwork method to free-up the engine. An attempt was made correlations between the fuel cetane number and the auto-ignition delay. 3807

BIBLIOGRAFIA 1. Longwic R., Charakterystyka działania silnika o zapłonie samoczynnym w warunkach swobodnego rozpędzania, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2011. 2. Lotko M., Lechowski M, Variety areas of car engine faults as an indicator of their quality, TTS 10/2013. 3. Lotko M., Lechowski M., Notifications about dangerous faults in vehicles as a result of imperfection in quality management system approach in automotive industry, TTS 10/2013. 4. Lotko W., Górski K, Zasilanie silnika wysokoprężnego mieszaninami ON i EETB, WNT, Warszawa 2011. 5. Lotko W., Górski K. Longwic R., Nieustalone stany pracy silnika wysokoprężnego zasilanego olejem napędowym z eterem etylo - tert - butylowym, Monografia, WK i Ł, Warszawa 2010. 6. Rakopoulos C., Giakoumis E., Availability analysis of a turbocharged diesel engine operating under transient load conditions, Wydawnictwo Elsevier, Energy vol. 29, 2004. 7. Rakopoulos C., Giakoumis E., Review of thermodynamic diesel engine simulations under transient operating conditions, Paper No. 2006-01-0884, Wydawnictwo SAE 2006. 8. Rakopoulos C., Giakoumis E., Simulation and analysis of a naturally aspirated IDI Diesel engine under transient conditions comprising the effect of various dynamic and thermodynamic parameters, Wydawnictwo Pergamon, Energy Convers. Mgmt vol. 39, No. 5/6, 1998. 9. Zabłocki M., Wtrysk i spalanie paliwa w silnikach wysokoprężnych, WK i Ł, Warszawa 1976. 3808