Journal of KONES Internal Combustion Engines 02 No. 1 2 ISSN 31 4005 ASSESSMENT OF THE FUEL DYNAMIC DELIVERY ANGLE INFLUENCE ON THE SELF-IGNITION DELAY IN THE ENGINE FUELLED WITH EKODIESEL PLUS OILS Wincenty Lotko, Krzysztof Górski Zakład Technicznej Eksploatacji Pojazdów Politechnika Radomska tel.: (04) 361 76 42 Rafał Longwic Katedra Pojazdów Samochodowych Politechnika Lubelska Abstract This paper presents the results of the diesel engine indication, which were carried out in transient work conditions (simulated during acceleration process). The influence of the dynamic delivery angle on the self-ignition delay has been examined. In this tests the 1HC2 single cylinder direct injection C. I. engine was fuelled with two kinds of Ekodiesel Plus fuels (summer EDL and winter EDZ) and diesel oil for urban transport (ONM). OCENA WPŁYWU KĄTA DYNAMICZNEGO POCZĄTKU TŁOCZENIA PALIWA NA OPÓŹNIENIE SAMOZAPŁONU W SILNIKU ZASILANYM OLEJAMI REFORMUŁOWANYMI Streszczenie. Rosnące wymagania w dziedzinie ekologii wymuszają na producentach silników spalinowych doskonalenie ich konstrukcji: stosowanie katalizatorów, filtrów cząstek stałych, recyrkulacji spalin i innych rozwiązań technicznych. Należy jednak pamiętać, iż o emisji zanieczyszczeń z układu wydechowego silnika o zapłonie samoczynnym decydują nie tylko rozwiązania konstrukcyjne w nim zastosowane, ale także jakość spalanego paliwa. Konsekwencją m. in. postępujących wymagań w zakresie jakości olejów napędowych są wprowadzane przez PKN Orlen nowe instalacje ich hydroodsiarczania, a także zmiana składu frakcyjnego i obniżenie zawartości węglowodorów aromatycznych. W artykule zaprezentowano wyniki badań mające na celu określenie kierunku oddziaływania zmian regulacji kąta dynamicznego początku tłoczenia paliwa na opóźnienie samozapłonu. Badania wykonano na jednocylindrowym silniku 1HC2 zasilanym dwoma różnymi reformułowanymi olejami napędowymi z grupy EkoDiesel Plus (w odmianie zimowej oraz letniej), a także olejem napędowym miejskim (ONM). Prezentowane w niniejszym artykule zagadnienia będą dotyczyły nieustalonych warunków pracy silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego reformułowanymi olejami napędowymi o różnych własnościach fizykochemicznych. 1. REFORMUŁOWANE OLEJE NAPĘDOWE Główny producent paliw na rynek krajowy PKN Orlen od kilku lat wprowadza nowe technologie produkcji olejów napędowych ustawicznie podnosząc ich jakość. Przejawem tego działania są nowo opracowane formuły olejów napędowych z grupy EkoDiesel Plus, zawierające pakiety dodatków uszlachetniających, których zadaniem jest m. in.: zabezpieczenie smarowanych paliwem elementów pomp wtryskowych przed wcześniejszym zużyciem, zapewnienie czystości i ograniczenie procesów korozyjnych w układzie zasilania paliwem, ochrona przed skażeniem mikrobiologicznym. Oleje napędowe z grupy EkoDiesel Plus charakteryzują się doskonałymi parametrami w zakresie wielkości emisji związków toksycznych spalin z układu wylotowego silnika oraz niską skłonnością paliwa do zanieczyszczania rozpylaczy w wyniku jego spalania.
Należy także wspomnieć, iż zawartość siarki w omawianych paliwach na poziomie poniżej 0,005% (m/m) spełnia normy Unii Europejskiej przewidziane na rok 05. Olej Napędowy Miejski (ONM) to nowej generacji paliwo Polskiego Koncernu Naftowego ORLEN S.A., które ze względów ekologicznych jest przeznaczone głównie do zasilania autobusowych silników o zapłonie samoczynnym w większych aglomeracjach miejskich. Wymogi jakościowe zastosowane przez Polski Koncern Naftowy ORLEN SA przy produkcji ONM są ostrzejsze od obowiązujących norm europejskich. Produkt ma obniżoną zawartość takich substancji chemicznych, jak [1]: siarka - poniżej 0,005% (m/m), wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne - mniej niż 3%, podczas, gdy obowiązująca w Unii Europejskiej norma EN - 590:1999 dopuszcza zawartość: siarki - do 0,035% (m/m), wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych - około 11%. Przeprowadzone badania dowodzą, iż przy rocznym zużyciu około 4 tys. ton oleju napędowego miejskiego w Polsce, stosując ONM "Standard 50", można ograniczyć emisję związków chemicznych o ponad 2,5 tys. ton. Oleje napędowe produkowane w kraju podlegają wymaganiom ogólnym określonym w PN-92/C-96051. Norma ta ustala dość szeroki przedział, co do wartości lepkości kinematycznej oleju napędowego, niezależnie od jego odmiany sezonowej. Oznacza to, iż olej napędowy zimowy może być bardziej lepki w stosunku do letniego, chociaż ze względów praktycznych korzystniejszy byłby przypadek odwrotny. Lepkość paliwa jest bardzo ważnym parametrem, który oddziałuje na proces jego wtrysku a w konsekwencji spalania. W tabeli 1. zaprezentowano wybrane własności fizykochemiczne olejów napędowych użytych w badaniach. Tabela 1 Wybrane własności fizykochemiczne paliw użytych w badaniach Własność Rodzaj oleju napędowego EDZ ONM EDL Indeks cetanowy 52,7 50,9 54,5 Gęstość w ºC [g/cm 3 ] 0,34 0, 0,51 Lepkość kinematyczna w 40, ºC mm 2 /s 2,91 2,07 3,27 Zawartość siarki, % (m/m) 0,043 0,043 0,025 Temperatura mętnienia, ºC - -32 - Temperatura zapłonu, ºC 66 66 64,5 Temperatura blokowania zimnego filtra, ºC -21-35 -15 Zawartość wody, mg/kg 9 5 0 W tabeli 2 zestawiono właściwości oleju napędowego lekkiego ON, miejskiego ONM Standard i lekkiego Ekodiesel według Polskiej Normy i Norm Zakładowych PKN Orlen. 9
Porównawcze zestawienie właściwości oleju napędowego lekkiego ON, miejskiego ONM Standard i lekkiego Ekodiesel według Polskiej Normy i Norm Zakładowych NORMA Tabela 2 na oleje napędowe lekkie [2] na olej napędowy miejski ONM Standard [3] na olej napędowy lekki Ekodiesel [4] Rodzaj/Klasa DL DP DZ EDL EDP EDZ Własności Jednostka Liczba cetanowa min. 45 50 49 Indeks cetanowy min. 45 4 46 45 Skład frakcyjny: 5% v/v dest. do temp. 50% v/v dest. do temp. 95% v/v dest. do temp. Wskaźnik lepkości kinematycznej w 40 C C 300 290 190 0 290 300 290 mm²/s 1,9-4,7 1,7-3,7 1,5 2,0-4,5 1,-4,0 Temp. mętnienia powyżej C 0 - -25 nie normalizuje się Temp. zblokowania zimnego filtru powyżej C 0 - - -30 0-15 - Temperatura zapłonu (min.) C 45 55 45 Pozostałość po koksowaniu w % pozostałości destylacyjnej (max.) Pozostałość po spopieleniu (max.) % 0,2 0,1 0,2 % 0,01 0,01 0,01 Zawartość siarki (max.) % 0,3 0,05 0,2 Zawartość wody (max.) mg/kg 500 0 Zawartość zanieczyszczeń mechanicznych (max.) Gęstość w: 15 C C mg/kg nie zawiera nie zawiera nie zawiera g/ml 0,1 0,7 0,0 0,3 0,1 0,6 2. CEL PRACY W niniejszym artykule postanowiono wykazać, jakie są kierunki oddziaływania na przebiegi kąta opóźnienia samozapłonu w następstwie: - zasilania silnika różnymi rodzajami reformułowanych olejów napędowych, - zmiany nastawy regulacyjnej kąta dynamicznego początku tłoczenia paliwa. 150
3. CHARAKTERYSTYKA STANOWISKA BADAWCZEGO Badania zrealizowano na stanowisku badawczym, którego schemat zaprezentowano na rysunku 1. Rys. 1. Stanowisko badawcze: 1 blok wzmacniaczy, 2 komputer PC, 3 szafa sterownicza, 4 generator podstawy czasu, 5 nadajnik kąta obrotu wału korbowego, 6 blok kontroli prędkości obrotowej silnika, 7 silnik 1HC2, dźwignia sterowania pompy wtryskowej Fig. 1. Block diagram of the test stand: 1 signal amplifier, 2 computer with a measuring card, 3 control box, 4 time-base generator, 5 angle transmitter, 6 engine speed control system, 7 engine 1HC2, - injection pump control lever Obiektem badawczym był silnik 1HC2, którego podstawowe dane techniczne zaprezentowano w tabeli 3. Wybrane dane techniczne silnika 1HC2 Tabela 3 1. Ilość cylindrów 1 2. Moc [kw],5 dla 00 [obr/min] 3. Moment obrotowy [Nm] 57 dla 1500 [obr/min] 4. Kąt wyprzedzenia wtrysku [ o OWK] 30 5. Pojemność skokowa [cm 3 ] 90 6. Stopień sprężania 17 7. Robocze ciśnienie otwarcia wtryskiwacza [MPa],5. System wtrysku wtrysk bezpośredni 9 Rodzaj pompy wtryskowej sekcyjna 151
4. ZASTOSOWANA METODA BADAWCZA Badania wykonano z wykorzystaniem metody przyspieszania silnika nieobciążonego zewnętrznym momentem oporowym. Przebieg realizacji próby przedstawiono na rysunku 3. Rys. 2. Przebieg realizacji próby rozpędzania i hamowania silnika: T1,T5 bieg jałowy, T2 przyspieszanie (okres indykowania silnika), T3 maksymalna prędkość obrotowa, T4 hamowanie; h położenie dzwigni sterującej dawkowaniem pompy wtryskowej Fig. 2. The course of realization the diesel engine acceleration and deceleration process: T1, T5 idle run, T2 engine acceleration, T3 maximum speed, T4 engine deceleration, Wykonano charakterystyki przebiegów kąta opóźnienia samozapłonu dla paliw i parametru regulacyjnego aparatury wtryskowej według planu zaprezentowanego w tabeli 4. Plan badań zrealizowanych z wykorzystaniem metody przyspieszeń Tabela 4 Parametr regulacyjny Kąt dynamicznego początku tłoczenia paliwa [ºOWK] RODZAJ PALIWA EDZ Plus ONM EDL Plus 1 23 30 3 45 Według powyższego schematu należało wykonać piętnaście charakterystyk, z których każda (np. α dpt =23 ºOWK przy zasilaniu ONM) powstała poprzez uśrednienie przebiegów trzymanych z kolejno dziesięciu wykonanych po sobie prób rozpędzania silnika. 152
5. WYNIKI BADAŃ Na poniższych rysunkach zaprezentowano przebiegi kąta opóźnienia samozapłonu paliwa w funkcji kąta dynamicznego początku jego tłoczenia uzyskane w warunkach przyspieszania silnika 1HC2. a) n = 00 [obr/min] 1 1 23 30 3 45 αdpt b) n = 00 [obr/min] 1 1 23 30 3 45 αdpt c) n = 00 [obr/min] 1 1 23 30 3 45 αdpt 153
d) n = 100 [obr/min] 1 1 23 30 3 45 αdpt e) n = 00 [obr/min] 1 1 23 30 3 45 αdpt Rys. 3. Przebiegi kąta opóźnienia samozapłonu paliwa w funkcji kąta dynamicznego początku jego tłoczenia uzyskane w warunkach przyspieszania silnika 1HC2 dla różnych wartości prędkości obrotowych: a) n = 00, b) n = 00 c) n = 00, d) n = 100, e) n = 00 [obr/min] Fig. 3. The course of fuel self-ignition delay as a function of dynamic delivery angle received during of free running (acceleration) 1HC2 engine for different rotary speed values: a) n = 00, b) n = 00 c) n = 00, d) n = 100, e) n = 00 [rpm] 6. PODSUMOWANIE W silnikach o zapłonie samoczynnym wydłużający się okres opóźnienia samozapłonu oddziałuje w kierunku zwiększenia prędkości spalania oleju napędowego. Przeważnie takiemu oddziaływaniu towarzyszy wzrost innego istotnego parametru cyklu roboczego, jakim jest ciśnienie maksymalne spalania. Zarówno zbyt duże prędkości spalania, jak też zbyt wysokie jego ciśnienia mogą być dla silnika niekorzystne. W szczególności dotyczy to przypadku, w którym silnik o zapłonie samoczynnym zaczyna pracować twardo w następstwie: - spalania paliwa o niekorzystnych własnościach fizykochemicznych, - oddziaływania na proces spalania zjawisk związanych z nieustalonymi warunkami jego pracy. W niniejszym artykule postanowiono sprawdzić jak rodzaj zastosowanego w badaniach oleju napędowego wpłynie na przebiegi kąta opóźnienia samozapłonu. Wykorzystano do tego 154
celu metodę badawczą polegającą na przyspieszaniu silnika nieobciążonego zewnętrznym momentem oporowym. Stwierdzono co następuje: 1. Paliwo o niższym indeksie cetanowym ONM spalane w badanym silniku charaktery- silnika przyspieszającego i oddziaływaniem tego procesu zowało się wydłużonym okresem opóźnienia samozapłonu w stosunku do tych, których indeks cetanowy był wyższy tj. olej napędowy EDL oraz EDZ. 2. Zwiększanie nastawy regulacyjnej kąta dynamicznego początku tłoczenia paliwa oddziałuje w kierunku wzrostu kąta zwłoki jego samozapłonu, 3. Zmiana prędkości obrotowej silnika dla różnych nastaw regulacyjnych kąta dynamicznego początku tłoczenia paliwa wpływa każdorazowo inaczej na zaobserwowane przebiegi kąta opóźnienia samozapłonu paliwa. Wydaje się, iż istotne mogą być tu różnice w napełnieniu cylindra na parametry stanu czynnika roboczego sprężanego w komorze spalania w chwili realizacji wtrysku paliwa. Podsumowując należy podkreślić, iż spośród wielu procesów zachodzących w silniku przyspieszającym jednym z najistotniejszych jest proces jego napełnienia [3, 4]. Badania własne, a także dane literaturowe świadczą o tym, iż sprawność napełnienia przyspieszającego silnika o zapłonie samoczynnym jest niższa niż w ustalonych warunkach jego pracy. Konsekwencją tego są różnice w parametrach pracy (dynamice) silników o zapłonie samoczynnym zasilanych poprzez bezpośredni wtrysk paliwa, w stosunku do zasilania go poprzez odparowanie gazu w kolektorze dolotowym [5]. LITERATURA [1] www.pknorlen.pl [2] PN-92/C-96051 [3] ZN-94/MPiH/NF-213 [4] ZN-93/MPiH/NF-9 [5] W. Lotko, R. Longwic, K. Górski: Wybrane aspekty pracy silnika o zapłonie samoczynnym w warunkach nieustalonych, V International Scientific Conference On Combustion Engines Konsspal 02, Wrocław [6] A. Piętak: Wybrane problemy nieustalonych warunków pracy silników o zapłonie samoczynnym. Przegląd Mechaniczny nr 11-, czerwiec 00 [7] W. Lotko, K. Górski: Analiza wybranych wskaźników procesu spalania silnika o zapłonie samoczynnym w stanach nieustalonych zasilanego gazem LPG, II Konferencja Naukowo Techniczna Pojazd a Środowisko, Radom Jedlnia Letnisko 01 155