ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/212 Stanisław W. Kruczyński 1, Michał Kurek 2, Patryk Hirszler 3 ANALIZA PROCESU SPALANIA ETANOLU NA CHARAKTERYSTYCE REGULACYJNEJ KĄTA WYPRZEDZENIA ZAPŁONU SILNIKA ROVER 1.4 1. Wstęp W obecnych czasach przed konstruktorami zajmujący się silnikami o zapłonie iskrowym (ZI) stoją dwa następujące problemy: Pierwszym jest problem drastycznie malejących złóż ropy naftowej, oraz bardzo szybko rosnąca cena baryłki ropy, które wymuszają poszukiwanie alternatywnych źródeł paliw do zasilania silników ZI. 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. Aktualnie jedną z 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, pod nazwą. 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]. Alkohol etylowy CH 3 CH 2 OH występujący w tym paliwie w swojej strukturze zawiera dodatkowo jeden atom tlen. Paliwo to ma wyższą liczbę oktanową co pozwala na obniżenie stężenia węglowodorów oraz tlenku węgla w spalinach. Aby można je było 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 była analiza procesu spalania etanolu, na charakterystyce regulacyjnej kąta wyprzedzenia zapłonu 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 137
2. Opis stanowiska badawczego Badania prowadzone były na hamowni silnikowej, na której zamontowany był silnik DOHC z wielopunktowym wtryskiem, marki Rover, o oznaczeniu K16 MPI. Pojemność skokowa silnika 1398cm 3, moc 76 KW. Ze względu na to, że nie jest to silnik typu flexifuel 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 skład mieszanki paliwowo-powietrznej, czy zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu 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 kąta wyprzedzenia zapłonu podczas pracy na mieszance stechiometrycznej λ=1 i przy prędkości obrotowej n = 29 obr/min. Zakres regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu wynosił od ф=12 OWK do 36 OWK z krokiem co 4. Pomiary były prowadzone dla 3 rodzajów paliw: Standardowe paliwo produkcji PKN Orlen. Paliwo zawierające 85% etanolu. Mieszanina 5% i 5%, na potrzeby badań oznaczona jako E4. Przeprowadzono następujące pomiary na charakterystyce kąta wyprzedzenia zapłonu: 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 ciśninia dp/dα, wydzielanie ciepła dq/dα, nieregularność procesu spalania. 138
dp/dα [Mpa/ OWK] Ciśnienie [MPa] Przeprowadzone badania zostały następnie zestawione w postaci wykresów porównawczych, przedstawionych poniżej. Na rysunkach umieszczono przykładowe wartości pomiarów przedstawione dla wczesnego kąta wyprzedzenia zapłonu ф=12 OWK. Indykowanie zrobiono w programie Indiview. 1,8 1,6 1,4 1,2 E4 1,8,6,4,2-9 -7-5 -3-1 1 3 5 7 9 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=12 OWK,,3,2,1 E4-9 -7-5 -3-1 1 3 5 7 9 -,1 -,2 -,3 -,4 Kąt obrotu wału korbowego α[ OWK] Rys. 3. Wykresy przyrostu ciśnienia dp/dα=f(α) przy pracy silnika w następujących warunkach: n=29obr/min, TPS=22,4, λ=1, ф=12 OWK 139
Ilość wydzielonego ciepła [%/ OWK] 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 -,5-3 -1 1 3 5 7 9-1 Kąt obrotu wału korbowego α[ OWK] Rys. 4. Wykresy wydzielania ciepła dq/dα=f(α) przy pracy silnika w następujących warunkach: n=29obr/min, TPS=22,4, λ=1, ф=12 OWK Za pomocą oprogramowania AVL Concerto wyznaczono także nieregularność procesu spalania i wyznaczono odchylenie standardowe. Poniżej znajdują się przykładowe wyniki dla kąta wyprzedzenia zapłonu ф=12 OWK. E4 Rys.5. Nieregularność procesu spalania; paliwo, n=29 obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=12 OWK, odchylenie standardowe σ=,24 14
Rys. 6. Nieregularność procesu spalania; paliwo E4, n=29 obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=12 OWK, odchylenie standardowe σ=,22 Rys. 7. Nieregularność procesu spalania; paliwo, n=29 obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=12 OWK, odchylenie standardowe σ=,2 Za pomocą analizatora spalin zmierzono stężenia substancji szkodliwych, których wartości przedstawiono na zbiorczych wykresach. 141
Stężenie [ppm] Stężenie [ppm] 12 1 8 6 4 2 E4 12 16 2 24 28 32 36 Kąt wyprzedzenia zapłonu ϕ [ OWK] Rys. 8. Stężenie CO na charakterystyce regulacyjnej kąta wyprzedzenia zapłonu; n=29obr/min, kąt otwarcia przepustnicy TPS=22,4 25 2 15 1 5 E4 12 16 2 24 28 32 36 Kąt wyprzedzenia zapłonu ϕ [ OWK] Rys. 9. Stężenie NOx na charakterystyce regulacyjnej kąta wyprzedzenia zapłonu; n=29obr/min, kąt otwarcia przepustnicy TPS=22,4 142
Stężenie [ppm] 3 25 2 15 1 5 E4 12 16 2 24 28 32 36 Kąt wyprzedzenia zapłonu [ ] Rys. 1. Stężenie HC na charakterystyce regulacyjnej kąta wyprzedzenia zapłonu, n=29obr/min, kąt otwarcia przepustnicy TPS=22,4 4. Wnioski spalanie paliwa i E4 w stosunku do spalania przy późnym kącie zapłonu (ϕ=12 OWK), powoduje nierównomierną prędkość narastania ciśnienia w komorze spalania, oraz późniejsze wywiązywanie się ciepła, spalanie i E4 powoduje zmniejszenie nieregularności pracy silnika o 15% w stosunku do paliwa, stężenia NOx, CO, HC wzrasta wraz ze zwiększaniem kąta wyprzedzenia zapłonu w całym zakresie regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu, spalanie i E4 powoduje zmniejszenie emisji NOx oraz HC w stosunku do paliwa. Analizując wyniki badań spalania etanolu i jego wpływ na parametry pracy silnika można wywnioskować, że zasilanie silnika etanolem przynosi pozytywne skutki i jest korzystne dla pracy silnika, jako, że powoduje stabilniejszą i lepszą pracę (rys. 5,6,7), a także znaczący spadek emisji substancji szkodliwych (rys. 9,1), poza tlenkiem węgla (rys. 8), którego emisja była większa. Lepsza i stabilniejsza praca silnika stwierdzona podczas badań wynika najprawdopodobniej z odmiennej budowy fizykochemicznej etanolu, co ma wpływ na proces spalania. 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 21 143
[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 kąta wyprzedzenia zapłonu 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 IGNITION TIMING ON ROVER 1.4 ENGINE Summary This article presents the results and analysis of combustion of the ethanol on the regulation characteristic of ignition timing 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. 144