Impact of an gas injection start angle on the fuel distribution in a diesel engine combustion chamber

Podobne dokumenty
The CFD model of the mixture formation in the Diesel dual-fuel engine

MODELOWANIE 3D PROCESU NAPEŁNIANIA W SILNIKU O ZI

MODEL SPALANIA WODORU Z WYKORZYSTANIEM SYSTEMU AVL FIRE

SAMOCHODY ZASILANE WODOREM

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

Keywords: compression ratio, dual-fuel engine, combustion process, natural gas

1. Wprowadzenie. 2. Klasyfikacja i podstawowe wskaźniki charakteryzujące pracę silników spalinowych. 3. Paliwa stosowane do zasilania silników

Wymagania edukacyjne Technologia napraw zespołów i podzespołów mechanicznych pojazdów samochodowych

Dwupaliwowy silnik o zapłonie samoczynnym zasilany wtryskowo paliwem LPG w fazie ciekłej

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 4(100)/2014

ANDRZEJ RÓŻYCKI 1, TOMASZ SKRZEK 2. Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu. Streszczenie

Wykorzystanie LNG do zasilania pojazdów mechanicznych. Rafał Gralak

SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESÓW SPALANIA W POJEDYNCZEJ KOMORZE SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ETAP I. PRZYGOTOWANIE OBLICZEŃ

Effect of the compression ratio on operational parameters of a natural gas fuelled compression ignition engine operating in a dual-fuel mode

Wpływ rodzaju paliwa gazowego oraz warunków w procesu spalania na parametry pracy silnika spalinowego mchp

MODEL SAMOCHODOWEGO SILNIKA ZASILANEGO WODOREM

2. Klasyfikacja i podstawowe wskaźniki charakteryzujące pracę silników spalinowych

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

SŁAWOMIR LUFT, TOMASZ SKRZEK *

1. Wprowadzenie 1.1. Krótka historia rozwoju silników spalinowych

CHARAKTERYSTYKI PRACY SILNIKA HCCI ZASILANEGO BIOGAZEM

The influence of physicochemical fuel properties on operating parameters in diesel engine

The study of hydrogen and gasoline mixtures combustion in a spark-ignition engine

GRANICA SPALANIA STUKOWEGO W DWUPALIWOWYM SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM KNOCK COMBUSTION LIMIT IN A TWO-FUEL DIESEL ENGINE

Wybrane wyniki badań dwupaliwowego silnika o zapłonie samoczynnym o różnych wartościach stopnia sprężania

Przy prawidłowej pracy silnika zapłon mieszaniny paliwowo-powietrznej następuje od iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej.

Effect of intake hydrogen addition on the performance and emission characteristics of a spark-ignition gasoline engine

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: STC TP-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Technologia Chemiczna Specjalność: Technologia paliw

ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

Równomierność dawkowania oleju napędowego w silnikach dwupaliwowych

MODELOWANIE WTRYSKU PALIWA DO KOMORY SPALANIA W SILNIKU Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM PRZY UŻYCIU ŚRODOWISKA AVL FIRE

PTNSS 2013 SC Wstęp. Tomasz GILOWSKI Zdzisław STELMASIAK

Kongres Innowacji Polskich KRAKÓW

LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH Materiały pomocnicze

Wydział Mechaniczny. INSTYTUT EKSPLOATACJI POJAZDÓW I MASZYN tel.

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

Rating occurrence of knock combustion in a dual fuel CI engine powered by addition of biogas

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Perspektywy wykorzystania CNG w polskim transporcie

Badania wpływu parametrów wtrysku oleju napędowego na emisję cząstek stałych w dwupaliwowym doładowanym silniku zasilanym gazem naturalnym

Badania stanowiskowe koncepcji wtryskiwacza wodorowego

USE OF THE CHARACTERISTIC POINTS OF HEAT RELEASE COURSE FOR THE CONTROL OF COMBUSTION PROCESS IN COMPRESSION IGNITION ENGINES

PTNSS Wstęp. 2. Zakres modyfikacji silnika. Jerzy KAPARUK Sławomir LUFT

Wpływ składu mieszanki gazu syntetycznego zasilającego silnik o zapłonie iskrowym na toksyczność spalin

Charakterystyki prędkościowe silników spalinowych

ELASTYCZNOŚĆ SILNIKA ANDORIA 4CTI90

SYSTEM EGR A ZMNIEJSZENIE EMISJI SUBSTANCJI SZKODLIWYCH EGR SYSTEM AND THE PROBLEM OF REDUCING POLLUTANT EMISSION

Poprawa ekonomiki użytkowania silników z samoczynnym zapłonem poprzez dodatek LPG

Analysis of the influence of injection pressure in common rail system on spray tip penetration of the selected alternative fuels

DETEKCJA FAL UDERZENIOWYCH W UKŁADACH ŁOPATKOWYCH CZĘŚCI NISKOPRĘŻNYCH TURBIN PAROWYCH

INDICATING OF AN ENGINE FUELLED WITH CNG

WPŁYW KĄTA WYPRZEDZENIA WTRYSKU NA JEDNOSTKOWE ZUŻYCIE PALIWA ORAZ NA EMISJĘ SUBSTANCJI TOKSYCZNYCH W SILNIKU ZS ZASILANYM OLEJEM RZEPAKOWYM

WPŁYW TEMPERATURY POCZĄTKOWEJ I SKŁADU MIESZANINY PALNEJ NA PRACĘ SILNIKA HCCI ZASILANEGO BIOGAZEM

Mechanika i Budowa Maszyn II stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(89)/2012

PROTOTYPOWY SILNIK DWUPALIWOWY ZASILANY GAZEM CNG I OLEJEM NAPĘDOWYM

ZASTOSOWANIE GAZU ZIEMNEGO JAKO PALIWA DO ZASILANIA SILNIKÓW W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH

Logistyka - nauka. Wpływ zastosowania paliwa z dodatkiem etanolu do zasilania silników spalinowych na skład spalin

AN ATTAUPT EXPLAIN IMPROVEMENT OVERALL EFFICIENCY OF DUAL CI ENGINE WITH MAINLY LPG

CNG injector bench tests of a direct injection system

THE CONTROLLING OF THE FUEL AUTOIGNITION PROCESS DURING DIESEL ENGINE START-UP

WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI PALIW MINERALNYCH I ROŚLINNYCH NA PRĘDKOŚĆ NARASTANIA CIŚNIENIA W PRZEWODZIE WTRYSKOWYM I EMISJĘ AKUSTYCZNĄ WTRYSKIWACZA

Badania procesów wtrysku i spalania paliwa rzepakowego w silniku o zapłonie samoczynnym

WPŁYW ZASILANIA SILNIKA PERKINS 1104C BIOETANOLEM NA EKONOMICZNE I ENERGETYCZNE WSKAŹNIKI JEGO PRACY

Effect of selected liquid LPG injection parameters on the concentration of toxic compounds in spark ignition engine

FUNCTIONAL AGRIMOTOR TESTING SUPPLIED BY THE VEGETABLE ORIGIN FUELS BADANIE FUNKCJONALNE SILNIKA ROLNICZEGO ZASILANEGO PALIWAMI POCHODZENIA ROŚLINNEGO

Mechanika i Budowa Maszyn Studia pierwszego stopnia

ANALIZA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA DRGAŃ CZYNNIKA ROBOCZEGO W UKŁADZIE DOLOTOWYM SILNIKA ZI

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

MODEL KIVA-3V JEDNO- I DWUSTOPNIOWEGO SYSTEMU SPALANIA W TŁOKOWYM SILNIKU ZI

IDENTIFICATION OF NUMERICAL MODEL AND COMPUTER PROGRAM OF SI ENGINE WITH EGR

NIERÓWNOMIERNOŚĆ NAPEŁNIANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI

WPŁ YW PARAMETRÓW KONSTRUKCYJNYCH ROZPYLACZY NA W Ł A Ś CIWOŚ CI U Ż YTECZNE SILNIKA ZASILANEGO PALIWEM LOTNICZYM

Silniki tłokowe. Dr inŝ. Robert JAKUBOWSKI

Ekonomiczne aspekty zastosowania w transporcie drogowym technologii bezpośredniego wtrysku gazu do dwupaliwowych silników diesla

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3 4 ISSN

PL B1. Sposób zasilania silników wysokoprężnych mieszanką paliwa gazowego z olejem napędowym. KARŁYK ROMUALD, Tarnowo Podgórne, PL

SILNIKI SPALINOWE RODZAJE, BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA

WYBRANE PARAMETRY PROCESU SPALANIA MIESZANIN OLEJU NAPĘDOWEGO Z ETEREM ETYLO-TERT-BUTYLOWYM W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM

A program to analyze the combustion process in diesel engine

Pojazdy rolnicze. W rolnictwie znajdują zastosowanie następujące pojazdy:

WPŁYW MIESZANIN ETANOLU Z OLEJEM NAPĘDOWYM NA EMISJĘ WYBRANYCH SKŁADNIKÓW SPALIN

KONCEPCJA WERYFIKACJI DOŚWIADCZALNEJ ZAMODELOWANYCH OBCIĄŻEŃ CIEPLNYCH WYBRANYCH ELEMENTÓW KOMORY SPALANIA DOŁADOWANEGO SILNIKA Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM

WPŁYW PODZIAŁU DAWKI PALIWA NA WSKAŹNIKI PRACY SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM Z WTRYSKIEM BEZPOŚREDNIM

Analiza wpływu rodzaju instalacji gazowej LPG stosowanych do zasilania silników ZI na emisję substancji szkodliwych

Laboratorium z Konwersji Energii SILNIK SPALINOWY

Test stand for long-term testing in extreme thermal conditions pulse gas injectors

ANALIZA NUMERYCZNA OBIEGU CIEPLNEGO WIELOŚWIECOWEGO SILNIKA ZI

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Dual fuelling of truck CI engine with diesel oil and mixture of propane and butane

ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Wyznaczanie granicznej intensywności przedmuchów w czasie rozruchu

Investigation of the combustion engine fuelled with hydrogen

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Transport I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny) studia niestacjonarne (stacjonarne / niestacjonarne)

The concept of combustion system with use of recirculated exhaust gas in the spark ignition engine

Theoretical analysis of a hydrogen support for the combustion in an automotive engine

Wpływ ruchu ładunku w kolektorze ssącym na przebieg procesu spalania w silniku o zapłonie samoczynnym

ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Perspektywy wykorzystania gazu ziemnego w silnikach okrętowych

Pytania na egzamin dyplomowy specjalność SiC

WPŁYW ZASTOSOWANIA WYBRANYCH PALIW ZASTĘPCZYCH NA DAWKOWANIE PALIWA W ZASOBNIKOWYM UKŁADZIE WTRYSKOWYM SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM

Transkrypt:

Article citation info: SOCHACZEWSKI, R. Impact of an gas injection start angle on the fuel distribution in a diesel engine combustion chamber. Combustion Engines. 2013, 154(3), 414-420. ISSN 0138-0346. Rafał SOCHACZEWSKI PTNSS 2013 SC 049 Impact of an gas injection start angle on the fuel distribution in a diesel engine combustion chamber Abstract: The paper provides the results of the simulation research on the impact of an injection start angle on the distribution of an air - gas mixture in a combustion chamber of a diesel engine. The research object was the 1CA90 single cylinder, four-stroke, dual fuel engine that is powered by LPG and diesel fuel. The research was based on a three-dimensional model of a combustion chamber, developed with the AVL Fire software. The analysis focused on the air - gas mixture distribution in a combustion chamber when an initial dose of diesel fuel was injected. The results provided in the paper show that changing a gaseous fuel injection start angle significantly influences the distribution of an air gas mixture in a diesel engine combustion chamber. Despite considerable charge turbulence, the discrepancies in gas concentration depending on the time this fuel was supplied to an engine intake system were noted. Thus, the paper specifies the values of these discrepancies and the areas with a rich mixture. Keywords: a diesel engine, gas supply, a gas injection start angle Wpływ kąta początku wtrysku gazu na rozkład paliwa w komorze spalania silnika o zapłonie samoczynnym Streszczenie: Artykuł zawiera wyniki badań symulacyjnych wpływu kąta początku wtrysku gazu na rozkład mieszanki gazowo powietrznej w komorze spalania silnika o zapłonie samoczynnym. Obiektem badań był silnik 1CA90, jednocylindrowy, czterosuwowy zasilany dwupaliwowo gazem LPG i olejem napędowym. Badania przeprowadzono z zastosowaniem trójwymiarowego modelu komory spalania z wykorzystaniem programu AVL Fire. Analizowano rozkład mieszanki gazowo powietrznej w komorze spalania przypadający na czas wtrysku dawki inicjującej oleju napędowego. Wyniki badań przedstawione w artykule wykazują, że zmiana kąta początku wtrysku paliwa gazowego ma istotny wpływ na rozkład mieszanki gazowo-powietrznej w komorze spalania. Pomimo dużego stopnia turbulencji ładunku można zaobserwować różnice w koncentracji paliwa gazowego w zależności od chwili podania tego paliwa do układu dolotowego silnika. W artykule przedstawiono liczbowe wartości tych różnic z uwzględnieniem lokalizacji rejonów z bogatą mieszanką. Słowa kluczowe: silnik o zapłonie samoczynnym, zasilanie gazowe, kąt początku wtrysku gazu 1. Wprowadzenie Większa sprawność silników o zapłonie samoczynnym w porównaniu z silnikami o zapłonie iskrowym oraz zdolność generowania większego momentu obrotowego sprawia, że silniki te montowane są w pojazdach samochodowych (osobowych, użytkowych i ciężarowych), ciągnikach, urządzeniach stacjonarnych oraz statkach morskich i powietrznych. Według analiz statystycznych udział samochodów osobowych z silnikami ZS ciągle się powiększa [19]. Ze względu na fakt że pojazdy z silnikami o zapłonie samoczynnym najczęściej wykorzystywane są przez firmy, więc popyt uzależniony jest od kondycji gospodarki. Zwiększenie liczby użytkowników pojazdów z silnikami Diesla i powstały niedobór oleju napędowego wpłynął na ceny tego paliwa. W 2008 roku średnia cena oleju napędowego zrównała się z ceną benzyny osiągając poziom ok. 4,7 zł/litr. Obecnie ON kosztuje ok. 5,65 zł/litr, a wg szacowań ekspertów rynku paliwowego może osiągnąć cenę nawet 6 zł. Jedną z konsekwencji zaistniałej sytuacji jest zwiększenie udziału alternatywnych paliw gazowych w komunikacji lądowej i morskiej w ostatnich dwudziestu latach. Alternatywę dla ciekłych paliw ropopochodnych stanowi mieszanina propanu butanu (LPG), gaz ziemny (NG) i wodór. Paliwa gazowe najczęściej stosowane są do zasilania silników spalinowych o zapłonie iskrowym ze względu na obecność w silniku układu zapłonowego i komory spalania mieszanek homogenicznych. W przypadku silnika o zapłonie samoczynnym zastąpienie oleju napędowego gazem jest dużo bardziej skomplikowane. Paliwa gazowe posiadają małą liczbę cetanową i nie wykazują zdolności inicjowania samozapłonu. Konieczne jest dostarczenie dodatkowej energii zapewniającej zapłon paliwa gazowego. Jednym z rozwiązań jest praca silnika ZS zasilanego w układzie dwupaliwowym. 414

Zapłon paliwa o małej liczbie cetanowej inicjowany jest tzw. dawką pilotową oleju napędowego bądź innego paliwa wykazującego zdolności samozapłonu [1, 3, 4, 9-14]. Z uwagi na fakt, że konstrukcja silnika dwupaliwowego nie zmienia się, na przebieg powstawania mieszanki będą miały wpływ czynniki zwykle towarzyszące pracy silnika o zapłonie samoczynnym. Układ doprowadzenia powietrza i kształt komory spalania w silniku Diesla konstruowane są pod kątem uzyskania przepływów turbulentnych. Sprzyjać to może tworzeniu mieszanki homogenicznej rozmieszczonej w i poza komorą spalania. W silnikach dwupaliwowych nie zmienia się zazwyczaj stopnia sprężania z powodu umożliwienia pracy silnika tylko na oleju napędowym. Silniki takie pracują zawsze w warunkach dużego nadmiaru powietrza, stąd istnieje możliwość zwiększania ich mocy po zastosowaniu dodatkowego paliwa. Zwiększanie mocy jest jednak ograniczone przez spalanie stukowe homogenicznych mieszanin w warunkach dużych obciążeń [15, 16]. Autorzy prac [5-8, 17, 18] przeprowadzili badania silnika o zapłonie iskrowym zasilanego gazem LPG wtryskiwanym do układu dolotowego silnika. Wykazali, że chwila podania paliwa gazowego ma wpływ na rozkład paliwa w komorze spalania i parametry pracy silnika o zapłonie iskrowym. Silniki ZI posiadają lokalne źródło zapłonu w postaci świecy zapłonowej. Warunkiem koniecznym do zainicjowania procesu spalania jest więc ulokowanie mieszaniny palnej w obrębie źródła zapłonu. W silnikach dwupaliwowych z inicjującą dawką zapłonową występuje rozległe źródło zapłonu w postaci strug rozpylanego paliwa. Jednak ulokowanie bogatej mieszanki poza obrębem komory spalania może prowadzić do pogorszenia procesu spalania. Jednym ze sposobów ograniczenia niekorzystnych czynników na pracę silnika dwupaliwowego jest sterowanie depozycją paliwa gazowego w komorze spalania. Możliwe jest to poprzez regulację chwili podania paliwa gazowego do układu dolotowego silnika. Złożoność zagadnienia oraz analiza procesów zachodzących podczas procesu napełniania cylindra przyczyniła się do wykonania badań modelowych pozwalających na wyjaśnienie obserwowanych zależności. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań wpływu kąta początku wtrysku w paliwa gazowego do kanału dolotowego silnika na depozycję paliwa w komorze spalania. Model geometryczny wykonano w programie Catia V5 na podstawie pomiarów rzeczywistego obiektu badawczego. W modelu uwzględniono wszystkie elementy geometryczne obejmujące obszary przepływu czynnika. Ze względu na niesymetryczność modelu, koniecznym było przyjęcie do badań symulacyjnych kompletnej geometrii. W skład modelu wchodzą następujące elementy: komora spalania ograniczona powierzchniami głowicy, tłoka i cylindra, objętość kanału dolotowego i wylotowego, powierzchnie zewnętrzne zaworu dolotowego i wylotowego oraz dysz wtryskowych paliwa gazowego. Fig. 1. Geometry of 1CA90 engine model Rys. 1. Geometria modelu silnika 1CA90 Siatka obliczeniowa składała się z minimalnie 5,5 tyś. a maksymalnie 205 tyś. komórek obliczeniowych, w zależności od kroku obliczeniowego procesu. Główny rozmiar komórki elementarnej przyjęto jako 2,5 mm. Z uwagi na duże gradienty prędkości i ciśnienia siatka obliczeniowa w okolicy zaworów oraz przylgni została zagęszczona, w wyniku czego uzyskano rozmiar komórki 0,3125 mm (rysunek 2). W skład siatki obliczeniowej wchodzą głównie elementy typu tetrahedral. W efekcie w modelu występowało minimalnie około 59 tyś. i maksymalnie 208 tyś. wierzchołków. Model posiada trzy ruchome elementy: dwa zawory i tłok. Przyjęty poziom dyskretyzacji geometrycznej zapewniał dokładność obliczeniową na wymaganym poziomie przy jednoczesnym skróceniu czasu obliczeń. 2. Metodyka badań Badania modelowe przeprowadzono w programie AVL Fire z zastosowaniem numerycznej mechaniki płynów. Do modelowania przyjęto cylinder oraz głowicę wraz z kanałem dolotowym i wylotowym silnika o zapłonie samoczynnym 1CA90 (rysunek 1). Fig. 2. Computational grid Rys. 2. Siatka obliczeniowa 415

W badaniach symulacyjnych przyjęto założenia odpowiadające rzeczywistym warunkom pracy obiektu badawczego. W pierwszym etapie badań określono warunki początkowe i brzegowe modelu. W module FAME Engine+ zdefiniowano ruch zaworów i tłoka. Charakterystykę wzniosu zaworów opracowano na podstawie pomiarów obiektu rzeczywistego i wprowadzono do programu w postaci pliku tekstowego. Ruch tłoka definiowany jest automatycznie na podstawie wymiarów geometrycznych układu korbowego. Badania modelowe przeprowadzono w programie AVL Fire przy użyciu funkcji Crank-Angle stany nieustalone, co oznacza, że warunki przepływu i temperatura przepływającego czynnika są zmienne w czasie. Ze względu na występowanie przepływu burzliwego w obiekcie rzeczywistym, w badaniach modelowych przyjęto model turbulencji k-zeta-f. Model ten współcześnie rozwinęli Hanjalic, Popovac i Hadziabdic [2], którzy proponują model lepkich wirów bazujący na pojęciu eliptycznej relaksacji Durbina. Przyjęto warunki brzegowe określone następującymi parametrami: prędkość obrotowa wału korbowego 1800 obr/min, czynniki mieszaniny: powietrze i butan, ciśnienie w kanale dolotowym 0,1 MPa, ciśnienie w kanale wylotowym 0,1 MPa, masowe natężenie przepływu paliwa gazowego 4,64 g/s. W badaniach jako paliwo gazowe przyjęto butan, którego właściwości fizykochemiczne dostępne są w bibliotece programu. Paliwo gazowe dozowano za pomocą kanałów odpowiadających kształtowi dyszom wtryskowym. Wtrysk realizowano funkcją skokową w czasie 1,9 ms, zapewniającą stały wydatek w czasie całego procesu wtrysku. Czynnikiem, z którym mieszało się paliwo gazowe było powietrze. Przyjęto następujące warunki początkowe powietrza: ciśnienie 0,1 MPa, gęstość 1,19 kg/m 3, temperatura 293,15 K, energia kinetyczna turbulencji 40 m 2 /s 2, skala turbulencji 0,028 m, tempo dyssypacji turbulencji 1500 m 2 /s 2. Temperaturę powietrza w kanale dolotowym przyjęto na poziomie 28 C, natomiast temperaturę paliwa gazowego 60 C. Krok obliczeniowy przeprowadzonych obliczeń symulacyjnych przyjęto jako = 1º. Wykonywano 20 iteracji. Dla całego zakresu kątowego obliczeń przypada 5000 iteracji w każdym z punktów obliczeniowych. W celu przeprowadzenia badań modelowych procesu napełniania silnika dwupaliwowego zmieniano kąt początku wtrysku w paliwa gazowego do kanału dolotowego. Badania symulacyjne wykonano w zakresie zmian w od -90 do 160 ºOWK, przy czym 0ºOWK GMP odpowiadające początkowi suwu dolotu (rysunek 3). Punkty pomiarowe zestopniowano co 10 ºOWK. Fig. 3. Calculation points Rys. 3. Punkty obliczeniowe Badania symulacyjne obejmowały proces napełniania oraz sprężania w zakresie pracy silnika od -100 do 360 ºOWK. Punkty badawcze dla wczesnych w przeprowadzono w jednym cyklu obliczeniowym, natomiast dla późnych kątów wtrysku w, kiedy po zakończeniu procesu dolotu znaczna część paliwa gazowego pozostawała w kanale dolotowym, wykonywano obliczenia dwóch kolejnych cykli. 3. Wyniki badań Analiza zjawisk zachodzących w komorze spalania i kanale dolotowym silnika dwupaliwowego pozwoliła przeanalizować proces tworzenia mieszanki powietrze paliwo gazowe. Rysunek 4 przedstawia przebieg koncentracji paliwa w kanale dolotowym i cylindrze w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla charakterystycznych zmian w -70, -40, 0, 40, 80, 110 i 150 ºOWK. W przypadku wczesnych kątów początku wtrysku paliwa gazowego ( w 70 ºOWK) wtryskiwane jest ono w czasie zamkniętego zaworu dolotowego, tworząc z powietrzem mieszankę jednorodną o koncentracji na poziomie 0,070. Wraz z otwarciem zaworu dolotowego mieszanka przepływa do cylindra powodując maksymalną, chwilową koncentrację wynoszącą około 0,120. Podczas opóźniania w wtrysk paliwa występuje w czasie przepływu powietrza, w wyniku czego wartości maksymalne koncentracji w kanale dolotowym i cylindrze maleją. Fig. 4. The course of fuel concentration in the intake duct and the cylinder as a function of crank angle for characteristic changes w Rys. 4. Przebieg koncentracji paliwa w kanale dolotowym i cylindrze w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla charakterystycznych zmian w 416

w -70º w -40º w 0º Fig. 5. The deposition of gaseous fuel in a combustion chamber for w -70, -40, 0 ºOWK Rys. 5. Depozycja paliwa gazowego w komorze spalania dla w -70, -40, 0 ºOWK 40º w 80º w 110º w 150º Fig. 6. The deposition of gaseous fuel in a combustion chamber for w 40, 80, 110 and 150 ºOWK Rys. 6. Depozycja paliwa gazowego w komorze spalania dla w 40, 80, 110 i 150 ºOWK 417

fuel concentration [-] Biorąc pod uwagę czas zwłoki otwarcia wtryskiwacza paliwa gazowego, przedział ten przypada pomiędzy - 10 a 90 ºOWK. Dalsze opóźnianie w sprawia, że po zakończeniu suwu dolotu w kanale dolotowym pozostaje część paliwa. Różnica koncentracji wynosi od 0,002 (dla wczesnych w ) do 0,069. W efekcie masa wtryskiwanego paliwa przypadająca na jeden cykl roboczy dostarczana jest do komory spalania podczas dwóch cykli. Pomimo dwuetapowego transportu paliwa gazowego, średnia koncentracja w komorze spalania jest taka sama w całym przedziale zmian w i wynosi 0,020. Widoczna jest jednak różnica w depozycji paliwa gazowego w cylindrze. Rysunek 5 i 6 przedstawia wyniki analizy numerycznej dla charakterystycznych w -70, -40, 0, 40, 80, 110 i 150 ºOWK. Rysunki obrazują rozkład koncentracji paliwa gazowego w komorze spalania w zależności od kąta początku wtrysku tego paliwa, w tym widok górny i dolny komory spalania oraz dwa przekroje poprzeczne komory spalania przez oś symetrii cylindra, przesunięte względem siebie o 90º. Wyniki prezentują koncentrację paliwa gazowego w chwili wtrysku dawki inicjującej oleju napędowego tj. 18 ºOWK przed górnym martwym położeniem. Wyniki badań symulacyjnych pozwalają na określenie przestrzennego rozmieszczenia paliwa gazowego w cylindrze. Dla w -70º mieszanka o maksymalnej koncentracji lokuje się w dolnej części komory spalania (denko tłoka rysunek 5). W efekcie dawka inicjująca oleju napędowego wtryskiwana jest w obszar lokalnie bogatej mieszaniny gazowopowietrznej. Dalsze zwiększanie kąta początku wtrysku ( w 40º) sprawia, że obszary o największej koncentracji przemieszczają się z komory spalania do przestrzeni pomiędzy tłokiem a głowicą. Skutkuje to tym, że dawka inicjująca wtryskiwana jest w obszar mieszanki zubożonej. Dalsze opóźnianie kąta początku wtrysku ( w 80º i 110º) sprawia że w dolnej części komory spalania pozostaje mieszanka o minimalnej koncentracji. Na rysunku 5 zauważalne jest ulokowanie obszarów bogatszej mieszanki w przestrzeni pomiędzy tłokiem a głowicą w okolicy zaworu dolotowego i wylotowego. Takie ulokowanie mieszanki może pogarszać proces spalania silnika dwupaliwoweg. Bardzo późne kąty początku wtrysku w 150º sprawiają że mieszanka palna powstaje w kanale dolotowym i zostaje dostarczona do cylindra w kolejnym cyklu roboczym. 0.055, 0.050, 0.045, 0.040, 0.035, 0.030, 0.025, 0.020, 0.015, 0.010, 0.005, -100-80 -60-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Fig. 7. The course of fuel concentration in the cylinder (minimum, maximum and difference) at the time of injection diesel fuel initial dosage for the characteristic changes w Rys. 7. Koncentracja paliwa w cylindrze (minimalna, maksymalna oraz ich różnica) w chwili wtrysku dawki inicjującej oleju napędowego dla charakterystycznych zmian w Na rysunku 7 przedstawiono zróżnicowanie rozkładu paliwa w komorze spalania (koncentrację minimalną i maksymalną oraz ich różnicę). Można zaobserwować, że w zakresie zmian w 70 130 ºOWK, w komorze spalania występuje znaczne zróżnicowanie minimalnej i maksymalnej koncentracji. Największa różnica koncentracji wynosi 0,042 dla w 110 ºOWK i odpowiada warunkom pracy silnika o dwuetapowym transporcie paliwa gazowego do komory spalania. Pozostałe kąty początku wtrysku paliwa gazowego przyczyniają się do zwiększenia stopnia homogenizacji mieszaniny. 4. Wnioski min max average max-min LPG injection start angle [ O CA] Wyniki badań symulacyjnych pozwoliły określić sposób tworzenia mieszanki gazowo-powietrznej oraz depozycję paliwa gazowego w komorze spalania w chwili wtrysku dawki inicjującej. Pomimo dużego stopnia zawirowania ładunku, uzyskanego konstrukcją silnika o zapłonie samoczynnym, możliwe jest uzyskanie lokalnych obszarów w komorze spalania o zwiększonej koncentracji. Badania wykazały, że zmiana kąta początku wtrysku w paliwa gazowego do kanału dolotowego silnika, wywiera zróżnicowanie w procesie tworzenia mieszanki paliwo gazowepowietrze, co przekłada się na stopień jej ujednorodnienia oraz przestrzenne rozmieszczenie lokalnie bogatej mieszanki w komorze spalania. Opóźnianie kąta początku wtrysku paliwa gazowego sprawia, że paliwo transportowane jest dwuetapowo w czasie dwóch cykli roboczych silnika. Powoduje to pogorszenie równomierności rozkładu paliwa w komorze spalania. Największa odnotowana maksymalna lokalna koncentracja jest około pięć razy większa od minimalnej koncentracji w tym samym punkcie obliczeniowym. Ujednorodnieniu mieszaniny sprzyja wtrysk paliwa gazowego do czynnika pozostającego w spoczynku oraz przepływającego do 418

chwili wystąpienia podziału transportu paliwa na dwa etapy. Jednorodne mieszaniny uzyskiwane są również dla bardzo późnych w 140 ºOWK. Wówczas od 90% do 100% wtryśniętego paliwa pozostaje w kanale dolotowym. Zmiana kąta początku wtrysku paliwa gazowego powoduje, że lokalnie bogata mieszanka ulega przemieszczeniom w objętości komory spalania. Sprawia to, że dawka inicjująca oleju napędowego wtryskiwana jest do przestrzeni o różnym Nomenclature/Skróty i oznaczenia w gas injection start angle /kąt początku wtrysku paliwa gazowego GMP Top Dead Center/ górne martwe położenie LPG Liquified Petrolum Gas/ mieszanina propanu butanu Bibliography/Literatura [1] Alla G. H., Soliman H. A., Badr O. A., Abd Rabbo M. F.: Combustion quasi-two zone predictive model for dual fuel engines. Energy Conversion and Management 42, 2001, str. 1477-1498. [2] AVL FIRE, Methodology. [3] Badr O., Karim G. A., Liu B.: An examination of the flame spread limits in a dual fuel engine. Applied Thermal Engineering 19, 1999, str. 1071-1080. [4] Goto S., Furutani H., Delic R. D.: Dual-Fuel Diesel Engine Using Butane. SAE Technical Paper Series nr 920690, 1992. [5] Grabowski Ł.: Badania procesu tworzenia mieszanki w silniku o zapłonie iskrowym zasilanym wtryskiem gazu propan-butan. Rozprawa doktorska, Politechnika Lubelska, Lublin, 2009. [6] Jakliński P., Czarnigowski J., Wendeker M.: The effect of injection start angle of vaporized LPG on SI engine operation parameters. SAE Technical Paper nr 2007-01-2054, 2007. [7] Jakliński P., Grabowski Ł., Wendeker M., Czarnigowski J., Szczęsny P., Barański G., Sochaczewski R.: The effect of LPG injector position and injection start angle on the SI engine operation. 2007-SS4-222, Silniki Spalinowe 4/2008, str. 33-41. [8] Jakliński P.: Badania wpływu parametrów sekwencyjnego wtrysku gazu propan-butan na pracę silnika o zapłonie iskrowym. Rozprawa doktorska, Politechnika Lubelska, Lublin, 2005. [9] Kowalewicz A.: Adaptacja silnika wysokoprężnego do zasilania gazem naturalnym. Czasopismo Techniczne, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, z. 7- M/2008, str. 67-78. współczynniku nadmiaru powietrza. Przekładać się to może na przebieg procesu spalania oleju napędowego a następnie propagacji płomienia w bogate regiony mieszanki gazowo-powietrznej. Określenie wpływu kata początku wtrysku paliwa gazowego na przebieg procesu spalania i emisję spalin możliwe będzie po skorelowaniu otrzymanych wyników z wynikami badań symulacyjnych z uwzględnieniem procesu spalania oraz wynikami badań stanowiskowych obiektu rzeczywistego. NG Natural Gas/gaz ziemny ºOWK Crank Angle Degree / stopni obrotu wału korbowego ZS Compression ignition engine/ silnik o zapłonie samoczynnym [10] Lejda K., Jaworski A.: Zasilanie gazowe silników rolniczych. MOTROL, 2006, str. 131-138. [11] Liu Z., Karim G.: A Predictive Model for the Combustion Process in Dual Fuel Engines. SAE Technical Paper nr 952435, 1995. [12] Nagrajan G., Swami Natan S.: A New Approach for Isomerised LPG-Diesel Dual fuel Engine by two Different Isomerisation Catalysts Acidic Al2O3 Vs Al2O3/Pt Av Experimental Study. SAE Technical Paper Series nr 2002-32-1806, JSAE NO 20024299, 2002. [13] Papagiannakis R. G., Hountalas D. T.: Combustion and exhaust emission characteristics of a dual fuel compression ignition engine operated with pilot Diesel fuel and natural gas. Energy Conversion and Management 45, 2004, str. 2971 2987. [14] Ramadhas A. S., Jayaraj S., Muraleedharan C.: Performance and emission studies on biodiesel-liquefied petroleum gas dual fuel engine with exhaust gas recirculation. Journal of Renewable and Sustainable Energy 2, 013109, 2010. [15] Selim M. Y. E.: Sensitivity of dual fuel engine combustion and knocking limits to gaseous fuel composition. Energy Conversion and Management 45, 2004, str. 411-425. [16] Stelmasiak Z., Wojciechowska-Trombska A.: Wpływ kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa ciekłego na parametry pracy i emisję spalin dwupaliwowego silnika zasilanego gazem ziemnym i olejem napędowym. Journal of Kones. Combustion Engines, Vol. 8, No 3-4, 2001. [17] Wendeker M., Pietrykowski K. Grabowski Ł., Rola M., Sochaczewski R., Barański G.: Model of the air-gas mixture formation in SI 419

engines, Kongres Silników Spalinowych 2011 PTNSS, PTNSS-2011-SC-018, Silniki Spalinowe 3/2011 [18] Yamato T., Hayashida M., Sekino H., Sugahara K.: Effect of Injection Timing on the Performance of a Manifold Injection Gas Engine, SAE Technical Paper nr 1999-01- 3295, JSAE 9938050, 1999. [19] www.samar.pl Rafał Sochaczewski, PhD, Eng. - doctor in the Faculty of Mechanical Engineering at the Lublin University of Technology Dr inż. Rafał Sochaczewski pracownik naukowy na Wydziale Mechanicznym Politechniki Lubelskiej 420