ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013 Piotr Orliński 1, Marcin K. Wojs 2, Paweł Mazuruk 3 BUDOWA STANOWISKA DO BADAŃ PALIW EKSPERYMENTALNYCH PŁYNNYCH WYKORZYSTUJĄCEGO SILNIK ROLNICZY O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM 1. Wstęp Od wielu lat poszukuje się paliw będących alternatywą w stosunku do oleju napędowego. Są nimi paliwa pochodzące z surowców rolnych (biopaliwa), a więc naturalne oleje roślinne i oleje roślinne przetworzone chemicznie dla uzyskania własności fizykochemicznych zbliżonych do oleju napędowego [1, 2]. Szczególnie istotną cechą takich paliw w porównaniu z paliwami kopalnymi jest to, że ich użytkowanie prawie nie przyczynia się do wzrostu zawartości w atmosferze dwutlenku węgla, wywołującego efekt cieplarniany [3]. Zainteresowanie biopaliwami wynika nie tylko z ograniczonych zasobów naturalnych źródeł energetycznych i coraz ostrzejszych norm dotyczących emisji związków toksycznych ze spalinami. Ma ono również związek z nadprodukcją żywności czy rosnącym bezrobociem na wsiach. Specyfiką rolnictwa jest powszechne stosowanie do napędu pojazdów, maszyn i urządzeń silników o zapłonie samoczynnym. Biopaliwa muszą więc mieć zdolność wytwarzania mieszaniny palnej oraz samozapłonu w celu całkowitego i zupełnego spalania się w warunkach panujących w komorze spalania [4]. Stosowanie przetworzonych olejów roślinnych w postaci estrów metylowych olejów roślinnych nie wymaga wprowadzania zmian w układzie zasilania i systemie spalania klasycznego silnika o ZS, tj. zasilanego normalnie olejem napędowym. Proces chemicznej przeróbki oleju roślinnego, tzw. transestryfikacja, zwiększa jednak znacznie koszty paliwa, przez co maleje jego konkurencyjność w stosunku do oleju napędowego [2]. Można stosować zarówno czyste estry, jak i mieszaniny tego paliwa z olejem napędowym, zawierające najczęściej do 7% estru w oleju napędowym. 2. Cel badań Opracowanie stanowiska badawczego, na którym można będzie badać, a następnie analizować najważniejsze parametry robocze silnika rolniczego w celu opracowania ogólnych wytycznych do przystosowania silników o zapłonie samoczynnym do zasilania ich wybranymi paliwami alternatywnymi płynnymi. W ramach projektu badawczego własnego N N504 701340 pt. Lnianka siewna jako paliwo do zasilania silników o zapłonie samoczynnym zbudowano stanowisko badawcze do kompleksowych badań silnika zasilanego paliwami alternatywnymi. Na stanowisku mierzone i wyznaczane będą podstawowe parametry robocze silnika oraz parametry szybkozmienne związane z układem zasilania i spalania w/w silnika. Przed badaniami będzie można także zmieniać fabrycznie ustawienia wybranych parametrów pracy tego silnika takich jak: kąt wyprzedzenia wtrysku, długość wtrysku itd. 1 Dr inż. Piotr Orliński, Instytut Pojazdów, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska 2 Mgr inż. Marcin K. Wojs, Instytut Pojazdów, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska 3 Mgr inż. Paweł Mazuruk, BU Power Systems Polska 167
3. Stanowisko badawcze Stanowisko badawcze oparte zostało o czterocylindrowy, silnik o zapłonie samoczynnym Perkins 1104C-E44T (rys. 1) opis podstawowych parametrów silnika przedstawiono w Tabeli 1.[7] Tabela 1. Opis podstawowych parametrów silnika Liczba cylindrów/układ 4/rzędowy Średnica cylindra Ø 105 mm Skok tłoka 127 mm Pojemność cylindrów 4,4 dm 3 Układ zasilania powietrza Turbodoładowany Stopień sprężania 18,23 : 1 Kolejność zapłonu 1-3-4-2 Moc maksymalna 85 kw przy 2400 obr/min Maksymalny moment obrotowy 390 Nm przy 1400 obr/min Model ten został wyposażony w turbosprężarkę oraz rzadko spotykany układ dwóch sterowników. Pierwszy odpowiada za nadzorowanie pracy silnika, natomiast drugi umieszczony jest na promieniowej rozdzielaczowej pompie wtryskowej Bosch VP-30 (rys. 3). Silnik ten posiada także szereg czujników nadzorujących jego pracę (rys. 2). Najważniejsze z nich to czujnik indukcyjny położenia wału korbowego wyposażony w tarczę o zębach typu 36 1, oraz czujnik Halla obrotów wałka pompy wtryskowej Bosch VP-30 (rys. 3) współpracujący z zębatą tarczą nadajnika impulsów, która jest umieszczona na wałku napędowym pompy i posiada 120 4 zęby. Miejsca bez zębów odpowiadają liczbie cylindrów silnika. Rys. 1. Widok ogólny silnika na stanowisku badawczym 168
Rys. 2. Widok lewej strony silnika: 1 czujnik temperatury powietrza w kolektorze dolotowym, 2 czujnik prędkości obrotowej, 3 czujnik ciśnienia oleju, 4 czujnik ciśnienia powietrza w kolektorze dolotowym Rys. 3. Promieniowa rozdzielaczowa pompa wtryskowa Bosch VP-30 [5] W czasie badań hamownianych silnik ten sterowany był za pomocą pulpitu sterującego CAN oraz analogowego (opcjonalnie) i cyfrowego pulpitu sterującego hamulcem. Rys. 4 przedstawia szafę sterowania i kontroli, w której zamontowano w/w pulpity sterujące. 169
Rys. 4. Szafa sterownicza zawierająca pulpit sterowniczy CAN silnika (góra), analogowy pulpit sterowniczy hamulca (środek) oraz cyfrowy pulpit sterowniczy hamulca (dół) Schenck Silnik sterowany był za pomocą pulpitu sterowniczego podłączonego magistralą CAN do 70-pinowego złącza silnika (rys. 5). Pulpit wyposażony jest w standardową stacyjkę, kontrolki diagnostyczne, wyświetlacz wielofunkcyjny oraz w cyfrowy przełącznik zmiany prędkości obrotowej. Sterownik silnika umożliwia podłączenie przeprowadzenie trzech sposobów regulacji prędkości obrotowej: analogowy sterowany sygnałem 0 5 V, sterowany sygnałem PWM, cyfrowy obsługiwany magistralą CAN. Sposób regulacje prędkości obrotowej poprzez CAN odbywa się protokołem J1939 i wykorzystywany jest przez pulpit sterowniczy silnika. Analogowy natomiast sterowany jest przez jeden z dwóch pulpitów sterowniczych sprzężonego z silnikiem hamulca. Prędkość obrotowa wału korbowego silnika uzyskiwana przy pomocy tego zestawu zawierała się w przedziale od 1000 do 2380 obr/min. Zmiana kąta wyprzedzenia wtrysku, który w tym silniku jest na poziomie 29,4 MPa, realizowana jest przez sterownik pompy wtryskowej wykorzystujący układ generujący sygnał PWM. Do wysterowania sygnału wypełnienia charakterystyki pracy elektrozaworu siłownika początku wtrysku odczytywane są sygnały z czujników: położenia wału korbowego i tarczki pompy wtryskowej. Paliwa roślinne wymagają zwiększenia kąta wyprzedzenia wtrysku z powodu większej gęstości, lepkości. Przesterowanie oryginalnego sygnału PWM w celu uzyskania innych wartości kąta wymaga dostarczenia dodatkowego sygnału z czujników: wzniosu iglicy wtryskiwacza na pierwszym cylindrze oraz oryginalnego sygnału PWM generowanego przez elektroniczny sterownik pompy wtryskowej. Nowy sygnał jest wprowadzany w linię sygnałową pomiędzy sterownik, a elektrozawór siłownika początku wtrysku. 170
Rys. 5. Schemat blokowy funkcjonowania sterownika badawczego Wnioski Stanowisko badawcze zostało zbudowana w oparciu o silnik Perkins serii 1100 z elektroniczną pompą wtryskową typu VP. Jest to optymalny silnik badawczy do tego typu zastosowań, ponieważ jest nadal produkowany (spełnia aktualne normy emisji toksycznych składników spalin) i szeroko używany w zastosowaniach poza drogowych (ciągniki rolnicze, agregaty prądotwórcze, maszyny drogowe). Występujące ciśnienia paliwa na poziomie kilkudziesięciu MPa w układzie wtryskowym są znacznie niższe niż w zasobnikowych systemach wtryskowych czy w układach z pompowtryskiwaczami. Dzięki temu nie trzeba przerabiać mechanicznie układu zasilania celem zastosowania paliw alternatywnych płynnych. Wystarczy tylko zmiana wybranych parametrów roboczych silnika ustawionych fabrycznie przez producenta. Dzięki badaniom, które będą w przyszłości realizowane na zbudowanym stanowisku badawczym wyposażonym w silnik Perkins 1104C-E44T zostaną opracowane ogólne wytyczne do regulacji silników o ZS, które będą mogły być zasilane paliwami roślinnymi różnego typu. Literatura: [1]. Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2008. [2]. Bocheński C. I., Kruczyński S. W., Orliński P., Ślęzak M.: Wpływ zastosowania biopaliw na właściwości eksploatacyjne silników spalinowych, Zeszyty Naukowe IP 3(66)/2007. 171
[3]. Demirbas A.: Biodiesel: A realistic fuel alternative for diesel engines, Springer- Verlag, London, 2008, [4]. Jarosiński J.: Technika czystego spalania, WNT, Warszawa 1996 [5]. Trzeciak K.: Wtrysk bezpośredni w silnikach Diesla, Poradnik serwisowy 1/2005. [6]. Tys J., Rogulska M., Grzybek A., Szlachta J., Krasucka E., Biernat K., Bajdor K.: Powiązanie rolnictwa i energetyki w kontekście realizacji celów gospodarki niskoemisyjnej w Polsce (2011 r.), Polish Journal of Agronomy 7/2011. [7]. Instrukcja Obsługi i Konserwacji silnika Perkins model 1104E Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane (najważniejsze zdaniem autorów) informacje dotyczące budowy stanowiska hamownianego przystosowanego do kompleksowych badań paliw alternatywnych płynnych. Omówiono ogólną budowę tego silnika z uwzględnieniem czujników monitorujących jego stan w czasie badań. Pokazano schemat blokowy funkcjonowania sterownika badawczego i opisano metodykę regulacji kąta wyprzedzenia wtrysku jako parametru najbardziej wymagającego zmian przy zasilaniu silnika biopaliwami. Słowa kluczowe: silnik rolniczy, biopaliwa Abstract The paper presents some (important according to the authors) about the construction of the position hamownianego adapted for complex testing of alternative liquid fuels. Discussed the general structure of the engine including sensors that monitor its status at the time of the study. Shown a block diagram of the operation of the controller and describes the research methodology for adjusting injection timing as the most demanding parameter changes when the engine is fueled with biofuels. Keywords: agricultural engine, biofuels Artykuł został opracowany w ramach projektu badawczego własnego N N504701340 172