Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3 4 ISSN 1231 4005 CATALYTIC PROCESSES IN SPARK IGNITION ENGINE Józef Jarosinski Jerzy Podfilipski Politechnika Łódzka, Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa, Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź jarosin@cksg.p.lodz.pl Abstract Problems of ignition and flame development in combustion chambers of internal combustion engines supplied with lean, homogeneous, fuel-air mixture are of fundamental importance. One of the effective methods, which can improve flame initiation, is catalytic assistance of ignition and combustion. In the present work properties of the catalyst are investigated at conditions very similar to those in the engine. Experimental investigations of catalytic assistance of ignition and combustion are carried out in a rapid compression machine. The combustion area in the cylinder was divided into two parts: the main combustion chamber and prechamber. A catalyst with developed surface was placed in the prechamber. The temperature of the catalyst was controlled by means of special electronic device. The influence of the catalyst temperature on ignition and combustion of propane- air mixture was extensively investigated in special sets of experiments. Pressure records and history of flame propagation registered by high speed video camera showed some advantages of catalytic assistance of ignition and combustion. WPŁYW KATALIZATORA NA PRZEBIEG PROCESÓW SPALANIA W SILNIKU TŁOKOWYM O ZAPŁONIE ISKROWYM Streszczenie Aby móc efektywnie wykorzystywać katalizator do oddziaływania na przebieg procesów spalania należy poznać w szczegółach jego właściwości katalityczne. W prezentowanej pracy właściwości katalizatora są badane w warunkach bardzo podobnych do warunków silnikowych. Badania katalitycznego wspomagania zapłonu i spalania są przeprowadzane w maszynie pojedynczego sprężu. Przestrzeń spalania w cylindrze podzielono na dwie części: główną komorę spalania i komorę wstępną. Katalizator o rozwiniętej powierzchni umieszczono w komorze wstępnej. Temperaturę powierzchni katalizatora ustalano na określonym zadanym z góry poziomie za pomocą urządzenia elektronicznego. Nagrzany do odpowiedniej temperatury katalizator powodował zapłon mieszanki ubogiej w komorze wstępnej. Wypływające z tej komory spaliny w postaci żagwi zapalały w następnym etapie mieszankę ubogą w komorze głównej. W szczególności był badany wpływ temperatury powierzchni katalizatora na zapłon i przebieg spalania ubogich mieszanek propan-powietrze. Zapis zmian ciśnienia i historii rozprzestrzeniania się płomienia, rejestrowanej za pomocą kamery do zdjęć szybkich, pozwoliły po ich analizie na potwierdzenie zalet stosowania wspomagania katalitycznego zapłonu i spalania. WSTĘP Główna tendencja rozwoju silników samochodowych w początkowym okresie ich stosowania polegała na uzyskiwaniu jak największych mocy jednostkowych w szerokim zakresie warunków pracy silnika. Silniki te były zasilane w bogatą, często przekraczającą stosunki stechiometryczne, mieszankę palną. Dodatek do paliwa związków czteroetylku ołowiu umożliwiał pracę silnika z dala od granicy stukowego spalania. Pracę silnika na obciążeniach częściowych uzyskiwano wyłącznie dzięki dławieniu przepływu ładunku do cylindra silnika. W tym czasie stosunkowo niską sprawność i wysoką emisję składników toksycznych spalin do atmosfery nie uważano za poważny problem. Dopiero pojawienie się masowej motoryzacji i poważny wzrost kosztów paliwa w latach 70- tych ubiegłego wieku wpłynęły na zmianę strategii rozwoju silników. Przeprowadzone analizy obiegów termodynamicznych perspektywicznych silników wykazały, że wzrost sprawności i 119
niski poziom emisji składników toksycznych spalin można zapewnić poprzez spalanie mieszanek ubogich w paliwo. Spalaniu ubogich mieszanek towarzyszy niższa od stechiometrycznej temperatura i w związku z tym niższa emisja tlenków azotu. Poza tym nadmiar powietrza sprzyja utlenianiu tlenku węgla i niespalonych węglowodorów. W wyniku spalania mieszanek ubogich ulega zmniejszeniu gradient temperatury między produktami spalania a ściankami cylindra, co jest równoznaczne ze zmniejszeniem strat ciepła do ścianek, a także obniża się dysocjacja produktów spalania. Spalanie ubogich mieszanek umożliwia również stosowanie wysokich stopni sprężania, co powiększa sprawność termiczną obiegu. Do ogólnie znanych wad związanych ze stosowaniem mieszanek ubogich należą trudności z zapłonem i mała prędkość rozprzestrzeniania się płomienia. Aby uzyskać niezawodny przebieg spalania tych mieszanek należałoby znacznie powiększyć energię zapłonu, a także zintensyfikować zarówno formowanie się płomienia jak i jego propagację. Sądzono, że spełnieniu tych postulatów sprostają systemy spalania z uwarstwieniem ładunku. Na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat zaprojektowano i przebadano bardzo dużą ilość tych systemów. Uwarstwienie ładunku polega na wyodrębnieniu z ogólnego obszaru wypełnionego mieszanką ubogą małego wydzielonego obszaru usytuowanego w pobliżu punktu zapłonu i lokalnie wzbogaconego w paliwo. Bogata mieszanka łatwo ulega zapłonowi i spaleniu, co zapoczątkowuje skuteczne spalanie pozostałej mieszanki ubogiej. Wydzielony obszar z mieszanką przebogaconą w paliwo wyodrębniano w postaci komory wstępnej lub też jako część objętości głównej komory spalania. Systemy spalania z komorą wstępną wyposażano w dodatkowe układy zasilania w paliwo w celu wzbogacenia mieszanki. Zapłon bogatej mieszanki w komorze wstępnej zapoczątkowuje intensywne spalanie i wypływ produktów reakcji w postaci żagwi. Żagiew ta była niezawodnym źródłem zapłonu ubogiej mieszanki w komorze głównej, dzięki czemu ulegała ona kompletnemu spaleniu. Systemy spalania z komorą wstępną były bardziej niezawodne niż pozostałe systemy spalania z uwarstwieniem ładunku, ale jednocześnie znacznie bardziej skomplikowane. Kilkadziesiąt lat temu niski poziom technologii nie pozwalał na poprawną i niezawodną organizację uwarstwienia ładunku w jednej komorze spalania, natomiast podział komory na dwie części, polegający na zastosowaniu komory wstępnej i głównej był zbyt skomplikowany do zastosowań komercyjnych. Dopiero w późnych latach 90- tych pojawiły się systemy bezpośredniego wtrysku benzyny do cylindra silnika (Gasoline Direct Injection - GDI) oparte na rozwoju nowych technologii wtrysku paliwa i sterowania elektronicznego, które skutecznie rozwiązały problem systemów spalania z uwarstwieniem ładunku [1]. Istnieje alternatywne rozwiązanie w stosunku do rozwijanego ostatnio systemu z bezpośrednim wtryskiem benzyny (GDI), które również umożliwia spalanie ubogich mieszanek w silniku [2,3]. Rozwiązanie to zaproponowali swego czasu Rychter i in. [3]. Propozycja ta wykorzystuje koncepcję podziału obszaru spalania na komorę główną i wstępną. Nowa idea wprowadzona do tej koncepcji polegała na umieszczeniu w komorze wstępnej katalizatora. System spalania z katalityczną komorą wstępną jest bardzo prosty i nie wymaga żadnych istotnych zmian w pozostałych systemach silnika. Prostota tego systemu ułatwia przystosowanie niektórych typów silników do spalania mieszanek ubogich. System ten umożliwia samoregulację procesów we wszystkich głównych fazach spalania. Katalitycznie uaktywnione produkty reakcji wypływające z komory wstępnej oddziałują na procesy chemiczne i gazodynamiczne w komorze głównej. Konstrukcja komory wstępnej zapewniając kontakt świeżej mieszanki z powierzchnią katalizatora jest źródłem aktywacji chemicznej mieszanki w obszarze przylegającym do punktu zapłonu. Prawidłowo zaprojektowana komora wstępna zapewnia ustalenie się w krótkim czasie właściwej temperatury powierzchni katalizatora, co stanowi warunek prawidłowego działania omawianego systemu spalania. Poza tym strumień spalin wypływający z komory wstępnej może być traktowany jako generator turbulencji, który intensyfikuje procesy spalania w komorze 120
głównej. Tak więc zastosowanie katalitycznej komory wstępnej sprzyja poprawie zapłonu w fazie gazowej i intensyfikacji rozprzestrzeniania się płomienia. Działanie systemu z katalityczną komorą wstępną zostało sprawdzone na silniku Ford FDS 425. W wersji oryginalnej jest to czterocylindrowy silnik o zapłonie samoczynnym i bezpośrednim wtrysku paliwa. Paliwo jest wtryskiwane do silnie zawirowanego ładunku powietrza przy stopniu sprężania ε=19. Silnik ten przystosowano do pracy w obiegu Otto przez nieznaczne zmniejszenie stopnia sprężania do wartości ε=16 i zastąpienie wtryskiwacza paliwa przez katalityczną komorę wstępną. Silnik zasilano benzyną bezołowiową wtryskiwaną wielopunktowo do kanałów ssących przy współczynniku nadmiaru powietrza α=1,6. Stwierdzono wyraźny pozytywny efekt wspomagania katalitycznego na osiągi silnika udokumentowane jego charakterystykami uniwersalnymi [4,5]. Dla wyjaśnienia pozytywnej roli katalizatora na przebieg procesów zachodzących w komorze spalania silnika uruchomiono program badań podstawowych nad katalizą posługując się maszyną pojedynczego sprężu [6]. STANOWISKO BADAWCZE Oddziaływanie katalizatora na proces spalania było badane na maszynie pojedynczego sprężu w warunkach podobnych do tych występujących w rzeczywistym silniku. Schemat maszyny pojedynczego sprężu przedstawiono na rys. 1. Średnica i skok tłoka wynosiły odpowiednio D=60mm i L=86mm. Doświadczenia przeprowadzano przy średniej prędkości przesuwu tłoka w=4,3m/s, co odpowiadało prędkości obrotowej silnika n=1500obr/min. a b Rys. 1. Maszyna pojedynczego sprężu. 1-komputer, 2-kamera do zdjęć szybkich, 3-głowica, 4-czujnik ciśnienia, 5-cylindryczna komora spalania, 6-świeca iskrowa, 7-świeca żarowa z katalizatorem na powierzchni, 8-komora wstępna, 9-kanał wlotowy i wylotowy, 10-korba, 11-zamek spustowy, 12-tłok roboczy, 13-tłumik (absorber energii), 14-tłok napędowy, 15-cylinder siłownika, 16-zawór. Fig.1. Rapid compression machine. 1-computer, 2-camera, 3-cylinder head, 4-pressure transducer, 5-cylindrical combustion chamber, 6-spark plug, 7-glow plug with catalyst, 8-prechamber, 9-inlet and outlet channel, 10-crank, 11-quick release catch, 12-compressing piston, 13-shock absorber, 14-driving piston, 15-servo, 16-valve. Rys. 2. Komory spalania. a) Cylindryczna komora spalania o stopniu sprężania ε =10,5. b) Cylindryczna komora spalania z komorą wstępną o ogólnym stopniu sprężania ε=16. 1-pierścień dociskowy, 2-okno, 3-cylindryczna komora spalania, 4-komora wstępna, 5-świeca żarowa z katalizatorem na powierzchni, 6-cylinder, 7-świeca iskrowa, 8-kanał wlotowy i wylotowy, 9-czujnik ciśnienia. Fig. 2. Combustion chambers. a) cylindrical combustion chamber, compression ratio ε = 10.5, b) cylindrical combustion chamber with prechamber, compression ratio ε = 16. 1-holdfast, 2-window, 3-cylindrical combustion chamber, 4-prechamber, 5-glow plug with catalyst, 6-cylinder, 7-spark plug, 8-inlet and outlet channel, 9-pressure transducer. 121
Maszyna pojedynczego spręż posiada tłok napędowy (14) i tłok roboczy (12). Tłok napędowy jest zatrzymywany tuż po przekroczeniu suwu sprężania przez tłumik pochłaniający energię ruchu (13). Układ jest przygotowywany do pracy poprzez załadowanie sprężonego powietrza pod ciśnieniem dochodzącym do 10 bar do odpowiedniej przestrzeni cylindra (15) nad tłokiem napędowym (14). Roboczy suw sprężania uzyskuje się poprzez zwolnienie zamka mechanicznego (11). Stosunek średnic tłoka napędowego do roboczego wynosi 1,5. Eksperymenty przeprowadzano posługując się dwoma typami komór spalania przedstawionymi na rys. 2. Bezpośrednie oddziaływanie katalizatora na zapłon i spalanie mieszanki badano w cylindrycznej komorze spalania o stopniu sprężania ε=10,5 (rys. 2a). Oddziaływanie katalizatora na przebieg spalania w komorze dzielonej o stopniu sprężania ε=16 badano posługując się konfiguracją komór głównej i wstępnej przedstawionych na rys. 2b. Obie głowice posiadały otwory, w których osadzono zawór ładowania mieszanki i wydalania spalin (kanał 8), czujnik ciśnienia (4) i okno umożliwiające obserwację rozprzestrzeniania się płomienia (2). Próbki gazu do analizy chromatograficznej pobierano z kanału (8). Maszyna pojedynczego sprężu była sterowana za pomocą komputera (patrz rys. 1), który umożliwiał jednoczesny zapis parametrów na 4 kanałach. Temperatura osiągana przez mieszankę pod koniec suwu sprężania mogła być dodatkowo podwyższana, w wyniku zewnętrznego ogrzewania głowicy cylindra specjalną otuliną zawierającą grzałkę elektryczną. Temperatura początkowa mieszanki mogła w ten sposób wzrosnąć do 360K. Podczas eksperymentów mierzono ciśnienie, prędkość przesuwu tłoka, czas wyprzedzenia zapłonu i temperaturę powierzchni katalizatora. Komora spalania przedstawiona na rys. 2a służyła do badania mechanizmu zapłonu katalitycznego w porównaniu z zapłonem iskrowym. Badania komory spalania przedstawionej na rys. 2b miały na celu poznanie procesu zapłonu i spalania w warunkach modelujących przebieg tych procesów na rzeczywistym silniku FDS 425. WYNIKI BADAŃ Parametry formowania płomienia i jego rozprzestrzeniania się określano dla trzech różnych warunków zapłonu: 1) od iskry, 2) od katalizatora, 3) od iskry i towarzyszącego jej oddziaływania katalizatora. Podczas eksperymentów była możliwość regulacji temperatury powierzchni katalizatora od 0 C do 800 C. Katalizator w postaci drutu platynowego o średnicy 1mm był nawinięty na powierzchnię czynną świecy żarowej (rys. 3). Rys. 3. Świeca żarowa z nawiniętym drutem platynowym. 1-świeca żarowa, 2-katalizator. Fig.3. Glow plug covered by a platinum wire. 1-glow plug, 2-catalyst. Temperatura powierzchni katalizatora była utrzymywana na z góry ustalonym poziomie za pomocą specjalnego urządzenia elektronicznego. Analiza chromatograficzna wykazała, że w warunkach normalnych, katalizator umieszczony w strumieniu przepływającej mieszanki stechiometrycznej propan-powietrze zaczyna być wyraźnie aktywny dopiero po przekroczeniu temperatury powierzchni 600 C. Zachodzenie reakcji heterogenicznej stwierdzono na podstawie ubytku zawartości tlenu i pojawienia się tlenku węgla w mieszance. 122
Granice palności określone na maszynie pojedynczego sprężu, przy stosowaniu głowicy pokazanej na rys. 2a, były szersze niż te określone w standardowej rurze. Okazało się, że mieszanka w warunkach silnikowych jest palna poczynając od współczynnika nadmiaru powietrza α=2,06 (2% C 3 H 8 ) do wartości niższej niż α=0,31 (powyżej 12% C 3 H 8 ). Nie badano palności mieszanek o niższych wartościach współczynnika nadmiaru powietrza, niż α=0,31, ponieważ w danych warunkach laboratoryjnych nie było możliwości komponowania bogatszych mieszanek. W standardowej rurze granice palności wynoszą odpowiednio α=1,78 (2,3% C 3 H 8 ) i α=0,40 (9,2% C 3 H 8 ). W warunkach silnikowych najniższa temperatura zapłonu wynosiła 200 C dla przypadku zapłonu katalitycznego i 400 C dla świecy żarowej bez katalizatora niezależnie od składu mieszanki. Wpływ zapłonu iskrowego i katalitycznego na przebieg ciśnienia w komorze spalania pokazano na rys. 4. Z drugiej strony wpływ temperatury powierzchni świecy żarowej o własnościach katalitycznych i bez tych własności pokazano na rys. 5. Przebieg krzywych ciśnienia na rys. 4 wskazuje na zalety stosowania zapłonu iskrowego wspomaganego katalitycznie. Aktywna rola katalizatora jest bardzo wyraźnie widoczna na rys. 5. Eksperymenty wykazały, że wzrost temperatury świecy żarowej zmniejsza zwłokę zapłonu (rys. 5). Proces osiągania temperatury samozapłonu w pobliżu powierzchni świecy żarowej może objaśnić to zjawisko. Temperatura samozapłonu jest stałą fizyczną danej mieszanki palnej. Czym wyższa jest temperatura świecy żarowej tym mniejszy wzrost temperatury adiabatycznego sprężania mieszanki zapoczątkowuje jej lokalny samozapłon. Rys. 4. Przebieg ciśnienia w cylindrze w funkcji czasu. Komora spalania jak na rys. 2a. Współczynnik nadmiaru powietrza α=1,05. 1-zapłon iskrowy, 2-zapłon katalityczny przy temperaturze powierzchni 300 C, 3-zapłon iskrowy wspomagany przez katalizator o temperaturze powierzchni 300 C. Fig. 4. Cylinder pressure as a function of time. Combustion chamber as shown in Fig. 2a. Air-fuel equivalence ratio α = 1.05. 1-spark ignition, 2-catalytic ignition at surface temperature 300 C, 3-spark ignition assisted with catalyst heated to 300 C. Rys. 5. Przebieg ciśnienia w cylindrze w funkcji czasu. Komora spalania jak na rys. 2a. Współczynnik nadmiaru powietrza α=1,05. Zapłon za pomocą świecy żarowej o temperaturze powierzchni: 1-katalizator 800 C, 2-katalizator 600 C, 3-katalizator 400 C, 4-katalizator 200 C, 5-drut stalowy 800 C, 6-drut stalowy 600 C, 7- drut stalowy 400 C. Fig. 5. Cylinder pressure as a function of time. Combustion chamber as shown in Fig. 2a. Air-fuel equivalence ratio α = 1.05. Glow plug ignition at surface temperature: 1-catalyst 800 C, 2-catalyst 600 C, 3-catalyst 400 C, 4-catalyst 200 C, 5-steel wire 800 C, 6-steel wire 600 C, 7-steel wire 400 C. 123
Rys. 6. Zapłon iskrowy i rozprzestrzenianie się płomienia w komorze spalania jak na rys. 2a. Warunki eksperymentu: mieszanka propan-powietrze o współczynniku nadmiaru powietrza α=1,05, stopień sprężania ε=10,5 Fig.6. Spark ignition and flame propagation in combustion chamber as shown in Fig. 2a. Experimental conditions: propane-air mixture, compression ratio ε = 10.5, air-fuel equivalence ratio α = 1.05. Rys. 7. Zapłon katalityczny i rozprzestrzenianie się płomienia w komorze spalania jak na rys. 2a. Warunki eksperymentu: mieszanka propan-powietrze o współczynniku nadmiaru powietrza α=1,05, stopień sprężania ε=10,5. Fig.7. Catalytic ignition and flame propagation in combustion chamber as shown in Fig. 2a. Experimental conditions: propane-air mixture, compression ratioε = 10.5, air-fuel equivalence ratio α = 1.05, catalyst temperature 400 C. Różnice w mechanizmach zapłonu i rozprzestrzeniania się płomienia są zilustrowane na rysunkach 6 i 7. Rozprzestrzenianie się płomienia zapoczątkowane przeskokiem iskry jest bardzo typowe dla spalania turbulentnego, w którym prędkość propagacji zależy od prędkości turbulentnych pulsacji i od skali turbulencji. Obraz płomienia powstającego w wyniku zapłonu katalitycznego jest nieco inny. Płomień ten powstaje w objętości przylegającej do katalizatora, gdzie są obecne produkty reakcji homogenicznych. Prędkość rozprzestrzeniania się płomienia i szybkość narastania ciśnienia w komorze spalania zależą od temperatury powierzchni katalizatora. System spalania podobny do stosowanego w pracach [4,5], a więc zawierający komorę wstępną wyposażoną w katalizator i charakteryzujący się współczynnikiem nadmiaru powietrza α=1,4 i stopniem sprężania ε=16, może poprawnie pracować wtedy, gdy temperatura katalizatora przewyższa 700 C. Spełnienie tego warunku zapewnia bardzo powtarzalny przebieg narastania ciśnienia zarówno dla przypadku zapłonu katalitycznego jak i zapłonu iskrowego wspomaganego katalitycznie (rys.8). Najniższa temperatura zapłonu katalitycznego, w przypadku systemu z komorą wstępną, wynosiła 500 C. Analiza zarejestrowanych wykresów wykazała, że zapłon katalityczny, a także zapłon iskrowy wspomagany katalitycznie, skutkowały większą szybkością narastania ciśnienia niż zapłon wyłącznie iskrowy. 124
Rys. 8. Przebieg ciśnienia w cylindrze w funkcji czasu. Komora spalania jak na rys. 2b. Warunki eksperymentu: mieszanka propan-powietrze o współczynniku nadmiaru powietrza α =1,4, stopień sprężania ε =16. 1-zapłon iskrowy, 2-zapłon katalityczny 800 C, 3-zapłon katalityczny 550 C, 4-zapłon iskrowy wspomagany przez katalizator o temperaturze powierzchni 800 C, 5-zapłon iskrowy wspomagany przez katalizator o temperaturze powierzchni 550 C. Fig. 8. Catalytic ignition and flame propagation in combustion chamber as shown in Fig. 2b. Experimental conditions: propane-air mixture, compression ratio ε = 16, air-fuel equivalence ratio α = 1.4. 1-spark ignition, 2-catalytic ignition 800 C, 3-catalytic ignition 550 C, 4-spark ignition assisted with catalyst heated to 800 C, 5-spark ignition assisted with catalyst heated to 550 C. WNIOSKI Wyniki eksperymentów potwierdziły zalety wspomagania katalitycznego zapłonu w porównaniu z zapłonem iskrowym. System spalania z komorą wstępną wyposażoną w katalizator i charakteryzujący się współczynnikiem nadmiaru powietrza α=1,4 oraz stopniem sprężania ε=16, charakteryzuje się bardzo powtarzalnym procesem spalania, zarówno w wyniku zapłonu katalitycznego jak i iskrowego ze wspomaganiem katalitycznym. Dla uzyskania zapłonu katalitycznego niezbędne jest aby suma temperatur katalizatora i adiabatycznego sprężania była większa niż temperatura samozapłonu mieszanki palnej. PODZIĘKOWANIA Prezentowana praca stanowi część projektów badawczych finansowanych przez Komitet Badań Naukowych, oznaczonych numerami 8T12D00321 i 9T12D03819. LITERATURA [1]. Zhao F., Lai M. C. and Harrington D. L., Automotive Spark-Ignited Direct-Injection Gasoline Engines, Prog. Energy Combust. Sci. 25: 437-562, 2000. [2]. Oppenheim A. K., Pulsed-Jet Combustion Its Past, Present and Future, Archivum Combustionis, 11: 3-18, 1991. [3]. Rychter T. J., Saragih R., Leżański T. and Wojcicki S., Catalytic Activation of a Charge in a Prechamber of a SI Lean-Burn Engine, Eighteenth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pitsburgh, pp. 1815-1824, 1981. [4]. Jarosinski J., Łapucha R., Mazurkiewicz J. and Wójcicki S., Investigation of a Lean-Burn Piston Engine with Catalytic Prechamber, SAE Technical Paper 960083, 1996. [5]. Jarosinski J., Łapucha R. and Mazurkiewicz J., Combustion in a Lean-Burn Piston Engine with Catalytic Prechamber, Proceedings of the Fourth Asian-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization, Bangkok, Thailand, pp. 913-918, 1997. [6]. Jarosinski J. and Podfilipski J., Influence of Catalysis on Combustion in Spark Ignition Engine, SAE Technical Paper Series 2001-01-1338. 125