ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012 Władysław Mitianiec 1 WPŁYW BEZPOŚREDNIEGO WTRYSKU PALIWA NA EMISJĘ SPALIN W DWUSUWOWYM SILNIKU SPALINOWYM ZI 1. Wprowadzenie W małej motoryzacji oraz w gospodarce leśnej, ogrodnictwie, w pracach drogowych i innych są stosowane w dalszym ciągu silniki dwusuwowe małej objętości skokowej, o zapłonie iskrowym. Z uwagi na małe wymiary oraz niezbyt skomplikowaną technologię wykonania oraz małe wymagania eksploatacyjne, silniki te są nadal atrakcyjne dla użytkowników. Mała masa silnika oraz duży objętościowy wskaźnik mocy powoduje, że są one stosowane szczególnie w konkurencjach sportowych takich, jak triale lub inne konkurencje terenowe. Poza tym brak miski olejowej umożliwia pracę silnika w różnych pozycjach przy zastosowaniu gaźnika bezpływakowego. Symetryczność faz rozrządu szczelinowo-tłokowego w klasycznym silniku powoduje wypływ mieszanki paliwowo-powietrzej z cylindra do układu wylotowego w procesie przepłukania. Powoduje to stratę paliwa, jak również zmniejsza sprawność napełnienia. Zasadnicze wady, jakimi jest duże jednostkowe zużycie paliwa oraz duża emisja węglowodorów i tlenku węgla, wynikające z procesu przepłukania oraz niedoskonałości procesu spalania, powodują ich marginalne znaczenie w transporcie w ostatnich latach. Ostre wymagania ochrony środowiska ze względu na emisję węglowodorów, tlenku węgla oraz hałaśliwość tych silników zmusza badaczy i konstruktorów do poszukiwania nowych rozwiązań zwiększających atrakcyjność dwusuwowych silników ZI. Jedną z metod jest rozwijany przez ostatnie 20 lat system bezpośredniego wtrysku mieszanki lub paliwa [1][2]. System ten jednakże komplikuje konstrukcję silnika. Bezpośredni wtrysk paliwa do cylindra zapewnia jednakże brak straty wylotowej, kiedy paliwo jest wtryskiwane do cylindra po zamknięciu okna wylotowego przez tłok w procesie sprężania. System bezpośredniego wtrysku paliwa musi zapewnić dobre rozpylenie kropel paliwa w ładunku i brak kontaktu ciekłego paliwa ze ściankami cylindra i tłoka [3]. W tym celu najlepszym sposobem jest zastosowanie elektronicznego systemu wtrysku paliwa zależnie od obciążenia i prędkości obrotowej. Taki system bezpośredniego wtrysku paliwa został opracowany przez autora i wykonany przez zespół w Katedrze Silników Spalinowych Politechniki Krakowskiej [4]. Zastosowanie elektronicznie sterowanego bezpośredniego wtrysku paliwa pozawala na znaczne zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin i zużycia paliwa. 2. Cel i zakres pracy Silnik dwusuwowy o zasilaniu gaźnikowym został zmodyfikowany przez zainstalowanie systemu bezpośredniego wysokociśnieniowego wtrysku paliwa. Na podstawie wcześniej przeprowadzonych symulacji numerycznych w programach KIVA [5] i GT-Power [6] stwierdzono zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa i emisji najważniejszych toksycznych składników spalin. Opracowany został również własny 1 dr hab. inż. Władysław Mitianiec, profesor Politechniki Krakowskiej 49
program komputerowy do przeprowadzenia optymalizacji parametrów wtrysku paliwa ze względu na parametry robocze i emisję spalin. Obliczenia komputerowe wykonane w tych programach wykazały, że początek wtrysku paliwa powinien zachodzić po zamknięciu okna wylotowego. Celem pracy badawczej było potwierdzenie wyników badań symulacyjnych - zmniejszenia jednostkowego zużycia paliwa oraz zmniejszenia emisji węglowodorów i tlenku węgla w spalinach w silniku dwusuwowym przy zastosowaniu bezpośredniego wtrysku paliwa. Zakres badań doświadczalnych przeprowadzonych na hamowni silnikowej z hamulcem elektrowirowym firmy Automex obejmował: - wykonanie charakterystyk regulacyjnych parametrów wtrysku (zmiana ciśnienia wtryskiwanego paliwa, zmiana faz otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza) dla różnych prędkości obrotowych, - wykonanie charakterystyk obciążeniowych dla zadanych parametrów wtrysku paliwa, - wykonanie charakterystyk prędkościowych silnika dwusuwowego z bezpośrednim wtryskiem benzyny dla zoptymalizowanych parametrów wtrysku oraz dla silnika gaźnikowego, - analizę procesu spalania na podstawie wykresów indykatorowych otrzymanych z pomiarów dla kilku prędkości obrotowych. Z uwagi na brak na rynku typowej aparatury wtryskowej dla silników spalinowych o małej objętości skokowej otrzymane wyniki rokują nadzieję na znacznie większe zwiększenie sprawności ogólnej silnika oraz większe zmniejszenie emisji węglowodorów i tlenku węgla. Udział molowy tlenków azotu w spalinach silnika dwusuwowego jest kilkakrotnie mniejszy niż w silniku czterosuwowym bez udziału reaktora katalitycznego. 3. Dwusuwowy silnik badawczy z bezpośrednim wtryskiem paliwa Schemat stanowiska badawczego pokazany jest na rys. 1 z oznaczeniem tekstowym poszczególnych elementów całego systemu. 50
Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego silnika dwusuwowego z bezpośrednim wtryskiem paliwa z elektronicznym układem sterowania Dwusuwowy silnik badawczy z bezpośrednim wysokociśnieniowym wtryskiem benzyny został wykonany na bazie 1-cylindrowego chłodzonego powietrzem przemysłowo-stacjonarnego silnika Robin EC12 firmy Fuji Heavy Industries o objętości skokowej 115 cm 3. Modyfikacja silnika polegała na usytuowaniu w głowicy wtryskiwacza pod kątem 20 w stosunku do osi cylindra od strony układu wylotowego. Taka pozycja wtryskiwacza umożliwiała lepszą penetrację strumienia paliwa w przepłukującym powietrzu i została ustalona w wyniku licznych badań symulacyjnych w programie Kiva3v. Parametry otwarcia wtryskiwacza zostały wstępnie dobrane na podstawie licznych obliczeń przeprowadzonych za pomocą programu GT Power. W celu dobrego rozpylenia paliwa w cylindrze o małej średnicy kropel zastosowano ciśnienie wtrysku ponad 45 bar wykorzystując konwencjonalny wtryskiwacz z silnika Volkswagen FSI. Wtryskiwacz ten pracował w dolnym zakresie czasów otwarcia i nie był optymalnym rozwiązaniem dla badanego silnika. Sterowanie pracą silnika i układu wtryskowego odbywało się za pomocą specjalnie opracowanego programu w środowisku Labview poprzez kartę analogowo-cyfrową National Instruments. Program umożliwiał sterowanie wielkością dawki paliwa poprzez czas wtrysku, a początek otwarcia wtryskiwacza uzależniony był głównie od prędkości obrotowej silnika. Ciśnienie wtrysku paliwa wywołane było pompą wysokociśnieniową i regulowane przy stałej zadanej wartości za pomocą regulatora ciśnienia. Skrzynia korbowa była zasilana wyłącznie powietrzem, a masowe natężenie przepływu powietrza mierzono za pomocą wykalibrowanego przepływomierza z grzanym elementem. Masowe zużycie paliwa wyznaczano przez ubytek masy paliwa w szczelnym zbiorniku umieszczonym na wadze laboratoryjnej z uwagi na bardzo małą dawkę podawanego paliwa. Wstępne pomiary udziałów objętościowych 5 składników gazów spalinowych: CO2, CO, NOx, HC i O2 zostały wykonane za pomocą analizatora typu NDIR Arcon Olivier z dokładnością 2,5%. 4. Wyniki badań doświadczalnych Przeprowadzono badania doświadczalne wpływu wybranych parametrów wtrysku na parametry robocze i emisję najważniejszych składników spalin, m.in.: ciśnienia wtrysku paliwa przy stałym początku wtrysku, kąta wyprzedzenia wtrysku, dawki paliwa dla różnych prędkości obrotowych. Na postawie wstępnych badań doświadczalnych ustalono zakres kąta wtrysku paliwa. Początek wtrysku paliwa powinien zachodzić nie wcześniej niż 100 OWK przed GMP, a czas trwania wtrysku wynikał z charakterystyki wtryskiwacza i nie mógł być mniejszy niż 700 s. Ustalono również optymalną wartość ciśnienia wtrysku na 55 bar ze względu na jakość rozpylenia paliwa oraz minimalny czas wtrysku. Parametry wtrysku paliwa wpływały decydująco na parametry robocze silnika i emisję węglowodorów oraz tlenku węgla. Rysunek 2 przedstawia zmianę udziałów objętościowych tlenku węgla dla trzech prędkości obrotowych w zależności od obciążenia silnika. Ze wzrostem obciążenia wzrastała dawka paliwa, a pomimo to malały udziały objętościowe tlenku węgla. Najmniejszy udział CO w spalinach zaobserwowano dla dużych obciążeń i prędkości obrotowej 3000 obr/min. Podobny charakter zmian ma udział objętościowy węglowodorów w spalinach (rys.3). Udział ten osiąga najmniejszą wartość 100 ppm przy największych obciążeniach i prędkości obrotowej również 3000 obr/min, przy czym największa wartość nie przekracza 1000 ppm. 51
Rys. 2. Udział objętościowy tlenku węgla w zależności od obciążenia silnika dla trzech prędkości obrotowych Rys. 3. Udział objętościowy węglowodorów w zależności od obciążenia silnika dla trzech prędkości obrotowych 52
Ilość tlenków azotu w spalinach silnika dwusuwowego z bezpośrednim wtryskiem paliwa rośnie z obciążeniem silnika niezależnie od prędkości obrotowej, co pokazuje rys. 4. Jednakże udział objętościowy tlenków azotu jest znacznie mniejszy niż w silnikach 4-suwowych z uwagi na dużą pozostałość spalin z poprzedniego cyklu roboczego i w czasie badań wartość ta nie przekraczała 300 ppm. Uniknięcie straty wylotowej paliwa poprzez zastosowanie bezpośredniego wtrysku benzyny miało decydujący wpływ na zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa, co ilustrują charakterystyki obciążeniowe przeprowadzone dla prędkości obrotowych 2500, 3000 i 3500 obr/min (rys.5). Minimalna wartość jednostkowego zużycia paliwa osiągała wartość 280 g/kwh. Rys. 4. Udział objętościowy tlenków azotu w zależności od obciążenia silnika dla trzech prędkości obrotowych Rys. 5. Jednostkowe zużycie paliwa w zależności od obciążenia silnika dla trzech prędkości obrotowych 53
Wykorzystanie większej ilości paliwa w procesie spalania, jak również polepszenie tego procesu poprzez turbulencję ładunku wywołaną procesem wtrysku, skutkowało również zwiększeniem udziału objętościowego dwutlenku węgla w spalinach. Rysunek 6 przedstawia porównanie udziału objętościowego CO 2 w spalinach silnika gaźnikowego i silnika z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Maksymalna wartość tego udziału zwiększa się z 7% do prawie 11%, co skutkuje zmniejszeniem się udziału tlenku węgla w spalinach. Polepszenie procesu spalania w wyniku dobrania właściwego ustawienia wtryskiwacza względem ruchu ładunku wywołanego procesem przepłukania skutkowało znacznym zmniejszeniem emisji tlenku węgla. Rysunek 7 przedstawia porównanie udziału objętościowego CO w spalinach dwusuwowego silnika gaźnikowego i silnika z bezpośrednim wtryskiem paliwa przy pełnym otwarciu odpowiednio przepustnicy mieszanki i przepustnicy powietrza. Ilość CO w spalinach spadła z 7% do 2% przy największych prędkościach obrotowych. Jest ona jeszcze zbyt duża, co spowodowane jest niezupełnym procesem spalania przy ściankach cylindra. Rys. 5. Jednostkowe zużycie paliwa w zależności od obciążenia silnika dla trzech prędkości obrotowych Zastosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa w silniku dwusuwowym o zapłonie iskrowym ma największy wpływ na zmniejszenie emisji węglowodorów. Rysunek 8 przedstawia w skali logarytmicznej przebieg udziałów objętościowych węglowodorów dla silnika gaźnikowego i silnika badawczego przy pełnym otwarciu przepustnic na dolocie. Silnik gaźnikowy wykazywał prawie 4000 ppm HC w spalinach, a w silniku z bezpośrednim wtryskiem benzyny udział ten dochodził do 100 ppm, przy średniej wartości około 300 ppm, co jest ponad 10-krotnym zmniejszeniem emisji tych związków chemicznych. Polepszenie procesu spalania skutkowało niewielkim wzrostem temperatury ładunku, co wpływało na proces powstawania tlenków azotu. W silniku gaźnikowym zaobserwowano mniejszy udział objętościowy tlenków azotu w spalinach niż w silniku z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Różnica tych udziałów jest większa przy większych prędkościach obrotowych, co pokazuje rys. 9, ale w dalszym ciągu jest mniejsza niż w 4-suwowych silnikach spalinowych. 54
Rys. 6. Porównanie udziału objętościowego CO 2 w spalinach silnika gaźnikowego i silnika z wtryskiem bezpośrednim paliwa Rys. 7. Udział objętościowy CO w spalinach silnika gaźnikowego i silnika badawczego 55
Rys. 8. Porównanie udziału objętościowego węglowodorów w spalinach silnika gaźnikowego i silnika z wtryskiem bezpośrednim paliwa Rys. 9. Udział objętościowy NOx w spalinach silnika gaźnikowego i silnika z wtryskiem bezpośrednim 56
5. Wnioski z badań doświadczalnych 1. W wyniku zastosowania bezpośredniego wtrysku paliwa w dwusuwowym silniku ZI udział objętościowy węglowodorów w spalinach został zmniejszony ponad 10 krotnie do wartości minimalnej 100 ppm. 2. Zastosowanie wysokociśnieniowego wtrysku benzyny spowodowało zmniejszenie udziału objętościowego tlenku węgla z 7 do 2 % w zakresie większych prędkości obrotowych. 3. Nieznacznie wzrósł udział tlenków azotu (o około 100 ppm) dla większych prędkości obrotowych w wyniku większej mocy silnika dla tego zakresu prędkości obrotowych. 4. Emisje węglowodorów, tlenku węgla, dwutlenku węgla oraz jednostkowe zużycia paliwa maleją z obciążeniem silnika, natomiast wzrasta emisja tlenków azotu. 5. Zastosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa w 2-suwowym silniku ZI pozwoliło zwiększyć sprawność ogólną silnika i znacząco obniżyć emisję szkodliwych składników spalin. Literatura: [1] Basshuysen, R.: Gasoline Engine with Direct Injection. Vieveg & Teubner Verlag, Wiesbaden, 2009 [2] Basshuysen, R.: Ottomotor mit Direkteinspritzung. Verfahren, Systeme, Entwicklung, Potenzial. Vieveg & Teubner Verlag, Wiesbaden, 2008 [3] Mitianiec W.: Wtrysk paliwa w silnikach dwusuwowych małej mocy. Polska Akademia Nauk. Kraków, 1999 [4] Mitianiec W., Forma M.: Simulation and experimental test of spray guided direct fuel injection in a two-stroke engine. Combustion Engines, 2009-SC2, PTNSS-2009-SC- 43, p. 105-112, Bielsko-Biała, 2009 [5] Amsden A.A., O'Rurke P.J., Butler T.D.: KIVA-II A Computer Program for Chemically Reactive Flows with Sprays. Los Alamos National Lab., LA-11560-MS, 1989 [6] GT-Power User Manual, version 6.2. Gamma Technologies, Westmont, IL, 2006 Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań doświadczalne emisji wybranych składników spalin uzyskane na eksperymentalnym silniku dwusuwowym ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Uzyskano ponad 10-krotne zmniejszenie udziału objętościowego węglowodorów oraz znaczne zmniejszenie udziału objętościowego tlenku węgla w spalinach w porównaniu do standardowego silnika gaźnikowego. W pracy przedstawiono charakterystyki obciążeniowe emisji węglowodorów, tlenku węgla, tlenków azotu oraz jednostkowego zużycia paliwa oraz charakterystyki prędkościowe tych emisji dla silnika gaźnikowego i badawczego Zastosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa pozwoliło również na zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa o ponad 30 procent. Słowa kluczowe: transport, silnik dwusuwowy, wtrysk bezpośredni paliwa, emisja spalin 57
INFLUENCE OF DIRECT FUEL INJECTION ON EXHAUST GAS EMISSION IN SI TWO-STROKE ENGINE Abstract The paper presents experimental results of exhaust gas emission of chosen components obtained on modified SI two-stroke engine with direct gasoline injection. The experimental research indicated above 10-times decreasing of volumetric ratio of hydrocarbons and a considerable decrease of carbon monoxide emission in comparison to the standard carburetted engine. The work presents load characteristics of emission of hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen oxides and specific fuel consumption and speed characteristics those emissions for the carburetted engine and experimental engine. Application of direct fuel injection enables also decreasing of specific fuel consumption above 30 percent. Keywords: transportation, two-stroke engine, direct fuel injection, exhaust gas emission 58