BADANIA PRZEBIEGU PROCESU SPALANIA ALTERNATYWNYCH PALIW GAZOWYCH I ICH MIESZANEK Z WODOREM W SILNIKU ZI

Podobne dokumenty
BADANIA ROZWOJU I PRZEBIEGU PROCESU SPALANIA ALTERNATYWNYCH PALIW GAZOWYCH I ICH MIESZANEK Z WODOREM W SILNIKU ZI

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

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

ANALIZA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA DRGAŃ CZYNNIKA ROBOCZEGO W UKŁADZIE DOLOTOWYM SILNIKA ZI

Kongres Innowacji Polskich KRAKÓW

INDICATING OF AN ENGINE FUELLED WITH CNG

CHARAKTERYSTYKI PRACY SILNIKA HCCI ZASILANEGO BIOGAZEM

PORÓWNANIE WYKRESU INDYKATOROWEGO I TEORETYCZNEGO - PRZYKŁADOWY TOK OBLICZEŃ

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

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

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

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Wymagania edukacyjne Technologia napraw zespołów i podzespołów mechanicznych pojazdów samochodowych

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

Perspektywy wykorzystania CNG w polskim transporcie

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

OCENA WPŁYWU MIESZANINY DME I LPG NA OSIĄGI SILNIKA ZI

2. Klasyfikacja i podstawowe wskaźniki charakteryzujące pracę silników spalinowych

MODELOWANIE 3D PROCESU NAPEŁNIANIA W SILNIKU O ZI

1. Wprowadzenie 1.1. Krótka historia rozwoju silników spalinowych

Tomasz P. Olejnik, Michał Głogowski Politechnika Łódzka

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

MODEL SPALANIA WODORU Z WYKORZYSTANIEM SYSTEMU AVL FIRE

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

Laboratorium z Konwersji Energii SILNIK SPALINOWY

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

SŁAWOMIR LUFT, TOMASZ SKRZEK *

SAMOCHODY ZASILANE WODOREM

MODEL SAMOCHODOWEGO SILNIKA ZASILANEGO WODOREM

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

BADANIA POJAZDU EURO 5 PRZY PEŁNYM OBCIĄŻENIU SILNIKA

OBLICZENIA SILNIKA TURBINOWEGO ODRZUTOWEGO (rzeczywistego) PRACA W WARUNKACH STATYCZNYCH. Opracował. Dr inż. Robert Jakubowski

ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

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

ANALIZA NUMERYCZNA OBIEGU CIEPLNEGO WIELOŚWIECOWEGO SILNIKA ZI

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

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

Biogas buses of Scania

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 4(100)/2014

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

Analiza drgań skrętnych wału śmigłowego silnika lotniczego PZL-200 podczas pracy z zapłonem awaryjnym

Prowadzący: dr hab. inż. Agnieszka Gubernat (tel. (0 12) ;

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

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

ISBN

Wydział Mechaniczny. INSTYTUT EKSPLOATACJI POJAZDÓW I MASZYN tel.

Niskoemisyjne, alternatywne paliwa w transporcie. Sławomir Nestorowicz Pełnomocnik Dyrektora ds. Paliw Metanowych

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

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

[1] CEL ĆWICZENIA: Identyfikacja rzeczywistej przemiany termodynamicznej poprzez wyznaczenie wykładnika politropy.

WŁAŚCIWOŚCI GAZU ZIEMNEGO JAKO PALIWA DO ZASILANIA TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH

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

PURPOSEFULNESS OF USING REAL GAS MODEL IN ANALYSIS OF INTERNAL COMBUSTOIN ENGINE CYCLE PARAMETERS

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

WPŁYW PODAWANIA WODORU NA POZIOM ZADYMIENIA SPALIN SILNIKA SAMOCHODOWEGO

Technika Samochodowa

Układy zasilania samochodowych silników spalinowych. Bartosz Ponczek AiR W10

Możliwości pomiarowe współczesnego systemu rejestracji parametrów szybkozmiennych

WYBRANE ASPEKTY ANALIZY SKŁADU SPALIN AUTOBUSÓW ZASILANYCH CNG

Bezpieczeństwo użytkowania samochodów zasilanych wodorem

Mieszanka paliwowo-powietrzna i składniki spalin

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

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

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

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

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

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

TEMAT: PARAMETRY PRACY I CHARAKTERYSTYKI SILNIKA TŁOKOWEGO

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Silniki tłokowe. Dr inŝ. Robert JAKUBOWSKI

ELASTYCZNOŚĆ SILNIKA ANDORIA 4CTI90

OBLICZENIA SILNIKA TURBINOWEGO ODRZUTOWEGO (SILNIK IDEALNY) PRACA W WARUNKACH STATYCZNYCH

Pytania na egzamin dyplomowy specjalność SiC

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Właściwy silnik do każdego zastosowania _BlueEfficiencyPower_Polnisch_Schrift_in_Pfade.indd :55:33

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

STECHIOMETRIA SPALANIA

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

NIERÓWNOMIERNOŚĆ NAPEŁNIANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI

SYNTEZA I SYMULACJA STATYCZNA STEROWANIA Z CYKLU NA CYKL WTRYSKIEM PALIWA W SILNIKU GDI

TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

INNOWACYJNY SILNIK z aktywną komorą spalania

Charakterystyki prędkościowe silników spalinowych

Investigation of the combustion engine fuelled with hydrogen

DEGA. Diesel and Gas Mixture. LPG Powietrze. Spaliny ON + LPG. tylko ON!! ON+LPG. Termopara spalin ON + LPG. Wykres mocy [KW]

WPŁYW RODZAJU PALIWA NA WYBRANE PARAMETRY PROCESU SPALANIA W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM

CIEPŁO (Q) jedna z form przekazu energii między układami termodynamicznymi. Proces przekazu energii za pośrednictwem oddziaływania termicznego

CIEPŁO (Q) jedna z form przekazu energii między układami termodynamicznymi. Proces przekazu energii za pośrednictwem oddziaływania termicznego

Identyfikacja samochodu

WPŁYW PALIW GAZOWYCH NA PARAMETRY PRACY TŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO PRACUJ CEGO W UKŁADZIE CHP PRZYBYŁA żrzegorz

Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

THE THERMODYNAMIC CYCLES FOR THE DOUBLE PISTONS INTERNAL COMBUSTION ENGINE OBIEGI PRACY DWUTŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO

LABORATORIUM SPALANIA I PALIW

PROTOTYPOWY SILNIK DWUPALIWOWY ZASILANY GAZEM CNG I OLEJEM NAPĘDOWYM

LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH Materiały pomocnicze

Dane techniczne. Ogólna specyfikacja modelu Astra Nadwozie 3-drzwiowy 5-drzwiowy Kombi. Wysokość (mm) Długość (mm)

Transkrypt:

MAREK FLEKIEWICZ, GRZEGORZ KUBICA BADANIA PRZEBIEGU PROCESU SPALANIA ALTERNATYWNYCH PALIW GAZOWYCH I ICH MIESZANEK Z WODOREM W SILNIKU ZI EXAMINATION OF COMBUSTION PROCESS OF ALTERNATIVE GASEOUS FUELS AND THEIR MIXTURES ENRICHED BY HYDROGEN IN A SI ENGINE Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu rodzaju paliwa na przebieg spalania w silniku ZI. Wyselekcjonowana grupa paliw obejmowała alternatywne paliwa gazowe:, oraz mieszanki metanu z wodorem oraz benzynę jako paliwo bazowe. Obiektem badań był czterocylindrowy silnik ZI o pojemności skokowej 1,6 dm 3 wykorzystywany w układzie napędowym popularnego samochodu Opel Astra. Badania obejmowały pomiary i rejestrację ciśnienia wewnątrz cylindra oraz szczegółową analizę przemian termodynamicznych, zachodzących w zamkniętej komorze spalania. Analizę składników bilansu energii przeprowadzono z zastosowaniem programu, EnComTwo, który realizuje założenia matematycznego modelu dwustrefowego. Analizie poddano poszczególne fazy procesu spalania ze szczególnym zwróceniem uwagi na takie aspekty, jak: zmiany ciśnienia indukowanego, przebieg wydzielania energii w trakcie spalania, długość procesu spalania i czas spalania ładunku. Słowa kluczowe: paliwa gazowe, mieszanka metanu wzbogacona wodorem, spalanie Abstract The results of investigation of selected gaseous fuels on combustion process in SI engine are presented in this paper. The tests leaded are included measurement results of dynamometer chassis test, as well as the detailed analysis of thermodynamic processes inside closed chamber. The application "EnComTwo", which resolves assumptions of mathematical model, was used in analysing of engine thermal balance. An object of research was 4-cylinder 1,6 l Opel Astra SI engine. Changes of in-cylinder pressure, heat release ratio and combustion duration were observes and compared in all combustion phases. Keywords: gaseous fuels, methane enriched by hydrogen, combustions Dr inż. Marek Flekiewicz, dr inż. Grzegorz Kubica, Katedra Budowy Pojazdów Samochodowych, Wydział Transportu, Politechnika Śląska w Gliwicach.

152 1. Wstęp Wpływ paliwa gazowego na przebieg procesu spalania w silniku ZI przeznaczonym do zasilania dwupaliwowego wymaga dokładnej analizy. Przebieg procesu spalania opisywany jest najczęściej następującymi parametrami: stopniem wypalenia ładunku x określającym masowy udział spalonego ładunku w stosunku do masy świeżego ładunku, ilością energii wyzwolonej wskutek spalania ładunku Q b [kj]. Wielkość ta jest wykorzystywana przede wszystkim w bilansie energii cyklu pracy silnika oraz przy porównywaniu procesów spalania paliw charakteryzujących się różnymi wartościami opałowymi. Istotną wielkością, którą uwzględniano przy porównywaniu przebiegów spalania badanych paliw, jest okres trwania spalania Δφ sp [ºOWK], który pozwala na zidentyfikowanie przebiegu procesu w obiegu roboczym silnika. Jednym ze sprawdzonych sposobów identyfikacji istotnych cech charakteryzujących proces spalania określonego paliwa mogą być badania symulacyjne prowadzone z zastosowaniem modelu matematycznego. Cykl badań symulacyjnych jest zazwyczaj wykonywany na podstawie przebiegu zmian ciśnienia indukowanego, zarejestrowanego w trakcie badań hamownianych. Uzyskane wyniki tych obliczeń dostarczają bardzo istotnych informacji o przebiegu procesu spalania, m.in. takich jak: lokalizacja początku i końca spalania w dziedzinie kąta obrotu wału korbowego, określenie szybkości wypalania się ładunku i przebiegu wywiązywania energii. Informacje umożliwiają prowadzenie dalszych, bardziej szczegółowych analiz umożliwiających określenie poziomu temperatury gazów wewnątrz cylindra oraz przebiegu formowania się produktów spalania i końcowego składu spalin. W opracowaniu wyników istotna jest również analiza przebiegu spalania w wyodrębnionych jego fazach, tj.: inicjacji i rozpalania (x < 1%), spalania intensywnego (1% < x << 9%) oraz dopalania (x > 9%) [1]. Różnice określone w przebiegu spalania spowodowane zmianą paliwa zapewniają przygotowanie i wprowadzenie odpowiednich zmian parametrów regulacyjnych w celu uzyskania optymalnych warunków pracy danego silnika, a także wprowadzenie ewentualnych zmian konstrukcyjnych. 2. Stanowisko i obiekt badań W badaniach wykorzystano czterocylindrowy silnik popularnego samochodu Opel Astra. Główne parametry konstrukcyjne silnika zestawiono w tabeli 1. Silnik ten, fabrycznie przystosowany do zasilania benzyną bezołowiową o liczbie oktanowej równej 95, wyposażono w dwa dodatkowe układy zasilania umożliwiające jego zasilanie mieszaniną propanu i butanu, gazem ziemnym i mieszaniną metanu z wodorem. W trakcie badań prowadzonych na hamowni podwoziowej firmy Bosch, typu FLA 23, rejestrowano m.in. ciśnienie indukowane w funkcji kąta obrotu wału korbowego oraz ciśnienie w układzie dolotowym silnika. Zrealizowano 6 serii pomiarowych, wykorzystując do zasilania silnika następujące paliwa: benzynę bezołowiową,, oraz metan wzbogacony wodorem, o udziale objętościowym równym 5, 1 i 15%.

Tabela 1 Charakterystyczne parametry silnika Typ Cztery cylindry w układzie rzędowym Objętość skokowa 1598 cm 3 Średnica cylindra 79, mm Skok tłoka 81,5 mm Stopień sprężania 9,6 Kąt otwarcia zaworu wydechowego 41 o przed DMP Kąt zamknięcia zaworu wydechowego 11 o po GMP Kąt otwarcia zaworu ssącego 11 o przed GMP Kąt zamknięcia zaworu ssącego 41 o po DMP 153 Podstawowe własności fizykochemiczne paliw wykorzystanych do zasilania silnika przedstawiono w tab. 2. Właściwości Granica zapalności [% objętości gazu w powietrzu] Minimalna energia zapłonu [mj] Laminarna szybkość spalania [m/s] Adiabatyczna temperatura płomienia [K] Temperatura samozapłonu [K] Gęstość [kg/m 3 ] w temperaturze 3 K przy ciśnieniu 11,3 kpa Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza [kg/kg] Wartość opałowa mieszanki stechiometrycznej [MJ/kg] Wybrane właściwości wodoru, metanu i benzyny [1] WODÓR PROPAN- -BUTAN METAN Tabela 2 BENZYNA 4 75 ~2 9 5,3 15, 1,2 6,,2 ~,25,28,25 1,9 ~,32,38,37,43 2318 ~2268 219 ~247 858 ~5 813 ~5 75,82 ~2,,717 ~34 ~15,67 ~17,2 14,8 ~3,37 ~2,75 ~2,56 ~2,79 Wartość opałowa [MJ/kg] 12 46,4 5 44,5 W każdej z serii pomiary przeprowadzano w ustalonych warunkach pracy silnika, tj.: na biegu jałowym, przy podwyższonych obrotach, bez obciążenia silnika, przy ustalonej prędkości obrotowej z pełnym obciążeniem. Każdą z serii pomiarowych zrealizowano dla współczynnika nadmiaru powietrza λ = 1 oraz dla wyłączonego EGR. Zarejestrowane przebiegi ciśnienia wewnątrz cylindra w funkcji kąta obrotu wału korbowego, masę zużywanego paliwa, a także temperatury w układzie dolotowym i wylotowym oraz ciśnienie w układzie dolotowym stanowiły podstawę do

154 prowadzonych w dalszej kolejności obliczeń symulacyjnych. Obliczenia symulacyjne prowadzono z zastosowaniem programu obliczeniowego o nazwie EnComTwo, opis oraz założenia i równania modelu matematycznego szczegółowo przedstawiono we wcześniejszych publikacjach [2]. 3. Zakres badań symulacyjnych Głównym celem badań symulacyjnych była analiza wybranych parametrów charakteryzujących proces spalania paliw wykorzystanych w trakcie badań. Proces spalania scharakteryzowano na podstawie zarejestrowanych przebiegów ciśnienia w cylindrze, wyznaczając stopień wypalenia ładunku x(φ) oraz energii wyzwolonej w czasie spalania Q b (φ) (rys. 2 4). Rys. 1. Samochód na hamowni. Widoczny zasobnik paliwa Fig. 1. The tested car on dynamometer chassis. Compressed gas con-tainer is visible 4 3 2 +5%H2 +1%H2 +15%H2 5 4 3 p p [kpa] [kpa] 1-1 -2-1 -15-1 -5 5 1 15 φ ϕ [dca] Rys. 2. Wykresy ciśnień i przyrostów ciśnień w zależności od rodzaju paliwa; n = 25 obr./min, pełne obciążenie Fig. 2. In-cylinder pressure and pressure increase rate as a function of crank angle, n = 25 rpm, full load 2 1 dp/dφ dp/dϕ [kpa/dca]

155 12 1 8 6 +5%H2 +1%H2 +15%H2 1 9 8 7 4 6 x x [%] [%] 2 5 4-2 -4-6 -8-4 -3-2 -1 1 2 3 4 5 6 7 φ ϕ [dca] Rys. 3. Stopień wypalenia ładunku i jego przyrosty w zależności od rodzaju paliwa; n = 25 obr./min, pełne obciążenie Fig. 3. Burned mass ratio and current increases profiles in depend on fuel kind; n = 25 rpm, full load 3 2 1 dx/dϕ dx/dφ [%/dca] 16 14 12 +5%H2 +1%H3 +15%H4 16 14 12 1 1 Qb Qb [J] [J] 8 6 4 2-4 -3-2 -1 1 2 3 4 5 6 7 φ ϕ [dca] Rys. 4. Energia wyzwolona w czasie spalania i jej przyrosty w zależności od rodzaju paliwa; n = 25 obr./min, pełne obciążenie Fig. 4. Heat released during combustion and current increases profiles in depend on fuel kind; n = 25 rpm, full load 8 6 4 2 dqb/dϕ dqb/dφ [J/dCA]

156 4. Analiza wyników badań symulacyjnych 4.1. Fazy spalania ładunku Przeprowadzając analizę przebiegu procesu spalania, podzielono go na trzy fazy w zależności od stopnia wypalenia ładunku x. Przyjęty podział obejmuje fazy: inicjacji i rozpalania (x < 1%), spalania intensywnego (1% < x < 9%), dopalania (x > 9%). W pierwszej kolejności określono długość trwania poszczególnych faz w funkcji kąta obrotu wału korbowego φ [ OWK]. Obliczono również całkowity czas trwania spalania w cyklu pracy silnika t b [ms] oraz energię wyzwoloną po spaleniu ładunku Q b [J]. Uzyskane wyniki oraz wartości nastaw silnika zestawiono w tab. 3. Zestawienie wyników uzyskanych w całym zakresie badań procesu spalania Tabela 3 kwz Długość trwania faz spalania n P [ OWK] max Q b t b Δϕ sp [obr./min] [kpa] [J] [ms] [ OWK] 1% < x < przed ZZ x < 1% x > 9% < 9% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Paliwo + 5% H + 1% H + 15% H 1 88 63 352,8 9,19 97 36 57 4 35 427 955 375,4 1,6 82 38 41 3 3 149 2113 192,9 5,2 93 46 42 5 3 21 2683 1136,1 3,4 82 41 36 5 3 251 2798 1178,4 2,72 82 4 37 5 1 8 627 429,5 9,19 96 37 54 5 35 454 999 38,1 1,63 79 33 44 2 3 152 2253 1279, 5,26 94 45 42 7 3 22 2869 1327,3 3,54 85 41 4 4 3 25 281 1367,2 2,98 9 4 44 6 1 87 579 415,2 9,29 97 35 57 5 35 416 1175 425,1 1,7 85 34 48 3 3 149 239 1263,8 5,53 99 46 47 6 3 2 292 137,5 3,87 93 4 47 6 3 251 333 1419,8 2,95 89 4 42 7 1 87 57 442,6 8,33 87 33 5 4 35 41 13 449,3 1,87 9 35 51 4 3 15 2633 1423,7 5,22 94 43 43 8 3 2 3252 1538, 3,75 9 39 47 4 3 251 3442 1558,3 2,89 87 39 43 5

157 cd. tab. 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Benzyna 1 8 56 435,8 9,7 86 33 49 4 35 454 839 457,7 2,14 11 43 55 3 3 152 316 139, 4,33 78 41 34 3 3 22 3326 1433,5 3,25 78 38 38 2 3 25 3455 1465,8 2,53 76 36 39 1 1 79 919 42,5 5,94 57 15 4 2 35 394 195 435,2 1,58 86 36 48 2 3 15 3332 1464,1 4,71 86 35 46 5 3 2 3648 1488,7 3,51 85 37 43 5 3 25 3643 1538, 2,97 89 38 45 6 4.2. Energia wydzielana wskutek spalania ładunku Całkowitą ilość energii oraz jej udziały w poszczególnych fazach spalania obliczono za pomocą następującej zależności Q b = x(φ) W d m u [J] (1) gdzie: W d wartość opałowa mieszanki [J/kg], m u masa spalanego ładunku w cylindrze [kg]. Q b [J] 25 25obr/min, obr./min, pełne obciążenie Q b [J] 8obr/min, obr./min, bieg bieg jałowy jałowy 14 12 4 35 1 3 8 25 6 2 4 15 1 2 5 +H5% +H1% Q b [J] 4obr/min, obr./min, bez obciążenia 4 35 3 25 2 15 1 5 +H5% +H1% +H15% +H15% +H5% Fazy procesu spalania: Rozpalanie (x<1%) < +H1% +H15% Spalanie dynamiczne (1<x<9%) < x < 9%) Dopalanie (x>9%) < Rys. 5. Porcje energii wyzwolonej w kolejnych fazach spalania dla badanych paliw w różnych warunkach pracy silnika Fig. 5. Portions of energy released during each of individual combustion phase for tested fuel kinds, in different working conditions

158 Uzyskane informacje o ilości wydzielanego ciepła oraz ich zmianach w poszczególnych fazach są istotne w przypadku porównywania przebiegu spalania mieszanek paliwowych o różnych wartościach opałowych. Rozkład energii Q b dla różnych warunków pracy silnika przedstawiają wykresy zamieszczone na rys. 5. 4.3. Czas trwania faz spalania W celu bezpośredniego porównania wyników badań przeprowadzonych przy różnych prędkościach obrotowych silnika stopień wypalenia ładunku x przedstawiono w funkcji czasu. Zmianę dziedziny kąta obrotu wału korbowego do dziedziny czasu zrealizowana na podstawie następującej zależności 83,33 Δϕ t = [ms] (2) n gdzie: Δφ przedział kątowy obrotu wału korbowego [ OWK], n prędkość obrotowa silnika [obr./min]. Rozwój i przebieg procesu spalania w dziedzinie czasu ilustrują wykresy zamieszczone na rys. 6. Wykresy te przedstawiają udziały poszczególnych faz w całym procesie spalania ładunku w zależności od rodzaju badanego paliwa i warunków pracy silnika. t b [ms] 8 8obr/min, obr./min, bieg bieg jałowy jałowy t b [ms] 25obr/min, obr./min, pełne obciążenie 1 8 6 4 2 +H5% +H1% +H15% 3,5 2,5 3 1,5 2,5 1 +H5% +H1% +H15% t b [ms] 4obr/min, obr./min, bez bez obciążenia 2,5 2 1,5 1,5 t b +H5% +H1% +H15% Fazy procesu spalania: Rozpalanie (x<1%) < Spalanie dynamiczne (1<x<9%) < x < Dopalanie (x>9%) < Rys. 6. Czas trwania całego procesu z podziałem na poszczególne fazy dla badanych paliw w różnych warunkach pracy silnika Fig. 6. Combustion time and time for each individual phase for all tested fuels, in different working conditions

5. Wnioski 159 Na podstawie spostrzeżeń w trakcie całego procesu badawczego oraz wyników przeprowadzonych analiz możliwe jest sformułowanie następujących wniosków: 1. Opracowane przez autorów i odpowiednio przygotowane do badań systemy zasilania umożliwiły wykorzystanie wszystkich badanych paliw alternatywnych do zasilania silnika ZI. Niezależnie od zastosowanego paliwa możliwe jest zapewnienie ciągłości pracy silnika w pełnym zakresie jego obciążeń i prędkości obrotowych, bez wprowadzania zmian w jego konstrukcji. Zasilanie silnika mieszaniną metanu i wodoru jest możliwe z wykorzystaniem układu, którego konstrukcja i konfiguracja nie różnią się od tych, które przygotowano dla sprężonego gazu ziemnego. 2. Wzbogacenie mieszaniny metanowo-powietrznej wodorem przyczynia się tak do wzrostu ilości energii uwalnianej w czasie spalania, jak i wzrostu ciśnienia wewnątrz cylindra (rys. 3 i 5). W przypadku 15% objętościowego udziału wodoru uzyskano przebiegi zbliżone do tych charakterystycznych dla paliwa bazowego, tj. benzyny. Istotnym w tym przypadku jest fakt, że zmiany te uzyskano bez korygowania nastaw regulacyjnych silnika. 3. Największe różnice w procesie spalania paliw gazowych w porównaniu z paliwem bazowym, tj. benzyną, zaobserwowano przede wszystkim na biegu jałowym (rys. 6) W tych warunkach pracy silnika benzyna spala się znacznie szybciej (o ok. 3%). Okres spalania benzyny obejmuje przedział 57 o OWK, natomiast paliw gazowych 86 9 OWK. W dziedzinie czasu benzyna spala się w czasie 5,9 ms, natomiast paliwa gazowe od 8,3 do 9,2 ms. 4. W przypadku pełnego obciążenia silnika spalanie wszystkich badanych paliw odbywa się w przedziale od 8 9 OWK, różnice w spalaniu tych paliw są jednak widoczne w poszczególnych fazach. Faza rozpalania mieszanki benzynowej jest krótsza w stosunku do pozostałych paliw średnio o 5 8 OWK. Dla paliw gazowych fazę tę cechuje przewlekłość (tab. 2). 5. Mieszanki i cechuje gwałtowniejszy przebieg spalania w fazie spalania dynamicznego, co potwierdzają wyższe wartości przyrostu stopnia wypalenia w funkcji kąta obrotu wału korbowego dx/dφ (rys. 3). Wzbogacenie metanu wodorem wpływa na ukształtowanie przebiegu wypalenia ładunku, zbliżając go do uzyskanego dla benzyny. 6. Ze względu na obciążenia termiczne silnika i jego emisję wskazane jest, aby dalsze badania porównawcze przebiegu procesu spalania paliw gazowych, w szczególności mieszanin metanu i wodoru oraz gazu ziemnego i wodoru, umożliwiły ocenę tak temperatury gazów w silniku, jak i przebiegu formowania się produktów spalania. Ważnym elementem programu dalszych badań jest uwzględnienie wpływu takich czynników, jak EGR, współczynnik nadmiaru powietrza oraz optymalne stężenia wodoru wzbogacającego mieszaninę metanu. Literatura [1] Heywood J.B., Internal combustion engine Fundamentals, McGraw-Hill, London 1998. [2] Flekiewicz M., Kubica G., The practical verification of the mathematical model of gas engine powered by, Proceedings of 8 th European Automotive Congress, Bratislava 21.

16 [3] F l e k i e w i c z M., K u b i c a G., W i l k K., Określenie udziałów składników spalin w silniku zasilanym benzyną i paliwem gazowym, Zeszyty Naukowe Politechniki Częstochowskiej, Mechanika, z. 26, Częstochowa 26. [4] M a ć k o w s k i J., W i l k K., The effect of the mixture and flame front initial temperature on the heat amount flowing between zones in the combustion engine, 12 th international symposium on combustion processes, Bielsko-Biała, Poland 1991. [5] Materiały firmy NATIONAL INSTRUMENTS The Measurement and Automation Catalog, Austin TX, U.S. 22.