ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013 Piotr Orliński 1 OCENA WYBRANYCH WSKAŹNIKÓW PRACY SILNIKA ROLNICZEGO O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ZASILANEGO OLEJAMI ROŚLINNYMI 1. Wstęp Problematyka zastosowania do praktycznego użytkowania biopaliw jako paliw zastępczych jest znana w świecie motoryzacji praktycznie od jego początku. Proces wtrysku i spalania paliwa jest wieloaspektowym, powtarzającym się szybkozmiennym procesem zachodzącym w układzie zasilania oraz przestrzeni nadtłokowej cylindra silnika [1]. Ekonomiczne, energetyczne i ekologiczne wskaźniki pracy silnika w bezpośredni sposób zależą od przebiegu procesów zachodzących w układzie zasilania silnika paliwem oraz przebiegu ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania [2]. Paliwo przeznaczone do zasilania rolniczych silników o zapłonie samoczynnym powinno zatem zapewniać [4]: prawidłowe funkcjonowanie całego układu zasilania, w tym szczególnie aparatury wtryskowej, prawidłowy, efektywny proces spalania, tworzenie możliwie jak najmniejszej ilości szkodliwych składników spalin. Paliwa roślinne charakteryzują się zdecydowanie niejednorodnymi właściwościami fizykochemicznymi w stosunku do paliw pochodzenia kopalnego, stąd występują różnice w procesie tłoczenia, rozpylania paliwa oraz w procesie jego spalania w cylindrze silnika o zapłonie samoczynnym [2]. Stosowanie coraz bardziej rygorystycznych norm w emisji składników toksycznych spalin zmusza producentów silników spalinowych o zapłonie samoczynnym do posiadania dokładnych metod oceny jego stanu technicznego, a szczególnie stanu technicznego aparatury wtryskowej. Jedną z najpoważniejszych przyczyn niepowtarzalności kolejnych cykli pracy silnika jest niepowtarzalność wtrysku w silnikach o zapłonie samoczynnym, różna masa dawki paliwa w kolejnych cyklach oraz z samej natury stochastyczny proces rozpylania i mieszania paliwa z powietrzem w cylindrze silnika. Zagadnienie to jest przedmiotem licznych badań [2, 5, 6, 7]. 2. Cel badań Celem badań była ocena wpływu zasilania silnika PERKINS 1104C-44 czterema spożywczymi olejami roślinnymi (100%) w porównaniu do oleju napędowego ON (EkoDiesel ULTRA B) na podstawowe wskaźniki jego pracy oraz sprawność efektywną. W czasie badań silnik pracował według charakterystyki zewnętrznej oraz obciążeniowej z uwzględnieniem dwóch charakterystycznych prędkości obrotowych wału korbowego silnika: n=1400 obr./min - prędkości maksymalnego momentu obrotowego wynoszącego 294 Nm i n=2200 obr/min - prędkości maksymalnej mocy wynoszącej 60 kw oraz charakterystyki zewnętrznej. 1 dr inż. Piotr Orliński, Instytut Pojazdów, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska 85
3. Opis metody badań, stanowisko badawcze oraz wybrane parametry fizykochemiczne badanych paliw Proces badawczy był realizowany w trybie automatycznym i polegał na wykonaniu dwóch charakterystyk silnikowych tj: prędkościowej charakterystyki zewnętrznej oraz charakterystyki obciążeniowej dla dwóch prędkości obrotowych wału korbowego: n=1400 obr/min (prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego), n=2200 obr/min (prędkość obrotowa maksymalnej mocy efektywnej). W trakcie rejestrowano: czas zużycia paliwa, ciśnienie paliwa w przewodzie wtryskowym i ciśnienie w cylindrze oraz wznios iglicy wtryskiwacza. Wielkości wyznaczane w trakcie badań: zredukowany moment obrotowy M o (Nm), zredukowana moc efektywna N e (kw), czas zużycia paliwa (s), ciśnienie paliwa w przewodzie wtryskowym p w (MPa), ciśnienie paliwa w cylindrze p c (MPa), wznios iglicy wtryskiwacza h i (mm). Wielkości obliczane: godzinowe zużycie paliwa G h (kg/h), jednostkowe zużycie paliwa g e (g/kwh), ciśnienie efektywne p e (MPa), sprawność efektywna e (%). Badania hamowniane wykonano na stanowisku badawczym składającym się z niedoładowanego silnika Perkins 1104C-44 posiadającego wtrysk bezpośredni paliwa do komory spalania, wyposażonego w system do rejestracji i sterowania firmy Schenck oraz firmy AVL. Silnik Perkins 1104C-44 jako źródło napędu miał i ma zastosowanie głównie w ciągnikach rolniczych i spełnia normy dotyczące emisji składników toksycznych spalin EU Stage II (dla Nonroad Diesel Engines) w wersji G, która obejmuje silniki o mocy efektywnej (tzw. mocy netto) z przedziału 37 Ne < 75 kw. Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska badawczego [3]: 1 silnik Perkins 1104C-44; 2 wlot powietrza; 3 wylot spalin; 4 hamulec SCHENCK; 5 system pomiarowy parametrów szybkozmiennych AVL IndiSmart; 6 analizator spalin AVL CEB 2; 7 droga grzana; 8 zestaw gazów wzorcowych; 9 sterowanie systemu pomiarowego notebook 86
W czasie badań hamownianych silnika zastosowano jako paliwo bazowe olej napędowy oraz porównawczo cztery paliwa roślinne. Wyboru paliw roślinnych dokonano ze względu na ich dostępność na rynku oraz ze względu na różne właściwości fizykochemiczne, które wpływają w istotny sposób na procesy wtrysku oraz spalania co ma odzwierciedlenie w przebiegu zarejestrowanych wskaźnikach pracy silnika. Na rys. 2 pokazano porównanie bezwzględnych różnic procentowych wybranych właściwości fizykochemicznych olejów roślinnych: napięcia powierzchniowego [N/m 2 ], gęstości w 20 o C [kg/m 3 ], lepkości kinematycznej w 40 o C [mm 2 /s] i wartości opałowej [MJ/kg] w stosunku do oleju napędowego EkoDiesel ULTRA B (Ekologiczny Letni). Rys. 2. Porównanie bezwzględnych różnic procentowych wybranych właściwości fizykochemicznych olejów roślinnych w stosunku do oleju napędowego EkoDiesel ULTRA B [8] Na rys. 3 pokazano porównanie momentu obrotowego M o [Nm], zaś na rys. 4 mocy efektywnej N e [kw] wyznaczonej dla silnika Perkins zasilanego badanymi paliwami na podstawie prędkościowej charakterystyki zewnętrznej. Rys. 3. Porównanie przebiegu momentu obrotowego M o [Nm] silnika Perkins zasilanego badanymi paliwami - charakterystyka zewnętrzna 87
Rys. 4. Porównanie mocy efektywnej N e [kw] silnika Perkins zasilanego badanymi paliwami - charakterystyka zewnętrzna Na rys. 5 ukazano zmiany godzinowego zużycia paliwa G h [kg/h] w funkcji obciążenia przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika: n=1400 [obr/min] i przy zasilaniu silnika czterema paliwami. Na rys. 6 pokazano porównanie godzinowego zużycia paliwa G h [kg/h] w funkcji momentu obrotowego przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika: n=2200 [obr/min] przy zasilaniu silnika czterema paliwami. Rys. 7 przedstawia graficzne porównanie zmian jednostkowego zużycia paliwa g e [g/kwh] zmieniającego się w funkcji obciążenia silniak (momentu obrotowego) przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika: n= 1400 [obr/min] zaś rys. 8 analogiczne porównanie jednostkowego zużycia paliwa g e [g/kwh] tylko dla prędkości obrotowej wału korbowego silnika n=2200 [obr/min]. Rys 9 i rys. 10 przedstawia zbiorcze porównanie zmian sprawności efektywnej η e (%) w funkcji momentu obrotowego przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika n=1400 obr/min oraz n=2200 [obr/min]. Rys. 5. Przebieg zmian godzinowego zużycia paliwa G h [kg/h] w funkcji momentu obrotowego przy n=1400 [obr/min] 88
Rys. 6. Przebieg zmian godzinowego zużycia paliwa G h [kg/h] w funkcji momentu obrotowego przy n=2200 [obr/min] Rys. 7. Porównanie zmian jednostkowego zużycia paliwa g e [g/kwh] w funkcji momentu obrotowego przy n=1400 [obr/min] Rys. 8. Porównanie zmian jednostkowego zużycia paliwa g e [g/kwh] w funkcji momentu obrotowego przy n=2200 [obr/min] 89
Rys. 9. Porównanie sprawności efektywnej η e [%] przy n=1400 [obr/min] - charakterystyka obciążeniowa Rys. 10. Porównanie sprawności efektywnej η e [%] przy n=2200 [obr/min] - charakterystyka obciążeniowa 4. Podsumowanie i wnioski Na podstawie otrzymanych wyników badań hamownianych przy sporządzaniu charakterystyki prędkościowej-zewnętrznej i obciążeniowej silnika Perkins 1104-C44 zasilanego czterema rodzajami olejów roślinnych (100%) o różnych właściwościach fizykochemicznych można stwierdzić, że: największe wskazania momentu obrotowego (M o ) podczas badań w przedziale prędkości obrotowych silnika od 1000 do 2200 obr/min występowało dla paliwa EkoDiesel ULTRA B zaś najmniejsze dla oleju słonecznikowego (OSŁ- 100%). Bezwzględna różnica procentowa R p [%] pomiędzy paliwem EkoDiesel, a olejem słonecznikowym wynosi od 14 do 9,5% (rys. 3), największe wskazania mocy efektywnej (N e ) podczas badań w przedziale prędkości obrotowych silnika od 1000 do 2200 obr/min występowało dla paliwa EkoDiesel ULTRA B dla zaś najmniejsze dla oleju słonecznikowego (OSŁ-100%). Bezwzględna różnica procentowa R p [%] pomiędzy paliwem EkoDiesel, a olejem słonecznikowym wynosi od 16 do 6,5% (rys. 4), 90
najmniejsze godzinowe zużycie paliwa (G h ) podczas badań zaobserwowano dla EkoDiesel ULTRA B (ON) zaś największe godzinowe zużycie wykazał olej roślinny lnianka (OLN-100%) w całym przedziale obciążenia mementem obrotowym silnika od 50 do 300 Nm, bezwzględna różnica pomiędzy nimi wynosiła od 8% przy M o =50 Nm do 6,6% przy M o =300 Nm przy stałej prędkości obrotowej wału korbowego silnika n=1400 obr/min, co wiąże się z wpływem gęstości, która jest największa dla paliwa (OLN-100%) (rys. 5), najmniejsze godzinowe zużycie paliwa (G h ) podczas badań zaobserwowano dla EkoDiesel ULTRA B (ON) zaś największe godzinowe zużycie generował silnik zasilany olejem z lnianki (OLN-100%) w całym przedziale w całym przedziale obciążenia momentem obrotowym silnika od 50 do 300 Nm, bezwzględna różnica pomiędzy nimi wynosiła od 21,1% przy M o =50 Nm do 9,7% przy M o =300 Nm dla stałej prędkości obrotowej wału korbowego silnika n=2200 obr/min, co wiąże się z wpływem gęstości, która jest największa dla paliwa (OLN-100%) (rys. 6), najmniejsze jednostkowe zużycie paliwa (g e ) podczas badań zaobserwowano dla EkoDiesel ULTRA B (ON) zaś największe jednostkowe zużycie wykazał olej roślinny lnianka (OLN-100%) w całym przedziale w całym przedziale obciążenia mementem obrotowym silnika od 50 do 300 Nm, bezwzględna różnica R p pomiędzy nimi wynosiła od 14,5% przy obciążeniu M o =50 Nm do 10,7% przy obciążeniu M o =300 Nm przy stałej prędkości obrotowej wału korbowego silnika, n= 1400 obr/min, co wiąże się z wpływem gęstości, która jest największa dla paliwa (OLN-100%) (rys. 7), najmniejsze jednostkowe zużycie paliwa (g e ) podczas badań zaobserwowano dla EkoDiesel ULTRA B (ON) zaś większe godzinowe zużycie wykazał olej roślinny lnianka (OLN-100%) w całym przedziale w całym przedziale obciążenia mementem obrotowym silnika od 50 do 300 Nm, bezwzględna różnica R p pomiędzy nimi wynosiła od 9,2% przy M o =50 Nm do 10,4% przy M o =300 Nm dla stałej prędkości obrotowej wału korbowego silnika n=2200 obr/min, co wiąże się z wpływem gęstości, która jest największa dla paliwa (OLN-100%) (rys. 8), największą sprawność efektywną η e (%) podczas badań w całym przedziale obciążenia momentem obrotowym silnika M o od 50 do 300 Nm, przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika n=1400 obr/min uzyskało paliwo roślinne olej rzepakowy (OR 100%) w stosunku do paliwa węglowodorowego EkoDiesel ULTRA B (ON). Bezwzględna różnica R p pomiędzy nimi wynosiła od 4,2% przy M o =50 Nm do 8,3% przy M o =300 Nm. Spowodowane jest wyższym średnim ciśnieniem indykowanym poprzez większą zawartość tlenu chemicznego w oleju rzepakowym, która wynosi od 6-8% (rys. 9), największą sprawność efektywną η e (%) podczas badań w całym przedziale obciążenia momentem obrotowym silnika M o od 50 do 300 Nm, przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika n=2200 obr/min uzyskały dwa paliwa roślinne olej rzepakowy (OR 100%) i olej sojo-wy (OS 100%) w stosunku do paliwa węglowodorowego EkoDiesel ULTRA B (ON). Bezwzględna różnica R p pomiędzy nimi wynosiła od 8% przy Mo=50 Nm do 6,6% przy M o =300 Nm. Spowodowane jest to wyższym ciśnieniem indykowanym oraz większą zawartość tlenu chemicznego w oleju rzepakowym, i sojowym, która wynosi od 6-8% (rys. 10), 91
Literatura: [1] Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P.: Interpolacja rzeczywistego wykresu indykatorowego silnika o zapłonie samoczynnym za pomocą funkcji sklejanych, Autobusy-Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe; Nr 4/2012. s. 43-51. [2] Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P., Ocena sprawności silnika ZS zasilanego biopaliwami. Autobusy-Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe; Nr 4/2012. s. 52-61. [3] Dokumentacja techniczna stanowiska badawczego. Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych. Politechnika Warszawska, Warszawa 2010. [4] Kruczyński S., Danilczyk W., Orliński P., Orliński S., Kamela W.: Wpływ dodatku etanolu do oleju napędowego na emisję cząstek stałych, Międzynarodowa Konferencja Ograniczenie Emisji Cząstek Stałych przez Pojazdy Samochodowe-Doświadczenia i Wyzwania, DEXFIL-2009, ITN Kraków, wyd. Nafta-Gaz, nr 11/2009, str.871-874, ISSN 0867-8871. [5] Kruczyński S., Orliński P., Orliński P.: Wpływ zastosowania mieszanin oleju napędowego, estru FAME z etanolem na ekonomiczne i ekologiczne wskaźniki pracy silnika PERKINS-1104C-44, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej, 2 (78)/2010, str.87-102. ISSN 1642-347X. [6] Kruczyński S., Orliński P., Biernat K.: Olej lniankowy jako biopaliwo dla silników o zapłonie samoczynnym, Przemysł Chemiczny 91/1/2012, s. 111-114, ISSN 0033-2496. [7] Kruczyński S., Orliński P., Biernat K.: Fizykochemiczne właściwości mieszanek alkoholi z bioestrami oraz ich wpływ na emisję toksycznych składników spalin z silnika o zapłonie samoczynnym, Przemysł Chemiczny 91/2/2012, s. 217-219, ISSN 0033-2496. [8] Świadectwo jakości paliw, Zakład Produktów Naftowych, WMTiW, Politechnika Radomska, Radom 2011. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań pokazujące zmiany podstawowych wskaźników pracy sinika rolniczego o zapłonie samoczynnym Perkins 1104C-44. W tych samych prędkościowo-obciążeniowych warunkach pracy silnika wyznaczono także jego sprawności efektywną. W czasie badań silnik zasilano czterema rodzajami czystych 100% olejów spożywczych otrzymanych z różnych roślin (tzn. oleju rzepakowego, oleju słonecznikowego, oleju z lnianki (rydzowego), a także oleju sojowego). Uzyskane wyniki badań przy zasilaniu olejami spożywczymi odniesiono do rezultatów wyznaczonych dla oleju napędowego EKODIESEL ULTRA B. Badania realizowane były na bazie charakterystyki zewnętrznej (prędkościowej) oraz obciążeniowej z wykorzystaniem stanowiska hamownianego wyposażonego w automatyczny system sterowania silnikiem. Charakterystyka obciążeniowa była rejestrowana przy dwóch charakterystycznych prędkościach obrotnych wału korbowego silnika. Przy prędkości obrotowej odpowiadającej maksymalnemu momentowi obrotowemu (1400 obr/min) oraz prędkości obrotowej odpowiadającej maksymalnej mocy silnika (2200 obr/min). Słowa kluczowe: oleje roślinne, silnik rolniczy, biopaliwa, wskaźniki pracy silnika 92
EVALUATION OF SELECTED FACTORS OF AGRICULTURAL COMPRESSION IGNITION ENGINE FED VEGETABLE OILS Abstract This paper presents the results of research showing the changes in the main indicators of agricultural engine it will continue ignition Perkins 1104C-44. At the same speed-load operating conditions were determined as its efficient performance. At the time, the engine is fed with four 100% of edible oils derived from various plants (ie, rapeseed oil, sunflower oil, camelina oil, and soybean oil). The results obtained with supply edible oils were compared to the results set for diesel fuel Ekodiesel Ultra B. Tests were carried out on the basis of external characteristics (velocity) and the use of stress positions equipped with an automatic control system for the engine. Load characteristics were recorded at two characteristic speeds of the engine. At a speed corresponding to the maximum torque (1400 rpm) and speed corresponding to maximum power (2200 rpm). Keywords: vegetable oils, agricultural engine, biofuels, engine indicators Artykuł został opracowany w ramach projektu badawczego własnego N N504 701340 93