ARCHIWUM MOTORYZACJI 1, pp. 47-65 (29) Problemy zasilania wtryskowego ciekłym LPG w silnikach o zapłonie iskrowym KAZIMIERZ LEJDA, ARTUR JAWORSKI Politechnika Rzeszowska W artykule przedstawiono wybrane problemy zwizane ze zmianami cinienia paliwa LPG, które w układzie zasilania ulega wahaniom zalenie od składu paliwa oraz jego temperatury. Wie si to z dawkowaniem paliwa, co szczególnie jest istotne dla systemów wtrysku sekwencyjnego w fazie ciekłej. Jak wykazały badania, zmiany cinienia wtrysku paliwa LPG maj istotne znaczenie na uzyskiwane parametry uytkowe i ekologiczne silnika o ZI. 1. Wprowadzenie Zasilanie silnika ciekł mieszanin propanu i butanu stanowi istotn alternatyw dla paliw tradycyjnych. W silniku o zapłonie iskrowym, z systemem tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej poza cylindrem, przebieg cyklu roboczego jest uzaleniony od parametrów tej mieszanki powstajcej w procesie napełniania silnika. Wielkoci charakteryzujce mieszank zale w duym stopniu od zastosowanego sposobu zasilania silnika (mieszalnik, wtrysk odparowanego lub ciekłego LPG). Z uwagi na podawanie paliwa do kolektora dolotowego, w zalenoci od stosowanego systemu, proces tworzenia mieszanki przebiega zasadniczo w kolektorze, a czciowo równie w cylindrze silnika. W systemie wtrysku ciekłego LPG do kolektora dolotowego na proces tworzenia mieszanki maj wpływ m.in. takie wielkoci, jak cinienie i temperatura LPG, czas wtrysku oraz miejsce zamocowania wtryskiwacza. 2. Charakterystyka systemów zasilania LPG w fazie ciekłej Zasadniczym problemem przy zasilaniu w systemie wtrysku ciekłego propanubutanu pozostaje wzrost temperatury paliwa w układzie zasilania. Zwikszanie temperatury paliwa wpływa na spadek jego gstoci, co przy sterowaniu dawk paliwa w funkcji czasu otwarcia wtryskiwacza wymaga korekty dawkowania. Główne składniki mieszaniny LPG, tj. propan i butan, maj niskie temperatury wrzenia.
48 Problemy zasilania wtryskowego ciekłym LPG w silnikach o zapłonie iskrowym Temperatury te wynosz odpowiednio 231 K oraz 272,5 K i s nisze od przecitnych temperatur otoczenia wystpujcych podczas eksploatacji silnika. Szczególnie wysokie temperatury wystpuj w przedziale silnikowym pojazdu (gorca strefa), gdzie dochodz one do około 35 K. Wywołuj one wzrost temperatury paliwa w układzie zasilania i jego parowanie w przewodach i tworzenie si korków parowych, co zakłóca prawidłow prac silnika. Przy zasilaniu paliwem LPG w systemie wtrysku w fazie ciekłej mona wyróni cztery zasadnicze rozwizania [1]: - typu I: system zasilania bez pompy LPG, w którym paliwo wtryskiwane jest pod cinieniem par paliwa w zbiorniku (rys. 1), - typu II: system zasilania z pomp i bez regulatora cinienia, w którym paliwo wtryskiwane jest pod cinieniem zalenym od wydatku pompy LPG (rys. 2), - typu III: system zasilania z pomp i regulatorem cinienia, w którym paliwo wtryskiwane jest pod cinieniem ustalonym przez regulator cinienia (rys. 3), - typu IV: system zasilania z pomp i regulatorem cinienia w wersji z układem zwikszonego cinienia w przewodzie powrotnym (rys. 4). W układach I typu, w których nie wystpuje pompa paliwa i układ jego recyrkulacji, utrzymanie paliwa w fazie ciekłej w przewodach paliwowych i wtryskiwaczu jest niemoliwe. W układach tego typu warto cinienia w zbiorniku, która zaley od składu paliwa LPG i temperatury paliwa, nie zapewnia cinienia, przy którym nie wystpuje parowanie nagrzewajcego si paliwa w przewodach, szczególnie w gorcej strefie (rys. 1 - punkty C i D). W układzie II typu wystpuje pompa LPG, która wytwarza nadcinienie w układzie zasilania oraz układ recyrkulacji paliwa. Brak regulatora cinienia nie wywołuje w tym przypadku jego waha (rys. 2 - punkty D i D ), a spadek cinienia z chwil otwarcia wtryskiwacza nie powoduje jego obnienia poniej cinienia nasycenia par. Podczas wtrysku paliwa w układzie tego typu wystpuje zapas nadcinienia ps oraz temperatury Ts. W przewodzie powrotnym nastpuje spadek cinienia (punkty F i G) poniej cinienia nasycenia, co powoduje odparowywanie paliwa. W układzie III typu wystpuje dodatkowy zespół w postaci regulatora cinienia, utrzymujcego stałe nadcinienie w relacji do cinienia panujcego w zbiorniku. Działanie regulatora wywołuje pulsacje cinienia (rys. 3 - punkty D i D ), natomiast spadek z chwil otwarcia wtryskiwacza jest niszy ni w układzie II typu. Podobnie do układu II typu, w przewodzie powrotnym nastpuje spadek cinienia (punkty F i G) poniej cinienia nasycenia, co powoduje odparowywanie paliwa. Działanie układu IV typu jest podobne do układu III typu. Rónica pomidzy tymi układami wynika z wystpujcego w przewodzie powrotnym zaworu utrzymujcego stałe nadcinienie w relacji do cinienia w zbiorniku (rys. 4 - punkt H). Dziki temu w całym układzie wystpuje paliwo w fazie ciekłej. Sporód układów wtryskowego zasilania LPG najkorzystniejszym jest system IV typu, który zapewnia utrzymanie paliwa w fazie ciekłej w całym układzie. Najmniej korzystnym rozwizaniem jest natomiast układ I typu bez pompy paliwa.
K. Lejda, A. Jaworski 49 Zbiornik LPG Gorca strefa Chłodna strefa A C D, D Zespół wtryskiwaczy 12 115 Faza ciekła Cinienie [kpa] 11 15 1 95 9 85 A ps D 8 C D Faza parowa 75 19 2 21 22 23 24 25 26 27 Temperatura [ C] Rys. 1. Schemat systemu zasilania typu I oraz wystpujce cinienia i temperatury w tym układzie. Fig. 1. Diagram of fuelling system type I with pressures and temperatures variation.
5 Problemy zasilania wtryskowego ciekłym LPG w silnikach o zapłonie iskrowym Zbiornik LPG Gorca strefa Chłodna strefa A Zasilanie B C D, D, D Pompa Zespół wtryskiwaczy I Powrót G F E Cinienie [kpa] 12 115 11 15 1 95 9 85 8 75 Faza ciekła B C A I D=D D ps E F G Faza parowa 19 2 21 22 23 24 25 26 27 Temperatura [ C] Rys. 2. Schemat systemu zasilania typu II oraz wystpujce cinienia i temperatury w tym układzie. Fig. 2. Diagram of fuelling system type II with pressures and temperatures variation. Ts
K. Lejda, A. Jaworski 51 Zbiornik LPG A Pompa I Gorca strefa Chłodna strefa Zasilanie B C D, D, D Zespół wtryskiwaczy Powrót G Regulator cinienia F E Cinienie [kpa] 12 115 11 15 1 95 9 85 8 75 Faza ciekła B C A I D D D ps E F G Faza parowa 19 2 21 22 23 24 25 26 27 Temperatura [ C] Rys. 3. Schemat systemu zasilania typu III oraz wystpujce cinienia i temperatury w tym układzie. Fig. 3. Diagram of fuelling system type III with pressures and temperatures variation. Ts
52 Problemy zasilania wtryskowego ciekłym LPG w silnikach o zapłonie iskrowym Zbiornik LPG Gorca strefa Chłodna strefa A Zasilanie B C D, D, D Pompa Zespół wtryskiwaczy I H Powrót G Regulator cinienia F E Cinienie [kpa] 12 115 11 15 1 95 9 85 8 75 Faza ciekła B C A I H D D D ps E F G Faza parowa 19 2 21 22 23 24 25 26 27 Temperatura [ C] Rys. 4. Schemat systemu zasilania typu IV oraz wystpujce cinienia i temperatury w tym układzie. Fig. 4. Diagram of fuelling system type IV with pressures and temperatures variation. Ts
K. Lejda, A. Jaworski 53 Niezalenie od typu układu zasilania, po unieruchomieniu gorcego silnika, temperatura panujca w komorze silnikowej powoduje odparowywanie paliwa w przewodach i elementach znajdujcych si w gorcej strefie. Stwarza to trudnoci w uruchomieniu nagrzanego silnika. W układach z pomp LPG, celem uniknicia problemów z uruchomieniem silnika, niezbdne jest opónienie jego rozruchu. Po włczeniu zapłonu konieczne jest uruchomienie najpierw pompy LPG, która spowoduje przetłoczenie paliwa i usunicie korków parowych. W instalacji np. firmy Vialle (rys. 5), po włczeniu zapłonu, pompa napdzana jest z prdkoci 2 obr/min. Po kilku sekundach moliwe jest uruchomienie silnika, po czym silnik elektryczny napdzajcy pomp LPG obnia prdko obrotow do 5 obr/min. Instalacja firmy Vialle jest systemem zaliczanym do IV typu. 4 5 14 8 13 7 12 11 6 9 1 1 2 3 Rys. 5. Schemat instalacji firmy VIALLE: 1- zbiornik paliwa LPG, 2- pompa LPG, 3-regulator cinienia, 4- sterownik benzyny, 5- sterownik LPG, 6- wtryskiwacz LPG, 7- pierwszy czujnik tlenu, 8-drugi czujnik tlenu, 9-czujnik prdkoci obrotowej, 1- czujnik połoenia wałka rozrzdu, 11-czujnik temperatury cieczy chłodzcej, 12- filtr powietrza, 13- katalizator spalin, 14- centralka wyboru paliwa. Fig. 5. Scheme of VIALLE system: 1- LPG fuel tank, 2- LPG pump, 3- pressure regulator, 4-petrol control unit, 5- LPG control unit, 6-LPG injector, 7- first lambda sensor, 8- second lambda sensor, 9- rotational speed sensor, 1- camshaft position sensor, 11-coolant temperature sensor, 12- air filter, 13- exhaust gas catalyst, 14- fuel selection switch.
54 Problemy zasilania wtryskowego ciekłym LPG w silnikach o zapłonie iskrowym 3. Wpływ cinienia wtryskiwanego LPG na wybrane parametry przebiegu wtrysku oraz tworzonej strugi Analiza literatury dotyczcej wykorzystania LPG jako paliwa w silnikach spalinowych wyranie potwierdza, e uzyskanie optymalnych przebiegów procesów spalania i oczekiwanych parametrów uytkowych oraz ekologicznych stanowi istotny problem w relacji do tradycyjnych ródeł energii (benzyna, olej napdowy). W tym zakresie wykonano wiele prac w wiodcych koncernach motoryzacyjnych oraz uczelnianych orodkach naukowych [1-4, 6, 7]. Interesujce badania podstawowe zrealizowano np. w University of L Aquila. Wyniki prezentowane w pracy [2] okrelaj wpływ zmian temperatury oraz składu paliwa na parametry wtrysku. Badaniom poddano dwa paliwa: - paliwo A, składajce si w 2% z propanu i 8% butanu (paliwo o mniejszej lotnoci), - paliwo B, składajce si w 96% z propanu i 4% etanu (paliwo o wikszej lotnoci). W wyniku analizy symulacyjnej okrelono zmiany cinienia, masy wtryskiwanego paliwa oraz wydatku wtryskiwacza przy zmiennej temperaturze i cinieniu paliwa w zbiorniku oraz cinieniu wtrysku. Na rysunku 6 przedstawiono przebieg zmian ci- nienia wtrysku, wydatku objtociowego wtryskiwacza i masy wtryskiwanego paliwa w funkcji czasu wtrysku. Z uwagi na róny skład LPG w przypadku paliwa A oraz B wystpuje zrónicowana zmiana cinienia paliwa w zbiorniku w funkcji temperatury. Dla analizowanych paliw zaleno t przedstawiono na rysunku 7. Na rysunku 8 przedstawiono parametry wtrysku dla cinienia w zbiorniku 2 kpa, natomiast na rysunku 9 przedstawiono parametry wtrysku przy cinieniu w zbiorniku 18 kpa, przy zapewnieniu takiego samego składu mieszanki doprowadzanej do silnika. W przypadku zasilania wtryskowego naley mie na uwadze, e rzeczywiste czasy otwarcia wtryskiwacza róni si od czasów impulsu sterujcego o czas opónienia otwierania wtryskiwacza oraz czas opónienia jego zamykania. Jak wynika z analizy, której wyniki przedstawiono na rysunkach 8 i 9, czasy te s róne przy zmieniajcym si cinieniu w układzie (zalenym od temperatury). Zmianie ulega równie rzeczywista dawka paliwa doprowadzana do silnika.
K. Lejda, A. Jaworski 55 t 1 t P t 2 t O Impuls otwarcia Minimalne cinienie Maksymalny przepływ Minimalny przepływ Pocztek otwierania Koniec otwierania Wtrynita masa po impulsie zamknicia m O Impuls zamknicia Pocztek zamykania Koniec zamykania Wtrynita masa przed pełnym otwarciem m P m wtr [mg] Q wtr [l/h] p wtr [kpa] 136 128 12 52 44 8 2 1 1 2 3 4 5 Czas [ms] Rys. 6. Przebieg cinienia wtrysku, natenia wypływu z wtryskiwacza oraz dawki wtryskiwanego LPG: t 1 -czas opónienia otwierania wtryskiwacza, t P- czas podnoszenia iglicy rozpylacza, t 2 -czas opónienia zamykania wtryskiwacza, t O -czas opadania iglicy rozpylacza, m P -wtrynita dawka paliwa podczas unoszenia iglicy rozpylacza, m O -wtrynita dawka paliwa podczas opadania iglicy rozpylacza. Fig. 6. Function of injection pressure, fuel mass flow rate and injected LPG fuel mass: t 1 - delay time of injector opening, t P - sprayer needle lift time, t 2 - delay time of injector closure, t O - sprayer needle fall time, m P -fuel mass injected before full opening of sprayer needle, m O - fuel mass injected during sprayer needle closing. 18 12 B p [kpa] 6 A -2 2 4 T [ C] Rys. 7. Zaleno cinienia par w zbiorniku w funkcji temperatury dla analizowanych paliw o składzie A oraz B. Fig. 7. Vapour pressure in the fuel tank for fuels A and B.
56 Problemy zasilania wtryskowego ciekłym LPG w silnikach o zapłonie iskrowym t 1 t P t 2 t O 56 max Q wtr min Q wtr min p wtr m O mwtr [mg] Qwtr [l/h] pwtr [kpa] 48 4 32 28 24 8 4 2 1 m P 1 2 3 4 5 6 7 Czas [ms] Rys. 8. Przebieg cinienia wtrysku, natenia wypływu z wtryskiwacza oraz dawki wtryskiwanego LPG przy cinieniu paliwa w zbiorniku 2 kpa (paliwo A). Fig. 8. Function of injection pressure, fuel mass flow rate and injected LPG fuel mass for pressure in the fuel tank 2 kpa (fuel A). Uwzgldnienie wymienionych wielkoci w procesie sterowania wtryskiem ciekłego paliwa jest trudne, zwłaszcza, e skład LPG równie nie jest stały. Naley pamita, e skład LPG jest mieszanin wglowodorów o rónicych si właciwociach. W zalenoci od składu LPG zmienia si dawka paliwa niezbdna do powstania stechiometrycznej mieszaniny palnej.
K. Lejda, A. Jaworski 57 t 1 t P t 2 t O min p wtr max Q wtr min Q wtr m O mwtr [mg] Qwtr [l/h] pwtr [kpa] 215 25 195 68 6 8 2 1 m P,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Czas [ms] Rys. 9. Przebieg cinienia wtrysku, natenia wypływu z wtryskiwacza oraz dawki wtryskiwanego paliwa przy cinieniu LPG w zbiorniku 18 kpa (paliwo B). Fig. 9. Function of injection pressure, fuel mass flow rate and injected LPG fuel mass for pressure in the fuel tank 18 kpa (fuel B). 3.1. Wpływ cinienia wtryskiwanego LPG na wybrane parametry przebiegu wtrysku Zakładajc, e natenie przepływu paliwa jest stałe podczas wtrysku, dawk paliwa na cykl opisuje ponisz zaleno [8]: q = t wtr m (1) pal gdzie: m - natenie wypływu paliwa z rozpylacza [kg/s], pal q - dawka paliwa [kg], t wtr - czas wtrysku [s].
58 Problemy zasilania wtryskowego ciekłym LPG w silnikach o zapłonie iskrowym Natenie wypływu paliwa z wtryskiwacza [11] opisuje równanie: d 2 m = µ o r π 2 ρ p (2) pal 4 pal gdzie: d o - rednica otworu rozpylacza [m], pal - gsto paliwa ciekłego [kg/m 3 ], µ r - współczynnik przepływu [-], π - liczba 3,141...[-], p - rónica cinie wtryskiwanego paliwa i orodka [Pa], - pozostałe oznaczenia jak w równaniu (1). Współczynnik nadmiaru powietrza λ wyraa równanie: m pow m pow λ = = (3) m L q L pal t t gdzie: - współczynnik nadmiaru powietrza [-], m pow - masa powietrza doprowadzonego do cylindra [kg], m pal - masa paliwa doprowadzonego do cylindra [kg], L t - stała stechiometryczna paliwa [kg/kg], - pozostałe oznaczenia jak w równaniu (1). Na rysunkach 1 i 11 przedstawiono odpowiednio obliczone dawki paliwa q oraz współczynnik nadmiaru powietrza λ, dla załoonego czasu wtrysku i przy rónych wartociach cinienia wtrysku. 1 Dawka paliwa q [mg/wtrysk] 8 6 4 2 5 1 15 2 25 Cinienie wtrysku [kpa] Rys. 1. Zaleno wpływu cinienia wtrysku LPG (propan/butan 5/5) na wielko dawki paliwa (czas wtrysku 8 ms). Fig. 1. Influence of injection pressure of LPG (propane/butane 5/5) on fuel dose. (injection time 8 ms).
K. Lejda, A. Jaworski 59 Wzrost cinienia wtrysku powoduje wzrost dawki wtryskiwanego paliwa oraz spadek współczynnika nadmiaru powietrza. Celem uzyskania stałej wartoci współczynnika nadmiaru powietrza na poziomie około stechiometrycznym (λ 1), co jest wymagane we współczesnych silnikach o ZI wyposaonych w trójfunkcyjny katalizator spalin, niezbdna jest regulacja czasu wtrysku. Na rysunku 12 przedstawiono obliczone czasy wtrysku paliwa dla utrzymania stałej dawki paliwa i stałej wartoci współczynnika nadmiaru powietrza. Współczynnik nadmiaru powietrza λ [-] 2.4 2 1.6 1.2.8 5 1 15 2 25 Cinienie wtrysku [kpa] Rys. 11. Zaleno wpływu cinienia wtrysku LPG (propan/butan - 5/5) na współczynnik nadmiaru powietrza (czas wtrysku 8 ms, sprawno napełniania ηv=,5). Fig. 11. Influence of injection pressure of LPG (propane/butane 5/5) on combustion air factor (injection time 8 ms, volumetric efficiency ηv=,5). 8 Czas wtrysku [ms] 7 6 5 4 3 5 1 15 2 25 Cinienie wtrysku [kpa] Rys. 12. Zaleno wpływu cinienia wtrysku LPG (propan/butan - 5/5) na czas wtrysku (dawka paliwa q=34 mg/wtrysk, λ=1, ηv=,5). Fig. 12. Influence of injection pressure of LPG (propane/butane 5/5) on injection time (fuel dose q=34 mg/inj, λ=1, ηv=,5).
6 Problemy zasilania wtryskowego ciekłym LPG w silnikach o zapłonie iskrowym Analiza rysunków 1 12 dowodzi, e zmiana cinienia wtrysku LPG wyranie wpływa na dawk paliwa i zarazem na współczynnik nadmiaru powietrza. Zmiana współczynnika nadmiaru powietrza ma z kolei wpływ na uzyskiwane przez silnik parametry uytkowe oraz zawarto zwizków toksycznych w spalinach. W celu zapewnienia stałego składu mieszanki paliwowo-powietrznej niezbdne jest odpowiednie korygowanie czasu wtrysku. W praktyce zmiana cinienia wtrysku jest efektem zmiany temperatury otoczenia i tym samym temperatury paliwa. Na przykład w systemie VIALLE cinienie wtrysku regulowane jest w zalenoci od cinienia par paliwa w zbiorniku. Na zmian cinienia wtrysku ma równie wpływ skład mieszaniny LPG. Odpowiednie czasy wtrysku propanu i butanu, zapewniajce utrzymanie mieszanki stechiometrycznej, w funkcji cinienia wtryskiwanego paliwa, ilustruje rysunek 13. 18 Czas wtrysku [ms] 16 14 12 1 8 propan butan 6 5 1 15 2 25 Cinienie wtrysku [kpa] Rys. 13. Zaleno wpływu cinienia wtrysku propanu i butanu na czas wtrysku (λ=1, ηv=,5). Fig. 13. Influence of injection pressure of propane and butane on injection time (λ=1, ηv=,5). Poniewa gsto propanu jest mniejsza od gstoci butanu, przy uwzgldnieniu teoretycznego zapotrzebowania do spalania, czas wtrysku propanu zapewniajcy mieszank stechiometryczn jest dłuszy od czasu wtrysku butanu. 3.2. Wpływ cinienia wtryskiwanego LPG na wybrane parametry tworzonej strugi Cinienie wtrysku ma istotny wpływ na parametry strugi wtryskiwanego paliwa, m.in. rednic kropel i jej zasig. Symulacje numeryczne odnonie makro- i mikrostruktury strugi wtryskiwanego ciekłego LPG s realizowane w Zakładzie Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Rzeszowskiej. Wybrane wyniki symulacji przedstawiono w niniejszym artykule. Na rysunku 14 przedstawiono zaleno obliczonej redniej rednicy SAUTERA dla propanu i butanu w relacji do cinienia wtrysku. redni rednic SAUTERA obliczono według Łyszewskiego [11] ze wzoru:
K. Lejda, A. Jaworski 61 D = K d (We M ), 266 Lp, 733 32 w o (4) 1 gdzie: D 32 - rednia rednica Sautera [m], K w - stała dowiadczalna [-], We 1 - liczba Webera odniesiona do cieczy [-], M - liczba kryterialna okrelajca stosunek gstoci otaczajcego gazu do gstoci rozpylanej cieczy [-], Lp - liczba Laplace a, wyraajca stosunek napicia powierzchniowego do sił lepkoci cieczy [-] - pozostałe oznaczenia jak w równaniu (2). 35 3 Propan Butan D 32 [µm] 25 2 15 4 8 12 16 2 24 28 Cinienie wtrysku [kpa] Rys. 14. Wpływ cinienia wtrysku na wartoci redniej rednicy SAUTERA strugi kropel wtryskiwanego paliwa dla propanu i butanu. Fig. 14. Influence of injection pressure of propane and butane on calculated SAUTER middle diameter. Wzrost cinienia wtrysku przyczynia si do spadku rednic kropel wtryskiwanego paliwa. Nieznacznie mniejsze rednice kropel uzyskano przy wtrysku propanu. Rónice rednic SAUTERA w relacji do wtrysku butanu wyniosły około,9 m. Mona zatem stwierdzi, e udział mieszaniny propan-butan w paliwie LPG ma niewielki wpływ na wielkorednich rednic kropel wtryskiwanego paliwa. Majc jednake na uwadze, e wzrost udziału propanu przyczynia si do wzrostu cinienia par paliwaw zbiorniku, ma on wpływ na cinienie wtryskiwanego LPG. Wzrost cinienia wtrysku w zakresie od,5 MPa do 2,5 MPa powoduje spadek redniej rednicy kropel odpowiednio z około 33 m do około 2 m. Mniejsze rednice kropel wpływaj na lepsze wymieszanie z powietrzem oraz szybsze odparowanie paliwa. Przy zasilaniu w systemie wtrysku ciekłego LPG istotnym parametrem jest równie zasig strugi wtryskiwanego paliwa. Penetracj strugi wtryskiwanego paliwa wyraa zaleno [8, 9, 11]:
62 Problemy zasilania wtryskowego ciekłym LPG w silnikach o zapłonie iskrowym gdzie: s - zasig strugi [m], LPG - gsto paliwa [kg/m 3 ], t 2 p s =, 39 t (5) ρ LPG - czas [s], - pozostałe oznaczenia jak w równaniu (2). Wzór ten jest słuszny dla czasu mniejszego od czasu rozpadu t b wyraonego wzorem [11]: ρ d t = 28, 65 LPG (6) b ρ p 2 gdzie: t b - czas rozpadu strugi [s], 2 - gsto otaczajcego gazu [kg/m 3 ], - pozostałe oznaczenia jak w równaniach (2) i (5). Czas rozpadu strugi wtryskiwanego propanu i butanu obliczony z równania (6), w zalenoci od spadku cinienia, przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Czas rozpadu strugi wtryskiwanego propanu i butanu. Table 1. Decomposition time of injected fuel stream. Lp. Spadek cinienia w rozpylaczu p [MPa] Paliwo Czas rozpadu strugi t b [ms] gdzie: s 1.,5 2. 1, 3. 1,5 4. 2, 5. 2,5 propan 6,5 butan 7,5 propan 4,3 butan 5, propan 3,5 butan 4, propan 3, butan 3,4 propan 2,7 butan 3,1 Dla czasu wikszego od t b zasig strugi wyraa zaleno [11]: p s = 2, 95 4 ρ 2 d t b - zasig strugi [m], - pozostałe oznaczenia jak w równaniu (6). Dla przyjtego modelu obliczony zasig strugi propanu i butanu dla rónych cinie wtrysku przedstawiono na rysunkach 15 i 16. (7)
K. Lejda, A. Jaworski 63 propan Zasig strugi s [mm] 12, 1, 8, 6, 4, 2,, 1 2 3 4 5 Czas [ms] p=,5 MPa p=1, MPa p=1,5 MPa p=2, MPa p=2,5 MPa Rys. 15. Zaleno penetracji strugi wtryskiwanego propanu dla wybranych cinie wtrysku (przeciwcinienie,1 MPa). Fig. 15. Spray penetration of injected propane for selected injection pressure (back pressure,1 MPa). butan Zasig strugi s [mm] 12, 1, 8, 6, 4, 2,, 1 2 3 4 5 Czas [ms] p=,5 MPa p=1, MPa p=1,5 MPa p=2, MPa p=2,5 MPa Rys. 16. Zaleno penetracji strugi wtryskiwanego butanu dla wybranych cinie wtrysku (przeciwcinienie,1 MPa). Fig. 16. Spray penetration of injected butane for selected injection pressure (back pressure,1 MPa). 4. Podsumowanie Skład mieszaniny LPG nie jest stały. W rónych krajach przecitny udział propanu i butanu w paliwie LPG jest inny. Zaley on głównie od temperatur otoczenia wystpujcych w danym kraju. Zmienny skład powoduje róne wartoci cinie w zbiorniku paliwa LPG, a tym samym róne cinienia wtrysku. Poniewa dawka wtryskiwanego paliwa zaley głównie od czasu wtrysku i cinienia paliwa, układ sterowania t dawk musi uwzgldnia te zmiany. Z uwagi na rónice w gstoci propanu i butanu ilo wtryskiwanego paliwa, przy takim samym czasie i cinieniu wtrysku, nie musi odpowiada dawce zapewniajcej stechiometryczny skład mieszanki. Jeeli przy wtrysku
64 Problemy zasilania wtryskowego ciekłym LPG w silnikach o zapłonie iskrowym dawki butanu w danych warunkach pracy silnika, w okrelonym czasie i przy danym cinieniu, uzyskuje si mieszank stechiometryczn, to przy wtrysku propanu w tych samych warunkach uzyskuje si mieszank zuboon. 2 CO 2 [%] 13 12.8 12.6 12.4 CO [%] 1.6 1.2.8.4 HC [ppm] 12.2 12 4 36 32 28 n=9 [obr/min] wtrysk pojedynczy zadany czas wtrys ku TW=1,1 [ms] HC NOx CO CO2 t wtr [ms ] NOx [ppm] t wtr [ms ] 155 15 145 14 135 13 125 8.5 8.4 8.3 8.2 8.1 128 129 13 131 132 133 134 135 136 137 138 p LPG [kpa] Rys. 17. Wpływ cinienia wtrysku ciekłego LPG na stenie zwizków toksycznych w spalinach. Fig. 17. Influence of LPG liquid injection pressure on toxic compounds concentration. Zmiany cinienia wtryskiwanego paliwa maj istotny wpływ na uzyskiwane przez silnik wartoci emisji zwizków toksycznych w spalinach (rys. 17). W celu poprawnego sterowania dawk paliwa niezbdny jest nie tylko pomiar cinienia paliwa w układzie, lecz równie temperatury paliwa w zbiorniku. Wyniki wstpnych bada eksperymentalnych w tym zakresie zawarto w pracy [5]. Prawidłowe funkcjonowanie układu zasilania LPG uzalenione jest od właciwej optymalizacji systemu sterowania, co zwykle zwizane jest z koniecznoci przeprowadzenia kosztownych i czasochłonnych bada. Z tych wzgldów, adaptacja układu zasilania w systemie wtrysku ciekłego LPG do kolektora dolotowego, która jest oferowana np. przez firm Vialle, moe obejmowa tylko te silniki, dla których taka optymalizacja została przeprowadzona. W Zakładzie Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Rzeszowskiej prowadzone s prace dotyczce zasilania silników ciekłym LPG [5, 1]. Obecnie dotycz one oblicze symulacyjnych odnonie parametrów wtrysku i prze-
K. Lejda, A. Jaworski 65 biegu procesu spalania. Nastpnym etapem bd badania eksperymentalne, weryfikujce symulacje numeryczne, których celem bdzie opracowanie metodyki doboru zasilania ciekłym LPG do dowolnego silnika. Literatura [1] CIPOLLONE R., VILLANTE C.: A dynamical analysis of LPG vaporisation in liquid-phase injection systems. Modeling Emissions and Control in Automotive Engines Internal Combustion Engines, MECA1. Fisciano, Italy 21. [2] CIPOLLONE R., VILLANTE C.: A/F and liquid-phase control in LPG injected spark ignition ICE. SAE 2-1-2974. [3] ENJU LEE, JINWOO PARK, KANG Y. HUH, JAEJOON CHOI, CHOONGSIK BAE: Simulation of fuel/air mixture formation for heavy duty liquid phase LPG injection (LPLI) engines. SAE 23-1-636. [4] GISOO HYUN, MITSUHARU OGUMA, HINICHI GOTO: 3-D CFD analysis of the mixture formation process in an LPG DI SI engine for heavy duty vehicles. Twelfth International Multidimensional Engine Modeling User's Group Meeting Agenda, Detroit 22. [5] JAWORSKI A.: Wpływ parametrów wtrysku sekwencyjnego układu zasilania ciekłym LPG na wybrane parametry uytkowe silnika spalinowego. Rozprawa doktorska. Politechnika Rzeszowska, Rzeszów 25. [6] JE-HYUNG LEE, SHINICHI GOTO: Comparison of spray characteristics in butane and diesel fuels by numerical analysis. SAE 2-1-2941. [7] JERMY M.C., VUORENKOSKI A.K., MAHAMED T.I., KAPARIS E., HARRISON M., MACARTNEY M.: The structure of propane/lpg sprays from automotive fuel injectors as a function of fuel and ambient pressure by Mie and LIF imaging. 12 th Int. Symp. App. of Laser Tech. to Fluid Mechanics, Lisbon 24. [8] KOWALEWICZ A.: Tworzenie mieszanki i spalanie w silnikach o zapłonie iskrowym. WKiŁ, Warszawa 1984. [9] KOWALEWICZ A.: Wybrane zagadnienia samochodowych silników spalinowych. Wydawnictwa WSI, Radom 1996. [1] LEJDA K., JAWORSKI A.: Obliczenia symulacyjne parametrów pracy silnika o ZI zasilanego ciekłym LPG. Teka Komisji Motoryzacji PAN Oddział Kraków, z.29-3, Kraków 25. [11] ORZECHOWSKI Z., PRYWER J.: Rozpylanie cieczy. WNT, Warszawa 1991. Problems of liquid LPG fuelling in spark ignition engines S u m m a r y This paper presents selected problems connected with LPG fuel pressure changing. The LPG fuel pressure depends on fuel composition and temperature. This takes effect on fuel dose and it is especially important for liquid phase sequential injection system. Research results show that changes of LPG injection pressure significantly affect on useful and ecological parameters of SI engine.