BIULETYN WAT VOL. LIX, NR 3, 2 Badania procesów wtrysku i spalania paliwa rzepakowego w silniku o zapłonie samoczynnym JEY WALENTYNOWICZ Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu, -98 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 Streszczenie. Celem pracy było zbadanie wpływu podstawowych właściwości paliwa rzepakowego (estru metylowego oleju rzepakowego) na przebieg procesów wtrysku i spalania tego paliwa. Badania wykonano na stanowisku z indykatorem wtrysku paliwa i na stanowisku dynamometrycznym z silnikiem badawczym. Stwierdzono, że zastosowanie paliwa rzepakowego powoduje wcześniejszy przebieg wtryskiwania paliwa do komory indykatora. Podczas zastosowania paliwa do zasilania silnika badawczego potwierdzono również nieco wcześniejszy wtrysk paliwa rzepakowego do komory spalania silnika. Stwierdzono także istotny wpływ tego paliwa na proces samozapłonu i spalania. Okres zwłoki samozapłonu paliwa rzepakowego ulega skróceniu w porównaniu z olejem napędowym, a skrócenie tego okresu wzrastało jednocześnie ze wzrostem prędkości obrotowej silnika. Ponadto wyższe jest ciśnienie oleju rzepakowego w przewodzie wtryskowym silnika, a także niższe maksymalne ciśnienia spalania tego paliwa. Zmiany te nie wpływają istotnie na pracę silnika, a samo paliwo może być stosowane jako paliwo zastępcze do silnika o zapłonie samoczynnym z klasycznym układem wtryskowym. Słowa kluczowe: silnik o zapłonie samoczynnym, paliwo rzepakowe, procesy wtrysku i spalania Symbole UKD: 621.43 1. Wprowadzenie Paliwo rzepakowe charakteryzuje się szeregiem parametrów, które wpływają na proces jego wtrysku i spalania. W porównaniu z olejem napędowym większa jest jego gęstość i lepkość kinematyczna, ma także większy indeks cetanowy. Początek destylacji zachodzi w temperaturze dużo wyższej niż początek destylacji oleju napędowego, a tym samym jest to paliwo o mniejszej lotności. Dlatego w celu rozpoznania zjawisk, które istotnie wpływają na proces przygotowania paliwa do spalania, a następnie na samo spalanie, przeprowadzono cykl badań procesów
12 J. Walentynowicz wtrysku paliwa oraz jego samozapłonu i spalania w silniku. Stosowanym paliwem rzepakowym był ester metylowy oleju rzepakowego. 2. Obiekt badań Obiektem badań był układ wtryskowy z rzędową pompą wtryskową zamontowany na stole probierczym z indykatorem wtrysku paliwa (rys. 1). W indykatorze tym wykorzystano metodę wtrysku paliwa do długiego przewodu z regulowanym przeciwciśnieniem. Analizę spalania paliwa rzepakowego przeprowadzono na stanowisku z silnikiem SB.3.1. przystosowanym do pomiarów szybkozmiennego ciśnienia w przewodzie wtryskowym i komorze spalania (rys. 2). Podobne rozwiązanie mocowania czujników ciśnienia i wzniosu iglicy zastosowano w silniku pełnogabarytowym. Rys. 1. Widok stanowiska z indykatorem wtrysku paliwa Rys. 2. Mocowanie czujnika ciśnienia spalania i wzniosu iglicy w silniku SB.3.1: a) położenie czujnika ciśnienia względem kanałów w głowicy; b) rozmieszczenie czujnika ciśnienia spalania i czujnika wzniosu iglicy
Badania procesów wtrysku i spalania paliwa rzepakowego... 121 3. Charakterystyki wtryskiwania paliwa rzepakowego i oleju napędowego Charakterystyki wtryskiwania paliwa rzepakowego () wyznaczono na stanowisku badawczym z indykatorem wtrysku i porównano je z charakterystykami wtryskiwania oleju napędowego (). Podczas wszystkich badań stosowano ten sam rozpylacz paliwa, wybrany po badaniach na stanowisku przepływowym. Z porównania charakterystyk wyznaczonych za pomocą indykatora wtrysku paliwa wynika, że nie ma dużej różnicy w przebiegu wtryskiwania porównywanych paliw, aczkolwiek można zauważyć pewne cechy charakterystyczne, powtarzające się na wszystkich charakterystykach. Dlatego przedstawiono tylko charakterystyki a) Pw [MPa] n = 8 obr/min, q= 4 mg 35 3 25 2 15 5-5 4 6 8 12 14 16 18 2 b) Q [mg] n = 8 obr/min, d = 3 5 4 3 2 c) 8 9 11 12 13 14 15 16 q [mg/owp] n = 8 obr/min, q= 4 mg 14 12 8 6 4 2 6 8 12 14 16 Pw [MPa] n = 8 obr/min, q= max 45 4 35 3 25 2 15 5-5 4 6 8 8 12 14 16 18 18 2 Q [mg] n = 8 obr/min, q= max 14 12 8 6 4 2 4 6 8 12 16 18 2 q [mg/owp] n = 8 obr/min, q= max 16 14 12 8 6 4 2 4 6 8 12 12 16 18 2 Rys. 3. Charakterystyki wtryskiwania paliwa rzepakowego i oleju napędowego dla dawki 4 mg oraz dawki maksymalnej: a) przebiegi ciśnienia przed wtryskiwaczem; b) różniczkowe charakterystyki wtrysku; c) całkowe charakterystyki wtrysku paliw
122 J. Walentynowicz przy prędkości wałka pompy 8 obr/min, co w przybliżeniu odpowiada prędkości obrotowej silnika rozwijającego maksymalny moment obrotowy. Przebiegi ciśnienia w przewodzie wtryskowym są bardzo zbliżone, chociaż zmiany ciśnienia paliwa rzepakowego w przewodzie wtryskowym są bardziej wygładzone, a ponadto ciśnienie narasta z wyprzedzeniem w stosunku do narastania ciśnienia oleju napędowego (rys. 3). Jest to szczególnie wyraźnie widoczne przy dużej prędkości obrotowej wałka pompy wtryskowej i małych wartościach dawki paliwa. Maksymalne wartości ciśnienia obu paliw w przewodzie wtryskowym nie różnią się istotnie, jednak przy wyższych wartościach prędkości obrotowej nieco większe jest maksymalne ciśnienie oleju napędowego. Przebiegi ciśnienia zarejestrowane z indykatora wtrysku paliwa, świadczące o masowym natężeniu wtryskiwanego paliwa pokazują, że początek wtrysku paliwa rzepakowego rozpoczyna się nieco szybciej w porównaniu z olejem napędowym, a także szybciej się kończy. Jedną z podstawowych przyczyn wcześniejszego zakończenia wtrysku paliwa rzepakowego jest różnica gęstości porównywanych paliw, która powoduje większą prędkość fali w przewodzie wtryskowym, przy jednoczesnym niewielkim zmniejszeniu objętości dawki paliwa ze względu na ustawianie jednakowych masowych dawek paliwa. 4. Wpływ paliwa rzepakowego na parametry pojedynczego obiegu silnika Podczas badania procesu spalania na silniku SB.3.1 rejestrowano przebiegi ciśnienia w przewodzie wtryskowym i komorze spalania oraz wzniosu iglicy wtryskiwacza. Rejestrowano przebiegi parametrów spalania podczas kilkudziesięciu obiegów pracy silnika, a następnie wybierano kilka kolejnych obiegów (5-7), na podstawie których wyznaczono najbardziej charakterystyczne parametry procesu wtrysku paliwa i jego spalania. W artykule przedstawiono wybrane przebiegi parametrów wtrysku i spalania paliwa dla prędkości obrotowej 16 i 22 obr/min. Maksymalne ciśnienie spalania jest zdecydowanie mniejsze podczas zasilania silnika paliwem rzepakowym (rys. 4). Przy prędkości i 16 obr/min różnice maksymalnego ciśnienia spalania są małe i wynoszą średnio,1-,2 MPa. Przy dużej prędkości obrotowej zmniejszenie maksymalnego ciśnienia spalania paliwa rzepakowego jest większe o ok.,3 MPa (rys. 4). Z niewielkimi zmianami różnice utrzymują się w całym zakresie obciążenia silnika. Powodem takiego wzrostu ciśnienia spalania jest wcześniejszy samozapłon paliwa rzepakowego w komorze spalania silnika, opisany w dalszej części rozdziału. Porównując maksymalne ciśnienie paliwa w przewodzie wtryskowym przed wtryskiwaczem, można zauważyć istotny wpływ prędkości obrotowej silnika na różnice i wartości tego ciśnienia. Przy zasilaniu silnika pracującego z małą prędkością obrotową
Badania procesów wtrysku i spalania paliwa rzepakowego... 123 Rys. 4. Zmiany maksymalnego ciśnienia spalania w funkcji obciążenia silnika (n = 22 obr/min) ciśnienie w przewodzie wtryskowym różni się niewiele. W miarę wzrostu prędkości obrotowej ciśnienie paliwa rzepakowego wzrasta szybciej niż ciśnienie oleju napędowego i przy prędkości 22 obr/min ciśnienie paliwa rzepakowego jest wyższe o około 3-4 MPa od ciśnienia oleju napędowego (rys. 5). Przyczyną takich zmian jest różnica gęstości paliwa, decydująca o dławieniu przepływu cieczy przez otworki rozpylaczy i zwiększonym ciśnieniu spiętrzenia przed wtryskiwaczem. Z porównania zmierzonego ciśnienia resztkowego w przewodzie wtryskowym silnika zasilanego paliwem rzepakowym wynika, że jest ono mniejsze średnio o około 1-1,2 MPa. Wartości kątów wyprzedzenia: tłoczenia paliwa, wtrysku paliwa do cylindra oraz spalania paliwa przedstawiono na rysunku 6. Kąt początku tłoczenia paliwa mierzono na podstawie przebiegu ciśnienia za króćcem pompy wtryskowej, natomiast za początek wtrysku paliwa do komory spalania przyjęto początek wzniosu iglicy rozpylacza. Początkiem spalania aktywnego była chwila rozdzielenia krzywej ciśnienia sprężania i ciśnienia spalania, którą można było łatwo określić po zróżniczkowaniu przebiegu ciśnienia w komorze spalania. Z wykresów przedstawionych na rysunku 6 widoczny jest istotny wpływ prędkości obrotowej silnika na kąt początku tłoczenia paliwa, przy czym widoczne jest zarówno wcześniejsze tłoczenie paliwa rzepakowego w porównaniu z olejem napędowym jak również wcześniejszy wtrysk tego paliwa do komory spalania. Dla paliwa rzepakowego procesy te zaczynają się wcześnie o około 1-2 OWK. Wzrost prędkości obrotowej silnika powoduje istotne opóźnienie tych procesów mierzone w jednostkach kąta obrotu wału korbowego, natomiast ze wzrostem obciążenia silnika rosną wartości zarówno kąta wyprzedzenia tłoczenia paliwa, jak również kąta początku wtrysku. Jest to szczególnie widoczne przy największej prędkości obrotowej silnika. Zastosowanie oleju rzepakowego powoduje istotne skrócenie okresu zwłoki samozapłonu w porównaniu z olejem napędowym, którego miarą jest kąt między
124 J. Walentynowicz Rys. 5. Wpływ obciążenia silnika na maksymalne ciśnienie paliwa w przewodzie wtryskowym: n = 16 obr/min; b) n = 22 obr/min początkiem wtrysku paliwa i początkiem spalania aktywnego (rys. 7). Przy prędkości obrotowej obr/min okres zwłoki samozapłonu paliwa rzepakowego i oleju napędowego jest porównywalny. Jednak w miarę wzrostu obciążenia i prędkości obrotowej silnika, a tym samym wzrostu temperatury w komorze spalania istotnie skraca się okres zwłoki samozapłonu. Wzrost obciążenia od minimalnego do maksymalnego przy tej prędkości obrotowej powoduje skrócenie okresu zwłoki samozapłonu obu paliw o blisko 4 OWK. Przy większej prędkości obrotowej okres zwłoki samozapłonu paliwa rzepakowego jest krótszy średnio o około 1,5 OWK przy prędkości obrotowej 16 obr/min i o około 3 OWK przy prędkości obrotowej 22 obr/min. Jednocześnie mniejszy jest wpływ wzrostu obciążenia silnika na okres zwłoki samozapłonu, spowodowany większą prędkością obrotową silnika. Zaobserwowane zmiany procesów wtrysku i spalania paliwa potwierdzają rozwinięte wykresy indykatorowe. Wybrane przebiegi ciśnienia w przewodzie
Badania procesów wtrysku i spalania paliwa rzepakowego... 125 [ oowk] n = 22 [obr/min] 365 36 355 35 345 34 335 33 2 4 6 8 12 [ oowk] n = 16 [obr/min] 365 36 355 35 345 34 335 33 2 4 6 8 12 14 [ oowk] 355 35 345 n = [obr/min] 34 335 33 2 4 6 8 12 14 Rys. 6. Wartości kątów początku tłoczenia (f pt ), wtrysku (f pw ) i spalania (f psp ) oleju napędowego (linia ciągła) i paliwa rzepakowego (linia przerywana) dla prędkości obrotowej silnika: obr/min, 16 obr/min oraz 22 obr/min wtryskowym i komorze spalania silnika zasilanego paliwem rzepakowym (linia pogrubiona) i olejem napędowym (linia cienka) przy prędkości obrotowej silnika 16 obr/min i średniej dawce paliwa przedstawiono na rysunku 8. Na wykresach tych widoczny jest wcześniejszy wzrost ciśnienia paliwa rzepakowego rejestrowany przez czujnik umieszczony przed wtryskiwaczem paliwa. Wyższe
126 J. Walentynowicz [ o zs OWK] 16 15 14 13 12 11 n = 22 [obr/min] 2 4 6 8 12 zs [ oowk] 15 14 n = 16 [obr/min] 13 12 11 9 2 4 6 8 12 [ o zs OWK] 13 12 11 9 8 n = [obr/min] 14 7 2 4 6 8 12 Rys. 7. Zmiany kąta zwłoki samozapłonu oleju napędowego () i paliwa rzepakowego () przy prędkości obrotowej silnika obr/min, 16 obr/min i 22 obr/min jest również maksymalne ciśnienie wtrysku paliwa rzepakowego. Charakter przebiegu ciśnienia paliwa rzepakowego i oleju napędowego jest zbliżony, aczkolwiek można zauważyć, że przy zasilaniu silnika paliwem rzepakowym nieco większa jest często-
Badania procesów wtrysku i spalania paliwa rzepakowego... 127 Rys. 8. Porównanie przebiegów ciśnienia w cylindrze i przewodzie wtryskowym silnika zasilanego olejem napędowym i paliwem rzepakowym przy n = 16 obr/min: q = 2 mg, b) q = 6 mg, c) q = mg tliwość pulsacji ciśnienia. Może to być wynikiem większej gęstości tego paliwa, a tym samym większej prędkości fali ciśnienia wewnątrz przewodu wtryskowego. Spalanie paliwa rzepakowego rozpoczyna się wcześniej w porównaniu z olejem napędowym, lecz niższa jest maksymalna wartość tego ciśnienia. Prędkość narastania ciśnienia spalania oleju rzepakowego jest także nieco mniejsza od prędkości narastania ciśnienia spalania oleju napędowego. 5. Podsumowanie Badania wykonane na stole probierczym z indykatorem wtrysku paliwa oraz na stanowisku dynamometrycznym z silnikiem przystosowanym do indykowania komory spalania pozwoliły na dokładniejsze rozpoznanie procesów zachodzących podczas pracy silnika zasilanego estrami metylowymi oleju rzepakowego oraz porównanie ich z wynikami pomiarów przy zasilaniu olejem napędowym. Ogólnie można stwierdzić, że zmiana oleju napędowego na paliwo rzepakowe powoduje: a) niewielkie przyśpieszenie początku tłoczenia oraz początku wtryskiwania o około 1-2 OWK bardziej gęstego paliwa rzepakowego przez rozpylacz silnika, obserwowane zarówno na stole probierczym jak również na stanowisku dynamometrycznym, b) zdecydowanie krótszy okres zwłoki samozapłonu paliwa rzepakowego, szczególnie przy większej prędkości obrotowej (od 1,5 OWK przy n = 16 obr/min do 3 OWK przy prędkości maksymalnej) i pomijalne różnice okresu zwłoki samozapłonu przy najmniejszej prędkości obrotowej silnika,
128 J. Walentynowicz c) zwiększenie ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym i obniżenie ciśnienia spalania paliwa rzepakowego w silniku. Artykuł wpłynął do redakcji 2.7.29 r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w październiku 29 r. Pracę wykonano w ramach projektu badawczego TA 17 13 finansowanego przez KBN. LITERATURA [1] A. K. Babu, G. Devaradjane, Vegetable Oils And Their Derivatives As Fuels For CI Engines: An Overview, SAE Paper, 23-1-767. [2] G. Hyun, M. Oguma, S. Goto, Spray and Exhaust Emission Characteristics of a Biodiesel Engine Operating with the Blend of Plant Oil and DME, SAE Paper, 22-1-864. [3] E. Kinoshita, K. Hamasaki, H. Tajima, Z. Ru Kun, Diesel Combustion Characteristics of Coconut Oil and Palm Oil Biodiesels, SAE Paper, 26-1-3251. [4] S. Machała, J. Walentynowicz, Stanowisko i badania wstępne niepowtarzalności oraz nierównomierności spalania w turbodoładowanym silniku o zapłonie samoczynnym, Biul. WAT, 4, 1996. [5] Z. Orzechowski, J. Prywer, Rozpylanie cieczy w urządzeniach energetycznych, WNT, Warszawa, 1994. [6] A. Senatore, M. Cardone, V. Rocco, M. V. Prati, A Comparative Analysis of Combustion Process in D. I. Diesel Engine Fueled with Biodiesel and Diesel Fuel, SAE Paper, 2-1-691. [7] J. Walentynowicz, Wyznaczanie przepływowych charakterystyk rozpylaczy silników o zapłonie samoczynnym, Biul. WAT, 4, 1996. J. WALENTYNOWICZ Investigation of injection and combustion processes in diesel engine supply rapeseed fuel Abstract. Investigations of influences of the basic proprieties of the rapeseed fuel (methyl ester of rapeseed oil) on the injection process and fuel combustion were the main goals of the presented results of research work. Tests were performed on the test stand equipped with the injection indicator and on the dynamometer test stand with research engine. It was affirmed that application of the rapeseed fuel caused the earlier course of the rapeseed fuel injection to the indicator s chamber. The earlier injection of the rapeseed fuel was confirmed during investigation of research engine. The essential influence of this fuel on the self-ignition and combustion processes has been confirmed. Delay period of the self ignition rapeseed fuel is shorter in comparison with diesel fuel and this shortening is stronger for simultaneous increase in the engine speed. Moreover, the pressure of the rapeseed fuel is higher in the injection pipeline, and also the lower is maximum combustion pressures of this fuel. These changes do not influence significantly on work parameters, and the fuel itself can be applied as the replacing fuel to the diesel engine equipped with classic injection system. Keywords: diesel engine, rapeseed oil, injection and combustion processes Universal Decimal Classification: 621.43