ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW (92)/23 Andrzej Ambrozik, Tomasz Ambrozik 2, Dariusz Kurczyński 3, Piotr Łagowski 4 CHARAKTERYSTYKI WYDZIELANIA CIEPŁA PODCZAS PROCESU SPALANIA OLEJU NAPĘDOWEGO I ESTRÓW OLEJU RZEPAKOWEGO. Wstęp Paliwami konwencjonalnymi stosowanymi do zasilania tłokowych silników spalinowych o zapłonie samoczynnym są oleje napędowe, otrzymywane z ropy naftowej [6]. Wzrost zapotrzebowania na energię, wynikający między innymi z intensywnie wzrastającej liczby eksploatowanych pojazdów samochodowych, kurczenie się zasobów ropy naftowej oraz w wielu krajach brak lub ograniczony dostęp do jej zasobów, powoduje konieczność poszukiwania nowych paliw alternatywnych. W przypadku silników o zapłonie samoczynnym paliwami alternatywnymi, z którymi wiąże się duże nadzieje na ich stosowanie są paliwa pochodzenia roślinnego. Najwięcej zalet i własności zbliżonych do konwencjonalnych olei napędowych wykazują estry kwasów tłuszczowych olei roślinnych [,8]. Paliwa roślinne w pełni nie zastąpią obecnie stosowanych paliw, ale mogą stanowić uzupełnienie zapotrzebowania na paliwa silnikowe. Stosowanie paliw roślinnych do zasilania tłokowych silników spalinowych jest korzystne ekologicznie. Wyraża się to przede wszystkim tym, że są to paliwa odnawialne i łatwiej ulegają biodegradacji. Obecnie coraz większy nacisk na ochronę środowiska naturalnego powoduje że silniki spalinowe muszą spełniać coraz ostrzejsze normy określające emisję toksycznych składników spalin co powoduje konieczność posiadania dokładnyc w miarę szybkich metod badawczych dzięki którym możliwa będzie ocena jego stanu technicznego [7]. Jedną z podstawowych charakterystyk procesu spalania paliwa w silniku jest charakterystyka względnej ilości wydzielającego się ciepła. Pod pojęciem charakterystyk wydzielania ciepła podczas procesu spalania rozumie się ilość i szybkość wydzielania się względnej ilości ciepła podczas procesu spalania z uwzględnieniem ciepła wymienianego ze ściankami komory spalania. Przebieg w/w charakterystyk procesu spalania otrzymanych w wyniku analizy rzeczywistego wykresu indykatorowego istotnie zależy od dokładności wyznaczenia samego wykresu jak i metody jego analizy [4]. Wykres indykatorowy jest jednym z dość łatwo uzyskiwanyc wiarygodnych źródeł informacji o przebiegu procesów zachodzących wewnątrz cylindra silnika. Postać wykresu indykatorowego zależy przede wszystkim od: przebiegu i jakości rozpylania Prof. dr hab. inż. Andrzej Ambrozik, Katedra Mechaniki Wydziału Mechatroniki i Budowy Maszyn Politechniki Świętokrzyskiej 2 dr inż. Tomasz Ambrozik, Katedra Mechaniki Wydziału Mechatroniki i Budowy Maszyn Politechniki Świętokrzyskiej 3 dr inż. Dariusz Kurczyński, Katedra Mechaniki Wydziału Mechatroniki i Budowy Maszyn Politechniki Świętokrzyskiej 4 Dr inż. Piotr Łagowski, Katedra Mechaniki Wydziału Mechatroniki i Budowy Maszyn Politechniki Świętokrzyskiej 9
paliwa podczas procesu wtrysku, ilości oraz właściwości aerodynamicznych powietrza doprowadzonego do cylindra, itp. Wielkości te decydują o jakości tworzonej mieszanki palnej decydującej o procesie jej spalania w cylindrze silnika. Od właściwie realizowanego procesu spalania zależy jakość przemiany energii chemicznej zawartej w paliwie na energię mechaniczną []. Przemiany te decydują o wielkości zużycia paliwa oraz emisji szkodliwych składników ze spalinami i hałasie silnika. Można z niego odczytać czy obliczyć szereg ważnych wskaźników i parametrów pracy silnika. Charakterystyki względnej ilości ciepła wydzielającego sie podczas procesu spalania wyznacza sie w oparciu o analizę wykresu indykatorowego z zastosowaniem I zasady termodynamiki. Charakterystyki te wykorzystywane są zarówno na etapie opracowywania nowych konstrukcji silników jak i w badaniach, których celem jest ich doskonalenie. 2. Podstawowe założenia do metodyki sporządzania charakterystyk wydzielania ciepła W oparciu o uśrednione wg -realizacji rzeczywiste wykresy indykatorowe zdjęte w każdym z 7 punktów zewnętrznej charakterystyki prędkości, sporządzono charakterystyki wydzielającego się ciepła w czasie procesu spalania. Charakterystyki te wyznaczono po wcześniejszym wyznaczeniu wielkości dawki paliwa spalanego w czasie cyklu pracy i ilości czynnika roboczego realizującego ten cykl oraz współczynnika nadmiaru powietrza. Charakterystyki względnej ilości wydzielającego się ciepła podczas procesu spalania wyznaczano w oparciu o opracowany w Zakładzie Silników Cieplnych Katedry Mechaniki program INDY-2 [,7]. Za pomocą programu INDY-2 obliczenia charakterystyk wydzielania ciepła prowadzone są przy założeniu, że proces spalania zakończył się do chwili otwarcia zaworu wylotowego oraz że całkowita wartość względnej ilości wydzielanego ciepła podczas całkowitego i zupełnego procesu spalania jest równa = i + str=. Metodyka sporządzania charakterystyk wydzielania ciepła z wykorzystaniem programu INDY-2 została przedstawiona we wcześniejszych publikacjach autorów [2,3,4]. 3. Badania eksperymentalne Badania przeprowadzono na stanowisku hamownianym w skład którego wchodził tłokowy silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym AD3.2 UR, hamulec wodny i szafa kontrolno-pomiarowa, służąca do sterowania stanowiskiem i pozwalająca na odczyt wskaźników pracy silnika i hamulca, oraz system pomiarowy wielkości szybkozmiennych [2,3,4]. Silnik AD3.2 UR jest to trzycylindrowy silnik z bezpośrednim wtryskiem paliwa do komory spalania usytuowanej w denku tłoka. Badany silnik wyposażony był w układ zasilania z rozdzielaczową pompą wtryskową typu DPA napędzaną przez przekładnię zębatą od wału korbowego. Wtryskiwacze paliwa silnika AD3.2 UR wyposażone są w czterootworowe rozpylacze. Silnik ten posiada górnozaworowy układ rozrządu z zaworami pionowo osadzonymi w głowicy. Zawory za pośrednictwem popychaczy i dźwigienek zaworowych, napędzane są przez wałek rozrządu umieszczony w bloku silnika. Podstawowe dane techniczne badanego silnika AD3.2 UR przedstawiono w tabeli.
Karta pomiarowa Przetwornik analogowo-cyfrowy Tabela.. Podstawowe dane techniczne badanego silnika Silnik o zapłonie samoczynnym AD3.2 UR Parametr Jednostka Wartość Układ cylindrów - rzędowy Liczba cylindrów - 3 Rodzaj wtrysku - bezpośredni Stopień sprężania - 6, Średnica cylindra mm 9,44 Skok tłoka mm 27 Pojemność skokowa silnika dm 3 2,2 Maksymalna moc silnika kw 34,6 Prędkość obrotowa mocy maksymalnej obr/min 22 Maksymalny moment obrotowy silnika Nm 68,7 Prędkość obrotowa maksymalnego momentu obr/min 3 Statyczny kąt wyprzedzenia wtrysku OWK 7 Zastosowany podczas badań system pomiarowy wielkości szybkozmiennych przedstawiono na rysunku. System ten składał się z czterech torów pomiarowych: toru pomiarowego ciśnienia w komorze spalania, toru pomiarowego ciśnienia w przewodzie wtryskowym, toru pomiarowego wzniosu iglicy wtryskiwacza, toru dekodera kąta obrotu wału korbowego. Czujnik ciśnienia w cylindrze Kaseta pomiarowa Wzmacniacz ładunku SILNIK AD3.2 UR Nadajnik kąta Blok elektroniki Czujnik wzniosu iglicy Wzmacniacz z falą nośną Wzmacniacz ładunku Komputer PC Czujnik ciśnienia w przewodzie wtryskowy m Rys.. Schemat blokowy systemu pomiarowego parametrów szybkozmiennych tłokowego silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym wykorzystany do przeprowadzenia badań [7]
W badaniach eksperymentalnych zastosowano do zasilania silnika dwa podstawowe różnego pochodzenia paliwa: paliwo węglowodorowe - olej napędowy Ekodiesel Ultra D i paliwo roślinne estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME. Podstawowe własności fizykochemiczne wymienionych paliw przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Podstawowe właściwości fizykochemiczne paliw silnikowych wykorzystanych w badaniach [2] Parametr Olej napędowy Ekodiesel Ultra D Paliwo roślinne FAME Liczba cetanowa,4 Wartość opałowa, MJ/kg 43,2 36,7 Gęstość w temperaturze C, g/cm 3,834,883 Lepkość kinematyczna, mm 2 /s (~4 C) 2,64 4,47 Temperatura zapłonu, C 63 pow. 3 Temperatura mętnienia, C -7-2 Temperatura zablokowania zimnego filtru, C -23-4 Przeciętny skład elementarny, %: C H O 87,2 2,7 76,8 2, Zawartość siarki S, mg/kg 9 8, Zawartość wody, mg/kg 43,8 3 Zawartość zanieczyszczeń stałych, mg/kg 8 Podczas badań silnik pracował według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej Pomiarów dokonywano dla prędkości obrotowych, 2, 4, 6, 8, 2 i 22 obr/min. 4. Przebiegi wielkości szybkozmiennych Podczas badań silnika AD3.2 UR, pracującego w różnych warunkach prędkościowo-obciążeniowych dokonywano pomiarów wielkości szybkozmiennych takich jak: ciśnienie w cylindrze silnika p c, ciśnienie paliwa w przewodzie wtryskowym oraz wznios iglicy wtryskiwacza. Wszystkie wymienione wielkości rejestrowane były w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono przykładowe wykresy ciśnienia w cylindrze p c, ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym oraz wznios iglicy wtryskiwacza, silnika AD3.2 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej, przy zasilaniu go olejem napędowym Ekodiesel Ultra D i estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME, dla prędkości obrotowej 4 obr/min i 2 obr/min oraz dla kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa α ww = 7 OWK. 2
p c MPa MPa mm p c MPa MPa mm p c MPa MPa mm p c MPa MPa mm a) b) 9 4 9 4 8 p c 3.9 8 p c 3.9 7 6 4 3 2 3 2 2.8.7.6..4.3.2. 7 6 4 3 2 3 2 2.8.7.6..4.3.2. 24 27 3 33 36 39 42 4 48 OWK 24 27 3 33 36 39 42 4 48 OWK Rys. 2. Przebiegi zmiany ciśnienia w cylindrze p c, ciśnienia w przewodzie wtryskowym oraz wzniosu iglicy wtryskiwacza silnika AD3.2 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej, wyznaczone dla prędkości obrotowej 4 obr/min, przy kącie wyprzedzenia wtrysku paliwa 7 OWK i zasilaniu go a) olejem napędowym Ekodiesel Ultra D (ON), b) estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME a) b) 9 4 8 7 6 4 3 2 p c 3 3 2 2.9.8.7.6..4.3.2. 9 8 7 6 4 3 2 p c 4 3 3 2 2.9.8.7.6..4.3.2. 24 27 3 33 36 39 42 4 48 OWK 24 27 3 33 36 39 42 4 48 OWK Rys. 3. Przebiegi zmiany ciśnienia w cylindrze p c, ciśnienia w przewodzie wtryskowym oraz wzniosu iglicy wtryskiwacza silnika AD3.2 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej, wyznaczone dla prędkości obrotowej 2 obr/min, przy kącie wyprzedzenia wtrysku paliwa 7 OWK i zasilaniu go a) olejem napędowym Ekodiesel Ultra D (ON), b) estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME 3
. Charakterystyki wydzielania ciepła Poniżej przedstawiono przykładowe wykresy charakterystyk wydzielania ciepła w silniku AD3.2UR zasilanego olejem napędowym ON oraz FAME przy pracy silnika według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej dla prędkości obrotowych n = 4 i 2 obr/min..2. ON, 4, 2.2. FAME, 4, 2.8 i.8, i.8 i.8, i.6.6.4.4.4.4.2.2 34 36 38 4 42 44 46 48 OWK 34 36 38 4 42 44 46 48 OWK Rys. 4. Charakterystyki względnej ilości wydzielanego ciepła podczas procesu spalania ( ), i ( ) oraz ( ) przy pracy silnika według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=4obr/min i zasilaniu silnika olejem napędowym ON oraz FAME.2 ON, zew, 2, 7.2 FAME, zew, 2, 7.8 i, i.8.8 i.8, i.6.6.4.4.4.4.2.2 34 36 38 4 42 44 46 48 OWK 34 36 38 4 42 44 46 48 OWK Rys. 4. Charakterystyki względnej ilości wydzielanego ciepła podczas procesu spalania ( ), i ( ) oraz ( ) przy pracy silnika według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy n=2obr/min i zasilaniu silnika olejem napędowym ON oraz FAME 4
W tabelach 3 i 4 przedstawiono charakterystyczne wielkości procesu wydzielania ciepła w silniku AD3.2 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy, ww = 7 OWK zasilanego olejem napędowym oraz FAME, gdzie: Ne moc efektywna silnika, p i średnie ciśnienie indykowane, α ps kąt obrotu wału korbowego silnika odpowiadający początkowi procesu spalania, ξ współczynnik wydzielania ciepła, kin udział spalania kinetycznego, dyf udział spalania dyfuzyjnego, ma pierwsza szybkość wydzielania ciepła, 2ma druga szybkość wydzielania ciepła, kąt odpowiadający pierwszej maksymalnej szybkości wydzielania ciepła, ma kąt odpowiadający pierwszej maksymalnej szybkości wydzielania ciepła, 2ma kąt odpowiadający drugiej maksymalnej szybkosci wydzielania ciepła, str straty ciepła. Tabela 3. Charakterystyczne wielkości procesu wydzielania ciepła w silniku AD3.2 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy, ww = 7 OWK i zasilanego olejem napędowym n N e p i α ps ξ kin dyf ma 2ma ma 2ma str obr/min KW MPa o OWK - - - ( o OWK) - ( o OWK) - o OWK o OWK - 6,,46 349,6,64,496,4,27,3 3,78 367,3,6 2 9,93,7 349,2,77,,499,,34 37,2 36,,7 4 23,4,76 3,2,78,487,3,99,36 37,7 367,3,38 6 26,8,82 32,4,72,443,7,96,4 38,38 366,,3 8 29,3, 33,8,739,496,4,83,39 36, 37,2,7 2 32,39,39 34,4,77,43,69,68,4 36, 367,3,3 22 26,78,22 34,8,892,299,7,2,44 36, 369,84,9 Tabela 4. Charakterystyczne wielkości procesu wydzielania ciepła w silniku AD3.2 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej przy, ww = 7 OWK i zasilanego estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME n N e p i α ps ξ kin dyf ma 2ma ma 2ma str obr/min KW MPa o OWK - - - ( o OWK) - ( o OWK) - o OWK o OWK - 6,42,938 3,,63,383,67,2,33 32,96 362,8,84 2 9,82,7 3,,632,383,67,99,34 34,34 364,2,63 4 23,28,4 32,9,76,399,6,99,3 3,78 364,2,9 6 26,43,9 34,3,778,4,49,8,37 3,78 367,3,26 8 29,37,68 34,3,728,46,39,78,37 37,8 367,3,24 2 3,8,74 3,7,783,42,98,7,4 38,9 367,3,28
6. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano następujące wnioski: Przy zasilaniu silnika olejem napędowym ON uzyskano największe wartości współczynnika wydzielania ciepła ξ=,892. Najmniejsze straty ciepła otzrymano przy zasilaniu silnika paliwem FAME. Analizując wartości pierwszej i drugiej maksymalnej szybkości wydzielania ciepła ma i 2ma 2ma należ zauważyć że ich wartości dla obydwu paliw są zbliżone zaś znacznie wcześniej występuje pierwsza i druga maksymalna szybkość wydzielania ciepła przy zasilaniu silnika paliwem FAME. Inaczej jest przy udziałach spalania kinetycznego i dyfuzyjnego gdyż przy zasilaniu silnika olejem napędowym udział spalania kinetycznego jest większy niż przy zasilaniu silnika estrami FAME. Literatura: [] Ambrozik A.: Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2 [2] Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P.: Sprawozdanie z grantu Modelowanie wydzielania ciepła i emisji NO ze spalinami w silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym olejem napędowym i paliwami pochodzenia roślinnego, nr grantu: 4 T2D 3 28. [3] Ambrozik A., Kurczyński D., Łagowski P.: Heat release characteristics in AD3.2 engine fuelled with hydrocarbon and biogenous fuels. First International Congress on Combustion Engines, PTNSS KONGRES 2, The Development of Combustion Engines, Bielsko-Biała/Szczyrk 2. [4] Ambrozik A., Kruczyński S., Orliński P.: Ocena początku wtrysku paliwa na proces wydzielania się ciepła w silniku o zapłonie samoczynnym, Zeszyty Naukowe IP 3(66)/27, Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 27, s. 99-6, ISSN 642-347X, [] Ambrozik A., Kruczyński P., Orliński P.: Wpływ zasilania silnika o ZS paliwami alternatywnymi na wybrane parametry procesu spalania oraz emisję składników spalin, prezentowany: XVII Ogólnopolskie Sympozjum Naukowe Motoryzacyjne Problemy Ochrony Środowiska, Warszawa - grudzień 29, opublikowany: Zeszyty Naukowe IP (78)/2, Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2, str. 7-63, ISSN 642-347X, [6] Bocheński C. I., Kruczyński S. W., Orliński P., Ślęzak M.: Wpływ zastosowania biopaliw na właściwości eksploatacyjne silników spalinowych, Zeszyty Naukowe IP 3(66)/27, Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 27, s. 49-6, ISSN 642-347X. [7] Łagowski P.: Metodyka wyznaczania i ocena wielkości diagnostycznych wykresu indykatorowego silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym, praca doktorska, Politechnika Świętokrzyska, Kielce, 2r. [8] Orliński S.: Wpływ zasilania silnika rolniczego Perkins 4c-44 paliwami estrowo-etanolowymi na wybrane parametry procesu wtrysku i spalania w aspekcie ekologicznym, IX Konferencja Naukowo-Techniczna Logistyka Systemy Transportowe Bezpieczeństwo w Transporcie. Wydział Transportu i Elektrotechniki Politechniki Radomskiej. Komitet Transportu Polskiej Akademii Nauk. Szczyrk, 7-2 kwietnia 22 r. str. 76-768. LOGISTYKA 3/2. 6
Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań silnika AD3.2 UR zasilanego paliwem mineralnym (węglowodorowym) EKODIESEL ULTRA D oraz estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego FAME pozwalające wyznaczyć charakterystyki wydzielania ciepła podczas procesu spalania. Analiza eksperymentalnie wyznaczonych wykresów przebiegu zmiany ciśnienia paliwa w przewodzie wtryskowym i wzniosu iglicy wtryskiwacza umożliwia wyznaczenie kąta wyprzedzenia wtrysku. Wyznaczanie charakterystyk względnej szybkości wydzielania się ciepła podczas procesu spalania przeprowadzono w oparciu o eksperymentalnie sporządzone wykresy indykatorowe silnika AD3.2 UR pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej. Słowa kluczowe: silniki spalinowe, wykres indykatorowy, wydzielanie ciepła, paliwa silnikowe HEAT RELEASE CHARACTERISTICS IN THE COMBUSTION OF DIESEL OIL AND RAPESEED OIL ESTERS Abstract The paper presents the results of investigations into AD3.2 UR engine running on EKODIESEL ULTRA D mineral (hydrocarbon) fuel and FAME rapeseed oil fatty acid methyl esters. The eperimental results made it possible to determine heat release characteristics in the combustion process. The analysis of eperimentally obtained profiles of fuel pressure changes in the fuel rail and those of injector needle lift allowed determining the injection advance angle. The characteristics of the relative rate of heat release in the combustion process was determined on the basis of eperimentally obtained indicator diagrams for AD3.2 UR engine working in the eternal speed characteristics. Keywords: combustion engines, indicator diagram, heat release, engine fuels 7