EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE BADANIA ROZPYLENIA BENZYNY Z WYKORZYSTANIEM DWÓCH WTRYSKIWACZY WYSOKOCIŚNIENIOWYCH

Podobne dokumenty
NUMERYCZNA SYMULACJA WPŁYWU PODZIAŁU DAWKI PALIWA NA JEGO ROZPYLENIE W UKŁADZIE WYSOKOCIŚNIENIOWEGO WTRYSKU BENZYNY

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

Research and analysis of the influence of the injection pressure on spraying fuel in the chamber about the fixed volume

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

Evaluation of difference between controling signal and injector response time in liquid fuel direct injection systems

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH Materiały pomocnicze

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

WPŁYW PODZIAŁU DAWKI PALIWA NA WSKAŹNIKI PRACY SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM Z WTRYSKIEM BEZPOŚREDNIM

Wpływ rodzaju filtrów optycznych na określenie temperatury w komorze spalania

WPŁYW CIŚNIENIA WTRYSKU I LEPKOŚCI OLEJU NAPĘDOWEGO NA PROCES ROZPYLENIA PALIWA W SILNIKACH Z ZS

Analiza porównawcza rozpylenia paliwa przez wybrane typy wtryskiwaczy paliw ciekłych

Ocena parametrów użytkowych wtryskiwaczy piezoelektrycznych na podstawie badań wizualizacyjnych procesu rozpylania paliwa

Badawcza ocena wpływu rozpylenia paliw węglowodorowych na tworzenie się ognisk samozapłonu oraz przebieg procesów przedpłomiennych

Cezary I. Bocheński*, Krzysztof Warsicki*, Anna M. Bocheńska** * Politechnika Warszawska

Analysis of the influence of injection pressure in common rail system on spray tip penetration of the selected alternative fuels

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

Wymagania edukacyjne Technologia napraw zespołów i podzespołów mechanicznych pojazdów samochodowych

BADANIA WIZUALIZACYJNE JAKO METODA OCENY PARAMETRÓW WTRYSKU PALIWA DO SILNIKÓW O ZS

Zespół Szkół Samochodowych w Bydgoszczy

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

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

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

1. Wprowadzenie 1.1. Krótka historia rozwoju silników spalinowych

NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Rola modelowania fizycznego i numerycznego

RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

Problems of determining of fuel spray geometric parameters when based on optical investigations

ANALIZA PROCESU WSTĘPNEJ OBRÓBKI PALIW WE WTRYSKIWACZACH SILNIKÓW POLSKIEJ FLOTY RYBACKIEJ

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

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

Identyfikacja systemu tworzenia i spalania mieszanki w układzie dwóch wtryskiwaczy z bezpośrednim wtryskiem benzyny

ANALIZA NUMERYCZNA OBIEGU CIEPLNEGO WIELOŚWIECOWEGO SILNIKA ZI

Wpływ ruchu ładunku w kolektorze ssącym na przebieg procesu spalania w silniku o zapłonie samoczynnym

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

2. Klasyfikacja i podstawowe wskaźniki charakteryzujące pracę silników spalinowych

TEORETYCZNY MODEL PANEWKI POPRZECZNEGO ŁOśYSKA ŚLIZGOWEGO. CZĘŚĆ 3. WPŁYW ZUśYCIA PANEWKI NA ROZKŁAD CIŚNIENIA I GRUBOŚĆ FILMU OLEJOWEGO

Applications of FEM for explanation of influence of the operating parameters upon failure wear of the piston in a diesel engine

ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

MODEL SPALANIA WODORU Z WYKORZYSTANIEM SYSTEMU AVL FIRE

MODELOWANIE 3D PROCESU NAPEŁNIANIA W SILNIKU O ZI

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

Pytania na egzamin dyplomowy specjalność SiC

DETERMINANTY DOKŁADNOŚCI DAWKOWANIA PALIWA W SYSTEMIE ZASOBNIKOWEGO UKŁADU ZASILANIA COMMON RAIL

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

A comparative analysis of diesel fuel injection parameters in piezoelectric and electromagnetic fuel injectors

WPŁYW PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ NA WŁAŚCIWOŚCI ROZRUCHOWE SILNIKÓW Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM. Karol Franciszek Abramek

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Nowoczesne narzędzia obliczeniowe do projektowania i optymalizacji kotłów

Temat ćwiczenia. Pomiary otworów na przykładzie tulei cylindrowej

Komputerowo wspomagane stanowisko do wyznaczania parametrów wtrysku paliwa

SYMULACJA OBLICZENIOWA OPŁYWU I OBCIĄŻEŃ BEZPRZEGUBOWEGO WIRNIKA OGONOWEGO WRAZ Z OCENĄ ICH ODDZIAŁYWANIA NA PRACĘ WIRNIKA

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI SAMOZAPŁONOWYCH PALIW ZASTĘPCZYCH NA PODSTAWIE SPALANIA W KOMORZE O STAŁEJ OBJĘTOŚCI

The qualitative spray analysis of liquid fuel in high-pressure piezoelectric injection system

Keywords: diesel engine, injection, fuel atomization, vibroacoustic methods

PORÓWNAWCZE BADANIA WIZUALIZACYJNE STRUG PALIWA WYPŁYWAJĄCYCH Z WTRYSKIWACZY KLASYCZNEGO I DOŚWIADCZALNEGO

Kongres Innowacji Polskich KRAKÓW

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

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

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Numeryczna symulacja rozpływu płynu w węźle

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

Analiza spalin silników o zapłonie iskrowym (2)

Obliczenia osiągów dyszy aerospike przy użyciu pakietu FLUENT Michał Folusiaak

WPŁ YW PARAMETRÓW KONSTRUKCYJNYCH ROZPYLACZY NA W Ł A Ś CIWOŚ CI U Ż YTECZNE SILNIKA ZASILANEGO PALIWEM LOTNICZYM

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK SIŁOWNIKÓW UDAROWYCH Z NASTAWIANĄ OBJĘTOŚCIĄ KOMORY

Wydział Mechaniczny. INSTYTUT EKSPLOATACJI POJAZDÓW I MASZYN tel.

SILNIK WYSOKOPRĘśNY DIESLA

The concept of combustion system with use of recirculated exhaust gas in the spark ignition engine

MODELOWANIE WTRYSKU PALIWA DO KOMORY SPALANIA W SILNIKU Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM PRZY UŻYCIU ŚRODOWISKA AVL FIRE

Silniki tłokowe. Dr inŝ. Robert JAKUBOWSKI

INFLUENCE OF THE QUALITY OF FUEL ATOMIZATION ON THE EMISSION OF EXHAUST GASES TOXIC COMPONENTS OF COMBUSTION ENGINES

THE CONTROLLING OF THE FUEL AUTOIGNITION PROCESS DURING DIESEL ENGINE START-UP

PL B1. OSTROWSKI LESZEK, Gdańsk-Wrzeszcz, PL OSTROWSKI STANISŁAW, Gdańsk-Wrzeszcz, PL BUP 26/10

Analiza spalin silników o zapłonie iskrowym (2)

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

ISBN

Silniki AJM ARL ATD AUY

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

COMBUSTION ENGINES SILNIKI SPALINOWE. COMBUSTION ENGINES, No. 4/2010 (143) Editorial. The 7 th - Silniki Spalinowe 4/2010 (143)

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Czy technologia Duala Fuel przyśpieszy rozwój rynku NGV w Europie?

Investigations of operational and optical indexes of the combustion process for the multiple injection different strategies in CI-type model engine

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

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

WPŁYW ZASILANIA SILNIKA PERKINS 1104C BIOETANOLEM NA PRZEBIEG PROCESU WTRYSKU I PODSTAWOWE PARAMETRY ROZPYLANIA

SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESÓW SPALANIA W POJEDYNCZEJ KOMORZE SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ETAP I. PRZYGOTOWANIE OBLICZEŃ

Krzysztof Gosiewski, Anna Pawlaczyk-Kurek

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

AKADEMIA GÓRNICZO HUTNICZA INSTRUKCJE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH: TECHNIKA PROCESÓW SPALANIA

SWISS MADE. - wtryskarki z napędem elektrycznym

INDICATING OF AN ENGINE FUELLED WITH CNG

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 1 2 ISSN

PRÓBA WERYFIKACJI WYNIKÓW SYMULACJI PROCESU WTRYSKIWANIA W WARUNKACH RZECZYWISTYCH

BADANIA MODELOWE GENERATORA PARY WODNEJ W PROGRAMIE AVL FIRE

Badania charakterystyki sprawności cieplnej kolektorów słonecznych płaskich o zmniejszonej średnicy kanałów roboczych

Perspektywy wykorzystania CNG w polskim transporcie

Numeryczna symulacja opływu wokół płata o zmodyfikowanej krawędzi natarcia. Michał Durka

Spis treści. PRZEDMOWA.. 11 WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ.. 13

Laboratoria MES. Porównanie opływu samochodu osobowego i cięŝarowego.

Charakterystyki prędkościowe silników spalinowych

Transkrypt:

PIELECHA Ireneusz 1 MASLENNIKOV Dmitrij CZAJKA Jakub WISŁOCKI Krzysztof wtrysk, rozpylenie paliwa, badania optyczne, badania symulacyjne wtrysku EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE BADANIA ROZPYLENIA BENZYNY Z WYKORZYSTANIEM DWÓCH WTRYSKIWACZY WYSOKOCIŚNIENIOWYCH Praca zawiera omówienie wyników badań dotyczących rozpylenia paliwa z wykorzystaniem wysokociśnieniowego wtrysku benzyny realizowanego przez dwa wtryskiwacze umieszczone w komorze o stałej objętości stałociśnieniowej. Analizie poddano główne wskaźniki strugi paliwa: zasięg, obserwowaną powierzchnię strugi paliwa oraz jej prędkość, zarówno w odniesieniu do pojedynczej strugi paliwa, jak i dwóch strug w układzie przeciwsobnym i kątowym. Dokonano oceny równomierności zasięgu oraz zajmowanej powierzchniobszaru objętego przez obie strugi paliwa. Wykazano wzrost objętości strugi paliwa i skrócenie czasu jej rozprzestrzeniania podczas wtrysku przeciwsobnego przy załoŝeniu jednakowych wielkości podawanych dawek paliwa (jednakowego sumarycznego czasu wtrysku dawkila pojedynczej oraz dwóch przeciwsobnych dawek paliwa). EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATIONS ON THE GASOLINE ATOMIZATION WHEN INJECTED BY TWO HIGH-PRESSURE INJECTORS The paper discusses Tthe results of experimental and numerical investigations into fuel atomization with the use of two high-pressure injectors fitted in thea constant volumecombustion chamber of constant pressure have been discussed in the paper. The analysis mainly relates to the parameters of the fuel spray: spray penetration, observed fuel spray area and its velocity in reference to both a single fuel spray and two opposite fuel sprays. The assessment of the uniformity of the fuel spray penetration for both sprays has been carried out. The authors have shown a growth in the fuel spray volume and a reduction of the time of the fuel spray penetration during the opposite injection at identical fuel doses (identical accumulative injection duration for a single fuel dose and two opposite fuel doses). 1 wszyscy: Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, Polska, tel.: 61 665-2240, fax: 61 665-2207, e-mail: krzysztof.wislocki@put.poznan.pl, ireneusz.pielecha@put.poznan.pl

3398 I. PIELECHA, D. MASLENNIKOV, J. CZAJKA, K. WISŁOCKI 1. WSTĘP Wtrysk bezpośredni benzyny realizowany jest obecnie dwoma sposobami: we wczesnej fazie spręŝania (duŝe wyprzedzenie kątowe względem GMP tłoka) lub podczas końcowej fazy spręŝania (z niewielkim wyprzedzeniem względem GMP). Powoduje to określone skutki dotyczące rozpylenia paliwa: wczesny wtrysk pozwala na wykorzystanie dłuŝszego czasu na przygotowanie mieszanki w celu uzyskania jej większej jednorodności. Skrócenie czasu w drugim przypadku Natomiast późny wtrysk wymaga podania dawki wtryskiwanego paliwa bezpośrednio w okolice świecy zapłonowej w celu uzyskania odpowiednich warunków do uzyskania zapalności mieszanki uwarstwionej. Realizacja wtrysku przeciwbieŝnego lub kątowego pozwala na skrócenie czasu przygotowania mieszanki palnej, tak, aby uzyskać kompromis między wielkością wtryskiwanej dawki a jej parametrami rozpylenia. Kilka lat temu podobne badania były podejmowane [3], jednak nie uzyskano zadowalających rezultatów (badania dotyczyły wtrysku beznyny z wykorzystaniem wtryskiwaczy wielootworkowych). Obecnie w literaturze brak jest podobnych badań wykorzystujących wtrysk przeciwsobny w silnikach ZI w celu przygotowania ładunku do spalania, chociaŝ zastosowanie nowoczesnych wtryskiwaczy piezoelektrycznych tworzy nowe moŝliwości w tym zakresie. 2. OBIEKTY BADAWCZE I ZASTOSOWANA APARATURA Do rozwiązywania problemu badawczego (określonego poniŝej) wykorzystano aparat badawczy w postaci: a) komory o stałej objętości i regulowanym ciśnieniuociśnieniowej (o zmiennych parametrach panujących ciśnień) do badania wtrysku i rozpylenia paliwa ciekłego, dow której był realizowany wtrysk przeciwsobny dwoma wtryskiwaczami do komory badawczej (w celu określenia parametrów geometrycznych strugi paliwa), b) maszyny pojedynczego cyklu, w której realizowano: wtrysk przeciwsobny realizowany dwoma wtryskiwaczami w maszynie pojedynczego cyklu (odpowiednio zaprojektowana głowica, rys. 1, umoŝliwiła realizację takiego postawionego zadania badawczego), wtrysk za pomocą wtryskiwaczy umieszczonych kątowo w komorze spalania maszyny pojedynczego cyklu (brak moŝliwości realizacji wtrysku w komorze badawczej wymusił przekonstruowanie głowicy z pojedynczym, centralnie umieszczonym wtryskiwaczem, tak aby umoŝliwić wtrysk realizowany pod kątem 45 o przez dwa wtryskiwacze benzyny; centralnie umieszczono świecę zapłonową, rys. 2), b) kamery do zdjęć szybkich i programu do ich obróbki DaVis firmy LaVision [2], c) symulacyjnej weryfikacji rozpylenia paliwa z wykorzystaniem oprogramowania FIRE 2010.1 firmy AVL [1]. Badania miały na celu określenie zmian parametrów rozpylenia paliwa wywołanych róŝnym usytuowaniem wtryskiwaczy (opis wcześniejszyche badańwcze prace autorów dotyczącyche wtrysku przeciwsobnego zawarto w pracy [4]) i realizujących proces wtrysku symultanicznie. Badania eksperymentalne dotyczące wtrsysku przeciowsobnego poparto badaniami symulacyjnymi. Ze względu na brak moŝliwości dokonania ilościowej oceny parametrów rozpylenia z wykorzrystaniem kąatowego umieszczenia wtryskiwaczy,

EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE BADANIA ROZPYLENIA 3399 przedstawiono materiał jakościowy (poglądowy)wyniki badań optycznych, natomiast wykonano wstępne badania symulacyjne wykonano w celu pozwalające na wyciągnięciae odpowiednich wniosków ilościowych dotyczących rozpylenia paliwa. Badania optyczne wykonano z wykorzystaniem kamery do szybkiego filmowania HSS 5 z szybkością 10 khz o rozdzielczości filmowania 512 x 512 pikseli. a) b) Rys. 1. Komora spalania z wykorzystaniem wtrysku przeciwsobnego: a) głowica wyposażona we wtryskiwacze i zawory sterujące, b) przekrój poprzeczny głowicy a) a) b) b) b)

3400 I. PIELECHA, D. MASLENNIKOV, J. CZAJKA, K. WISŁOCKI Rys. 2. Komora spalania maszyny pojedynczego cyklu z wtryskiwaczami umieszczonymi kątowo: a) widok głowicy, b) przekrój poprzeczny komory spalania 3. BADANIA PRZECIWSOBNEGO WTRYSKU PALIWA W badaniach określono zmiany parametrów rozpylenia paliwa wywołanych usytuowaniem wtryskiwaczy na przeciwko siebie i realizujących proces wtrysku symultanicznie. Ze wzgldo celówędów porównawczych wykonano badania przebiegu wtrysku, jego równomierności, prędkości rozprzestrzeniania się strug paliwa oraz objętego nimi obszaru w odniesieniu do wtrysku wtryskiwaczem pojedynczym oraz dwoma wtryskiwaczami umieszczonymi na przeciwko siebie. Badania przeprowadzono dla dwóch wartości ciśnienia wtrysku (5 i 20 MPa) oraz jednakowej dawki podawanego paliwa: w przypadku wtryskiwacza pojedynczego czas wtrysku ustalono na 0,6 ms, a przy zastosowaniu dwóch wtryskiwaczy jednoczesne ich otwarcie w czasie 0,3 ms. Wtrysk przeciwsobnych dawek paliwa przy małych wartościach ciśnienia wtrysku (P wtr = 5 MPa) skutkuje większymi rozrzutami wartości zasięgu strug paliwa niŝ w przypadku ciśnienia wiekszego (P wtr = 20 MPa), rys. 3. Początkowy okres wtrysku przebiega jednakowo dla obu dawek (dotyczy to zarówno zasięgu, jak i obszaru zajmowanego przez strugę paliwa) przy róŝnych ciśnieniach paliwa. Końcowa faza rozpylenia (czas od 2 do 5 ms po rozpoczęciu wtrysku) wykazuje znaczne rozrzuty obszaru zajmowanego przez strugę. a) b) Powierzchnia strugi [pix] 50000 Pinj = 5 MPa, tinj = 2 x 0.3 ms 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 B2-50-10-05 B2-50-10-05-2 10000 B2-50-10-03 B2-50-10-03-2 5000 B2-50-5-05 B2-50-5-05-2 B2-50-5-03 B2-50-5-03-2 0 0 1 2 3 4 5 6 t [ms] Zasięg strugi [pix] 200 Pinj = 20 MPa, tinj = 2 x 0,3 ms 180 160 140 120 100 B2-200-10-05 B2-200-10-05-2 80 B2-200-10-03 60 B2-200-10-03-2 B2-50-10-05 40 B2-50-10-05-2 B2-50-10-03 20 B2-50-10-03-2 0 0 1 2 3 4 5 6 t [ms] Rys. 3. Niepowtarzalność zasięgu podczas wtrysku przeciwsobnego dla dwóch wtryskiwaczy: a) przy ciśnieniu wtrysku P wtr = 5 MPa; b) P wtr = 20 MPa

EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE BADANIA ROZPYLENIA 3401 Analiza wtrysku z wykorzystaniem jednego i dwóch wtryskiwaczy umieszczonych przeciwsobnie pozwala na sformułowanie kilku wniosków. Mniejsze ciśnienie wtrysku (P wtr = 5 MPa) powoduje, Ŝe suma obszarów objętych paliwem z dwóch strug jest znacznie większa niŝ obszar pojedynczej strugi (o zwiększonym czasie wtrysku), rys. 4. W początkowej fazie wtrysku (po czasie t = 0,5 ms od rozpoczęcia wtrysku paliwa) zwiększenie obszaru dla dwóch strug osiąga wartość 100% w stosunku do pojedynczej strugi, a następnie róŝnica ta zmniejsza się do 30%. Przy ciśnieniu wtrysku 20 MPa suma obszarów jest większa o ponad 50% w stosunku do obszaru zamowanego przez jedną dawkę (w czasie t = 0,6 ms od rozpoczęcia wtrysku). W końcowej fazie rozpylenia obszary objęte paliwem są jednakowe (dla czasu t = 5 ms). Na podstawie analitycznych obliczeń stwierdzono, Ŝe zmiana pola przekroju poprzecznego strugi paliwa (filmowanego) jest proporcjonalna do zmiany pola powierzchni bocznej tworzącej stoŝka strugi. Wynika z tego, Ŝe niskie ciśnienia wtrysku (P wtr = 5 MPa) pozwalają na uzyskanie dwukrotnie większej powierzchni odparowania paliwa niŝ w przypadku wtrysku konwencjonalnego jednym wtryskiwaczem (przy uwzględnieniu jednakowej sumarycznej dawki wtryskiwanego paliwa). a) b) Powierzchnia wtrysku [pix] 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 Pinj = 5 MPa, tinj = 2 x 0,3 ms suma obszaru dwóch wtrysków +30% pow. róŝnica powierzchni powierzchnia pojedynczego wtrysku B1-50-10-06 Sum S1+S2 +100% powierzchni B2-50-10-03 B2-50-10-03-2 (Sum S2_1+S2_2)-S1 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 RóŜnica powierzchni [pix] Powierzchnia strugi [pix] 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 Pinj = 20 MPa, tinj = 2 x 0,3 ms suma obszaru dwóch wtrysków +0% obszaru powierzchnia pojedynczego wtrysku róŝnica powierzchni B1-200-10-06 Sum S1+S2 B2-200-10-03 +53% powierzchni B2-200-10-03-2 (Sum S2_1+S2_2)-S1 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 RóŜnica powierzchni [pix] 0-2000 0-2000 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 t [ms] t [ms] Rys. 4. Zmiany zasięgu i pola powierzchni strugi w przypadku wykorzystania przeciwsobnego wtrysku paliwa w porównaniu do wtrysku pojedynczej dawki (przy zachowaniu jednakowego sumarycznego czasu wtrysku): a) przy P wtr = 5 MPa; b) przy P wtr = 20 MPa W początkowej fazie wtrysku (po czasie t = 0,5 ms od rozpoczęcia wtrysku paliwa) zwiększenie obszaru dla dwóch strug osiąga wartość 100% w stosunku do pojedynczej strugi, a następnie róŝnica ta zmniejsza się do 30%. Przy ciśnieniu wtrysku 20 MPa suma obszarów jest większa o ponad 50% w stosunku do obszaru zajmowanego przez jedną dawkę (w czasie t = 0,6 ms od rozpoczęcia wtrysku). W końcowej fazie rozpylenia obszary objęte paliwem są jednakowe (dla czasu t = 5 ms). Na podstawie analitycznych obliczeń stwierdzono, Ŝe zmiana pola przekroju poprzecznego strugi paliwa (filmowanego) jest proporcjonalna do zmiany pola powierzchni bocznej tworzącej stoŝka strugi. Wynika z tego, Ŝe małe ciśnienie wtrysku (P wtr = 5 MPa) pozwala na uzyskanie dwukrotnie większej powierzchni odparowania paliwa niŝ w przypadku wtrysku konwencjonalnego jednym

3402 I. PIELECHA, D. MASLENNIKOV, J. CZAJKA, K. WISŁOCKI wtryskiwaczem (przy uwzględnieniu jednakowej sumarycznej dawki wtryskiwanego paliwa). Badania w komorze stałociśnieniowej o stałej objętości poparto badaniami symulacyjnymi z wykorzystaniem oprogramowania FIRE 2010.1 firmy AVL. Badania te wykonano na układzie siatce obliczeniowej zbudowautworzonnejym z 544 000 komórek, stanowiącejym odwzorowanie komory badawczej. Sposób umieszczenia wtryskiwaczy odpowiadał badaniom rzeczywistym (rys. 5). Badania symulacyjne pozwalają na jednoczesną ocenę zarówno rozkładu kropel paliwa, ale równieŝ na oceną rozkładu masy paliwa we wtryskiwanych strugach paliwa. Rys. 5. Sposób symulacji wtrysku przeciwsobnego z wykorzystaniem wysokociśnieniowego wtrysku benzyny

EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE BADANIA ROZPYLENIA 3403 Usytuowanie wtryskiwaczy wpływa w znaczący sposób na rozwój strugi paliwa. Badania rzeczywiste eksperymentalne wskazują na zmniejszenie zasięgu jednej ze strug paliwa (rys. 6). Podobnych rezultatów nie obserwowano dla układu poddanego symulacji (istnieje moŝliwość zadania kierunku i zwrotu siły przyciągania ziemskiego, jednak z takich opcji nie skorzystano). Powoduje to, Ŝe rozkład przekroju strug paliwa jest symetryczny. Przedstawione obrazy symulacji (wykonane jako przekroje strugi paliwa) wskazują na istnienie stref i obszarów o zróŝnicowanym transporcie masy wewnątrz strugi paliwa. 1 ms 2 ms 3 ms 4 ms 5 ms 6 ms 7 ms Symulacje Eksperyment Symulacje Eksperyment 0,1 ms Rys. 6. Wyniki badań eksperymentalnych i symulacje dotyczące rozpylenia paliwa podczas wtrysku przeciwsobnego: warunki badań: Pwtr = 20 MPa; Ppow = 1 MPa; twtr = 2 x 0,5 ms; qo = 2 x 34,5 mg; Tpal = 330 K; Tpow = 350 K; warunki symulacji: model rozpadu kropel: KH-RT,

3404 I. PIELECHA, D. MASLENNIKOV, J. CZAJKA, K. WISŁOCKI model parowania kropel: model Dukowicza, model turbulencji: k-zeta-f, siatka 544 000 komórek 4. WTRYSK KĄTOWY REALIZOWANY RZEZ DWA WTRYSKIWACZE Realizacja wtrysku dwoma wtryskiwaczami moŝliwa jest równieŝ z kątowym ustawieniem wtryskiwaczy w komorze spalania. Sposób ten jest tym skuteczniejszy, Ŝe nie wymaga, tak jak w poprzednim przypadku, znaczących przeróbek w układzie komory spalania; (ze względu na przeciwsobne usytuowanie wtryskiwaczy konieczne jest było zwiększenie komory spalania, a tym samym obniŝenie stopnia spręŝania. W obecnym przypadku stopień spręŝania moŝe zostać zachowany (w stosunku do konwencjonalnego układu z jednym wtryskiwaczem), a moŝliwe jest szerokie kształtowanie procesu wtrysku symultanicznego (rys. 7) lub wtrysku z przesunięciem czasowym między wtryskiwanymi dawkami (rys. 8). t wtr = 0,2 ms t wtr = 0,4 ms t wtr = 0,6 ms Rys. 7. Poglądowy widok rozpylenia paliwa z wykorzystaniem dwóch kątowo umieszczonych wtryskiwaczy (P wtr = 5 MPa; P pow = 1 MPa; t wtr = 0,3 ms) t wtr = 0,4 ms t wtr = 0,6 ms t wtr = 0,8 ms Rys. 8. Poglądowy widok rozpylenia paliwa z wykorzystaniem dwóch kątowo umieszczonych wtryskiwaczy z przesuniętymi w czasie dawkami wtrysku (P wtr = 5 MPa; P pow = 0,5 MPa; t wtr = 0,3 ms) Geometria usytuowania wtryskiwaczy podczas realizacji kątowego wtrysku paliwa dwoma wtryskiwaczami została tak zaprojektowana, aby uzyskać tworzącą stoŝka rozpylanego paliwa równoległą do górnej płaszczyzny głowicy. Pozwala to na takie tworzenie strugi paliwa, które osiągnie świecę zapłonową (elektrodę świecy) w sposób pozwalający na przewidywanie jakościowego rozpylenia paliwa w określonej przestrzeni

EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE BADANIA ROZPYLENIA 3405 komory spalania (rys. 9). Wykonane badania symulacyjne symultanicznego wtrysku i rozpylenia paliwa wskazują na istnienie w okolicy świecy zapłonowej wystarczających warunków do zapalności mieszanki. Badania symulacyjne pozwalają równieŝ na przewidywanie dalszego rozwoju strugi paliwa w przypadku gdyby realizowany był wtrysk wielofazowy, przy czym dawką zapalającą byłaby ostatnia dawka wtryskiwanego paliwa. Analiza rozwoju strugi paliwa wskazuje na występowanie obszarów o współczynniku nadmiaru powietrza zbliŝonym do jedności w znacznie większej objętości komory spalania niŝ w przypadku wtrysku realizowanego pojedynczym wtryskiwaczem (rys. 10). Czas od rozpoczęcia wtrysku 0,2 ms 0,3 ms 0,4 ms 0,5 ms 0,6 ms φ miejsce usytuowania świecy zapłonowej Rys. 9. Zmiany stopnia równoważności φ (odwrotność współczynnika nadmiaru powietrza) w czasie od rozpoczęcia wtrysku do osiągnięcia przez strugę okolic świecy zapłonowej podczas wtrysku kątowego dwoma wtryskiwaczami badania symulacyjne (parametry wtrysku: P wtr = 20 MPa; 2 x t 1 = 0.5 ms; P pow = 1 MPa; t pow = 550 K)

3406 I. PIELECHA, D. MASLENNIKOV, J. CZAJKA, K. WISŁOCKI t [ms] 0,7 0,8 0,9 1,0 Rozkład współczynnika φ widok strugi i miejsca wykonania przekroju Rys. 10. Wpływ wtrysku kątowego dwoma wtryskiwaczami na rozwój strugi i na zmiany energii kinetycznej turbulencji badania symulacyjne (parametry wtrysku: P wtr = 20 MPa; 2 x t 1 = 0.5 ms; P pow = 1 MPa; t pow = 550 K) Analiza rozkładu masy rozpylonego paliwa z wykorzystaniem dwóch wtryskiwaczy pozwala na ocenę moŝliwości jego późniejszego spalania. Niewielka kumulacja masy paliwa wokół świecy zapłonowej podczas inicjowania zapłonu (czas między 0,5 ms i 1,0 ms na rys. 11) pozwala na uzyskanie odpowiedniej zapalności mieszanki, a następnie moŝliwy jest jej rozwój w głąb komory spalania (obszary o większej intensywności kolorów wskazują na zwiększenie masy w danym obszarze). Dzięki temu moŝliwe jest przyspieszenie procesu spalania, ze względu na to, Ŝe w komorze spalania istnieją obszary, które zawierają palną mieszankę. Wtrysk kątowo umieszczonymi wtryskiwaczami pozwala na wykorzystanie znacznie większego obszaru komory spalania do odpowiedniego rozpylenia paliwa i uzyskania jego atomizacji. Dane pokazanezawarte w sposób jakościowy na rys, 12 wskazują na zmienny sposób ukształtowania ładunku w cylindrze. Takie rozłoŝenie ładunku nie jest moŝliwe przye wykorzystaniu tradycyjnego sposobu wtrysku benzyny. Przedstawiona koncepcja wtrysku paliwa pozwala na realizację spalania ładunku uwarstwionego, które to uwarstwienie nie jest skupione w jednym obszarze komory spalania. PowyŜsze badania wykonano bez wymuszenia zawirowania ładunku w cylindrze. Zwiększenie turbulencji ładunku w komorze spalania pozwala na uzyskanie ładunku quasihomogenicznego pomimo wtrysku realizowanego w koncepcji uwarstwionej. MoŜe to stanowić kolejna próbę sterowania procesem wtrysku i spalania w silniku o zapłonie iskrowym.

EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE BADANIA ROZPYLENIA 3407 t = 0,5 ms 1,0 ms 1,5 ms 2,0 ms 2,5 ms 3,0 ms Rys. 11. Wpływ wtrysku kątowego dwoma wtryskiwaczami na rozkład masy w strugach wtryskiwanego paliwa badania symulacyjne (parametry wtrysku: P wtr = 20 MPa; 2 x t 1 = 0.5 ms; P pow = 1 MPa; t pow = 550 K) Przedstawiona koncepcja wtrysku paliwa pozwala na realizację spalania ładunku uwarstwionego, które to uwarstwienie nie jest skupione w jednym obszarze komory spalania. PowyŜsze badania wykonano bez wymuszenia zawirowania ładunku w cylindrze. Zwiększenie turbulencji ładunku w komorze spalania pozwala na uzyskanie ładunku quasihomogenicznego pomimo wtrysku realizowanego w koncepcji uwarstwionej. MoŜe to stanowić kolejną próbę znalezienia racjonalizacji sterowania procesem wtrysku i spalania w silniku o zapłonie iskrowym.

3408 I. PIELECHA, D. MASLENNIKOV, J. CZAJKA, K. WISŁOCKI Rys. 12. Jakościowy rozkład masy w cylindrze w wyniku stosowania wtrysku kątowego (parametry wtrysku: P wtr = 20 MPa; 2 x t 1 = 0.5 ms; P pow = 1 MPa; t pow = 550 K) 5. WNIOSKI Realizacja wtrysku paliwa dwoma wtryskiwaczami powoduje znaczne korzyści w kształtowaniu strugi. MoŜliwe jest uzyskanie prawie dowolnie ukształtowanego rozkładu współczynnika nadmiaru powietrza w komorze spalania, a takŝe jego rozkładu masy paliwa. Zabiegi takie prowadzą do wykorzystania powyŝszego takiego rozwiązania do sterowania procesem wtrysku paliwa, a takŝe w konsekwencji równieŝ sterowaniaem jego spalaniem. Rozwiązania takie powinny przyczynić się do ograniczenia zuŝycia paliwa przez silniki ZI, a takŝe do obniŝenia emisji toksycznych składników spalin. 6. BIBLIOGRAFIA [1] AVL FIRE ver. 2010.1, ICE Physics&Chemistry. AVL Graz 2010. [2] Davis 7.2. LaVision, Göttingen, Niemcy. www.lavision.de [3] Jelitto Ch.: Numerische Auslegung eines neuen Brennverfahrens für Benzin-Direkteinspritzung. Dissertation, Der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fakultät für Maschinenbau, 2004. [4] Pielecha I., Wisłocki K., Czajka J., Maslennikov D.: Gasoline Atomization with the Use of Two Opposite High-Pressure Injectors, 24 rd European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems ILASS Europe 2011, Estoril 2011.