article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(87)/2012
Władysław Mitianiec1
WPŁYW BEZPOŚREDNIEGO WTRYSKU PALIWA NA EMISJĘ SPALIN
W DWUSUWOWYM SILNIKU SPALINOWYM ZI
1. Wprowadzenie
W małej motoryzacji oraz w gospodarce leśnej, ogrodnictwie, w pracach drogowych
i innych są stosowane w dalszym ciągu silniki dwusuwowe małej objętości skokowej,
o zapłonie iskrowym. Z uwagi na małe wymiary oraz niezbyt skomplikowaną
technologię wykonania oraz małe wymagania eksploatacyjne, silniki te są nadal
atrakcyjne dla użytkowników. Mała masa silnika oraz duży objętościowy wskaźnik
mocy powoduje, że są one stosowane szczególnie w konkurencjach sportowych takich,
jak triale lub inne konkurencje terenowe. Poza tym brak miski olejowej umożliwia pracę
silnika w różnych pozycjach przy zastosowaniu gaźnika bezpływakowego.
Symetryczność faz rozrządu szczelinowo-tłokowego w klasycznym silniku powoduje
wypływ mieszanki paliwowo-powietrzej z cylindra do układu wylotowego w procesie
przepłukania. Powoduje to stratę paliwa, jak również zmniejsza sprawność napełnienia.
Zasadnicze wady, jakimi jest duże jednostkowe zużycie paliwa oraz duża emisja
węglowodorów i tlenku węgla, wynikające z procesu przepłukania oraz niedoskonałości
procesu spalania, powodują ich marginalne znaczenie w transporcie w ostatnich latach.
Ostre wymagania ochrony środowiska ze względu na emisję węglowodorów, tlenku
węgla oraz hałaśliwość tych silników zmusza badaczy i konstruktorów do poszukiwania
nowych rozwiązań zwiększających atrakcyjność dwusuwowych silników ZI. Jedną
z metod jest rozwijany przez ostatnie 20 lat system bezpośredniego wtrysku mieszanki
lub paliwa [1][2]. System ten jednakże komplikuje konstrukcję silnika. Bezpośredni
wtrysk paliwa do cylindra zapewnia jednakże brak straty wylotowej, kiedy paliwo jest
wtryskiwane do cylindra po zamknięciu okna wylotowego przez tłok w procesie
sprężania.
System bezpośredniego wtrysku paliwa musi zapewnić dobre rozpylenie kropel
paliwa w ładunku i brak kontaktu ciekłego paliwa ze ściankami cylindra i tłoka [3].
W tym celu najlepszym sposobem jest zastosowanie elektronicznego systemu wtrysku
paliwa zależnie od obciążenia i prędkości obrotowej. Taki system bezpośredniego
wtrysku paliwa został opracowany przez autora i wykonany przez zespół w Katedrze
Silników Spalinowych Politechniki Krakowskiej [4]. Zastosowanie elektronicznie
sterowanego bezpośredniego wtrysku paliwa pozawala na znaczne zmniejszenie emisji
szkodliwych składników spalin i zużycia paliwa.
2. Cel i zakres pracy
Silnik dwusuwowy o zasilaniu gaźnikowym został zmodyfikowany przez
zainstalowanie systemu bezpośredniego wysokociśnieniowego wtrysku paliwa. Na
podstawie wcześniej przeprowadzonych symulacji numerycznych w programach KIVA
[5] i GT-Power [6] stwierdzono zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa i emisji
najważniejszych toksycznych składników spalin. Opracowany został również własny
1
dr hab. inż. Władysław Mitianiec, profesor Politechniki Krakowskiej
49
program komputerowy do przeprowadzenia optymalizacji parametrów wtrysku paliwa
ze względu na parametry robocze i emisję spalin. Obliczenia komputerowe wykonane
w tych programach wykazały, że początek wtrysku paliwa powinien zachodzić po
zamknięciu okna wylotowego.
Celem pracy badawczej było potwierdzenie wyników badań symulacyjnych zmniejszenia jednostkowego zużycia paliwa oraz zmniejszenia emisji węglowodorów
i tlenku węgla w spalinach w silniku dwusuwowym przy zastosowaniu bezpośredniego
wtrysku paliwa.
Zakres badań doświadczalnych przeprowadzonych na hamowni silnikowej
z hamulcem elektrowirowym firmy Automex obejmował:
- wykonanie charakterystyk regulacyjnych parametrów wtrysku (zmiana ciśnienia
wtryskiwanego paliwa, zmiana faz otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza) dla
różnych prędkości obrotowych,
- wykonanie charakterystyk obciążeniowych dla zadanych parametrów wtrysku paliwa,
- wykonanie charakterystyk prędkościowych silnika dwusuwowego z bezpośrednim
wtryskiem benzyny dla zoptymalizowanych parametrów wtrysku oraz dla silnika
gaźnikowego,
- analizę procesu spalania na podstawie wykresów indykatorowych otrzymanych
z pomiarów dla kilku prędkości obrotowych.
Z uwagi na brak na rynku typowej aparatury wtryskowej dla silników spalinowych
o małej objętości skokowej otrzymane wyniki rokują nadzieję na znacznie większe
zwiększenie sprawności ogólnej silnika oraz większe zmniejszenie emisji
węglowodorów i tlenku węgla. Udział molowy tlenków azotu w spalinach silnika
dwusuwowego jest kilkakrotnie mniejszy niż w silniku czterosuwowym bez udziału
reaktora katalitycznego.
3. Dwusuwowy silnik badawczy z bezpośrednim wtryskiem paliwa
Schemat stanowiska badawczego pokazany jest na rys. 1 z oznaczeniem tekstowym
poszczególnych elementów całego systemu.
50
Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego silnika dwusuwowego z bezpośrednim
wtryskiem paliwa z elektronicznym układem sterowania
Dwusuwowy silnik badawczy z bezpośrednim wysokociśnieniowym wtryskiem
benzyny został wykonany na bazie 1-cylindrowego chłodzonego powietrzem
przemysłowo-stacjonarnego silnika Robin EC12 firmy Fuji Heavy Industries o objętości
skokowej 115 cm3. Modyfikacja silnika polegała na usytuowaniu w głowicy
wtryskiwacza pod kątem 20 w stosunku do osi cylindra od strony układu wylotowego.
Taka pozycja wtryskiwacza umożliwiała lepszą penetrację strumienia paliwa
w przepłukującym powietrzu i została ustalona w wyniku licznych badań symulacyjnych
w programie Kiva3v. Parametry otwarcia wtryskiwacza zostały wstępnie dobrane na
podstawie licznych obliczeń przeprowadzonych za pomocą programu GT‒Power.
W celu dobrego rozpylenia paliwa w cylindrze o małej średnicy kropel zastosowano
ciśnienie wtrysku ponad 45 bar wykorzystując konwencjonalny wtryskiwacz z silnika
Volkswagen FSI. Wtryskiwacz ten pracował w dolnym zakresie czasów otwarcia i nie
był optymalnym rozwiązaniem dla badanego silnika. Sterowanie pracą silnika i układu
wtryskowego odbywało się za pomocą specjalnie opracowanego programu
w środowisku Labview poprzez kartę analogowo-cyfrową National Instruments.
Program umożliwiał sterowanie wielkością dawki paliwa poprzez czas wtrysku,
a początek otwarcia wtryskiwacza uzależniony był głównie od prędkości obrotowej
silnika. Ciśnienie wtrysku paliwa wywołane było pompą wysokociśnieniową
i regulowane przy stałej zadanej wartości za pomocą regulatora ciśnienia. Skrzynia
korbowa była zasilana wyłącznie powietrzem, a masowe natężenie przepływu powietrza
mierzono za pomocą wykalibrowanego przepływomierza z grzanym elementem.
Masowe zużycie paliwa wyznaczano przez ubytek masy paliwa w szczelnym zbiorniku
umieszczonym na wadze laboratoryjnej z uwagi na bardzo małą dawkę podawanego
paliwa. Wstępne pomiary udziałów objętościowych 5 składników gazów spalinowych:
CO2, CO, NOx, HC i O2 zostały wykonane za pomocą analizatora typu NDIR Arcon
Olivier z dokładnością 2,5%.
4. Wyniki badań doświadczalnych
Przeprowadzono badania doświadczalne wpływu wybranych parametrów wtrysku
na parametry robocze i emisję najważniejszych składników spalin, m.in.: ciśnienia
wtrysku paliwa przy stałym początku wtrysku, kąta wyprzedzenia wtrysku, dawki paliwa
dla różnych prędkości obrotowych. Na postawie wstępnych badań doświadczalnych
ustalono zakres kąta wtrysku paliwa. Początek wtrysku paliwa powinien zachodzić nie
wcześniej niż 100 OWK przed GMP, a czas trwania wtrysku wynikał z charakterystyki
wtryskiwacza i nie mógł być mniejszy niż 700 s. Ustalono również optymalną wartość
ciśnienia wtrysku na 55 bar ze względu na jakość rozpylenia paliwa oraz minimalny czas
wtrysku. Parametry wtrysku paliwa wpływały decydująco na parametry robocze silnika
i emisję węglowodorów oraz tlenku węgla.
Rysunek 2 przedstawia zmianę udziałów objętościowych tlenku węgla dla trzech
prędkości obrotowych w zależności od obciążenia silnika. Ze wzrostem obciążenia
wzrastała dawka paliwa, a pomimo to malały udziały objętościowe tlenku węgla.
Najmniejszy udział CO w spalinach zaobserwowano dla dużych obciążeń i prędkości
obrotowej 3000 obr/min. Podobny charakter zmian ma udział objętościowy
węglowodorów w spalinach (rys.3). Udział ten osiąga najmniejszą wartość 100 ppm
przy największych obciążeniach i prędkości obrotowej również 3000 obr/min, przy
czym największa wartość nie przekracza 1000 ppm.
51
Rys. 2. Udział objętościowy tlenku węgla w zależności od obciążenia silnika dla trzech
prędkości obrotowych
Rys. 3. Udział objętościowy węglowodorów w zależności od obciążenia silnika dla
trzech prędkości obrotowych
52
Ilość tlenków azotu w spalinach silnika dwusuwowego z bezpośrednim wtryskiem
paliwa rośnie z obciążeniem silnika niezależnie od prędkości obrotowej, co pokazuje
rys. 4. Jednakże udział objętościowy tlenków azotu jest znacznie mniejszy niż
w silnikach 4-suwowych z uwagi na dużą pozostałość spalin z poprzedniego cyklu
roboczego i w czasie badań wartość ta nie przekraczała 300 ppm. Uniknięcie straty
wylotowej paliwa poprzez zastosowanie bezpośredniego wtrysku benzyny miało
decydujący wpływ na zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa, co ilustrują
charakterystyki obciążeniowe przeprowadzone dla prędkości obrotowych 2500, 3000
i 3500 obr/min (rys.5). Minimalna wartość jednostkowego zużycia paliwa osiągała
wartość 280 g/kWh.
Rys. 4. Udział objętościowy tlenków azotu w zależności od obciążenia silnika dla trzech
prędkości obrotowych
Rys. 5. Jednostkowe zużycie paliwa w zależności od obciążenia silnika dla trzech
prędkości obrotowych
53
Wykorzystanie większej ilości paliwa w procesie spalania, jak również polepszenie
tego procesu poprzez turbulencję ładunku wywołaną procesem wtrysku, skutkowało
również zwiększeniem udziału objętościowego dwutlenku węgla w spalinach. Rysunek 6
przedstawia porównanie udziału objętościowego CO2 w spalinach silnika gaźnikowego
i silnika z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Maksymalna wartość tego udziału
zwiększa się z 7% do prawie 11%, co skutkuje zmniejszeniem się udziału tlenku węgla
w spalinach. Polepszenie procesu spalania w wyniku dobrania właściwego ustawienia
wtryskiwacza względem ruchu ładunku wywołanego procesem przepłukania skutkowało
znacznym zmniejszeniem emisji tlenku węgla. Rysunek 7 przedstawia porównanie
udziału objętościowego CO w spalinach dwusuwowego silnika gaźnikowego i silnika
z bezpośrednim wtryskiem paliwa przy pełnym otwarciu odpowiednio przepustnicy
mieszanki i przepustnicy powietrza. Ilość CO w spalinach spadła z 7% do 2% przy
największych prędkościach obrotowych. Jest ona jeszcze zbyt duża, co spowodowane
jest niezupełnym procesem spalania przy ściankach cylindra.
Rys. 5. Jednostkowe zużycie paliwa w zależności od obciążenia silnika dla trzech
prędkości obrotowych
Zastosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa w silniku dwusuwowym o zapłonie
iskrowym ma największy wpływ na zmniejszenie emisji węglowodorów. Rysunek 8
przedstawia w skali logarytmicznej przebieg udziałów objętościowych węglowodorów
dla silnika gaźnikowego i silnika badawczego przy pełnym otwarciu przepustnic na
dolocie. Silnik gaźnikowy wykazywał prawie 4000 ppm HC w spalinach, a w silniku
z bezpośrednim wtryskiem benzyny udział ten dochodził do 100 ppm, przy średniej
wartości około 300 ppm, co jest ponad 10-krotnym zmniejszeniem emisji tych związków
chemicznych. Polepszenie procesu spalania skutkowało niewielkim wzrostem
temperatury ładunku, co wpływało na proces powstawania tlenków azotu. W silniku
gaźnikowym zaobserwowano mniejszy udział objętościowy tlenków azotu w spalinach
niż w silniku z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Różnica tych udziałów jest większa
przy większych prędkościach obrotowych, co pokazuje rys. 9, ale w dalszym ciągu jest
mniejsza niż w 4-suwowych silnikach spalinowych.
54
Rys. 6. Porównanie udziału objętościowego CO2 w spalinach silnika gaźnikowego
i silnika z wtryskiem bezpośrednim paliwa
Rys. 7. Udział objętościowy CO w spalinach silnika gaźnikowego i silnika badawczego
55
Rys. 8. Porównanie udziału objętościowego węglowodorów w spalinach silnika
gaźnikowego i silnika z wtryskiem bezpośrednim paliwa
Rys. 9. Udział objętościowy NOx w spalinach silnika gaźnikowego i silnika z wtryskiem
bezpośrednim
56
5. Wnioski z badań doświadczalnych
1. W wyniku zastosowania bezpośredniego wtrysku paliwa w dwusuwowym silniku ZI
udział objętościowy węglowodorów w spalinach został zmniejszony ponad
10 ‒krotnie do wartości minimalnej 100 ppm.
2. Zastosowanie wysokociśnieniowego wtrysku benzyny spowodowało zmniejszenie
udziału objętościowego tlenku węgla z 7 do 2 % w zakresie większych prędkości
obrotowych.
3. Nieznacznie wzrósł udział tlenków azotu (o około 100 ppm) dla większych prędkości
obrotowych w wyniku większej mocy silnika dla tego zakresu prędkości
obrotowych.
4. Emisje węglowodorów, tlenku węgla, dwutlenku węgla oraz jednostkowe zużycia
paliwa maleją z obciążeniem silnika, natomiast wzrasta emisja tlenków azotu.
5. Zastosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa w 2-suwowym silniku ZI pozwoliło
zwiększyć sprawność ogólną silnika i znacząco obniżyć emisję szkodliwych
składników spalin.
Literatura:
[1] Basshuysen, R.: Gasoline Engine with Direct Injection. Vieveg & Teubner Verlag,
Wiesbaden, 2009
[2] Basshuysen, R.: Ottomotor mit Direkteinspritzung. Verfahren, Systeme, Entwicklung,
Potenzial. Vieveg & Teubner Verlag, Wiesbaden, 2008
[3] Mitianiec W.: Wtrysk paliwa w silnikach dwusuwowych małej mocy. Polska
Akademia Nauk. Kraków, 1999
[4] Mitianiec W., Forma M.: Simulation and experimental test of spray guided direct fuel
injection in a two-stroke engine. Combustion Engines, 2009-SC2, PTNSS-2009-SC43, p. 105-112, Bielsko-Biała, 2009
[5] Amsden A.A., O'Rurke P.J., Butler T.D.: KIVA-II – A Computer Program for
Chemically Reactive Flows with Sprays. Los Alamos National Lab., LA-11560-MS,
1989
[6] GT-Power User Manual, version 6.2. Gamma Technologies, Westmont, IL, 2006
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki badań doświadczalne emisji wybranych składników
spalin uzyskane na eksperymentalnym silniku dwusuwowym ZI z bezpośrednim
wtryskiem benzyny. Uzyskano ponad 10-krotne zmniejszenie udziału objętościowego
węglowodorów oraz znaczne zmniejszenie udziału objętościowego tlenku węgla
w spalinach w porównaniu do standardowego silnika gaźnikowego. W pracy
przedstawiono charakterystyki obciążeniowe emisji węglowodorów, tlenku węgla,
tlenków azotu oraz jednostkowego zużycia paliwa oraz charakterystyki prędkościowe
tych emisji dla silnika gaźnikowego i badawczego Zastosowanie bezpośredniego
wtrysku paliwa pozwoliło również na zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa
o ponad 30 procent.
Słowa kluczowe: transport, silnik dwusuwowy, wtrysk bezpośredni paliwa, emisja
spalin
57
INFLUENCE OF DIRECT FUEL INJECTION ON EXHAUST GAS
EMISSION IN SI TWO-STROKE ENGINE
Abstract
The paper presents experimental results of exhaust gas emission of chosen
components obtained on modified SI two-stroke engine with direct gasoline injection.
The experimental research indicated above 10-times decreasing of volumetric ratio of
hydrocarbons and a considerable decrease of carbon monoxide emission in comparison
to the standard carburetted engine. The work presents load characteristics of emission of
hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen oxides and specific fuel consumption and
speed characteristics those emissions for the carburetted engine and experimental engine.
Application of direct fuel injection enables also decreasing of specific fuel consumption
above 30 percent.
Keywords: transportation, two-stroke engine, direct fuel injection, exhaust gas emission
58