use of the characteristic points of heat release course for the control
Transkrypt
use of the characteristic points of heat release course for the control
Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3‐4 ISSN 1231 ‐ 4005 USE OF THE CHARACTERISTIC POINTS OF HEAT RELEASE COURSE FOR THE CONTROL OF COMBUSTION PROCESS IN COMPRESSION IGNITION ENGINES Tomasz Gilowski, Zdzisław Stelmasiak Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Katedra Silników Spalinowych i Pojazdów, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała, tel.(033) 8163655, fax. (033)8163654 e-mail: [email protected] [email protected] Abstract The paper presents the analyse of heat release process in the self ignition engine fed conventional and compressed natural gas (CNG) in the dual fuel system. The comparison object were the characteristic points of the heat release course correspond to: start of combustion; points of 30%, 50% and 80% the total heat released in the cycle; end of combustion. The analysis of the location characteristic points to the TDC will be used as the control criterion of the pilot dose injection timing in the dual fuel engine. The preliminary analysis shown that 80% of total heat released in engine cycle take place in shorter time as 50% the total combustion time. After-burning of the last 2% fuel is significantly long what extend the total combustion time. This difficult development of changes engine regulation on the total combustion time. The general conclusion can be used in the combustion analysis and engine adaptation to dual fuel fuelling as well as in the control system design. WYKORZYSTANIE CHARAKTERYSTYCZNYCH PUNKTÓW PRZEBIEGU WYDZIELANIA CIEPŁA DO STEROWANIA PROCESEM SPALANIA W SILNIKACH ZS Streszczenie W artykule przedstawiono analizę przebiegu wydzielania ciepła w silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym tradycyjnie oraz gazem ziemnym sprężonym (CNG) w układzie dwupaliwowym. Przedmiotem analizy były wyniki obliczeń uzyskane na podstawie zarejestrowanych wykresów indykatorowych jednocylindrowego silnika badawczego o wtrysku bezpośrednim. Analizowano położenie względem GMP charakterystycznych punktów przebiegu wydzielania ciepła odpowiadających: początkowi spalania; końcom wydzielania 30%, 50% i 80% całkowitej ilości ciepła wydzielonego w cyklu pracy oraz końcowi spalania. Wstępna analiza położenia punktów charakterystycznych wykazała, że 80% całkowitego ciepła jest wydzielana w czasie krótszym niż połowa czasu spalania ładunku. Dalszy proces spalania jest przewlekły, a spalanie ostatnich 2% dawki trwa na tyle długo, że znacząco zakłóca analizy wpływu zmiany regulacji silnika na całkowity czas spalania. Wnioski ogólne mogą być wykorzystane w badaniach procesu spalania w silnikach ZS oraz przy adaptacji silników do zasilania dwupaliwowego i budowie systemów ich sterowania. 1. Wprowadzenie Wymagania stawiane współczesnym silnikom spalinowym szczególnie w zakresie sprawności ogólnej i toksyczności spalin zmuszają konstruktorów do ciągłego doskonalenia systemów sterowania pracą silnika. Rozwój mikroprocesorów oraz algorytmów przetwarzania danych w czasie rzeczywistym, umożliwia stosowanie aktywnych systemów sterowania podczas pracy silnika [1, 2, 3, 4]. Wykorzystują one wcześniej zarejestrowane przebiegi parametrów spalania do sterowania kolejnymi cyklami pracy silnika. W sterowaniu wykorzystuje się przede 88 wszystkim przebieg procesu wydzielania ciepła, który ma decydujący wpływ na parametry pracy silnika, jego sprawność ogólną i toksyczność spalin. Z punktu widzenia najwyższej sprawności silnika dąży się aby zasadnicza część ciepła została wydzielona w możliwie krótkim czasie w okolicach GMP [1, 3, 6]. Równocześnie ze względu na obciążenia mechaniczne, hałaśliwość pracy i toksyczność spalin (głównie stężenia NOx) szybki proces wydzielania ciepła nie jest korzystny [6]. W systemach aktywnego sterownia procesem spalania wykorzystuje się analizę pojedynczych obiegów pracy, co pozwala na szybkie i precyzyjne wyznaczanie optymalnego początku wtrysku paliwa, przebiegu wtrysku oraz innych parametrów sterowania. W trakcie pracy silnika dokonuje się korekty tych parametrów tak aby silnik pracował według założonego kryterium optymalizacji. 2. Stanowisko badawcze i metodyka badań Badania wykonano na jednocylindrowym silniku o zapłonie samoczynnym i wtrysku bezpośrednim 1CA90. Dane techniczne silnika przedstawiono w tabeli 1. Silnik zasilano olejem napędowym oraz dwupaliwowo, to jest sprężonym gazem ziemnym (CNG) oraz pilotującą dawką oleju napędowego. Wykonano charakterystyki obciążeniowe silnika w zakresie prędkości obrotowych 1750÷3000 obr/min oraz zmian obciążenia silnika od minimalnego do maksymalnego. W przypadku zasilania olejem napędowym maksymalne obciążenie było ograniczone zjawiskiem dymienia, natomiast przy zasilaniu dwupaliwowym zjawiskiem spalania stukowego w zakresie bogatych mieszanin gaz-powietrze. Tabela 1 Dane techniczne silnika 1CA90 Liczba cylindrów Średnica cylindra Skok Pojemność skokowa Stopień sprężania Moc użyteczna Prędkość obrotowa Typ komory spalania Wyprzedzenie wtrysku 1 90 mm 90 mm 573 cm3 16.8 6.1 kW 3000 obr/min wtrysk bezpośredni do toroidalnej komory w tłoku 28 oOWK przed GMP W analizie przebiegu wydzielania ciepła wykorzystywano średnie wykresy indykatorowe ze 128 kolejno po sobie następujących cykli pracy. Wartości ciśnień rejestrowano co 0,5 oOWK dla 720 oOWK, w pełnym zakresie pracy silnika obejmującym zarówno fazę spalania jak i fazy wymiany ładunku. Wykresy indykatorowe rejestrowano przy pomocy układu INDIMETER typ 619 i nadajnika kąta obrotu wału korbowego typ 3016 produkcji AVL. Do obliczeń wykorzystywano opracowany w Katedrze Silników Spalinowych i Pojazdów program wydzielania ciepła oparty o rejestrowane w czasie badań przebiegi ciśnień. W pierwszym kroku obliczeniowym zarejestrowane ciśnienia są poddawane procedurze aproksymacyjnej, która ma na celu wygładzenie danych pomiarowych. Do tego celu 89 wykorzystywano aproksymację funkcjami sklejanymi trzeciego stopnia, która zapewnia ciągłość drugiej pochodnej. Jest to bardzo ważna zaleta stosowanej metody, ponieważ w dalszych etapach obliczeń wykorzystuje się pierwszą pochodną obliczaną numerycznie. Ważnym krokiem obliczeń jest ustalenie prawidłowego punktu początku spalania. Do jego wyznaczenia stosowano dwie metody [5]. • Pierwsza metoda polega na analizie przebiegu pierwszej pochodnej ciśnienia. W punkcie odpowiadającym początkowi spalania na linii ciśnienia występuje punkt przegięcia, któremu na wykresie pochodnej odpowiada minimum lokalne. Punkt występowania minimum lokalnego pierwszej pochodnej ciśnienia między wtryskiem paliwa a GMP jest przyjmowany jako początek spalania. • Druga metoda opiera się na analizie przebiegu chwilowego wykładnika politropy sprężania. W końcowej fazie procesu sprężania, wskutek intensywnego odprowadzania ciepła od czynnika do ścianek cylindra, wykładnik politropy maleje. Po zapłonie paliwa i stabilizacji płomienia, wskutek intensywnego wydzielania ciepła wykładnik politropy zaczyna gwałtownie rosnąć. Punkt występowania minimum na przebiegu politropy przyjmowany jest w obliczeniach jako początek spalania. Jako punkt końca wydzielania ciepła przyjmowany był punkt równości chwilowego wykładnika politropy oraz chwilowego wykładnika adiabaty. Ze względu na efektywność metody numerycznej oraz możliwość uzyskania powtarzalnych wyników, jako punkt końca aktywnego wydzielania ciepła przyjmowano w dalszych analizach punkt odpowiadający 98% całkowitej ilości ciepła wydzielonego w cyklu pracy, oznaczanej dalej jako Qmax. Ilość ciepła od początku spalania obliczano całkując chwilową szybkość wydzielania ciepła obliczaną na podstawie bilansu energii zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki. 3. Analiza przebiegu wydzielania ciepła Analizę przebiegu wydzielania ciepła przeprowadzono w oparciu o zarejestrowane średnie wykresy indykatotrowe silnika zasilanego samym olejem napędowym i dwupaliwowo w pełnym zakresie obciążeń. Jako charakterystyczne punkty analizy przyjęto punkty odpowiadające 30%, 50%, 80%, 98% i 100% całkowitego ciepła Qmax wydzielonego w cyklu pracy. Wyboru punktów dokonano na podstawie analizy literatury oraz doświadczeń własnych uzyskanych w trakcie wieloletnich badań. Okres wydzielania 30%Qmax ma decydujący wpływ na dalszy przebieg spalania. Jest to okres, w którym występuje maksymalna szybkość wydzielania ciepła (dQ/dα)max i związana z tym maksymalna szybkość narastania ciśnienia (dp/dα)max. Obie wymienione wielkości decydują o twardości pracy silnika. Z uwagi na fakt, że w silniku dwupaliwowym ilość ciepła dostarczanego wraz z olejem napędowym, w zakresie maksymalnych obciążeń wynosiła 18,5÷30,5% całkowitego ciepła dostarczanego do silnika, analiza punktu 30%Qmax pozwala określić wpływ gazu na opóźnienie samozapłonu. Okres wydzielenia 50%Qmax ma istotny wpływ na wielkość pracy obiegu oraz sprawność silnika. Położenie tego punktu względem GMP często jest wykorzystywane w aktywnej regulacji początku wtrysku [1, 3]. Okres wydzielania 80%Qmax charakteryzuje się zadawalającą dynamiką procesu spalania i ma istotny wpływ na maksymalną moc silnika oraz toksyczność spalin. Dynamika procesu spalania powyżej tej granicy wyraźnie spada. Pozostałe 20% ciepła jest wydzielane w długim przedziale czasowym i ma w zasadzie wpływ głównie na temperaturę spalin. 90 W dalszej analizie przyjmowano jako punkt końca aktywnego spalania punkt wydzielenia 98%Qmax. Wartość ta została dobrana ze względu na zapewnienie powtarzalnych wyników i efektywność metody numerycznej. Położenie charakterystycznych punktów przebiegu wydzielania ciepła w funkcji obciążenia silnika przedstawiono na rys.1. Z analizy przebiegów pokazanych na rys. 1 wynika, że w silniku zasilanym olejem napędowym punkty 30% i 50%Qmax leżą bardzo blisko siebie i w nieznacznym stopniu zależą od obciążenia silnika. W przypadku zasilania dwupaliwowego, punkty odpowiadające 30%Qmax są opóźnione w czasie, co świadczy o zwiększeniu zwłoki zapłonu i wolniejszym przebiegu spalania w początkowej fazie procesu. Długość okresu wydzielania ciepła 80%Qmax w silniku zasilanym olejem napędowym wynosi 10÷25 oOWK i jest bardziej zależna od obciążenia niż wcześniej omawiane punkty charakterystyczne. Dopalanie pozostałych 20% ładunku (punkty odpowiadające 98% i 100%Qmax) wydłuża się w czasie i znacząco wzrasta ze wzrostem obciążenia silnika. Równocześnie z porównania punktów odpowiadających zasilaniu dwupaliwowemu wynika, że dopalanie ładunku przy zasilaniu dwupaliwowym trwa znacznie krócej. Wyjaśnia to zjawisko wzrostu sprawności silnika dwupaliwowego przy pełnym obciążeniu w stosunku do silnika zasilanego konwencjonalnie. 140 100 120 80% 80%Qmax 98% 98%Q 100 GMP max 100% 100%Qmax n=2000 obr/min 80 60 40 20 GMP 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 30%Qmax 50%Qmax 80%Qmax 98%Qmax 100%Qmax 90 50%Qmax 50% kąt obrotu walu korbowego [oOWK] kąt obrotu walu korbowego [oOWK] 30%Qmax 30% 0.5 średnie ciśnienie użyteczne pe [MPa] 0.6 80 70 60 n=2750 obr/min 50 40 30 20 10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 średnie ciśnienie użyteczne pe [MPa] Rys. 1. Zmiany charakterystycznych punktów wydzielania ciepła w funkcji obciążenia silnika: linia ciągła zasilanie olejem napędowym; linia przerywana zasilanie dwupaliwowe Z rys. 1 wynika ponadto, że dopalanie ostatnich 2% ładunku trwa na tyle długo, iż w znaczący sposób zakłóca analizę całkowitego czasu spalania. W związku z tym w dalszych analizach jako koniec spalania przyjmowano kąt odpowiadający wydzieleniu 98% całkowitego ciepła dostarczanego do silnika. Na rys. 2 przedstawiono porównanie charakterystycznych punktów wydzielania ciepła odpowiadających 30%, 50% i 80%Qmax w silniku zasilanym tradycyjnie i dwupaliwowo dla prędkości obrotowych 2000 i 2750 obr/min. Na wykresach zaznaczono również temperatury średnie w punktach końcowych przedziałów wydzielania ciepła. 91 Przy zasilaniu olejem napędowym o fazie 30% i 50%Qmax decyduje głównie faza spalania kinetycznego, w której przebieg spalania zależy przede wszystkim od temperatury czynnika w komorze spalania i jakości rozpylenia strugi paliwa. W miarę wzrostu obciążenia, wskutek zwiększenia temperatury komory spalania, wydzielenie 30% i 50% całkowitej ilości ciepła odbywa się w krótszym czasie. Powoduje to, że punkty charakterystyczne są osiągane dla wcześniejszych kątów niż przy częściowych obciążeniach. W przypadku zasilania dwupaliwowego omawiane punkty charakterystyczne są osiągane później co spowodowane jest głównie zwiększeniem zwłoki zapłonu paliwa ciekłego [2, 3, 6]. Opóźnienie dla 50%Qmax wynosi w granicach 3÷5 oOWK zależnie od obciążenia silnika. Dla prędkości obrotowej 2000 obr/min temperatury średnie na końcu przedziału 30% i 50%Qmax są podobne dla obydwu systemów zasilania co może świadczyć, że wydzielanie ciepła odbywa się w zbliżonych temperaturach. Przy prędkości obrotowej 2750 obr/min temperatury w przypadku zasilania dwupaliwowego są mniejsze w granicach 100÷150 K co wynika z faktu, że wskutek opóźnienia zapłonu punkty 30% i 50%Qmax osiągane są po GMP w fazie powiększającej się objętości cylindra. Utlenianie paliwa w mniejszych temperaturach dodatkowo wydłuża okres osiągania punktów 30 i 50%Qmax. W fazie spalania paliwa ciekłego odpowiadającej 80%Qmax zasadnicze znaczenie odgrywa spalanie dyfuzyjne, które jest zależne od wielkości dawki. Malejący współczynnik nadmiaru powietrza w miarę wzrostu obciążenia powoduje, że kąt trwania procesu wydzielania 80%Qmax przy zasilaniu olejem napędowym wzrasta wraz z obciążeniem. Zmiana kąta zakończenia fazy wydzielenia 80%Qmax związana ze zmianą obciążenia wynosi około 8oOWK przy 2000 obr/min i około 6 oOWK przy 2750 obr/min. W przypadku zasilania dwupaliwowego na okres 80%Qmax wpływa faza spalania kinetycznego i dyfuzyjnego dawki pilotującej oraz kinetyczne spalanie mieszaniny gazpowietrze. Przy małej dawce pilotującej prawie całe paliwo ciekłe spalane jest w fazie kinetycznej, a faza dyfuzyjna ograniczona jest jedynie do małego udziału procentowego ciepła w całej dawce energii dostarczanej do silnika. Zasadnicza część wydzielanej energii pochodzi z kinetycznego spalania mieszaniny gaz-powietrze. Szybkość spalania mieszaniny gazowej jest silnie uzależniona od współczynnika nadmiaru powietrza dla mieszaniny gaz-powietrze λg. W miarę zwiększania obciążenia silnik dwupaliwowy jest zasilany coraz bogatszą mieszaniną o większej szybkości spalania. W efekcie przedział czasowy wydzielenia 80%Qmax maleje wraz ze wzrostem obciążenia silnika. Porównanie kątów 80%Qmax dla obydwu systemów zasilania rys. 2 wskazuje, że przy częściowym obciążeniu w silniku dwupaliwowym 80% ciepła wydzielane jest później w granicach 3÷5 oOWK niż przy zasilaniu tradycyjnym. Przy większych obciążeniach wskutek większej szybkości spalania jednorodnej mieszaniny gaz-powietrze 80% wydzielonego ciepła jest osiągane wcześniej niż przy zasilaniu olejem napędowym. Przy maksymalnym obciążeniu różnice wynoszą około 8÷9 oOWK przy 2000 obr/min i około 6÷7 oOWK przy 2750 obr/min. Porównanie położenia kątów odpowiadających 80%Qmax dla obydwu systemów zasilania wyjaśnia przyczynę straty sprawności ogólnej silników dwupaliwowych przy częściowych obciążeniach i lepszą sprawność przy maksymalnych w stosunku do zasilania tradycyjnego. Zmiany kąta końca okresu 80%Qmax w silniku dwupaliwowym związane z obciążeniem wynoszą 5÷9 oOWK. Fakt ten uzasadnia konieczność aktywnego sterowania kątem wyprzedzenia wtrysku dawki pilotującej. W analizie przebiegu spalania istotna jest nie tylko długość przedziału wydzielenia określonej ilości ciepła ale również dynamika procesu spalania w tym przedziale. Jednym z parametrów służących do określenia dynamiki wydzielania ciepła może być położenie środka ciężkości pola pod krzywą chwilowej szybkości wydzielania ciepła w badanym przedziale względem GMP. Na rys. 3 przedstawiono zmianę położenia środka ciężkości przedziału 80%Qmax w funkcji obciążenia silnika. 92 Przy zasilaniu olejem napędowym dla prędkości obrotowej 2000 obr/min środek ciężkości przedziału 80%Qmax występuje dla kątów -3,5÷-2,5 oOWK przed GMP. Przy prędkości obrotowej 2750 obr/min występuje później o około 4 oOWK i zachodzi dla 1,5÷2,0 oOWK po GMP. Występowanie środka ciężkości 80%Qmax przed GMP świadczy, że fabryczny kąt wyprzedzenia wtrysku 28 oOWK przed GMP nie może być optymalny w całym zakresie pracy silnika. Według danych literaturowych środek ciężkości przedziału 80%Qmax dla konwencjonalnego zasilania silnika powinien znajdować się w granicach 3÷5 oOWK po GMP. Zmiana położenia środka 80%Qmax związana ze zmianą obciążenia nie przekracza 1 oOWK. Można zatem uznać, że badany silnik przy zasilaniu olejem napędowym nie wymaga korekty początku wtrysku wraz z obciążeniem. Zasilanie: ON 100% ON+CNG -4.0 -6.0 1300 -7.0 -8.0 1200 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 2.0 1900 50%Qmax 1.0 1800 0.0 1700 -1.0 α50% -2.0 1600 T -3.0 1500 -4.0 1400 -5.0 -6.0 1300 0.0 25.0 22.5 20.0 17.5 15.0 12.5 10.0 7.5 5.0 2.5 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 2000 1800 α80% 1600 1400 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 średnie ciśnienie użyteczne pe [MPa] 0.6 T 1500 1400 1300 1200 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 2200 50%Qmax 5 2100 2000 4 1900 3 1800 T 2 α50% 1 1700 1600 1500 0 1400 0.0 2200 1600 6 0.6 T 80%Qmax α30% 0.0 temperatura œrednia czynnika [K] kąt obrotu wału korbowego [oOWK] 1400 -5.0 0.0 kąt obrotu wału korbowego [oOWK] T α30% 1700 temperatura średnia czynnika [K] -3.0 30%Qmax temperatura średnia czynnika [K] 1500 1800 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 2600 16 80%Qmax 15 2400 14 T 13 12 2200 α80% 11 2000 10 1800 9 8 temperatura średnia czynnika [K] -2.0 n=2750 obr/min 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 kąt obrotu wału korbowego [oOWK] -1.0 kąt obrotu wału korbowego [oOWK] 30%Qmax temperatura średnia czynnika [K] 1600 temperatura średnia czynnika [K] kąt obrotu wału korbowego [oOWK] kąt obrotu wału korbowego [oOWK] n=2000 obr/min 0.0 1600 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 średnie ciśnienie użyteczne pe [MPa] Rys. 2. Porównanie charakterystycznych punktów wydzielania ciepła w silniku zasilanym tradycyjnie i dwupaliwowo 93 αS 2000 obr/min αS 2750 obr/min ηi 2000 obr/min ηi 2750 obr/min 40 ηi 39 38 37 36 35 34 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Zasilanie: ON+CNG 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 sprawność indykowana ηi [%] 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 sprawność indykowana ηi [%] położenie środka wydzielania 80% ciepła w cyklu αs [oOWK] położenie środka wydzielania 80% ciepła w cyklu αs [oOWK] Zasilanie: ON 100% 40 38 36 ηi 34 32 30 28 0.0 ciśnienie użyteczne pe [MPa] 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 ciśnienie użyteczne pe [MPa] Rys. 3. Porównanie położenia kąta środka ciężkości krzywej wydzielania 80% energii w cyklu oraz przebieg sprawności indykowanej w funkcji obciążenia silnika 1CA90 zasilanego olejem napędowym i dwupaliwowo Zasilanie gazowe powoduje wyraźniejsze zmiany położenia środka przedziału 80%Qmax. Środek znajdował się w granicach -3,0÷-0,5 oOWK przed GMP dla prędkości obrotowej 2000 obr/min i w granicach 1,0÷4,0 oOWK po GMP dla 2750 obr/min. Wyraźna zmiana położenia środka wraz z obciążeniem silnika, dochodząca do 3 oOWK, wymaga wprowadzenia korekty kąta wyprzedzenia wtrysku dawki pilotującej. Przebiegi sprawności indykowanej wskazują, że w badanym silniku moc maksymalną uzyskuje się kosztem zmniejszenia sprawności indykowanej. Związane jest to z pogorszeniem warunków spalania paliwa ciekłego przy zmniejszeniu współczynnika nadmiaru powietrza i zbliżaniem się do granicy dymienia. W silniku dwupaliwowym sprawność indykowana rośnie wraz ze wzrostem obciążenia silnika. Spadek sprawności silnika przy częściowym obciążeniu wynika z faktu, że przy stałej wielkości dawki inicjującej występuje znaczne zubażanie mieszaniny gaz-powietrze. Nadmierne zubożenie mieszaniny powoduje pogorszenie warunków spalania prowadząc do zmniejszenia sprawności silnika. Problem ten jest jednym z podstawowych problemów występujących w silnikach dwupaliwowych pracujących przy częściowych obciążeniach. Stratę sprawności prawdopodobnie można byłoby zmniejszyć przez korektę czasu wtrysku dawki pilotującej. Porównanie względnego czasu spalania dla punktów charakterystycznych przedstawiono na rys. 4. Względny czas spalania określono jako stosunek kąta wydzielania określonej ilości ciepła do kąta odpowiadającego 98% całkowitej ilości ciepła wydzielanego w cyklu pracy silnika w danym punkcie pomiarowym. τw = α %Q max α 98% Q max − α1 − α1 ⋅ 100% (1) gdzie: α%Qmax – charakterystyczny punkt wydzielania ciepła (30%, 50% i 80%Qmax); α1 – kąt początku splania; α98%Qmax – kąt odpowiadający 98% wydzielonego ciepła w czasie cyklu przyjmowany jako kąt aktywnego spalania. 94 30%Qmax względny czas spalania τw [%] 60 2000 obr/min 50 40 30 20 10 0 0.0 względny czas spalania τw [%] 80%Qmax Zasilanie: ON 100% 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 60 2750 obr/min 50 40 30 20 10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 średnie ciśnienie użyteczne pe [MPa] 0.6 Zasilanie: ON+CNG 60 2000 obr/min 50 40 30 20 10 0 0.6 0.0 względny czas spalania τw [%] względny czas spalania τw [%] 50%Qmax 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 60 2750 obr/min 50 40 30 20 10 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 średnie ciśnienie użyteczne pe [MPa] Rys. 4. Porównanie względnego czasu wydzielania ciepła Względny czas wydzielania 50%Qmax dla silnika zasilanego olejem napędowym jest bardzo krótki i stanowi zaledwie 10÷15% czasu wydzielania 98%Qmax w całym zakresie obciążeń. W przypadku zasilania dwupaliwowego czas ten jest dłuższy i mieści się w przedziale 20÷25% czasu wydzielania 98%Qmax. Wynika z tego, że spalanie gazu w początkowej fazie jest mniej dynamiczne co ma wpływ na zmniejszenie szybkości narastania ciśnienia (dp/dα) i spokojniejszą pracę silnika dwupaliwowego [6]. Względny czas wydzielania 80%, w przypadku małych obciążeń silnika stanowi około 50% czasu wydzielania 98%Qmax. W miarę wzrostu obciążenia czas ten ulega skróceniu do około 30% całkowitego czasu spalania dla obciążeń maksymalnych. Zależność ta występuje dla obydwu systemów zasilania. 4. Wnioski • • Proces wydzielania podstawowej ilości ciepła 80%Qmax charakteryzujący się dużą dynamiką procesu spalania odbywa się w krótkim przedziale czasowym stanowiącym 30÷50% całkowitego czasu spalania. Krótsze czasy odpowiadają większym obciążeniom silnika. Prawidłowość ta jest obserwowana zarówno dla zasilania konwencjonalnego jak i dwupaliwowego. Czas wydzielania 50% energii w silniku zasilanym konwencjonalnie jest bardzo krótki i stanowi jedynie 10÷15% czasu potrzebnego do wydzielenia 98%Qmax. Dla zasilania dwupaliwowego czas ten ulega wydłużeniu do 20÷25%. Na tej podstawie można wnioskować o niekorzystnym oddziaływaniu gazu na zwłokę zapłonu dawki pilotującej. 95 • • Przebieg charakterystycznych punktów procesu wydzielania ciepła w funkcji obciążenia i prędkości obrotowej uzasadnia celowość aktywnego sterowania procesem spalania. Szczególnie istotne jest to w przypadku zasilania dwupaliwowego bez dławienia powietrza dolotowego, bowiem w tym przypadku zmiana obciążenia silnika związana jest ze znacznym zubożeniem mieszaniny palnej. Zmienny kąt wyprzedzenia wtrysku dawki pilotującej mógłby zmniejszyć stratę mocy przy częściowym obciążeniu silnika dwupaliwowego. Na podstawie przeprowadzonych analiz jako kryterium sterowania w silniku proponuje się położenie środka ciężkości przebiegu wydzielania 80%Qmax względem GMP. Położenie tego punktu powinno być ustalone według założonego kryterium optymalizacji na podstawie badań hamownianych silnika. Literatura 1. Olsson J., Tunestal P., Haraldsson G., Johansson B.: “A Turbo Charged Dual Fuel HCCI Engine”. SAE Paper 2001-01-1896, 2001. 2. Abb Alla G.H., Soliman H.A., Badr O.A. and Abd Rabbo M.F.: “Combustion quasi-two zone predictive model for dual fuel engines”. Energy Conv. & Managm. 42(2001). 3. Chen Z., Konno M. and Goto S.: „Study on homogenous premixed charge CI engine fuelled with LPG”. JSAE Review 22(2001) s.265-270, 2001. 4. Zhang Y., Liu X., Han X. and Cheng Ch.: The Studies of an Electronically Controlled CNG System for Dual Fuel Engines”. SAE Paper No. 2001-01-0145, 2001. 5. Stelmasiak Z., Gilowski T.: „Metody określania początku spalania w obliczeniach wykorzystujących wykresy indykatorowe uzyskane z badań”. V Konferencja Komputerowe Systemy Wspomagania Nauki, Przemysłu i Transportu TRANSCOMP, Zakopane 5÷7 grudnia 2001. 6. Stelmasiak Z.: ”Analysis of Combustion Phenomena in Dual Fuel Engine Fed with Natural Gas (CNG)”. FISITA 2002 World Automotive Congress, Helsinki June 2-7,2002, Paper No. F02V030. 96