WPLYW Kt\TA WYPRZEDZENIA WTRYSKU PALIWA CIEKLEGO NA

Journal of Kones. Combustion Engines, VoIB, No 3-4,2001
WPLYW Kt\TA WYPRZEDZENIA WTRYSKU PALIWA CIEKLEGO
NA PARAMETRY PRACY I EMISJF; SPALIN DWUPALIWOWEGO
SILNlKA ZASILANEGO GAZEM ZIEMNYM I OLEJEM
NAPF;DOWYM
Zdzislaw Stelmasiak
Anna Wojciechowska-Trombska
Politechnika Lodzka Filia w Bielsku-Bialej
Katedra Silnikow Spalinowych i Pojazdow
Zaklad Silnikow Spalinowych
Tel./fax (0-33) 816-36-54 e-mail: [email protected]
Streszczenie. W referacie omowiono badania nad doborem kata wyprzedzenia wtrysku w silniku
SW680 zasilanym dwupaliwowo. Optymalizacje kata wyprzedzenia okreslono na podstawie
sprawnosci ogolnej i toksycznosci spalin silnika. Dla optymalnego kata wyprzedzenia wtrysku
przebadano silnik dla roznych wielkosci dawek inicjujacych. Wnioski ogolne z badan moga bye
przydatne przy adaptacji silnikow 0 zaplonie samoczynnym do zasilania dwupaliwowego.
W silnikach dwupaliwowych zasilanych gazem ziemnym istnieje mozliwosc
zwiekszania mocy uzyskiwanej przez silnik przez obnizanie sredniego wspolczynnika
nadmiaru powietrza. Powiekszanie mocy silnika jest jednak ograniczone szybkoscia
narastania cisnienia zwiazana ze zbyt szybkim spalaniem gazu oraz spalaniem stukowym.
Zjawiska te ujawniaja sie szczegolnie wyrainie przy pelnym obciazeniu silnika gdy
mieszanina gaz-powietrze jest najbogatsza. W silnikach dwupaliwowych adaptowanych z
silnikow ZS, w ktorych zaklada sie mozliwosc pracy w systemie dwupaliwowym i na
samym oleju napedowym, z reguly stopien sprezania pozostaje taki jak dla oleju
napedowego lub jest zmniejszony tylko nieznacznie . Zjawisko spalania stukowego moze
bye w tych silnikach czynnikiem ograniczajacym moe maksymalna silnika
dwupaliwowego.
Na zjawisko spalania stukowego rna wplyw wielkosc dawki inicjujacej oleju
napedowego, obciazenie silnika i kat wyprzedzenia wtrysku.
W referacie omowiono wplyw kata wyprzedzenia wtrysku paliwa cieklego na
parametry pracy i toksycznosc spalin silnika SW680 zasilanego dwupaliwowo. Dawka
inicjujaca oleju napedowego wynosila 40 mrrr'zcykl, co stanowilo okolo 30% dawki
znamionowej przy zasilaniu tradycyjnym. Maksymalna ilosc gazu zapewniala moe silnika
wynoszaca ok. 900!o mocy silnika zasilanego olejem napedowym, Kat wyprzedzenia
wtrysku zmieniano w granicach 23+31 °OWK przed GMP co 2 °OWK. Badania wykonano
zarowno dla silnika zasilanego samym olejem napedowym jak i zasilanego dwupaliwowo.
Stwierdzono duzy wplyw kata wyprzedzenia wtrysku w silniku dwupaliwowym
zwiekszajacy sie w miare powiekszania predkosci obrotowej silnika.
Porownanie toksycznosci spalin silnika dwupaliwowego i zasilanego samym
olejem napedowym, wskazuje wyrazny wplyw poczatku wtrysku na zawartosc CO i CH w
zakresie wiekszych predkosci obrotowych. Badania wykazaly, ze zmiana kata
wyprzedzenia wtrysku umozliwia zmniejszenie stezenia NO x w spalinach.
163
2. Obiekt badan
Obiektem badan byl 6-cio cylindrowy, wolnossacy silnik SW680 produkcji WSK
Mielec. Silnik przystosowano do zasilania dwupaliwowego CNG.
Dane techniczne silnika:
• - srednica cylindralskok - 127 mm/I46 mm;
• - pojemnosc skokowa - 11,1 dnr';
• - stopien sprezania - 15,8;
• - moe znamionowa-I4I,0 + 148,5 kW;
• - predkosc obrotowa mocy znamionowej - 2200 obr/min;
• - typ komory spalania - toroidalna umieszczona w tloku, wtrysk bezposredni;
• - kilt wyprzedzenia wtrysku - 26±2 °OWK przed GMP.
W silniku zastosowano jednoprzelotowy mieszalnik gazu [1] oraz prototypowy
kolektor dolotowy [2]. Oryginalny filtr powietrza zastapiono filtrem pojedynczym typu
FNZ-1200 z silnika doladowanego.
3. Warunki prowadzenia badan
W czasie badan silnik zasilano dwupaliwowo ON+CNG i olejem napedowym ON
inicjujacyrn zaplon. Dawka ON wynosila 40 mm'zcykl co stanowilo okolo 30% dawki
znamionowej przy zasilaniu samym olejem napedowym, Maksymalna ilosc gazu
ograniczono tak aby silnik przy predkosci 2200 obr/min osiagal okolo 90% mocy
znamionowej przy zasilaniu ON. Zwiekszanie mocy ponad zalozona prowadzilo do
pojawiania sie spalania stukowego i pogorszenia osiagow silnika. Wczesniejsze badania
wykazaly [3], ze silnik SW680 moze osiagac moc maksymalna zblizona do mocy silnika
zasilanego ON co pociagalo jednak zmniejszenie sredniego wsp61czynnika nadmiaru
powietrza w granicach 0,15. Bogata mieszanina gaz-powietrze spalana byla w tych
warunkach na tyle szybko, ze przy niezmienionym stopniu sprezania wystepowalo
zjawisko spalania stukowego. Analiza parametrow pracy silnika wykazala koniecznosc
ograniczenia mocy maksymalnej 0 10% co ograniczylo omawiane zjawisko. Wielkosc
dawki inicjujacej ON ustalono wedlug kryterium rownomiernosci dawkowania pompy
P56-0 1 na podstawie badan na stole probierczym [4] . Dawka inicjujaca ON wynoszaca 40
mm'zcyk! zapewniala w warunkach znamionowych udzial energii ON okolo 30%
calkowitej energii dostarczanej do silnika. Byla ona utrzymywana na stalym poziomie w
trakcie wykonywania pomiarow.
W badaniach stosowano nastepujace katy statycznego wyprzedzenia wtrysku: 23,
25, 27, 29 i 31 °OWK przed GMP. Fabryczny kilt wyprzedzenia wtrysku wynosil 27
°OWK. Ilosc gazu przy zmianach kata poczatku wtrysku byla jednakowa. Pozwolilo to
jednoznacznie okreslic wplyw poczatku wtrysku na parametry pracy silnika, a szczegolnie
na sprawnosc ogolna,
4. Wyniki badan
Porownanie mocy uzytecznej i sprawnosci ogolnej silnika przy roznych katach
wyprzedzenia wtrysku ON przedstawiono na rys. 1. Wyniki uzyskane dla zasilania
dwupaliwowego porownano z zasilaniem samym ON. Najlepsze wyniki mocy i
sprawnosci silnika zasilanego dwupaliwowo uzyskano dla kata 27 °OWK przed GMP, a
wiec dla regulacji fabrycznej. Przyspieszenie zaplonu w granicach 2+4 °OWK powoduje
164
zmniejszenie mocy uzytecznej silnika dla predkosci powyzej 1800 obr/min w granicach
7+8% w por6wnaniu do regulacji fabrycznej. R6wnie niekorzystnie wplywa opoznienie
zaplonu (katy 25 i 23 °OWK). Wyrainy spadek mocy zaczyna sie dla predkosci powyzej
1600 obr/min i w zakresie predkosci znamionowej dochodzi do 30% dla kata 23 °OWK.
Wplyw kata wyprzedzenia wtrysku na moc silnika przy predkosciach mniejszych od 1600
obr/min jest niewielki, przy czym mozna zauwazyc tendencje do wzrostu mocy w stosunku
do uzyskiwanej dla kata wyprzedzenia wtrysku 27 °OWK co prawdopodobnie mozna
thrmaczyc wzrostem temperatury silnika przy tych regulacjach.
Moc silnika dwupaliwowego przy kacie 27 °OWK byla okolo 2% wieksza od mocy
przy zasilaniu samym ON.
Sprawnosc og61na silnika dwupaliwowego osiagala najwieksze wartosci przy kacie
27 °OWK i byla w calym zakresie predkosci obrotowej mniejsza w granicach 3+4% w
stosunku do sprawnosci silnika zasilanego ON. Zmiany kata wyprzedzenia wtrysku ON
wplywaja niekorzystnie na sprawnosc silnika, szczeg61nie w zakresie wiekszych predkosci
obrotowych.
..
,
+ - CH+OG • 2lIt1.o.MC;
o
• <W+CNlJ• 2511l.0IM{
o'"
• cw..oG •
+
• CIII_ 2hUMit
~1l:.0IM{
.~-2ll'It.QM(
o
120
0.40
0.35
..
0.25
0.20
'200
'800
Pf'dkoiit lltnt_ n IClbfknlnl
2000
Rys. J. Porownanie mocy utytecznejsilnikaSW680 zasilanego ON i dwupaliwowo przy
roinych kqtach wyprzedzenia wtrysku
Por6wnanie st~zeit toksycznych skladnikow spalin przedstawiono na rys. 2.
Stezenia t1enku wegla silnika dwupaliwowego w zakresie wiekszych predkosci
obrotowych byly znacznie wieksze od stezen w silniku zasilanym ON (rys. 2a). W zakresie
malych predkosci obrotowych stezenia CO silnika dwupaliwowego byly mniejsze od
silnika zasilanego ON. Na uwage zasluguje rowniez inny przebieg zmian CO silnika
zasilanego ON w funkcji predkosci obrotowej (stezenie CO maleje wraz ze wzrostem
165
predkosci obrotowej). Spowodowane to jest zmniejszeniem dawki ON przy przyjetej
regulacji 0 okolo 10% w stosunku do dawki znamionowej. Przebieg zmian CO silnika
zasilanego ON przy pelnym obciazeniu silnika jest podobny do przebieg6w silnika
dwupaliwowego przedstawionego na rys.la [3].
Z rys. la wynika, ze w silniku dwupaliwowym zmiany poczatku wtrysku ON w
por6wnaniu do regulacji fabrycznej prowadza do wzrostu stezenia CO.
a)
b)
10000
7500
..
4000
! o
E
"-
So
,
;'
5000
,/
+,'
0
:
U
:'
,
"
'0
:'
.'
,/ 1,:/
2000
:' r,
2500
o
o
1000
1500
2000
:::~'=';:~:$;':~."'~=.'~
I
I
I
1000
1500
2000
pr~koit
prvdkoit obrotowa n (obrlmin)
obrotowa n (obr/min]
Silnik: SIMS80
Olx:i~enie: QO%
0)
Z.i1.nie:
Iinia ciitgIa • ON
d)
link! plZeryw8ne • ON+CNG
+ . ON - 27st.OlM<
6.
4000
3000
•
•
.
ON+CNG • 27 stOw<
+ - ON+CNG • 231l01M<
o . ON+CNG . 25 stOw<
•
<>
- ON+CNG - 29 stOw<
D
. ON+CNG
40
. 31 slOW<
1000
o
---y--
i
1000
1500
2000
p"dkoit obrolowa n [obrlmin)
o
I
1000
1500
2000
prvdkoit obrotowa n (obr/rrin)
Rys. 2. Porownanie stezeniatoksycznych skiadnikow spalin silnika SW680zasilanego
dwupaliwowo przy zmianach katawyprzedzenia wtrysku dawki inicjujqcej ON
Zmiana kata wyprzedzenia wtrysku ON powoduje wzrost stezenia weglowodorow
w spalinach szczegolnie w zakresie wiekszych predkosci obrotowych silnika. Wieksze
zmiany stezen wystepowaly przy przyspieszeniu wtrysku mniejsze przy opoznieniu w
stosunku do regulacji fabrycznej. Z rys.2b wynika, ze w silniku dwupaliwowym wystepuja
wieksze stezenia CH w stosunku do st~zeil silnika zasilanego ON. Nalezy jednak
166
zaznaczyc, ze wzrost ten jest spowodowany glownie przedmuchem czesci Iadunku do
uldadu wylotowego zwiazanym z przekryciem zaworow. Badania wykazuja, ze w silniku
SW680 zasilanym dwupaliwowo okolo 60+70% weglowodorow stanowi metan co moze
potwierdzac wystepowanie zjawiska przedmuchu [3].
Opcznienie wtrysku ON w silniku dwupaliwowym powoduje zmniejszenie stezenia
tIenk6w azotu a przyspieszenie wzrost w stosunku do stezen przy regulacji
fabrycznej
(rys. 2c). Dla wszystkich badanych katow wyprzedzenia wtrysku stezenia NOx w silniku
dwupaliwowym byly mniejsze od stezen w silniku zasilanym ON.
Zadymienie spalin silnika dwupaliwowego jest najmniejsze przy regulacji
fabrycznej 27 'OWK przed GMP i wzrasta przy zmianach kata wyprzedzenia wtrysku ON
o 4 'OWK. Zmiany wyprzedzenia wtrysku 0 mniejsze katy nie wplywaja znaczaco na
zmiane zadymienia spalin.
Przeprowadzone badania wykazaly, ze dla przyjetych zalozen adaptacji, optymalny
kat wyprzedzenia wtrysku dla silnika dwupaliwowego wynosi 27 'OWK przed GMP. Dla
tego kata wykonano charakterystyki predkosciowe przy dawkach inicjujacych 30, 40, 50
i 60 mm 3tcykl. Wyniki badan przedstawiono na rys. 3 +4.
..
,
SlHk: S\MIO ~ llO%
KIf:~""~ 'Z/1I.ON<prUd(;1/#
~""'·CN
1IrM~ - 0Ni0lQ
+ . ON
t::.
•
~.
cr-«l1lWll3fqtd
+ . C»f+CJG.~~
o .
QIf+CNG.q0r60~
o - CIN.cHG.
qo«l rnm3kyId
120
....
.,.
.32 •
~
l:
0.28
eo
I
It
.24
II>
~-....,--~-----r--
1200
,.,.
_ _----r-_~L o'"
2DllO
pr,dkotC obroloweq n (obrtmlnj
Rys. 3. Porownanie mocy uzytecznej i sprawnosci ogolnej silnika SW680 zasilanego ON i
dwupaliwowo dla roinych dawek inicjujqcych ON: kqt wyprzedzenia wtrysku 27 °OWK
przedGMP
167
Zwiekszenie dawki iniejujacej ON do 50+60 mm'zcykl zmmejsza sprawnosc
ogolna silnika w zakresie mniejszych predkosci obrotowych (rys.3). Zmniejszenie
sprawnosci jest tym wieksze im wieksza jest dawka iniejujaca. W zakresie wiekszych
predkosci obrotowych powiekszanie dawki nie wplywa na zmiane sprawnosci og61nej.
Zmniejszenie dawki inicjujacej do 30 mm3/cykl powoduje obnizenie sprawnosci silnika w
calym zakresie predkosci obrotowych.
smile SWl58)
0beiltt8l1e: 9O'WI
~wyprzeclZeria'Atrysku:
XTItClVlKprzed GMP
ZMilwfie: IlnilcilgIlI . ON
linieprzeIy'Mne • ON+CNG
f::..
• ON
o
<>
. ON<eNG • _ _
. ON<eNG • q=8O mm310yld
+ . 0N+0lG. _ _
o
.)
b)
.ON+CNG. _ _
2000
rooeo
"'''''''''''. ······.t
1500
".
•....
o
.'
/
8
, .{
5000
...........
/
.-,.,. +
:I:
o
o
1000
1500
2000
1000
prtdkoit obrolowa n [obrlmin)
1500
2000
Prtdkoit 0 0 _ n [OOr/mln]
c)
d)
4000
40
o
ffi
/1/
3000
E'
c,
<,
Q.
.So
d
z
~,/
30
~",
'-.0,
2000
"
o,
0'-........
.,.. -._1000
- 0_
-
•0
-.
'~ ..
~
....::. -~:~~~~;:
'+
o
o
1000
1500
2000
pr¥dkoit OOrolowa n (obr/min]
1000
1500
2000
p"dkoit obrolowa n [OOr/min]
Rys. 4. Porownanie st~ten toksycznych skiadnikow spalinsilnikaSW680zasilanego ON i
dwupaliwowo dla roznych dawekinicjujqcych ON: kqt wyprzedzenia wtrysku 27 °OWK
przedGMP
Zwiekszenie dawki inicjujacej spowodowalo zmniejszenie stezenia CO i
zwiekszenie stezenia CH w spalinach w stosunku do st~i:eiI rejestrowanych dla dawki 40
168
mm'zcykl (rys, 4a i 4b). Zmniejszenie dawki ON spowodowalo zwiekszenie stezenia
obydwu omawianych skladnik6w.
Wielkosc dawki znaczaco wplywa na zmiany stezenia NO. w spalinach dzieki
czemu przez wlasciwy jej dobor mozna w silnikach dwupaliwowych ograniczyc emisje
NO. w por6wnaniu do silnik6w zasilanych tradycyjnie.
Wplyw wielkosci dawki na zadymienie spalin jest niewielki, przy czyrn przy
widoczna jest tendencja wzrostu zadymienia przy zwiekszaniu dawki inicjujacej (rys. 4d).
5. Wnioski og61ne
Na podstawie przeprowadzonych badan mozna sformulowac nastepujace wnioski ogolne.
• Przy przyjetych zalozeniach adaptacji silnika SW680 do zasilania dwupaliwowego
optymalna dawka inicjujaca oleju napedowego wynosi 40 mm3/cykl a kilt wyprzedzenia
wtrysku 27 °OWK. Podane parametry regulacyjne zapewniaja prawidlowy proces
spalania, najlepsza sprawnosc i mozliwie niski poziom toksycznych skladnik6w spalin.
• W silnikach dwupaliwowych pracujacych przy dawkach inicjujacych stanowiacych
znaczacy udzial energii paliwa cieklego w og61nej dawce energii dostarczanej do silnika
o sprawnosci og61nej decyduje przebieg spalania paliwa cieklego. W silnikach
zasilanych samym olejem napedowym kilt wyprzedzenia wtrysku jest optymalny dla
spalania paliwa cieklego. W zwiazku z tym w przeprowadzonych badaniach jest on
rowniez optymalny dla zasilania dwupaliwowego.
• Zmiany kata wyprzedzenia wtrysku w stosunku do optymalnego prowadza do zmiany
stezen toksycznych skladnik6w spalin:
- wzrostu stezenia CO i CH zar6wno przy przyspieszniu jak i opoznianiu wtrysku;
- zmniejszeniu stezenia NO. przy opoznieniu wtrysku i zwiekszeniu stezenia przy
przyspieszeniu wtrysku;
- zmiany zadymienia spalin sa wyraznie dopiero przy wiekszych zmianach kata
poczatku wtrysku.
• Stezenia NO. silnikow dwupaliwowych sa mniejsze od stezen rejestrowanych przy
zasilaniu samym olejem napedowym, Dodatkowo stezenia NO. moga bye zmniejszane
przez odpowiedni dobor wielkosci dawki inicjujacej i kata wyprzedzenia wtrysku
paliwa cieklego. Prowadzi to jednak z reguly do pogorszenia sprawnosci silnika i
wzrostu stezen CO i CH.
Literatura
[1] Sawlowicz W. Stelmasiak Z. - Mozliwosci sterowania silnikiem SW680 zasilanym
gazem
ziemnym i olejem napedowym. - Silniki Spalinowe nr 2/1988.
[2] Grudnicka E. Wojciechowska A. Stelmasiak Z. Sawlowicz W. - Ustalenie
dopuszczalnej
wielkosci emisji substancji zanieczyszczajacych wprowadzanych do atmosfery przez
silniki spalinowe. Etap ill - Doskonalenie przebiegu procesu spalania silnika
dwupaliwowego w aspekcie toksycznosci spalin. Sprawozdanie z pracy naukowobadawczej nr ITS/123/081/S. Bielsko-Biala 30.11.1989.
[3] Wajand lA., Grudnicka E., Skoczylas J., Stelmasiak Z., Wojciechowka-Trombska A.Rozw6j koncepcji systemu spalania paliw alternatywnych w silniku 0 ZS ze
szczeg61nym uwzglednieniem zasilania dwupaliwowego. Sprawozdanie z pracy
badawczej nr PB 95/9/91. Bielsko-Biala 1993.
169
[4] Sawlowicz W. Stelmasiak Z.• Wyniki dawkowania pomp P56-01 regulowanych na
male
dawki.• Silniki spalinowe or 4/1988.
[5] Wajand 1., Stelmasiak Z., Stas M., Grudnicka E., Wojciechowska-Trombska A, Fic A,
Barabasz M., Jozefowicz R.: Badania por6wnawcze proces6w spalania w silnikach
zasilanych gazem ziemnym w odmianach 0 zaplonie iskrowym oraz 0 zaplonie
samoczynnym (dwupaliwowe). Sprawozdanie z pracy naukowo-badawczej or PB
03201T12/981l4, Bielsko-Biala, 2001.
[6] Luft S., Michalczewski A: Proba oceny wplywu kata poczatku wtrysku inicjujacej
zaplon
dawki oleju napedowego na podstawowe parametry pracy dwupaliwowego silnika 0
ZS zasilanego gl6wnie mieszanina butanu i powietrza. Journal ofKONES vol. 7,2000.
THE INFLUENCE OF THE INJECTION ANGLE OF LIQUID FUEL ON
PARAMETERS AND EXHAUST EMISSION THE DUAL-FUEL ENGINE FED
WITH BOTH NATURAL GAS AND DIESEL OIL
Summary. The paper describes results of investigation of injection angle adjustment for the dualfuel engine SW680 fed with eNG. The optimisation of the injection angle parameter was based on
thermal efficiencyand toxicityof exhaust emmision. The optimal injection angle was used to study
engine performance for different initial doses. General conclusions of our research are of
importance for adaptation of diesel engines to a dual-fuel feeding.
170