OKLADKI JOK 2006 No 3 600

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 3
INFLUENCE OF DIESEL ENGINE FUELLING WITH MINERAL AND
VEGETABLE FUELS ON THE INJECTION PROCESS AND FUEL
STREAM DISINTEGVATION
Andrzej Ambrozik1, Stanisáaw KruczyĔski2, Janusz Jakóbiec3,
Stanisáaw OrliĔski4
1. Politechnika ĝwiĊtokrzyska, Wydziaá MiBM, Katedra Pojazdów i SprzĊtu Mechanicznego,
Kielce Al. Tysiąclecia PP 7, [email protected],
2. Politechnika Warszawska, Wydziaá SiMR, Instytut Pojazdów, Warszawa ul. Narbutta 84,
[email protected],
3. Instytut Technologii Nafty, Kraków, Kraków ul. àukasiewicza 1, [email protected]
4. Politechnika Radomska, Wydziaá Mechaniczny, Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn,
Radom ul. Chrobrego 45, tel. (048) 3617661, [email protected].
Abstract
The paper presents investigation results of the engine AD3.152 fuelled with mineral oil EKODIESEL PLUS-50
and vegetable oil BIODIESEL D-FAME that allows determining injection rate and injected fuel stream disintegration.
The tests were made basing on extremal speed characteristic of engine using engine test bench with measurement
system of high-speed pressure parameters and lift of injector needle. The aim of the tests was to comparison influence
of self-ignition feeding mineral fuel Ekodiesel Plus 50B with select vegetable fuel BIODIESEL D-FAME. Using fuels
of different physicochemical properties to compression-ignition engines requires high accuracy of diagnostic
parameters measurements in order to learn differences in processes of injection and combustion. Necessity of fulfilling
more and more strong standards, concerning emission of toxic components of exhaust gases, forces users of diesel
engines to posses quick and precision methods of their technical state assessment and particularly of a combustion
process and of injection equipment technical state. Analysis of the obtained diagrams of fuel pressure in the injection
pipe and injection needle lift allows determining fuel outlaw rate from the atomizer and fuel stream disintegration info
drops. Experimentally obtained indicator diagrams of cylinder pressure were also applied.
Keywords: diesel engine, investigation, engine diagnostics, ecological fuels, and environment, combustion
processes
WPàYW ZASILANIA SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPàONIE
SAMOCZYNNYM PALIWEM MINERALNYM I ROĝLINNYM
NA PROCES WTRYSKU ORAZ ROZPAD STRUGI PALIWA
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki badaĔ silnika AD3.152 zasilanego paliwem mineralnym Ekodiesel Plus 50B
oraz roĞlinnym BIODIESEL D-FAME pozwalające wyznaczyü prĊdkoĞci wtrysku oraz rozpad strugi paliwa
wtryskiwanej do cylindra na krople. Badania wykonano na bazie zewnĊtrznej prĊdkoĞciowej charakterystyki silnika z
wykorzystaniem stanowiska hamownianego wyposaĪonego w system pomiarowy parametrów szybkozmiennych ciĞnieĔ
oraz przemieszczeĔ wzniosu iglicy wtryskiwacza. Badania przeprowadzono w celu porównania wpáywu zasilania
silnika paliwem mineralnym Ekodiesel Plus 50B oraz wybranym paliwem roĞlinnym BIODIESEL D-FAME.
Zastosowanie paliw o róĪnych wáaĞciwoĞciach fizykochemicznych do silników wysokoprĊĪnych wymaga duĪych
dokáadnoĞci pomiarów parametrów diagnostycznych celem poznania wystĊpujących róĪnic w procesach wtrysku i
spalania silników zasilanych tymi paliwami. Speánianie coraz bardziej rygorystycznych norm w emisji skáadników
toksycznych spalin zmusza wspóáczesnego uĪytkownika silników spalinowych o zapáonie samoczynnym do posiadania
szybkich i precyzyjnych metod oceny jego stanu technicznego, a szczególnie procesu spalania oraz stanu technicznego
A. Ambrozik, S. KruczyĔski, J. Jakóbiec, S. OrliĔski
aparatury wtryskowej. Analiza eksperymentalnie sporządzonych wykresów ciĞnienia paliwa w przewodzie
wtryskowym i wzniosów iglicy wtryskiwacza umoĪliwia wyznaczenie: prĊdkoĞci wypáywu paliwa z rozpylacza oraz
rozpad strugi paliwa na krople, wykorzystując do tego równieĪ eksperymentalne wykresy indykatorowe ciĞnieĔ w
cylindrze silnika.
Sáowa kluczowe: silniki spalinowe, badania hamowniane, diagnostyka silnika, paliwa ekologiczne, Ğrodowisko,
procesy spalania
1. WstĊp
Wzrastające ceny oleju napĊdowego spowodowaáy decyzje Rafinerii Trzebina
o wznowieniu produkcji estrów metylowych kwasów táuszczowych oleju rzepakowego, zgodnie
z wymaganiami jakoĞciowymi dla paliwa (EMKOR) FAME (Fatty Acid Methyl Ester)
okreĞlonymi normą PN-EN 14214.
Proces wtrysku paliwa jest záoĪonym, okresowo powtarzającym siĊ szybkozmiennym
procesem zachodzącym w aparaturze wtryskowej. Jednym z doĞü áatwo uzyskiwanych
i wiarygodnych Ĩródeá informacji o przebiegu procesu wtrysku są wykresy ciĞnienia paliwa
w przewodzie wtryskowym i wzniosu iglicy wtryskiwacza.
Ekonomiczne, energetyczne i ekologiczne wskaĨniki pracy silnika w bezpoĞredni sposób
zaleĪą od wykresu indykatorowego ciĞnienia w cylindrze i przebiegu zmiany w/w wielkoĞci
w ukáadzie zasilania silnika paliwem.
2. Cel badaĔ
Celem badaĔ jest ocena wpáywu zasilania silnika AD3.152 pracującego wedáug zewnĊtrznej
charakterystyki prĊdkoĞciowej dwoma rodzajami paliw ekologicznych tj. wĊglowodorowym,
niskosiarkowym olejem napĊdowym EKODIESEL PLUS 50B, oraz estrami metylowymi kwasów
oleju rzepakowego BIODIESEL D-FAME na:
wartoĞci uĞrednionych ze 100 cykli pracy silnika ciĞnieĔ paliwa w przewodzie wtryskowym,
wartoĞci prĊdkoĞci wtrysku paliwa wyznaczone w oparciu o w/w uĞrednione wykresy,
prĊdkoĞci i czas rozpadu strugi na krople oraz kąty i czasy penetracji tej strugi paliwa
w cylindrze.
3. Stanowisko badawcze oraz wielkoĞci fizykochemiczne paliw
Badania przeprowadzono na stanowisku, na którym zainstalowano silnik o zapáonie
samoczynnym AD3.152, z bezpoĞrednim wtryskiem paliwa wyposaĪonym w aparaturĊ wtryskową
typ. DPA 3328 F-510 [2]. Stanowisko wyposaĪone byáo w system pomiarowy umoĪliwiający
pomiar ciĞnieĔ i innych wielkoĞci szybkozmiennych. Wybrane wáaĞciwoĞci fizykochemiczne
badanych paliw: wĊglowodorowego EKODIESEL PLUS 50B i roĞlinnego BIODIESEL D-FAME
przedstawiono w tabeli 1. Schemat stanowiska badawczego przedstawia rys.1.
22
Influence of Diesel Engine Fuelling with Mineral and Vegetable Fuels on the Injection Process…
Rys.1. Schemat stanowiska badawczego [2]:
1 – silnik AD3.152, 2 – hamulec wodny HS 75, 3 – czujnik temperatury oleju, 4 – czujnik temperatury czynnika
cháodzącego silnik, 5 - nadajnik kąta obrotu waáu korbowego firmy INTROL PoznaĔ, 6 - komputer PC z kartą
pomiarową, 7 – czujnik ciĞnienia w komorze spalania, 8 - szafa sterowania i kontroli, 9 – zestaw wzmacniaczy
sygnaáów, 10 – czujnik wzniosu iglicy wtryskiwacza, 11 – czujnik ciĞnienia paliwa w przewodzie wtryskowym,
12 – czujnik temperatury paliwa.
Fig.1. Test stand scheme [6]:
1- engine AD3.152, 2- water brake HS75, 3- detector of oil temperature, 4- detector of temperature of engine liquid
coolant, 5- transducer of crankshaft rotation angle, 6- computer, 7- pressure detector in combustion chamber, 8control cubicle, 9- signal amplifiers set, 10- detector of injector needle lift, 11- detector of fuel pressure in injection
pipe, 12- detector of fuel temperature.
Tabela 1. Wybrane wáasnoĞci fizykochemiczne paliw zastosowanych w badaniach [4]
Table 1. Selected physicochemical characteristics of examined fuels [4]
PARAMETR
EKODIESEL PLUS 50
BIODIESEL
B
D-FAME
Liczba cetanowa
51,5
51,3
o
3
3
GĊstoĞü w 20 C [10 kg/m ]
0,836
0,882
LepkoĞü kinematyczna w 40oC [10-6 m2/s]
2,75
4,52
WartoĞü opaáowa [MJ/kg]
43,4
38,9
-2
3,47
3,55
NapiĊcie powierzchniowe V- 10 , N/m
WáasnoĞci fizykochemiczne dla paliwa naturalnego okreĞlono wg PN-EN 590, zaĞ paliwa
FAME wg. PN-EN 590:2005
4. Opis metody badaĔ
W punkcie pomiarowym, odpowiadającemu prĊdkoĞci obrotowej maksymalnego momentu
obrotowego nMo= 1400 obr/min zewnĊtrznej charakterystyki prĊdkoĞciowej silnika,
zarejestrowano 100 kolejnych przebiegów ciĞnienia w cylindrze, ciĞnienia paliwa w przewodzie
23
A. Ambrozik, S. KruczyĔski, J. Jakóbiec, S. OrliĔski
wtryskowym oraz wzniosów iglicy wtryskiwacza, przy staáym ustawieniu nominalnego kąta
dynamicznego początku táoczenia paliwa, równego Ddpt=15 qOWK.
Na podstawie zmierzonych wielkoĞci wyznaczono uĞrednione wartoĞci:
ciĞnienia w cylindrze,
ciĞnienia paliwa w przewodzie wtryskowym,
wznios iglicy wtryskiwacza.
Po wstĊpnym przygotowaniu wykresu indykatorowego do dalszej jego analizy obliczano:
wartoĞü dawki paliwa (mp) spalonego w czasie 1-go cyklu pracy silnika, wedáug zaleĪnoĞci [3]:
mp =
Ge
[kg/cykl]
30 ˜ n ˜ c
(1)
gdzie:
Ge – godzinowe zuĪycie paliwa, kg/h,
n – prĊdkoĞü obrotowa waáu korbowego, obr/min,
c – iloĞü cylindrów.
Początkową prĊdkoĞü wypáywu strumienia paliwa z wtryskiwacza up (w przekroju wylotowym
rozpylacza) obliczano z zaleĪnoĞci:
2'p
(2)
u p P U [ m / s]
gdzie:
'p - róĪnica ciĞnienia cieczy przed otworkiem rozpylacza i ciĞnienia oĞrodka do którego ciecz jest
wtryskiwana, Pa,
U- gĊstoĞü cieczy, kg/m3,
P - wspóáczynnik wypáywu zaleĪy od konstrukcji rozpylacza.
Obliczenie liczby Webera [5]:
Uo u 2d
We
[ m / s]
(3)
V
gdzie:
Uo - gĊstoĞü oĞrodka gazowego, do którego nastĊpuje wtrysk paliwa, kg/m3,
u - prĊdkoĞü cieczy w oĞrodku gazowym,
d - Ğrednica otworka rozpylacza WZM, DSL-150 A-38 silnika AD3.152, która jest równa
d = 0,28 mm,
V- napiĊcie powierzchniowe, N/m.
Krople paliwa powstaáe w wyniku pierwotnego rozpadu strugi paliwa ulegają dalszemu
rozpadowi pod warunkiem, Īe nie uderzą o ĞciankĊ komory spalania. Zakáadając krytyczną
wartoĞü liczby Webera, (Wekr = 10 ÷ 14) moĪna okreĞliü maksymalną prĊdkoĞü kropli
(o okreĞlonej Ğrednicy), powyĪej, której natepuje jej rozpad:
u kr
We kr
[m / s]
Uo d
(4)
Wtórny rozpad kropel nastĊpuje na skutek dziaáania siáy oporów aerodynamicznych ruchu
kropel w oĞrodku, w którym panuje podwyĪszone ciĞnienie gazu.
24
Influence of Diesel Engine Fuelling with Mineral and Vegetable Fuels on the Injection Process…
Obliczenia Ğrednicy dkr [1], dla badanych paliw i kilku wzglĊdnych prĊdkoĞci (u) przeprowadzono
wedáug wzoru:
VWe kr
dkr
(5)
Ug u 2
gdzie:
V - napiĊcie powierzchniowe, N/m,
U - gĊstoĞü oĞrodka (dla Momax i n= 1400 obr/min jest ȡ = 10,5 kg/m3),
Wekr - krytyczna wartoĞü liczby Webera,
u - krytyczne prĊdkoĞci kropel.
ĝrednią ĞrednicĊ kropel obliczano ze wzoru empirycznego w zaleĪnoĞci od parametrów
wtrysku paliwa. ĝrednią ĞrednicĊ Sautera (d32) tj. ĞrednicĊ jednorodnego zbioru zastĊpczych kropel
o takiej samej sumarycznej objĊtoĞci i takiej samej sumarycznej powierzchni wszystkich kropel
jak w danym zbiorze o okreĞlonym widmie rozpylenia, obliczano ze wzoru zaproponowanego
przez Hiroyasu i KadotĊ [5]:
d
A ('p)
32
0 ,135
U V
0 ,121
0 ,131
g
pj
[Pm]
(6)
gdzie:
'p - nadciĞnienie wtrysku (wartoĞü Ğrednia), Pa,
Vpj- jednostkowa dawka paliwa, mm3/cykl,
A- staáa wtryskiwacza, A = 3,8.
WartoĞü wielkoĞci A obliczono ze wzoru:
A
§l·
3 0,28¨ ¸
©d¹
(7)
gdzie dla badanego rozpylacza WZM, DSL-150 A-38 silnika AD3.152 jest:
l - dáugoĞü kanalika rozpylacza – 4 mm,
d - Ğrednica otworka rozpylacza – 0,28 mm.
Penetracja strugi paliwa zaleĪy od róĪnicy ciĞnienia wtrysku paliwa i ciĞnienia w cylindrze,
gĊstoĞci oĞrodka gazowego U i gĊstoĞci cieczy Up, zaĞ w mniejszym stopniu od Ğrednicy otworka
rozpylacza d. Wedáug Hiroyasu [5] chwilową penetracjĊ strugi moĪna wyznaczyü z zaleĪnoĞci:
Dla td trozpadu,
1/ 2
§ 2(p p ) ·
w c ¸ t
s 0,39 ¨
¨
¸
Up
©
¹
(8)
Dla t> trozpadu,
1/ 4
§ 2(p w p c) ·
¸
s 2,95 ¨
¸
¨
U
o
¹
©
25
d˜t 1/ 2
(9)
A. Ambrozik, S. KruczyĔski, J. Jakóbiec, S. OrliĔski
gdzie czas do chwili rozpadu wynosi:
t rozpadu
29 Ug d
Uo (p w p c)
1/ 2
(10)
W powyĪszych zaleĪnoĞciach oznaczono:
pw - ciĞnienie wtrysku, Pa,
pc - ciĞnienie w cylindrze, Pa,
ȡo, ȡp- gĊstoĞü gazu i paliwa, kg/m3.
Kąt rozpylenia strugi, wg Abramowicza [1] jest:
tg
ș
2
ª § U ·º
o
¸»
0,13 «1 ¨
¨
¸»
˜
'
p
U
«¬ © p
¹¼
(11)
gdzie:
'p - nadciĞnienie wtrysku (wartoĞü Ğrednia), Pa,
5. Wyniki badaĔ
Na rysunku 2, przedstawiono porównanie przebiegu ciĞnienia paliwa w przewodzie
wtryskowym dla badanych paliw, przy prĊdkoĞci obrotowej n = 1400 obr/min, odpowiadającej
maksymalnemu momentowi obrotowemu. W tabeli 2 przedstawiono maksymalne wartoĞci
ciĞnienia w przewodzie wtryskowym, początkową i krytyczną prĊdkoĞü strumienia wtryskiwanego
paliwa do cylindra silnika AD3.152 pracującego wedáug zewnĊtrznej charakterystyki
prĊdkoĞciowej i przy maksymalnym obciąĪeniu silnika.
Rys. 2. Przykáadowe uĞrednione zaleĪnoĞci ciĞnienia paliwa w przewodzie wtryskowym od kąta obrotu waáu
korbowego, przy zasilaniu silnika AD3.152 róĪnymi paliwami i przy
prĊdkoĞci obrotowej silnika n=1400 obr/min
Fig. 2. Exemplary dependences between fuel pressure in injection pipe versus
crankshaft rotation angle for the engine AD3.152 fuelled with examined fuels the
engine speed n= 1400 rpm
26
Influence of Diesel Engine Fuelling with Mineral and Vegetable Fuels on the Injection Process…
Tabela 2. Maksymalne wartoĞci ciĞnienia paliwa w przewodzie wtryskowym i prĊdkoĞü początkowa oraz prĊdkoĞü
krytyczna strumienia wtryskiwanego paliwa w silniku AD3.152 pracującym wedáug zewnĊtrznej charakterystyki
prĊdkoĞciowej i przy obciąĪeniu silnika Momax oraz n= 1400 obr/min, zasilanego róĪnymi paliwami
Table 2. Maximal values of fuel pressure in the injection pipe and initial and critical speed of the stream of injected
fuel in the AD3.152 engine working according the external speed characteristic, at maximal load Momax and n= 1400
rpm for investigated fuels
Rodzaj paliwa
CiĞnienie paliwa przed
otwarciem rozpylacza
PrĊdkoĞü
początkowa
strumienia
wp, m/s
'P, Pa
Paliwo naturalne EKODIESEL PLUS 50-B
EKODIESEL PLUS 50-B
19 400
136,92
paliwo roĞlinne BIODIESEL D-FAME
BIODIESEL D-FAME
23 600
149,80
PrĊdkoĞci
krytyczne
kropli
we, m/s
158,84
164,18
Przy zasilaniu silnika paliwami roĞlinnymi wystĊpują wyĪsze ciĞnienia paliwa przed otworem
wylotowym z wtryskiwacza, co powoduje wiĊksze prĊdkoĞci wypáywu paliwa.
Tabela 3. ĝrednia Ğrednica kropel paliwa wg. Sautera
Table 3. Mean diameter of fuel drops according to Sauter
Nazwa parametru
Dawka paliwa
Mm3/ cykl
ĝrednia Ğrednica
Sautera d32 Pm
Paliwo naturalne
EKODIESEL PLUS 50-B
54
Paliwo roĞlinne
BIODIESEL D-FAME
50
40,2
38,85
Obliczone ze wzoru (10) czasy rozpadu na krople róĪnych paliw, chwilowe penetracje strugi
obliczone wg wzoru (8, 9), przy nMomax= 1200 obr/min i Uo= 10,5 kg/m3 przedstawiono w tabeli 4.
Tabela 4 .Czasy rozpadu na krople róĪnych paliw, chwilowa penetracja strugi paliwa przy nMomax= 1200 obr/min
Table 4. Time of fuel disintegration into drops and momentareons penetration of fuel stream at nMomax= 1200 rpm
Parametr
Czasy rozpadu
[ms]
Chwilowa penetracja
strugi [mm]
dla td trozpadu
Chwilowa penetracja
strugi [mm]
dla t> trozpadu
Paliwo naturalne
EKODIESEL PLUS 50-B
0,535
Paliwo roĞlinne
BIODIESEL D-FAME
0,512
129
137
124
154
W tabeli 5 przedstawiono kąty rozpylenia róĪnych paliw, przy pracy silnika AD3.152 wedáug
charakterystyki obciąĪeniowej i prĊdkoĞci obrotowej waáu korbowego n= 1400 obr/min
27
A. Ambrozik, S. KruczyĔski, J. Jakóbiec, S. OrliĔski
Tabela 5. Kąty stoĪka rozpylenia paliw, przy pracy silnika AD3.152 wg charakterystyki obciąĪeniowej i prĊdkoĞci
obrotowej waáu korbowego n = 1400 obr/min
Table 5. Cone angle of investigated fuels atomization at the work of AD3.152 engine according to load characteristic
and at the engine speed n= 1400 rpm
Kąty rozpylenia
Paliwo naturalne
EKODIESEL PLUS 50-B
0,1384
Wedáug Abramowicza
tg 4/2
7, 50 o
tg 4/2
Paliwo roĞlinne
BIODIESEL D-FAME
0,1366
7, 40 o
7. Wnioski
Na podstawie otrzymanych wyników badaĔ silnika AD3.152 zasilanego paliwami
ekologicznymi: tj. mineralnym EKODIESEL PLUS 50B oraz paliwem roĞlinnym BIODIESEL DFAME i pracującego wedáug charakterystyki obciąĪeniowej przy n=1400 obr/min, moĪna
sformuáowaü nastĊpujące wnioski:
- wartoĞci uĞrednionych przebiegów ciĞnieĔ róĪnych paliw w przewodzie wtryskowym są
wiĊksze o 7.7% przy zasilaniu silnika paliwem roĞlinnym BIODIESEL D-FAME
w porównaniu z paliwem wĊglowodorowym EKODIESEL PLUS 50B przy obciąĪeniu silnika
Momax n=1400 obr/min.
Ponadto badania wykazaáy, Īe:
- badane paliwa charakteryzują siĊ porównywalnym napiĊciem powierzchniowym, zarówno
paliw pochodzenia mineralnego jak i roĞlinnego,
- Ğrednia Ğrednica Sautera badanych paliw roĞlinnych jest mniejsza niĪ paliw
wĊglowodorowych,
- Ğrednice krytyczne kropel dkr paliw wĊglowodorowych są wiĊksze niĪ paliw roĞlinnych,
gáównie z uwagi na ich wiĊksze napiĊcie powierzchniowe,
- początkowe prĊdkoĞci wtryskiwanego strumienia paliw roĞlinnych i wĊglowodorowych są
porównywalne,
- czasy rozpadu badanych paliw i chwilowa penetracja strug dla badanych paliw okazaáy siĊ
porównywalne,
- celowym jest prowadzenie dalszych badaĔ procesów wtrysku paliwa przy zasilaniu silnika
zarówno paliwami pochodzenia mineralnego jak i roĞlinnego.
8. Literatura
[1] Abramowicz, G. N., Theory of Turbulent Jets M.I.T, Press Cambridge. Mas, 1963.
[2] Dokumentacja stanowiska pomiarowego, IEPiM, Politechnika Radomska, Radom 2005.
[3] Falkowski, H., Ukáady wtryskowe silników wysokoprĊĪnych. WKà, Warszawa 1989.
[4] PKN ORLEN S.A., Rafineria Trzebinia, ĝwiadectwa jakoĞci paliw, 2006.
[5] Orzechowski, Z., Prywer, J., Rozpylanie cieczy, WNT, Warszawa 1991.
28