AKADEMIA MORSKA w Szczecinie Zastosowanie liczb kryterialnych

AKADEMIA MORSKA w Szczecinie
ROZPRAWA DOKTORSKA
Zastosowanie liczb kryterialnych jakości rozpylania paliw
z biokomponentami do oceny przydatności w silnikach
statków polskiej floty rybackiej
mgr inż. Paweł Krause
Promotor:
prof. dr hab. inż. Oleh Klyus
Promotor pomocniczy:
dr inż. Grzegorz Kidacki
Szczecin 2015
Spis treści
1.
2.
2.1
2.2
2.3
3.
3.1
3.2
3.3
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
5.
5.1
5.2
6.
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
7.
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
8.
9.
10.
Wykaz ważniejszych skrótów, symboli i indeksów………………………
Wstęp………………………………………………………………………...
3
6
Cel i zakres pracy…………………………………………………………...
Metodyka oznaczania właściwości zapłonowych paliw do silników z
zapłonem samoczynnym……………………………………………………
Liczba cetanowa…………………………………………………………….
Komora spalania o stałej objętości………………………………………...
Parametry określające warunki wtrysku w komorze spalania w silniku
ZS…………………………………………………………………………….
Odparowanie i samozapłon paliw ciekłych………………………………..
Odparowanie kropli paliwa………………………………………………...
Samozapłon paliw ciekłych…………………………………………………
Czynniki wpływające na opóźnienie samozapłonu paliwa w silniku ZS...
Rozpylanie paliwa i kryteria jakości rozpylania……………………...…..
Podstawy teoretyczne rozpylania paliw w silnikach ZS………………….
Rozpad wtórny kropli………………………………………………………
Kryteria jakościowe rozpylania paliw dla silników ZS…………………..
Parametry konstrukcyjne i eksploatacyjne rozpylaczy wpływające na
jakość rozpylania paliw do silników ZS…………………………………...
Porównanie wybranych właściwości fizycznych ropopochodnych olejów
napędowych i estrów metylowych oleju rzepakowego……………………
Właściwości fizyczne ON i RME…………………………………………..
Możliwość stosowania paliw innych niż ropopochodne na statkach
rybackich…………………………………………………………………....
Oznaczenie parametrów fizycznych wybranych paliw..…………………
Lepkość……………………………………………………………………...
Napięcie powierzchniowe…………………………………………………..
Paliwa użyte do badań……………………………………………………...
Badania laboratoryjne……………………………………………………..
Analityczne wyznaczenie wybranych parametrów jakości rozpylania
paliw………………………………………………………………………….
Badanie jakości rozpylania wybranych paliw na stanowisku
badawczym……………………………………………………………….....
Opis stanowiska badawczego………………………………………………
Pomiar jakości rozpylania paliwa na stanowisku badawczym…………..
Wyniki badań jakości rozpylania paliwa na stanowisku
laboratoryjnym……………………………………………………………..
Analiza wyników……………………………………………………………
Metodyka określenia przydatności paliwa do silnika ZS z
wykorzystaniem liczb kryterialnych rozpylania…………...…………......
Badanie eksperymentalne silnika ZS zasilanego badanym paliwem na
stanowisku hamownianym…………………………………………………
Podsumowanie i wnioski końcowe………………………………………....
Literatura……………………………………………………………………
13
14
14
23
33
40
40
46
48
52
52
61
65
73
76
76
90
95
95
99
107
108
115
128
129
132
136
145
148
151
159
163
STRESZCZENIE
W pracy przeprowadzono analizę możliwości zastosowania liczb kryterialnych
rozpylania cieczy Ohnesorge (Oh) i Reynoldsa (Re) do oceny przydatności paliw,
zawierających biokomponenty, przeznaczonych do silników z zapłonem samoczynnym
statków polskiej floty rybackiej. Wstępna analiza wykazała, że liczba cetanowa,
wykorzystywana jako podstawowy parametr do oceny właściwości zapłonowych paliw, jest
parametrem umownym i występuje brak korelacji dobrych własności zapłonowych (wysoka
liczba cetanowa) z jakością spalania.
Zwrócono uwagę na to, że dokładne rozdrobnienie i wymieszanie paliwa z
powietrzem jest najważniejszym procesem tworzenia jednorodnej mieszaniny palnej w
komorze spalania a decydującymi w tym procesie są lepkość i napięcie powierzchniowe,
które stanowią podstawowe składniki liczb kryterialnych Oh i Re.
Dla oceny wpływu obecności biokomponentów w paliwie ropopochodnym na wartość
liczb Oh i Re, wykonano oznaczenia lepkości, gęstości i napięcia powierzchniowego
mieszanin oleju napędowego z estrami metylowymi oleju rzepakowego (RME) w proporcjach
objętościowych 5, 10, 15 i 20%, obliczono wartości liczb Oh i Re i naniesiono na wykres
Ohnesorge. Dla wybranych punktów współrzędnych Oh i Re wyznaczono średnią średnicę
kropli (SMD) w rozpylanych paliwach metodą dyfrakcji laserowej. Celem porównania
otrzymanych wartości średnicy SMD na stanowisku laboratoryjnym z wzorami
doświadczalnymi do wyznaczania SMD kropli w procesach modelowania, obliczono średnicę
SMD dla różnych ciśnień wtrysku wg formuł Tanasawy i Toyody oraz Hiroyasu i Kadoty. W
oparciu o otrzymane wyniki badań analitycznych i doświadczalnych, opracowano metodykę
pozwalającą wykorzystać liczby kryterialne do oceny przydatności zastosowania paliw lub
mieszanin z innymi niż ropopochodne. Do weryfikacji wpływu zawartość biokomponentów w
mieszaninie z olejem napędowym na wzrost średnic kropel strugi i na jakość spalania
zastosowano wyniki badań silnika typu 359 na stanowisku hamownianym.
ABSTRACT
This dissertation looks into the applicability of Ohnesorge (Oh) and Reynolds
similarity numbers to liquid atomization for assessing the suitability of biofuels used in diesel
engines of Polish fishing vessels. A preliminary analysis has shown that the cetane number
used as a basic parameter in evaluating ignition properties is a conventional parameter and no
correlation exists between good ignition properties (high cetane number) and combustion
quality.
It has been noted that accurate break-up and mixing of fuel with air is the most
important process in the creation of homogeneous combustible mixture in the combustion
chamber, while the essential properties – viscosity and surface tension – critical constituents
in the process, are also basic elements of the similarity numbers Oh and Re.
Tests were carried out to estimate how the presence of biocomponents in fuel oil
affects the values of Oh and Re numbers. For this purpose, the viscosity, density and surface
tension of a mixture of fuel oil and rape methyl esters (RME) were determined for four
different volumetric proportions: 5, 10, 15 and 20%. The calculated values of Oh and Re
numbers were plotted in an Ohnesorge diagram. For selected coordinate points of Oh and Re
the SMD (Sauter Mean Diameter) was determined in atomized fuels by the laser diffraction
method. To compare the SMD values obtained in lab tests with experimental formulas for the
determination of SMD in modelling processes, the SMD for various injection pressures as per
formulas proposed by Tanasawa and Toyoda, and those of Hiroyasu and Kadota. Based on
the results of analytical studies and experimental tests, a methodic has been developed to use
the similarity numbers for the suitability assessment of fuel or its mixtures with nonpetroleum components. The results of tests on a 359 type engine placed in a braking test bed
were used to verify the impact of biocomponent content in a fuel oil mixture on jet droplet
size and combustion quality.