Badawcza analiza wtrysku paliwa w aspekcie właściwości

Paweł Michał Stobnicki
Politechnika Poznańska / Instytut Silników Spalinowych i Transportu
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Badawcza analiza wtrysku paliwa w aspekcie
właściwości ekologicznych silnika o zapłonie samoczynnym
Stale rosnące wymagania stawiane silnikom spalinowym, a przede wszystkim normy
emisji spalin sprawiły, że rozwój układów zasilania silników na przełomie ostatnich
kilkudziesięciu lat, głównie w zakresie materiałów oraz elektronizacji przyczynił się znacznie
do optymalizacji procesu spalania. Aktualne charakterystyki eksploatacyjne osiągane przez
silniki spalinowe odpowiadają zapotrzebowaniu użytkowników pojazdów oraz wymogom
ekologicznym. Konstrukcja układu wtryskowego, która zapewnia prawidłowe rozpylenie
paliwa jest ściśle powiązana z elementami wykonawczymi wchodzącymi w skład
wtryskiwacza oraz z wysokimi wartościami ciśnienia paliwa doprowadzanego do rozpylacza.
Obecnie produkowane układy wtryskowe typu Common Rail, pozwalają na sprostanie
wymaganiom stawianym silnikom o zapłonie samoczynnym. Wysokie ciśnienie wtrysku, a
także możliwość sterowania podziałem dawki paliwa w aspekcie modyfikacji przebiegu
procesu spalania sprawiły, że układy tego typu zastąpiły konwencjonalne systemy zasilania
silników
spalinowych
o
zapłonie
samoczynnym,
które
wykorzystywały
tradycyjne
rozdzielaczowe pompy wtryskowe, jak również układy z pompowtryskiwaczami. Możliwość
kontrolowania sposobu doprowadzenia paliwa do komory spalania w celu optymalnego
przebiegu procesu spalania, przy jednoczesnym zachowaniu niskiej emisji związków
szkodliwych, a także zapewnienie wysokich parametrów eksploatacyjnych tj. moment
obrotowy i moc, wiąże się z koniecznością bezawaryjnej pracy całego układu w jak
najdłuższym okresie jego eksploatacji.
Realizowana praca doktorska pt. Badawcza analiza wtrysku paliwa w aspekcie
właściwości ekologicznych silnika o zapłonie samoczynnym, przedstawia możliwości
wykorzystania nowej metody badawczej, służącej do optycznej analizy przebiegu procesu
rozpylenia i spalania. Zastosowanie wykorzystanej w pracy metody do badań silników
spalinowych seryjnie produkowanych jest znacznie utrudnione, ale jednocześnie możliwe do
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
zrealizowania. Aktualnie badania tego typu wykonywane są głównie na specjalnych
stanowiskach
badawczych
w
laboratoriach
oraz
ośrodkach
badawczo-rozwojowych
specjalizujących się w tego typu badaniach, zlokalizowanych również na terenie
województwa wielkopolskiego.
Wykorzystana w pracy metoda rejestracji procesów zachodzących w komorze spalania
silnika spalinowego, pozwala na szeroką analizę rzeczywistej jednostki badawczej podczas
jej pracy, co jest główną zaletą technik optycznych. Dzięki temu technologia rejestracji
procesów przy użyciu kamery z jednoczesnym pomiarem ciśnień jest coraz częstszą metodą
analizy toku rozprzestrzeniania mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze silnika
spalinowego. Pomimo znacznych utrudnień związanych z zastosowaniem metody w
produkcji seryjnej silników spalinowych, a także rejestracji obrazów wewnątrz cylindra,
metoda badań optycznych pozwala na znaczące zmniejszenie nakładów finansowych
koncernów motoryzacyjnych produkujących nowe jednostki silnikowe. Dodatkową korzyścią
jest ponadto uzyskanie szczegółowej analizy procesów zachodzących w komorze spalania
nowoczesnych silników, a procesy rozpylenia i spalania paliwa w układach wtryskowych
dostarczają szereg nowych informacji w zakresie wielkości szybkozmiennych.
W związku z przedstawionym stanem rzeczy, za przedmiot rozprawy postawiono
analizę wtrysku paliwa w aspekcie właściwości ekologicznych silnika o zapłonie
samoczynnym. Zagadnienie to postanowiono rozwiązać na drodze szczegółowej analizy
rozpylenia oleju napędowego. Modelowe badania rozpylenia paliwa wykonane na stanowisku
pozasilnikowym,
zweryfikowane
badaniami
symulacyjnymi
z
wykorzystaniem
oprogramowania AVL Fire 2010, skojarzono z wynikami pomiarów emisyjnych związków
toksycznych spalin silnika o zapłonie samoczynnym. Uzyskano dzięki temu zależności, które
pozwalają na podstawie badań optycznych rozpylenia paliwa, przewidywać zmiany emisji
związków toksycznych spalin. Pozwoli to w rezultacie wykorzystywać przyjętą metodę do
poprawiania emisyjności. Kolejną zaletą przyjętej metodyki jest ograniczenie w procesie
optymalizacji wtrysku paliwa badań silnikowych, na rzecz relatywnie tanich oraz łatwych do
wykonania badań wizualizacyjnych rozpylenia.
Badania i analiza wtrysku paliwa, a także jego rozpylenia pozwolą na poszerzenie
wiedzy konstruktorów w tej dziedzinie. Uzyskany materiał badawczy w rezultacie pozwoli na
szerszą analizę procesów zachodzących w komorze spalania silnika spalinowego, co w
konsekwencji umożliwi znaczące ograniczenie emisji toksycznych składników spalin,
zmniejszenie zużycia paliwa oraz zasobów energetycznych województwa i kraju.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego