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