article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(87)/2012
Stanisław W. Kruczyński1, Michał Kurek2, Patryk Hirszler3
ANALIZA PROCESU SPALANIA ETANOLU NA CHARAKTERYSTYCE
REGULACYJNEJ KĄTA WYPRZEDZENIA ZAPŁONU
SILNIKA ROVER 1.4
1. Wstęp
W obecnych czasach przed konstruktorami zajmujący się silnikami o zapłonie
iskrowym (ZI) stoją dwa następujące problemy:
 Pierwszym jest problem drastycznie malejących złóż ropy naftowej, oraz
bardzo szybko rosnąca cena baryłki ropy, które wymuszają poszukiwanie
alternatywnych źródeł paliw do zasilania silników ZI.
 Drugim problemem są coraz bardziej restrykcyjne normy emisji spalin Euro-5
dla lekkich samochodów osobowych, oraz wchodząca w życie od 2014 roku
norma Euro-6 dla ciężkich pojazdów samochodowych.
Aktualnie jedną z alternatyw dla klasycznych paliw wytwarzanych z ropy
naftowej jest bioetanol, czyli paliwo otrzymywane z produktów roślinnych takich jak
zboża, buraki cukrowe, ziemniaki, trzcina cukrowa. Na rynku tego typu paliwo
najczęściej występuje w formie mieszanki zawierającej 15% benzyny i 85% bioetanolu,
pod nazwą E85. Etanol, obok wodoru, jest uważany za paliwo najbardziej przyjazne
środowisku. Jako dodatek do paliw zawierający tlen powoduje zmniejszenie emisji
tlenku węgla i toksycznych składników spalin takich jak benzen i cząstki stałe [1].
Alkohol etylowy CH3CH2OH występujący w tym paliwie w swojej strukturze zawiera
dodatkowo jeden atom tlen. Paliwo to ma wyższą liczbę oktanową co pozwala na
obniżenie stężenia węglowodorów oraz tlenku węgla w spalinach. Aby można je było
stosować w samochodach muszą one być wyposażone w system Flexifuel (tego typu
samochody na rynku polskim sprzedają m.in. Ford, Peugeot, Citroen, Volvo).
Tabela 1. Porównanie podstawowych parametrów LO95 i E85
Benzyna
Etanol
Wartość opałowa [MJ/dm3]
31
23
Wartość opałowa [MJ/kg]
41
26,8
Granica zapalności [ λ ]
0,4-1,4
0,3-2,1
Liczba cetanowa/oktanowa RON
15/95
-/108
Celem niniejszego opracowania była analiza procesu spalania etanolu, na
charakterystyce regulacyjnej kąta wyprzedzenia zapłonu na silniku Rover 1.4.
Opracowanie to pozwoli na lepsze poznanie procesów zachodzących podczas zasilania
silnika paliwem typu bioetanol, oraz na laboratoryjne wyznaczenie stężeń substancji
szkodliwych w spalinach.
1
2
3
prof. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński – Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów
mgr. inż. Michał Kurek – Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów
mgr. inż. Patryk Hirszler – PIMOT
137
2. Opis stanowiska badawczego
Badania prowadzone były na hamowni silnikowej, na której zamontowany był silnik
DOHC z wielopunktowym wtryskiem, marki Rover, o oznaczeniu K16 MPI. Pojemność
skokowa silnika 1398cm3, moc 76 KW. Ze względu na to, że nie jest to silnik typu flexifuel przystosowany do zasilania paliwem E85 dokonano modyfikacji umożliwiającej
regulowanie parametrów pracy silnika, poprzez zamontowanie urządzenia typu „piggyback” Digital ECU Tuner II, firmy ECU Master, co umożliwiło zasilanie silnika
paliwem E85. Dodatkowy kontroler umożliwia zmianę wartości sygnałów sterujących
komputerem samochodowym ECU, oraz regulację takich parametrów jak skład
mieszanki paliwowo-powietrznej, czy zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu – która to
funkcjonalność była wykorzystywana podczas badań.
Dodatkowo podczas pomiarów pobierano próbkę gazów spalinowych z układu
wydechowego, które były kierowane bezpośrednio do analizatora spalin AVL CEB II
poprzez drogi grzewcze o temperaturze około 150°C. Takie rozwiązanie pozwoliło
uniknąć osadzania się HC na powierzchni dróg gazowych. Analizator mierzył stężenia
takich substancji jak tlenek węgla (CO), węglowodory (HC) oraz tlenki azotu (NO x).
Moc efektywna była mierzona hamulcem elektromechanicznym.
Rys. 1. Stanowisko pomiarowe
3. Opis metodyki badawczej oraz wyniki badań
Metodyka pomiarów polegała na regulowaniu kąta wyprzedzenia zapłonu podczas
pracy na mieszance stechiometrycznej λ=1 i przy prędkości obrotowej
n = 2900 obr/min. Zakres regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu wynosił od ф=12°OWK
do 36°OWK z krokiem co 4°. Pomiary były prowadzone dla 3 rodzajów paliw:
 Standardowe paliwo LO95 produkcji PKN Orlen.
 Paliwo E85 zawierające 85% etanolu.
 Mieszanina 50% LO95 i 50% E85, na potrzeby badań oznaczona jako E40.
Przeprowadzono następujące pomiary na charakterystyce kąta wyprzedzenia zapłonu:
 ciśnień w komorze spalania w funkcji kąta obrotu wału korbowego,
 stężeń substancji szkodliwych CO, HC, NOx.
Następnie obliczono i dokonano analiz następujących parametrów pracy silnika:
 przyrost ciśninia dp/dα,
 wydzielanie ciepła dQ/dα,
 nieregularność procesu spalania.
138
Przeprowadzone badania zostały następnie zestawione w postaci wykresów
porównawczych, przedstawionych poniżej.
Na rysunkach umieszczono przykładowe wartości pomiarów przedstawione dla
wczesnego kąta wyprzedzenia zapłonu ф=12°OWK. Indykowanie zrobiono w programie
Indiview.
1,8
LO95
1,6
E40
Ciśnienie [MPa]
1,4
E85
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
Kąt obrotu wału korbowego α[°OWK]
70
90
Rys. 2. Wykresy indykatorowe p=f(α) przy pracy silnika w następujących warunkach:
n=2900obr/min, TPS=22,4°, λ=1, ф=12°OWK,
0,3
E40
dp/dα [Mpa/°OWK]
0,2
E85
0,1
LO95
0
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
Kąt obrotu wału korbowego α[°OWK]
Rys. 3. Wykresy przyrostu ciśnienia dp/dα=f(α) przy pracy silnika w następujących
warunkach: n=2900obr/min, TPS=22,4°, λ=1, ф=12°OWK
139
Ilość wydzielonego ciepła [%/°OWK]
4,5
LO95
4
3,5
E85
3
E40
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-0,5 -30
-1
-10
10
30
50
70
90
Kąt obrotu wału korbowego α[°OWK]
Rys. 4. Wykresy wydzielania ciepła dQ/dα=f(α) przy pracy silnika w następujących
warunkach: n=2900obr/min, TPS=22,4°, λ=1, ф=12°OWK
Za pomocą oprogramowania AVL Concerto wyznaczono także nieregularność
procesu spalania i wyznaczono odchylenie standardowe. Poniżej znajdują się
przykładowe wyniki dla kąta wyprzedzenia zapłonu ф=12°OWK.
Rys.5. Nieregularność procesu spalania; paliwo LO95, n=2900 obr/min, kąt
wyprzedzenia zapłonu ф=12°OWK, odchylenie standardowe σ=0,24
140
Rys. 6. Nieregularność procesu spalania; paliwo E40, n=2900 obr/min,
kąt wyprzedzenia zapłonu ф=12°OWK, odchylenie standardowe σ=0,22
Rys. 7. Nieregularność procesu spalania; paliwo E85, n=2900 obr/min, kąt
wyprzedzenia zapłonu ф=12°OWK, odchylenie standardowe σ=0,20
Za pomocą analizatora spalin zmierzono stężenia substancji szkodliwych, których
wartości przedstawiono na zbiorczych wykresach.
141
12000
Stężenie [ppm]
10000
8000
6000
4000
LO95
2000
E85
E40
0
12
16
20
24
28
Kąt wyprzedzenia zapłonu ϕ [°OWK]
32
36
Rys. 8. Stężenie CO na charakterystyce regulacyjnej kąta wyprzedzenia zapłonu;
n=2900obr/min, kąt otwarcia przepustnicy TPS=22,4°
2500
Stężenie [ppm]
2000
1500
1000
LO95
E85
500
E40
0
12
16
20
24
28
Kąt wyprzedzenia zapłonu ϕ [°OWK]
32
36
Rys. 9. Stężenie NOx na charakterystyce regulacyjnej kąta wyprzedzenia zapłonu;
n=2900obr/min, kąt otwarcia przepustnicy TPS=22,4°
142
3000
Stężenie [ppm]
2500
2000
1500
1000
LO95
E85
500
E40
0
12
16
20
24
28
Kąt wyprzedzenia zapłonu [°]
32
36
Rys. 10. Stężenie HC na charakterystyce regulacyjnej kąta wyprzedzenia zapłonu,
n=2900obr/min, kąt otwarcia przepustnicy TPS=22,4°
4. Wnioski
 spalanie paliwa E85 i E40 w stosunku do spalania LO95 przy późnym kącie
zapłonu (ϕ=12°OWK), powoduje nierównomierną prędkość narastania
ciśnienia w komorze spalania, oraz późniejsze wywiązywanie się ciepła,
 spalanie E85 i E40 powoduje zmniejszenie nieregularności pracy silnika o 15%
w stosunku do paliwa LO95,
 stężenia NOx, CO, HC wzrasta wraz ze zwiększaniem kąta wyprzedzenia
zapłonu w całym zakresie regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu,
 spalanie E85 i E40 powoduje zmniejszenie emisji NOx oraz HC w stosunku do
paliwa LO95.
Analizując wyniki badań spalania etanolu i jego wpływ na parametry pracy silnika
można wywnioskować, że zasilanie silnika etanolem przynosi pozytywne skutki i jest
korzystne dla pracy silnika, jako, że powoduje stabilniejszą i lepszą pracę (rys. 5,6,7),
a także znaczący spadek emisji substancji szkodliwych (rys. 9,10), poza tlenkiem węgla
(rys. 8), którego emisja była większa. Lepsza i stabilniejsza praca silnika stwierdzona
podczas badań wynika najprawdopodobniej z odmiennej budowy fizykochemicznej
etanolu, co ma wpływ na proces spalania. Wymagałoby to jednak dodatkowych badań.
Należałoby także zbadać jaki jest długotrwały wpływ stosowania etanolu na komponenty
silnika, który nie był fabrycznie przystosowany do zasilania tego typu paliwem.
Literatura
[1] Radkowski S., Piętak A., Kruczyński S., Szewczyk K., Struś M.: Wieloaspektowa
analiza stosowania paliw w Polsce ze szczególnym uwzględnieniem biopaliw;
Warszawa 2006; Dostępne: www.transport.gov.pl
[2] Kurek M.: Ocena wpływu etanolu na parametry pracy silnika ZI, Praca magisterska,
Wydział SiMR, Politechnika Warszawska, Warszawa 2010
143
[3] Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie iskrowym, Wydanie I,
Warszawa 2005
Streszczenie
W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań i analizę procesu spalania
etanolu na charakterystyce regulacyjnej kąta wyprzedzenia zapłonu na silniku Rover 1.4.
Wyniki te pozwoliły na wyznaczenie emisji substancji szkodliwych, odtworzenie
wykresów indykatorowych oraz analizę wybranych parametrów pracy silnika.
Przedstawiono również opis stanowiska badawczego oraz metodykę wykonywania
pomiarów. Artykuł zawiera porównanie 3 paliw pod względem ich wpływu na proces
spalania. Ponadto przedstawione wyniki są efektem prac hamownianych, które
umożliwią stworzenie komputerowej symulacji procesu spalania etanolu, za pomocą
odpowiedniego oprogramowania komputerowego.
ANALYSIS OF COMBUSION OF THE ETHANOL ON THE REGULATION
CHARACTERISTIC OF IGNITION TIMING ON ROVER 1.4 ENGINE
Summary
This article presents the results and analysis of combustion of the ethanol on the
regulation characteristic of ignition timing on Rover 1.4 engine. This results allowed to
designate the emission of harmful substances, reconstruction of the indicator graphs, and
analysis of selected engine operating parameters. The article presents also a description
of measurement station, and methodology of measurements. The article is comparison of
3 fuels in terms of their influence on combustion process. Moreover presented results are
the effect of dyno measurements, which will allow to prepare a computer simulation of
ethanol combustion process, on the specialized computer software.
144