article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(97)/2014
Andrzej Ambrozik, Tomasz Ambrozik, Dariusz Kurczyński, Piotr Łagowski1
PODSTAWOWE PARAMETRY STRUGI WTRYSKIWANEGO BIOPALIWA
W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM
Wstęp
Silnik spalinowy jest jednym z głównych źródeł napędu pojazdów w XXI wieku.
Obecny rozwój motoryzacji związany jest ze zmniejszeniem emisji szkodliwych
składników spalin oraz poszukiwaniem nowych paliw alternatywnych, które są bardziej
przyjazne środowisku w porównaniu z paliwami pochodzenia mineralnego.
W dzisiejszych czasach jednym z kierunków rozwoju motoryzacji jest opracowanie
i wytwarzanie silników o ZS, które są bardziej ekologiczne i zużywają mniej paliwa.
Wraz z rozwojem technologii wytwarzania silników ważne jest nie tylko poszukiwanie
nowych paliw, które zapewnią mniejsze szkodliwe oddziaływanie na środowisko, ale
będą stanowiły również efektywne źródło energii. Paliwa alternatywne otrzymywane
z surowców naturalnych m.in. z oleju sojowego, zwane „zielonymi” paliwami są obecnie
szeroko stosowane nie tylko w Europie, ale i na świecie. Wiele naukowo – badawczych
ośrodków na świecie w swoich pracach badawczych dąży do zapewnienia jak
największej sprawności tłokowych silników spalinowych przy zapewnieniu, jak
najmniejszego ich szkodliwego oddziaływania na środowisko. Paliwa roślinne
charakteryzują się wieloma korzystnymi właściwościami w porównaniu z paliwami
kopalnymi, tj. lepszą biodegradowalnością, znikomą zawartością substancji
rakotwórczych w spalinach, niską emisją węglowodorów i mniejszym zadymieniem
spalin [1]. Obecnie w wielu ośrodkach naukowo – badawczych prowadzane są badania
dotyczące wpływu biopaliwa na podstawowe energetyczno – ekonomiczne i ekologiczne
wskaźniki pracy silnika. Wyniki tych badań przedstawiono między innymi w pracach [2,
3, 4, 5, 6, 7, 8]. Celem przeprowadzonych badań symulacyjnych była ocena wpływu
mieszaniny oleju napędowego z estrami metylowymi oleju sojowego na podstawowe
parametry strugi paliwa.
1.
Obiekt badań
Badania symulacyjne przeprowadzono z wykorzystaniem programu symulacyjnego.
Dane techniczne badanego silnika przedstawiono w tabeli 1. Silnik wyposażony jest
w system recyrkulacji spalin. Badania zrealizowano dla jednego punktu pracy silnika
tj. pracującego przy n=2000 obr/min i przy pełnym obciążeniu.
2.
1
prof. dr hab. inż. Andrzej Ambrozik, dr inż. Tomasz Ambrozik, dr inż. Dariusz Kurczyński, dr inż. Piotr
Łagowski, Katedra Pojazdów Samochodowych i Transportu Wydziału Mechatroniki i Budowy Maszyn
Politechniki Świętokrzyskiej
51
Tabela 1. Dane techniczne silnika
Silnik o zapłonie samoczynnym
Parametr
Jednostka
Układ cylindrów
Liczba cylindrów
Rodzaj wtrysku
Stopień sprężania
Pojemność skokowa silnika
dm3
Skok tłoka
mm
Średnica cylindra
mm
Liczba otworków w rozpylaczu
Średnica otworka rozpylacza
mm
Wartość
rzędowy
3
bezpośredni
16,5
2,502
127
91,4
4
0,28
Na rysunku 1 przedstawiono strugi wtryskiwanego paliwa i kąt ich nachylenia
w stosunku do ścianki komory spalania.
Rys. 1. Rozmieszczenie strug wtryskiwanego paliwa β i kąt nachylenia osi
strugi względem osi komory spalania α.
Właściwości fizyko - chemiczne paliwa
Właściwości fizyko – chemiczne paliwa są podstawowymi parametrami
wpływającymi na proces wtrysku paliwa do komory spalania. Istotne jest ich
prawidłowe wpisanie jako dane wejściowe do programu obliczeń dynamiki rozwoju
strugi paliwa, tj. średnio – objętościowej średnicy kropli, kąta rozwarcia stożka i zasięgu
strugi paliwa. Wielkości te wpływają na proces tworzenia mieszanki palnej i jej jakość,
które decydują o intensywności i charakterze przebiegu procesu spalania. Wszystkie
istotne właściwości różnych biopaliw są trudno dostępne w literaturze
w przeciwieństwie do właściwości oleju napędowego.
W tabeli 2 przedstawiono właściwości fizyko – chemiczne badanego paliwa, które
wykorzystano w obliczeniach symulacyjnych.
3.
52
Tabela 2. Właściwości fizyko – chemiczne oleju napędowego, estrów metylowych oleju
sojowego i ich mieszanin [9]
Parametr
Liczba cetanowa
Wartość opałowa, MJ/kg
Gęstość w temperaturze 60C, g/cm3
Lepkość dynamiczna w temperaturze
60C, Pa·s
Napięcie powierzchniowe w temperaturze
60C, N/m
Przeciętny skład elementarny paliwa:
C
H
O
Zawartość siarki S, %
Olej
napędowy
ON
48
42,5
0,830
0,003
SME
B20
SME
B40
SME
B100
48,69
41,18
0,841
0,00334
49,37
39,89
0,852
0,00368
51,3
36,22
0,885
0,00463
0,028
0,031
0,034
0,0433
0,87
0,126
0,004
0
0,8496
0,1245
0,0259
0,001
0,8297
0,1230
0,0473
0,002
0,773
0,118
0,108
0,005
Model strugi paliwa przedstawiono na rys. 2, zaś obliczenia jej podstawowych
parametrów zrealizowano za pomocą programu symulacyjnego według metodyki
opracowanej w [9, 10, 11]. Tak szczegółowy model rozkładu paliwa w jego strudze
spowodowany jest m.in. niejednorodnymi warunkami cieplnymi w różnych strefach
odparowania kroplel paliwa wtryskiwanego do komory spalania, różną interakcją kropel
w ruchu oraz kropel stykających się ze ściankami komory spalania, ściankami cylindra i
z powierzchnią głowicy. Uwzględnia on także wpływ temperatury ścianek na szybkość
parowania kropel oraz oddziaływanie strug paliwa w warstwach przyściennych.
Rys. 2. Rozkład paliwa w strudze paliwa w silniku o zapłonie samoczynnym [9]:
1 – rozrzedzona otoczka strugi, 2 – zagęszczone osiowe jądro strugi, 3 – zagęszczone
czoło strugi paliwa (przedni front), 4 – rozrzedzona otoczka przyściennego strumienia
paliwa, 5 – zagęszczone jądro przyściennej strugi paliwa, 6 – przedni front (przednie
czoło) przyściennego strumienia paliwa, 7 – stożkowe, osiowe jądro przyściennej strugi
paliwa
53
Do obliczeń podstawowych parametrów strugi paliwa niezbędne jest wyznaczenie
wartości liczb kryterialnych. Aby je wyznaczyć trzeba znać parametry konstrukcyjne
wtryskiwacza i właściwości fizyko – chemiczne paliwa. Wartości liczb kryterialnych
wyznaczono z następujących zależności [9, 10, 11, 12, 13]:
We 
M
w śr2  d r  pal
pal
(1)
 2pal
 pal  d r   pal
E
(2)
 2   pal
(3)
 pal  d 3r

 pow
 pal
(4)
W modelu strugi założono, że jej rozwój następuje w dwóch fazach: początkowej
i głównej. Granicę między tymi fazami wyznacza zasięg l i czas wtrysku τg [9].
Wielkości te wyznacza się z zależności:
l  C  d r  We 0, 25  M 0, 4   0,6

(5)

g  2  D  l 2   / d r  U 0  We 0, 21  M 0,16 We 0,52M 0,08E 0,35
(6)
gdzie: U0 jest średnią prędkością wypływu paliwa z otworków rozpylacza wtryskiwacza.
Wartości C i D według [9] wynoszą odpowiednio 8,25÷8,85 i 4,5÷5,0. Zasięg i kąt
rozwarcia stożka strugi dla początkowego (lp i γp) i głównego (lg i γg) okresu wtrysku
wyznacza się z następujących zależności:


l p  A  E 0,35  exp   0,2  s

g



M

l g   d r  U 0  We 0, 21 
2  D   

0 ,16




τs – bieżący czas trwania wtrysku liczony od jego początku
54
(7)
0,5
  s2
(8)


 p  2  atg F  We 0,35  M 0,07  E 0,12   0,5  exp 0,07   s /  g 
(9)
F  0,932  G  We 0,03  E 0,12
(10)
gdzie:

 g  2  atg G  We 0,32  M 0,07  E 0,12   0,5

(11)
Jeśli czas τs = τg to wartość wielkości G zgodnie z [14] wynosi G=0,0075÷0,009.
Średnią objętościowo-powierzchniową średnicę kropli obliczano ze wzoru [10]:
SMD  A  d r 
M 0,0733
  We 0, 266
(12)
gdzie stała empiryczna A dla wtryskiwaczy zamkniętych według [10] wynosi A=1,445.
Wyniki badań symulacyjnych
W tabeli 3 przedstawiono wyniki symulacyjnych obliczeń parametrów strugi
paliwa w silniku pracującym według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej
przy n=2000 obr/min i zasilaniu go: ON, B20, B40 i B100. Wyniki obliczeń obejmują:
moc silnika Ne, moment obrotowy Mo, jednostkowe zużycie paliwa ge, dawkę paliwa
gc, okres trwania wtrysku mierzony kątem obrotu wału korbowego αw, maksymalne
ciśnienie w cylindrze pcmax, maksymalne ciśnienie wtrysku pwmax, maksymalny zasięg
strugi lmax, najmniejszy kąt rozwarcia stożka strugi γ min i średnią średnicę kropli
według Sautera SMD.
4.
Tabela 3.Wskaźniki pracy silnika i parametry strug różnych paliw wtryskiwanych
do jego cylindra
Rodzaj Ne
Mo
ge
gc
αw
pcmax pwmax lmax γmin SMD
paliwa
kW N·m
g/kWh g/cykl °OWK MPa MPa mm º
μm
pracy
ON
28,1 134,1 0,241
0,0376 26,6
7,7
12,0 46,9 8,16 29,0
B20
27,3 130,4 0,255
0,0387 26,9
7,6
12,2 47,3 7,84 30,9
B40
25,8 123,1 0,278
0,0399 27,2
7,0
12,3 48,0 7,57 32,1
B100
26,5 126,5 0,293
0,0431 28,1
7,6
13,1 49,6 6,92 35,2
Przykładową charakterystykę przebiegu procesu wtrysku paliwa silnika zasilanego
olejem napędowym, tj. prędkość wypływu paliwa z rozpylacza uwtr i ciśnienie wtrysku
pwtr przedstawiono na rys. 3a. Na rys. 3b przedstawiono przykładową wizualizację
procesu wtrysku paliwa w komorze spalania. Początek procesu wtrysku rozpoczynał
się przy α=340ºOWK, zaś jego koniec następował przy α=367ºOWK.
55
a)
pwtr [MPa]
uwtr [m/s]
150
12.5
uwtr
pwtr
120
10
90
7.5
60
5
30
2.5
0
0
340
360
380
400
420
OWK
b)
Rys. 3. Przebieg procesu wtrysku paliwa w silniku o ZS zasilanym olejem
napędowym: a – prędkość wtrysku paliwa uwtr i ciśnienie wtrysku paliwa pwtr ,
b – wizualizacja procesu wtrysku paliwa do komory spalania.
Proces rozpylania paliwa istotnie zależy od jego własności, tj. gęstości, lepkości
i napięcia powierzchniowego. Lepkość i napięcie powierzchniowe mają największy
wpływ na drobność i jednorodność rozpylenia paliwa. Wzrost lepkości powoduje
pogorszenie drobności i jednorodności rozpylania. Zadaniem sił napięcia
56
powierzchniowego jest przeciwdziałanie rozpadowi strugi i kropel. Ze wzrostem
lepkości i sił napięcia powierzchniowego, wzrasta zasięg strugi paliwa. Wzrost gęstości
paliwa przy prawie jednakowych warunkach jego wypływu z rozpylacza powoduje
również wzrost zasięgu strugi.
Na rys. 4 przedstawiono zasięg i kąt rozwarcia stożka strugi paliwa w silniku
zasilanym paliwami: olejem napędowym ON, estrami metylowymi oleju sojowego
B100 i ich mieszaniną B20 (80% oleju napędowego i 20% estrów metylowych oleju
sojowego) oraz B40 (60% oleju napędowego i 40% estrów metylowych oleju
sojowego). Z przedstawionego wykresu wynika, że ze wzrostem udziału estrów
metylowych w mieszaninie zasięg strugi jest coraz większy. Może to wynikać
z większej gęstości, lepkości i większego napięcia powierzchniowego estrów
metylowych oleju sojowego. Najmniejszy kąt rozwarcia stożka strugi otrzymano
dla czystego estru metylowego oleju sojowego, natomiast największy dla oleju
napędowego.
 [o]
l [mm]
20
40
ON
B20
B40
B100
30
15
20
10
10
5
0
0
340
345
350
355
360
365
370
375
OWK
Rys. 4. Zasięgi strugi rozpylonego paliwa l i kąty rozwarcia stożka strugi γ w silniku
zasilanym różnymi paliwami: ON, B20, B40 i B100.
5.
Wnioski
Na podstawie otrzymanych wyników badań symulacyjnych można sformułować
następujące wnioski:
–
największą moc efektywną i największy moment obrotowy silnika otrzymano
dla silnika zasilanego olejem napędowym,
57
–
–
–
–
–
wraz ze wzrostem w oleju napędowym udziału estrów metylowych oleju
sojowego wzrasta dawka paliwa, tj przy zasilaniu silnika olejem napędowym
gc=0,0376 g/cykl pracy, natomiast przy zasilaniu go estrami metylowymi oleju
sojowego gc= 0,0431g/cykl pracy,
maksymalne ciśnienia wtrysku były coraz wyższe dla paliwa o coraz większym
udziale estrów metylowych oleju sojowego, tj. dla B20 wynosiło
pwmax=12,2 MPa, dla B40 wynosiło pwmax=12,3 MPa, natomiast dla B100
pwmax=13,1 MPa. Wynikać to może z coraz większej gęstości mieszaniny
zawierającej większą ilość estrów metylowych oleju sojowego,
średnia średnica kropli SMD była najmniejsza przy zasilaniu silnika olejem
napędowym i wynosiła SMD=29,0μm, natomiast przy zasilaniu silnika paliwem
B100 SMD=35,2μm. Może to wynikać z większej wartości napięcia
powierzchniowego estrów metylowych oleju sojowego,
zasięg strugi był coraz większy przy zasilaniu silnika mieszaniną o coraz
większym udziale estrów metylowych oleju sojowego. Wynikać to może
z większej gęstości estrów metylowych oleju sojowego w porównaniu z olejem
napędowym,
najmniejszy kąt rozwarcia stożka strugi otrzymano dla silnika zasilanego B100,
który wynosi γ=6,9º, natomiast przy zasilaniu silnika olejem napędowym kąt ten
wynosił γ=8,2º,
Literatura
Szlachta Z.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi, WKŁ,
Warszawa, 2002.
[2] Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P.: Wydzielanie ciepła
i emisja NOx ze spalinami w silniku o ZS zasilanym paliwami pochodzenia
roślinnego; Słupskie XII Forum Motoryzacji - Innowacje W Motoryzacji Dla
Ochrony Środowiska, 2009.
[3] Ambrozik A., Ambrozik T., Orliński S., Orliński P.: Wpływ zasilania silnika
Perkins 1104c bioetanolem na przebieg procesu wtrysku i podstawowe parametry
rozpylania, Czasopismo Logistyka 3/2011.
[4] Ganippa L.C., L. Labecki L.: Effects of injection parameters and EGR on
combustion and emission characteristics of rapeseed oil and its blends in diesel
engines, Fuel 98 (2012) 15–28, 2012.
[5] Kruczyński S., Orliński P., Biernat K.: Olej lniankowy jako biopaliwo
dla silników o zapłonie samoczynnym, Zakład Wydawniczy „Przemysł
Chemiczny”, styczeń 2012r.
[6] Mohamed Saied Shehata: Emissions, performance and cylinder pressure of diesel
engine fuelled by biodiesel fuel, Fuel 112 (2013) 513–522, 2013.
[7] Yinnan YUAN, Deqing MEI, Zhong WANG, Tian ZHANG: Combustion and
emissions of the diesel engine using bio-diesel fuel, Front. Mech. Eng. China
2008, 3(2): 189–192 DOI 10.1007/s11465-008-0021-6.
[8] Yuan Gao, Jun Deng, Chunwang Li, Fengling Dang, Zhuo Liao, Zhijun Wu,
Liguang Li: Experimental study of the spray characteristics of biodiesel based
on inedible oil, Biotechnology Advances 27 (2009) 616–624, 2009.
[9] Kuleshov A., Mahkamov K.: Multi-zone diesel fuel spray combustion model for
the simulation of a diesel engine running on biofuel, Proceedings of the Institution
[1]
58
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy 2008 222: 309,
2008.
Lyshevsky A.S.: Fuel atomization in marine diesels, Leningrad, 248 p., 1971. (In
Russian).
Razleytsev N.F.: Combustion simulation and optimization in diesels, Kharkov:
Vischa shkola, 169p., 1980. (In Russian).
Ambrozik A.: Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych,
Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2010.
Ambrozik T.: Proces spalania w silniku z wieloetapowym wtryskiem paliwa,
rozprawa doktorska, Politechnika Świętokrzyska, 2012.
Kuleshov A.: Multi-Zone DI Diesel Spray Combustion Model for Thermodynamic
Simulation of Engine with PCC and High EGR Level, SAE 2009-01-1956, 2009.
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki badań symulacyjnych procesu wtrysku biopaliwa
i podstawowych parametrów rozpylonej strugi: zasięg i kąt rozwarcia stożka strugi oraz
średnia objętościowo-powierzchniowa średnica kropli. Badania przeprowadzono
z wykorzystaniem programu symulacyjnego. Obiektem badań był silnik o zapłonie
samoczynnym zasilany: olejem napędowym ON, estrami metylowymi oleju sojowego
B100 i ich mieszaninami B20 i B40.
Słowa kluczowe: silnik spalinowy, biopaliwo, parametry strugi paliwa
Abstract
The paper presents the results of simulation investigations into the biofuel injection
process and the basic parameters of the atomised fuel spray, namely spray tip penetration
and the spray cone angle, and also droplet Sauter mean diameter. The investigations
were conducted using simulation software. The compression ignition engine was fuelled
by diesel oil, soybean oil methyl esters B100, and their blends B20 and B40.
Keywords: combustion engine, biofuel, parameters of stream fuel
59