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 SKŁADU MIESZANKI SILNIKA ROVER 1.4
1. Wstęp
Przy obecnych tendencjach rozwojowych w motoryzacji konstruktorzy silników
o zapłonie iskrowym (ZI) muszą uwzględniać w swoich działaniach 2 bardzo ważne
czynniki:
 Spadek podaży ropy naftowej. Analizy prowadzone przez World Oil oraz Gas
Journal doprowadzają do jednoznacznego wniosku, że trzeba szukać
alternatywnych źródeł energii. Dodatkowo obecna sytuacja geopolityczna
powoduje niepewność zachowania ciągłości dostaw ropy, co powoduje
lawinowy wzrost ceny baryłki.
 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.
Jedną z najbardziej obiecujących 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,
zwane paliwem 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]. Aby
można było je 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 jest analiza procesu spalania etanolu, na
charakterystyce regulacyjnej składu mieszanki paliwa 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
129
2. Opis stanowiska badawczego
Badania prowadzone były na hamowni silnikowej, na której zamontowany był silnik
DOHC Rover K16 MPI z wielopunktowym wtryskiem. Pojemność skokowa silnika
1398cm3, moc 76 KW. Ze względu na to, że nie jest to silnik typu flexi-fuel
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 zmiana kąta
wyprzedzenia zapłonu, czy skład mieszanki paliwowo-powietrznej – 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 (NOx).
Moc efektywna była mierzona hamulcem elektromechanicznym.
Rys. 1. Stanowisko pomiarowe
3. Opis metodyki badawczej oraz wyniki badań
Metodyka pomiarów polegała na regulowaniu składu mieszanki paliwowopowietrznej, podczas pracy przy stałym kącie otwarcia przepustnicy TPS=22,4°, oraz
przy prędkości obrotowej n=2900obr/min Zakres regulacji wynosił od mieszanki bogatej
λ=0,8, do mieszanki ubogiej λ=1,2 z krokiem co 0,05. Pomiary prowadzone były 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
130
Przeprowadzono następujące pomiary na charakterystyce składu mieszanki paliwa, przy
stałym ϕ=36°OWK:
 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 ciśnień dp/dα
 wydzielanie ciepła dQ/dα
 nieregularność procesu spalania
Przeprowadzone badania zostały następnie zestawione w postaci wykresów
porównawczych, przedstawionych poniżej.
Na rysunkach umieszczono przykładowe wartości pomiarów przedstawione dla
optymalnego kąta wyprzedzenia zapłonu ф=36°OWK. Indykowanie zrobiono
w programie Indiview.
4
3,5
Ciśnienie [MPa]
3
2,5
2
1,5
LO95
1
E40
0,5
E85
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Kąt obrotu wału korbowego α [°OWK]
Rys. 2 Wykresy indykatorowe p=f(α) przy pracy silnika w następujących warunkach:
n=2900obr/min, TPS=22,4°, λ=1, ф=36°OWK
131
2
E85
LO95
dp/dα [Mpa/°OWK]
1,5
E40
1
0,5
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
-0,5
-1
Kąt obrotu wału korbowego α [°OWK]
Rys. 3. Wykresy przyrostu ciśnień dp/dα=f(α) przy pracy silnika w następujących
warunkach: n=2900obr/min, TPS=22,4°, λ=1, ф=36°OWK
7
ILOść wydzieLOnego ciepła [%/°OWK]
LO95
Lo95
6
E85
5
E40
4
3
2
1
0
-30
-1
-20
-10
0
10
20
30
Kąt obrotu wału korbowego α[°OWK]
Rys. 4. Wykres wydzielania ciepła dQ/dα=f(α) przy pracy silnika w następujących
warunkach: n=2900obr/min, TPS=22,4°, λ=1, ф=36°OWK
132
Za pomocą oprogramowania AVL Concerto wyznaczono także nieregularność
procesu spalania i wyznaczono odchylenie standardowe. Poniżej znajdują się
przykładowe wyniki dla kąta wyprzedzenia zapłonu ф=36°OWK.
Rys.5. Nieregularność procesu spalania; paliwo LO95, n=2900 obr/min, kąt
wyprzedzenia zapłonu ф=36°OWK, odchylenie standardowe σ=0,15
Rys.6. Nieregularność procesu spalania; paliwo E40, n=2900 obr/min, kąt
wyprzedzenia zapłonu ф=36°OWK, odchylenie standardowe σ=0,14
133
Rys.7. Nieregularność procesu spalania; paliwo E85, n=2900 obr/min, kąt
wyprzedzenia zapłonu ϕ=36°OWK, odchylenie standardowe σ=0,11
Za pomocą analizatora spalin zmierzono stężenia substancji szkodliwych,
których przebiegi wyznaczono na zbiorczych wykresach.
80000
70000
Stężenie [ppm]
60000
LO95
50000
E85
40000
E40
30000
20000
10000
0
0,8
0,85
0,9
0,95
1
AFR
1,05
1,1
1,15
1,2
Rys. 8. Stężenie CO na charakterystyce regulacyjnej składu mieszanki przy
parametrach: n=2900obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=36°OWK
134
LO95
2500
E85
Stężenie [ppm]
2000
E40
1500
1000
500
0
0,8
0,85
0,9
0,95
1
AFR
1,05
1,1
1,15
1,2
Rys. 9. Stężenia NOx na charakterystyce regulacyjnej składu mieszanki przy
parametrach: n=2900obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=36°OWK
4500
LO95
4000
E85
Stężenie [ppm[
3500
E40
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0,8
0,85
0,9
0,95
1
AFR
1,05
1,1
1,15
1,2
Rys. 10. Stężenia HC na charakterystyce regulacyjnej składu mieszanki przy
parametrach: n=2900obr/min, kąt wyprzedzenia zapłonu ф=36°OWK
4. Wnioski
 Spalanie paliwa E85 i E40 w stosunku do spalania LO95 przy optymalnym kącie
zapłonu (ф=36°OWK), powoduje późniejsze narastanie ciśnienia, późniejszy
przyrost dp/dα i późniejsze wywiązywanie się ciepła.
 Spalanie E85 i E40 powoduje zmniejszenie nieregularności pracy silnika o 15%
w stosunku do spalania LO95.
 Stężenia CO, HC wzrastają wraz ze wzrostem λ.
 Spalanie E85 i E40 powoduje zmniejszenie emisji NOx i HC w stosunku do
spalania LO95.
135

Spalanie E85 i E40 nie powoduje zmniejszenia emisji CO w stosunku do LO95.
Analizując powyższe wyniki badań procesu spalania etanolu i jego wpływ na
parametry pracy silnika można stwierdzić, że etanol jest bardzo perspektywicznym
paliwem do zasilania silnika ZI, jako, że powoduje stabilniejszą i lepszą pracę
(rys. 5,6,7), a także znaczący spadek emisji substancji szkodliwych (rys. 9,10) , za
wyjątkiem tlenku węgla (rys. 8), którego emisja była większa w stosunku do klasycznej
benzyny. Lepsza i stabilniejsza praca silnika stwierdzona podczas badań wynika
najprawdopodobniej z odmiennej budowy fizykochemicznej etanolu, co ma znaczący
wpływ na proces spalania. Alkohol etylowy CH3CH2OH występujący w tym paliwie
zawiera w swojej strukturze dodatkowo jeden atom tlenu, co powoduje wyższą liczbę
oktanową wynoszącą około 105 i pozwala na obniżenie stężenia węglowodorów oraz
tlenku węgla w spalinach. 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
[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 składu mieszanki 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 FUEL MIXTURE ON ROVER 1.4 ENGINE
Summary
This article presents the results and analysis of combustion of the ethanol on the
regulation characteristic of fuel mixture 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.
136