4. Przebieg badań
4.4. Etap IV – badania spalania w silniku z zapłonem wywołanym za pomocą komory
Przed przystąpieniem do czwartego etapu badań kolejny raz dokonano przeglądu możliwych do zastosowania układów zasilania do silnika GMVH–12, w celu dalszej poprawy parametrów pracy silnika. Na tym etapie badań uznano, że najwłaściwszym rozwiązaniem będzie wybór układu spalania z komorą wstępną ECO–JET, której schemat zamocowania w cylindrze silnika przedstawiono na rysunku nr 76.
Rys. 76. Schemat głowicy silnika GMVH–12 z komorą wstępną.
Komora wstępna oznaczona cyfrą 8 (rys. 76) jest umiejscowiona z boku zaworu wtryskowego w głowicy silnika. W silniku typu GMVH–12 komorę wstępną montuje się w miejscu jednej ze świec zapłonowych. W momencie wtrysku głównego strumienia gazu paliwowego do cylindra, zapalona już mieszanka w komorze wstępnej zapala główny strumień gazu wtryśnięty do cylindra przez mechaniczny zawór wtryskowy. Następuje wtedy zapłon w całej objętości komory spalania, co powoduje znaczące obniżenie emisji związków toksycznych oraz poprawia równomierność pracy silnika. Dzieje się tak szczególnie podczas pracy na obciążeniach częściowych. Poza wieloma zaletami, układ ten ma również swoje wady.
Problemem w układzie wtryskowym z komorą wstępną jest regulacja ilości wtryskiwanego gazu paliwowego do komory wstępnej. W układzie ECO–JET (rys. 77 i 78), który był badany na silniku GMVH–12 nr 5, regulacja odbywała się poprzez główny reduktor gazu paliwowego dla wszystkich komór wstępnego spalania w silniku oraz poprzez specjalne kryzy redukujące ilość wtryskiwanego gazu do poszczególnych komór spalania w każdym cylindrze silnika.
Rys. 77. Schemat komory wstępnej silnika dwusuwowego [47]
Obecnie w nowszych rozwiązaniach układów zasilania z komorą wstępną występują układu wtrysku gazu do komory wstępnej oparte o elektrozawory. Elektrozawory te umożliwiają bardzo precyzyjne regulowanie ilości wtryskiwanego gazu do poszczególnych komór wstępnego spalania.
Rys. 78. Widok komory wstępnej silnika GMVH–12 od strony wylotu gazu do cylindra – średnica otworu wylotowego ϕ = 6 mm.
Regulując ciśnienie gazu na regulatorze ciśnienia gazu wtryskowego do komory wstępnej spalania (rys. nr 79), można dokonać zmiany współczynnika nadmiaru powietrza λ wewnątrz komory wstępnej. Uboga mieszanka z cylindra w przeciwprądzie przedostaje się do komory wstępnej (wypełnionej początkowo tylko gazem) aż do wyrównania ciśnień w komorze wstępnej oraz w cylindrze silnika. Dokładne badania systemu komory wstępnej dostosowanej do silników typu GMVH–12 przeprowadzono na Uniwersytecie w Colorado.
Rys. 79. Widok regulatora ciśnienia gazu dopływającego do komory wstępnej
Istotą zapłonu za pomocą komory wstępnej jest zapłon za pomocą świecy zapłonowej, ale umieszczonej nie w komorze spalania silnika, lecz w małej komorze wstępnej znajdującej się w korpusie świecy zapłonowej (rys. nr 77). Generalna zasada tego typu zapłonu jest przedstawiona na rysunku nr 80, gdzie kolejne zdjęcia wykonane za pomocą szybkiej kamery przedstawiają rozprzestrzenianie się płomienia [32, 39].
Rys. 80. Zdjęcia z filmu pokazujące mechanizm rozprzestrzeniania płomienia w komorze izochorycznej
Badania procesu spalania za pomocą komory wstępnej są szczególnie istotne dla badań autora dysertacji, gdyż silniki GMVH–12 wyposażone są w dwie świece zapłonowe.
Badania były prowadzone z zastosowaniem jednej komory wstępnej.
Na rysunku nr 81 przedstawiono profile przebiegu ciśnienia spalania w komorze izochorycznej dla trzech systemów zapłonu: klasycznego zapłonu za pomocą świecy umieszczonej w komorze spalania (FTC), zapłon za pomocą pojedynczej komory wstępnej (PJC–S) oraz zapłonu za pomocą dwóch komór wstępnych (PJC–D) [8, 10].
0
Rys. 81. Profile przebiegu ciśnienia w komorze izochorycznej dla trzech systemów zapłonu [10]
Spadek emisji tlenków azotu NOx, jaki zaobserwowano przy zastosowania systemu zapłonu ECO–JET w silniku GMVH–12, można wytłumaczyć znacznym przyspieszeniem procesu spalania. Takie przyspieszenie zawsze przyczynia się do obniżenia emisji tlenków azotu, gdyż jak to wynika z wielu badań i obliczeń numerycznych (choćby laminarnego płomienia), to właśnie tlenek azotu tworzy się za płomieniem w drugiej strefie reakcji [10].
Pełne obliczenia przepływu laminarnego można wyznaczyć za pomocą procedur numerycznych Chemkin lub Cantera [18, 29]. Chociaż w silniku tłokowym spalanie przebiega przy znacznie sturbulizowanym przepływie, to jednak istotą spalania jest zawsze istnienie subwarstw płomieni laminarnych, a co za tym idzie, rozważania jakościowe mogą być przeniesione z płomienia laminarnego na turbulentny.
Istotą działania zapłonu za pomocą komory wstępnej, co wynika z przytoczonej literatury opisującej badania podstawowe, jest taki dobór składu mieszanki wewnątrz komory spalania, aby była to mieszanka bogata– współczynnik nadmiaru powietrza nie powinien być większy niż λ > 0,6. Taka mieszanka ma największe szanse zapalić ładunek w komorze głównej spalania silnika. W silniku GMVH–12 w trakcie opisywanych badań realizowane zostało to w ten sposób, że do komory wstępnej doprowadzony był czysty gaz paliwowy pod ciśnieniem zależnym od obciążenia silnika. Ciśnienie to jest regulowane za pomocą systemu wyposażonego w układ redukcji ciśnienia gazu paliwowego (rys. 79) oraz w zawór zwrotny
(rys. 82), który w czasie ruchu tłoka w kierunku sprężania powoduje odcięcie dopływu gazu do komory wstępnej. Regulując ciśnienie gazu paliwowego na wlocie do komory wstępnej można zmienić ilość gazu paliwowego przepływającego do komory wstępnej i tym samym regulować skład mieszanki palnej w komorze wstępnej.
Istotą systemu spalania z komorą wstępną jest uzyskanie większego przyrostu ciśnienia spalania w cylindrze silnika poprzez zapłon większej objętości mieszanki w cylindrze silnika od płomieni pochodzących z komory wstępnej. Maksymalna prędkość spalania dla tego systemu wynosi około 120 m/s.
Rys. 82. Schemat komory spalania silnika czterosuwowego (Waukesha) [13]
Na rysunkach nr 83–94 przedstawiono przykładowe przebiegi ciśnienia spalania na silniku typu GMVH–12 nr 5 z zastosowaną komorą wstępna typu ECO–JET. Parametry pracy silnika podczas wykonywania pomiarów ciśnienia spalania przedstawiono w tabeli nr 17. Jak można zaobserwować na wykresach, powtarzalność przebiegu ciśnień spalania jest znacznie lepsza niż w silniku wyposażonym tylko w mechaniczne sterowanie zaworami wtryskowymi.
Można zauważyć również, że zapłon za pomocą komory wstępnej jest bardziej pewny i przez to bardziej powtarzalny. W rezultacie, ciśnienia maksymalne spalania są prawie takie same w kolejnych cyklach. Po zastosowaniu układu zasilania z komorą wstępną, oprócz uzyskania większej równomierności pracy silnika, uzyskano także obniżenie zużycia gazu paliwowego i zmniejszenie emisji tlenków azotu.
Na omawianych rysunkach widać również, że przyrost ciśnienia spalania z zastosowaniem komory wstępnej jest większy niż przy spalaniu gazu paliwowego za pomocą
świecy zapłonowej (co wynika z wcześniejszej analizy przebiegu procesu spalania z komorą
wstępną).
Tabela 17. Parametry pracy silnika uzyskane podczas pomiarów – IV etap pracy – Silnik nr 5 PARAMETRY PRACY SILNIKA I SPRĘŻARKI WARTOŚĆ PARAMETRU
Moc silnika 1375 KW
Prędkość obrotowa 305 obr/min
Temperatura spalin na wylocie z cylindra (średnia) 354,6oC
Ciśnienie gazu paliwowego 335 kPa
Temperatura gazu paliwowego 17,2oC
Zużycie gazu paliwowego na 1 cylinder 35,8 Nm3/h
Ciśnienie powietrza doładowania 31,0 kPa
Temperatura powietrza doładowania 39,5oC
Ilość obrotów turbosprężarki 7860 obr/min
Temperatura gazu paliwowego przed zaworem wtryskowym 34oC
Wydajność sprężarki gazu 27500 Nm3/h
Ciśnienie gazu po stronie ssania sprężarki 1,71 MPa
Kąt wyprzedzenia zapłonu 4o przed GMP
Podczas wykonywania pomiarów zaobserwowano także różnice w przebiegu procesu spalania w silniku występujące w zależności od zmiany ilości gazu paliwowego dostarczanego do komory wstępnej. W badanym silniku uzyskiwano najbardziej równomierne przebiegi ciśnienia spalania przy ciśnieniu wtrysku gazu paliwowego do komory wstępnej na poziomie około 4 bar.
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 83. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 1L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rysu. 84. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 2L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 85. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 3L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 86. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 4L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 87. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 5L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 88. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 6L
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 89. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 1P
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 90. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 2P
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 91. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 3P
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 92. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 4P
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 93. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 5P
0,0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900
ciśnienie w cylindrze [MPa]
kąt obrotu wału korbowego [o]
Rys. 94. Przebieg ciśnienia spalania w silniku GMVH–12 nr 5 – cylinder 6P
W tabeli nr 18 przedstawiono przykładowe wartości zużycia gazu paliwowego i emisji tlenków azotu dla różnych układów zasilania silnika typu GMVH–12 nr 5. Można zauważyć znaczące obniżenie emisji tlenków azotu oraz zmniejszenie zużycia gazu paliwowego (szczególnie przy obciążeniach częściowych silnika) przy zastosowaniu układu zasilania z komorą wstępną.
Tabela 18. Porównanie zużycia gazu paliwowego i emisji tlenków azotu dla silnika GMVH–12 nr 5 z mechanicznym wtryskiem gazu i z zasilaniem z komorą wstępną
ZUŻYCIA GAZU
PALIWOWEGO EMISJA NOx ZUŻYCIA GAZU
PALIW OWEGO EMISJA NOx
[%] [Nm3/h] [ppm] [Nm3/h] [ppm]
72 488 820 472 715
85 503 790 495 735
90 526 710 504 520
70 495 850 481 730
75 507 760 486 645
80 514 640 493 490
GMVH-12 NR 5
SILNIK OBCIĄŻENIE
SILNIK Z MECHANICZNYM
WTRYSKIEM GAZU SILNIK Z KOMORĄ W STĘPNĄ
Należy także zwrócić uwagę na zmniejszenie zużycia gazu paliwowego przez silnik po zastosowaniu układu zasilania z komorą wstępną. Zmniejszenie zużycia gazu paliwowego wahało się od 1% do 3% (w zależności od obciążenia i obrotów silnika) w stosunku do wyników pomiarów uzyskanych w czasie drugiego etapu badań.
W kolejnym etapie pracy badawczej zmierzono wpływ ciśnienia doładowania silnika na równomierność pracy silnika oraz na emisję tlenków azotu, jak również wpływ stopnia recyrkulacji spalin na emisję tlenków azotu.