Metodyka badań pozasilnikowych (modelowych)

Badania wizualizacyjne jakości rozpylenia paliwa dla rozpylacza 1-otworkowego przeprowadzono na specjalistycznym stanowisku badawczym, którego widok przedstawiono na rysunku 4.2, a jego schemat na rysunku 4.3. Stanowisko badawcze składa się z trzech zasadniczych modułów funkcyjnych. Pierwszą część stanowi moduł zasilający wtryskiwacz w paliwo o odpowiedniej wartości ciśnienia oraz w sygnał elektryczny zasilający cewkę zaworu elektromagnetycznego wtryskiwacza, doprowadzany impulsowo w celu jego otwarcia. Jako moduł zasilający wykorzystano stanowisko do testowania pomp i wtryskiwaczy (STPiW-1).

Rys. 4.2. Widok pulpitu sterującego stanowiska badawczego do badań wizualizacyjnych procesu rozpylenia

W podjętych badaniach wykorzystana została komora o stałej objętości. Wewnątrz komory zamontowano zmodyfikowany tłok, w którym dokonano wycięcia części jego korony (rys. 4.4a), co pozwoliło na uzyskanie dostępu optycznego do krawędzi komory spalania umieszczonej w tłoku. Dzięki prostopadłemu umieszczeniu kamery do zdjęć względem oświetlenia, możliwe było filmowanie obszaru, w którym struga paliwa rozbija się o krawędź komory spalania w tłoku. Komora badawcza wykonana została ze stali, a jej objętość wynosiła 2200 cm³. W celu uzyskania wysokiej jakości rejestrowanych zdjęć, wykorzystana w badaniach komora oświetlana była w chwili rejestracji obrazu dodatkowym światłem z lamp halogenowych umieszczonych na przeciw siebie w bocznych ściankach tulei.

Odpowiednio duże natężenie światła uzyskano przez dwustronne oświetlenie komory.

Parametry techniczne komory badawczej przedstawiono w tabeli 4.1. Zastosowanie szkła kwarcowego o grubości 30 mm pozwala na zadawanie ciśnień sprężania z przedziału od 0 do 4,5 MPa.

51 Rys. 4.3. Schemat stanowiska badawczego do badań wizualizacyjnych procesu rozpylenia

W górnej części komory znajdował się otwór umożliwiający zamocowanie wtryskiwacza przy pomocy specjalnego jarzma, natomiast zmodyfikowany tłok badawczy przymocowany został od dołu przy pomocy śruby. Wnętrze komory badawczej oświetlane było lampami halogenowymi, ze względu na charakter wykonywanych badań. Wtryskiwane paliwo nie ulegało samozapłonowi, a więc nie emitowało światła, dlatego wymagane było zewnętrzne źródło oświetlenia kropel paliwa, które odbijają od powierzchni promienie świetlne. Ścianki komory wraz z tłokiem pokryte zostały czarną farbą w celu pochłaniania promieni, gdyż czysty metal odbijałby światło tworząc na zarejestrowanym obrazie refleksy i zakłócenia. Dodatkowo do komory przymocowane zostały dwa zawory elektromagnetyczne dopływu i wylotu powietrza, a także czujnik ciśnienia powietrza (rys. 4.4b) [114].

Rys. 4.4. Widok tłoka (a) oraz komory o stałej objętości (b) do badania wtrysku paliwa:

1 – wtryskiwacz, 2 – obsada wtryskiwacza, 3 – czujnik ciśnienia powietrza,

4 – zawór elektromagnetyczny upustu powietrza, 5 – oświetlenie, 6 – szkło kwarcowe [35, 114]

d = 40 mm

2 1

3 4 5

6

a) 1 b)

52 Tabela 4.1 Parametry techniczne komory o stałej objętości [84]

Komora średnica zewnętrzna materiał

× H stal

110 mm × 400 mm średnica wewnętrzna materiał

× H stal

90 mm × 350 mm

objętość 2200 cm³

ciśnienie powietrza (przeciwciśnienie) 0÷4,5 MPa

Podgrzewanie powietrze zewnętrzne

podgrzewanie 20÷100^oC

paliwo podgrzewanie

wtryskiwacza 20÷200^oC

Dostęp optyczny materiał/grubość szkło kwarcowe

30 mm

Wtryskiwacz parametry wtrysku ciśnienie 30÷200 MPa

czas trwania 0,2÷1,0 ms

paliwo olej napędowy

typ wtryskiwacza Common Rail elektromagnetyczny, 1-otworkowy,

0,17 mm

Źródło światła typ 2 × lampa halogenowa 24 V; 250 W,

kąt stożka światła 30°

W badaniach wykorzystano wtryskiwacz elektromagnetyczny o średnicy otworka wylotowego 0,17 mm (rys. 4.5a). Do celów badawczych końcówka rozpylacza została poddana obróbce powierzchniowej. Obróbka powierzchniowa umożliwiła zamknięcie 5-ciu otworków rozpylacza, przez stopienie warstwy powierzchniowej za pomocą gorącego płomienia laserowego, który zostawił charakterystyczne przepalone ślady na powierzchni korpusu badanego rozpylacza (rys. 4.5b). Pozwoliło to na wyeliminowanie nadmiaru strug paliwa rozchodzących się z wtryskiwacza na tłok pomiarowy, uniemożliwiając pomiar wizualizacyjny przez zbyt dużą ilość paliwa oraz strugi skierowane wprost na obiektyw kamery, które zasłaniały strugę pomiarową.

Rys. 4.5. Widok wtryskiwacza elektromagnetycznego (a) oraz widok powiększonego mikroskopowo otworka wylotowego badanego rozpylacza (b) [34]

a) b)

53 Trzecią część stanowiska wykorzystanego w badaniach wizualizacyjnych przebiegu procesu wtrysku, a także rozprzestrzeniania się strugi paliwa stanowił układ rejestracji obrazów szybkozmiennych, którego głównym elementem jest kamera typu HighSpeedStar 5 firmy LaVision (rys. 4.6), której charakterystykę zamieszczono w tabeli 4.2.

Rys. 4.6. Kamera typu HighSpeedStar 5 firmy LaVision

Kamera wraz z modułami przetwarzania obrazu i komputerem wyposażonym w specjalistyczne oprogramowanie DaVis 7.2 stanowi system rejestracji i obróbki obrazów szybkozmiennych. Szybkość filmowania podczas badań wynosiła 25 kHz, co pozwoliło na rejestrację obrazu o wymiarach 256 x 256 pikseli z odstępem czasowym dt = 0,04 ms (40 µs).

Filmowano obszar o wielkości około 35 x 35 mm, co odpowiada wymiarowi liniowemu jednego piksela obrazu 136,7 µm. Wartości te są wystarczające do obserwacji rozprzestrzeniania się wtryskiwanej strugi paliwa od wtryskiwacza do muldy w tłoku.

Tabela 4.2 Parametry techniczne kamery HighSpeedStar 5 firmy LaVision [18]

Przetwornik obrazu CMOS

Rozmiar piksela 17 x 17 m

Maksymalna rozdzielczość 1024 x 1024 piksele

Maksymalna szybkość filmowania 3 000 zdjęć/s, przy rozdzielczości 1024 x 1024 10 000 zdjęć/s, przy rozdzielczości 512 x 512 30 000 zdjęć/s, przy rozdzielczości 256 x 256 250 000 zdjęć/s, przy rozdzielczości 128 x 16

Zakres widmowy rejestracji 380 ÷ 800 nm

54 4.2.2. Warunki badań

Badania wpływu interakcji pojedynczej strugi paliwa na ściankę tłoka przeprowadzono przy ciśnieniach wtrysku paliwa (Pwtr) 75 i 100 MPa oraz kilku przeciwciśnieniach powietrza (Ppow) 2,5, 3,0 oraz 3,4 MPa (tabela 4.3). Wartości ciśnienia wtrysku i przeciwciśnienia powietrza uznano za charakterystyczne dla warunków panujących w komorze spalania silnika o zapłonie samoczynnym podczas wtrysku paliwa (dowolnej jego dawki). W badaniach wykorzystano wtryskiwacz elektromagnetyczny firmy Bosch 0 445 110 131.

Tabela 4.3 Warianty badań eksperymentalnych dotyczących interakcji paliwa i ścianki tłoka oraz parametry wtryskiwacza [35, 114]

Wielkość Wartości

Liczba położeń tłoka 3 (odległość muldy w tłoku od końcówki wtryskiwacza 15 mm, 10 mm, 5 mm) Ciśnienie wtrysku paliwa Pwtr 75; 100 MPa

Przeciwciśnienie powietrza Ppow 2,5; 3,0; 3,4 MPa

Czas wtrysku twtr 0,33 ms

Rodzaj wtryskiwacza elektromagnetyczny, 6-otworkowy (5 zaślepionych otworków; 1 aktywny) Średnica otworka wtryskiwacza 0,17 mm

Kąt strug paliwa (rozpylacz standardowy) 166^o

Dawka paliwa 2,7 mg dla 75 MPa; 3,6 mg dla 100 MPa

Obserwacje przebiegu procesu wtrysku oraz rozprzestrzeniania się strugi paliwa przeprowadzono dla wtrysku pojedynczej dawki trwającej twtr = 0,33 ms, co pozwoliło na porównywanie uzyskanego materiału badawczego między sobą. Zastosowanie wtrysku wieloczęściowego powodowałoby nakładanie się kolejnych strug paliwa i pogorszenie jakości materiału filmowego. Dodatkowo utrudniona byłaby analiza uzyskanego materiału filmowego, ze względu na interakcje strug paliwa między sobą [35, 114].

Badania obejmowały trzy położenia wtryskiwacza względem tłoka, co umożliwiało uzyskanie różnego rozpylenia strugi paliwa w odmiennych miejscach kontaktu ze ścianką tłoka:

 pozycja 1 struga paliwa rozbija się o krawędź tłoka,

 pozycja 2 struga paliwa rozbija się na pionowym fragmencie komory w tłoku badawczym,

 pozycja 3 struga paliwa rozbija się na ukształtowanej muldzie w tłoku.

Warianty badań eksperymentalnych dotyczących interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka przedstawiono w tabeli 4.3, natomiast schemat pozycjonowania wtryskiwacza względem tłoka w komorze badawczej uwzględniający różne nastawy poszczególnych punktów badawczych przedstawiono w tabeli 4.4.

55 Tabela 4.4 Schemat pozycjonowania wtryskiwacza względem tłoka w komorze badawczej [35, 114]

Położenie wtryskiwacza

względem tłoka

Określenie miejsca kontaktu strugi wtryskiwanego paliwa ze ścianką tłoka

twtr = 0,33 ms

Badania wykonano na silnikowym stanowisku hamulcowym. Dzięki wykorzystaniu silnika badawczego AVL 5804 możliwe było określenie wpływu parametrów wtrysku na procesy cieplne silnika spalinowego, a także pomiar stężenia związków toksycznych spalin otrzymany na drodze spalania oleju napędowego przy użyciu wtryskiwacza z rozpylaczem konwencjonalnym 6-otworkowym. Wykorzystane na tym etapie badań stanowisko składa się z czterech głównych części:

 silnik badawczy AVL 5804 z hamulcem prądnicowym asynchronicznym AMK ASYN typ DW13-170-4-AOW,

 układ zasilania paliwem Common Rail IV generacji,

 system elektronicznego sterowania układem badawczym,

 system AVL INDISET 620 do rejestracji przebiegów szybkozmiennych.

Pierwsza zasadnicza część wchodząca w skład stanowiska to silnik badawczy AVL 5804 z hamulcem prądnicowym asynchronicznym (rys. 4.7b). Jest to jednocylindrowy silnik o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa (tabela 4.5). Komora spalania silnika AVL 5804 umieszczona jest w tłoku [8], natomiast jej kształt został dostosowany do centralnie umieszczonego wtryskiwacza. Objętość komory w tłoku wraz z wnękami zaworowymi wynosi 23,63 cm³. Czas trwania wtrysku oraz kąt wyprzedzenia wtrysku są w