w gazach wylotowych silników z zapłonem samoczynnym wiąże się z obniżeniem maksy-malnych temperatur obiegu, co z kolei można uzyskać również przez skrócenie czasu opóź-nienia samozapłonu. Dla silników znajdujących się w eksploatacji skrócenie tego okresu możliwe jest przez zmniejszenie energii aktywacji z pomocą katalizatorów w układzie wtryskowym. Dodatkowym efektem zastosowania katalizatorów są reakcje odwodornienia, w wyniku których uzyskuje się wolny wodór. Dzięki jego właściwościom fizycznym spala-nie mieszaniny paliwowo-powietrznej jest pełspala-niejsze, co umożliwia poprawę ekonomicz-nych parametrów pracy silników z zapłonem samoczynnym. Przedstawione zagadnienie, zaproponowane przez zespół badawczy Akademii Morskiej w Szczecinie, uzyskało nazwę
wstępnej obróbki paliwa 28.
Badania eksperymentalne
Wstępną obróbkę polegającą na kontakcie przepływającego paliw z materiałem o działa-niu katalitycznym najlepiej realizować bezpośrednio w korpusie rozpylacza ze względu na jego wysoką temperaturę roboczą, co zwiększa efekt katalityczny. Z tego powodu w kor-pusie wtryskiwaczy czopikowych można zastosować układ kanałów doprowadzenia paliwa
do przestrzeni iglicowej, a także rozmieścić w nich elementy z powłoką katalityczną 29.
Dla wtryskiwaczy wielootworowych silników z zapłonem samoczynnym z bezpośred-nim wtryskiem paliwa oprócz kanałów doprowadzających paliwo w rozpylaczach istnieje możliwość wykorzystania części iglicy łączącej powierzchnie prowadnicy i stożka zapie-rającego. Usytuowanie na tej części katalizatora wydaje się bardziej celowe ze względu na wysokie temperatury iglicy, co zwiększa efektywność materiału katalitycznego. Rozpa-trując możliwość zwiększenia oddziaływania katalizatora na przepływające paliwo i opiera-jąc się na zależności (8), można zastosować dodatkową wstępną obróbkę przez turbulizację przepływu paliwa w kanałach rozpylacza. W tym celu kanały turbulizacyjne należy usytuo-wać na niepracującej części iglicy, a na wszystkie powierzchnie mające bezpośredni kontakt z paliwem nanieść materiał o działaniu katalitycznym. Na rys. 2. przedstawiono zdjęcie oraz sposób wykonania kanałów turbulizacyjnych dla iglicy rozpylacza silnika typu 359.
a)
10 wykorzystania części iglicy łączącej powierzchnie: prowadnicy i stożka zapierającego. Usytuowanie na tej części katalizatora wydaje się bardziej celowe ze względu na wysokie temperatury iglicy, co zwiększa efektywność materiału katalitycznego. Rozpatrując możliwość zwiększenia oddziaływania katalizatora na przepływające paliwo i opierając się na zależności (8) można zastosować dodatkową wstępną obróbkę przez turbulizację przepływu paliwa w kanałach rozpylacza. W tym celu kanały turbulizacyjne należy usytuować na niepracującej części iglicy a na wszystkie powierzchnie mające bezpośredni kontakt z paliwem nanieść materiał o działaniu katalitycznym. Na rys. 2 przedstawiono zdjęcie oraz sposób wykonania kanałów turbulizacyjnych dla iglicy rozpylacza silnika typu 359.
Rys. 2. Iglica wtryskiwacza silnika typu 359 (a) oraz sposób wykonania (b) z kanałami turbulizacyjnymi, (opracowanie własne)
Do naniesienia katalizatora opracowana została technologia z wykorzystaniem metody stopowania elektroiskrowego [8] przy czym w strefę wyładowania iskry wprowadzano drut stalowy o średnicy 0,08 mm z naniesioną warstwą platyny (metoda implantacji jonowej). Stopowanie elektroiskrowe nie przyczynia się do znacznego wzrostu temperatury iglicy (zwiększenie temperatury nie przekraczało 15OC), nie powodując tym samym jej odkształceń termicznych, co jest istotnym dla takich elementów, jak pary precyzyjne.
W badaniach eksperymentalnych wykorzystano stanowisko badawcze wyposażone w sześciocylindrowy silnik ZS oraz komplet niezbędnej aparatury do pomiaru operacyjnych i ekologicznych parametrów pracy (między innymi - hamulec hydrauliczny typu HH-3, analizator spalin typu ZMR1500, masową miernicę zużycia paliwa). Wybór tego typu silnika nie był przypadkowy: rozpylacz tego silnika (rys. 2) posiada długą część iglicy na której można umieścić katalizator wraz z kanałami turbulizacyjnymi (stosunek długości iglicy do jej średnicy wynosi 5:1). metoda eksperymentu polegała na porównaniu charakterystyk prędkościowych silnika z dwoma kompletami aparatury wtryskowej – wtryskiwaczy fabrycznych oraz wtryskiwacze z zaproponowanymi zmianami dotyczącymi wstępnej obróbki paliwa, zwanej dalej WOP.
Na rys. 3 przedstawiono prędkościową charakterystykę jednostkowego zużycia paliwa zaś na rys. 4 – emisję tlenków azotu przy zastosowaniu fabrycznego kompletu wtryskiwaczy (fabr) oraz ze wstępną obróbką paliwa (WOP).
a) b)
b)
10 wykorzystania części iglicy łączącej powierzchnie: prowadnicy i stożka zapierającego. Usytuowanie na tej części katalizatora wydaje się bardziej celowe ze względu na wysokie temperatury iglicy, co zwiększa efektywność materiału katalitycznego. Rozpatrując możliwość zwiększenia oddziaływania katalizatora na przepływające paliwo i opierając się na zależności (8) można zastosować dodatkową wstępną obróbkę przez turbulizację przepływu paliwa w kanałach rozpylacza. W tym celu kanały turbulizacyjne należy usytuować na niepracującej części iglicy a na wszystkie powierzchnie mające bezpośredni kontakt z paliwem nanieść materiał o działaniu katalitycznym. Na rys. 2 przedstawiono zdjęcie oraz sposób wykonania kanałów turbulizacyjnych dla iglicy rozpylacza silnika typu 359.
Rys. 2. Iglica wtryskiwacza silnika typu 359 (a) oraz sposób wykonania (b) z kanałami turbulizacyjnymi, (opracowanie własne)
Do naniesienia katalizatora opracowana została technologia z wykorzystaniem metody stopowania elektroiskrowego [8] przy czym w strefę wyładowania iskry wprowadzano drut stalowy o średnicy 0,08 mm z naniesioną warstwą platyny (metoda implantacji jonowej). Stopowanie elektroiskrowe nie przyczynia się do znacznego wzrostu temperatury iglicy (zwiększenie temperatury nie przekraczało 15OC), nie powodując tym samym jej odkształceń termicznych, co jest istotnym dla takich elementów, jak pary precyzyjne.
W badaniach eksperymentalnych wykorzystano stanowisko badawcze wyposażone w sześciocylindrowy silnik ZS oraz komplet niezbędnej aparatury do pomiaru operacyjnych i ekologicznych parametrów pracy (między innymi - hamulec hydrauliczny typu HH-3, analizator spalin typu ZMR1500, masową miernicę zużycia paliwa). Wybór tego typu silnika nie był przypadkowy: rozpylacz tego silnika (rys. 2) posiada długą część iglicy na której można umieścić katalizator wraz z kanałami turbulizacyjnymi (stosunek długości iglicy do jej średnicy wynosi 5:1). metoda eksperymentu polegała na porównaniu charakterystyk prędkościowych silnika z dwoma kompletami aparatury wtryskowej – wtryskiwaczy fabrycznych oraz wtryskiwacze z zaproponowanymi zmianami dotyczącymi wstępnej obróbki paliwa, zwanej dalej WOP.
Na rys. 3 przedstawiono prędkościową charakterystykę jednostkowego zużycia paliwa zaś na rys. 4 – emisję tlenków azotu przy zastosowaniu fabrycznego kompletu wtryskiwaczy (fabr) oraz ze wstępną obróbką paliwa (WOP).
a) b)
(a) sposób wykonania
( b) z kanałami turbulizacyjnymi
Rys. 2. Iglica wtryskiwacza silnika typu 359 Źródło: opracowanie własne.
28 O. Klyus, op. cit.
29 Ibidem.
62
Do naniesienia katalizatora opracowana została technologia z wykorzystaniem metody
stopowania elektroiskrowego 30, przy czym w strefę wyładowania iskry wprowadzano drut
stalowy o średnicy 0,08 mm z naniesioną warstwą platyny (metoda implantacji jonowej). Stopowanie elektroiskrowe nie przyczynia się do znacznego wzrostu temperatury iglicy (zwiększenie temperatury nie przekraczało 15°C), nie powodując tym samym jej odkształceń termicznych, co jest istotnym dla takich elementów jak pary precyzyjne.
W badaniach eksperymentalnych wykorzystano stanowisko badawcze wyposażone w sześ-ciocylindrowy silnik ZS oraz komplet niezbędnej aparatury do pomiaru operacyjnych i eko-logicznych parametrów pracy (między innymi – hamulec hydrauliczny typu HH-3, analizator spalin typu ZMR1500, masową miernicę zużycia paliwa). Wybór tego typu silnika nie był przy-padkowy: rozpylacz tego silnika (rys. 2) posiada długą część iglicy, na której można umieścić katalizator wraz z kanałami turbulizacyjnymi (stosunek długości iglicy do jej średnicy wynosi 5:1). Metoda eksperymentu polegała na porównaniu charakterystyk prędkościowych silnika z dwoma kompletami aparatury wtryskowej – wtryskiwaczy fabrycznych oraz wtryskiwaczy z zaproponowanymi zmianami dotyczącymi wstępnej obróbki paliwa, zwanej dalej WOP.
Na rys. 3 przedstawiono prędkościową charakterystykę jednostkowego zużycia paliwa, zaś na rys. 4 – emisję tlenków azotu przy zastosowaniu fabrycznego kompletu wtryskiwaczy (fabr.) oraz ze wstępną obróbką paliwa (WOP).
Należy podkreślić, że operacyjne parametry pracy silnika typu 359 dotyczące jego mocy i momentu obrotowego przy zastosowaniu fabrycznego kompletu aparatury wtryskowej oraz WOP były porównywalne, natomiast praktycznie w całym zakresie częstotliwości obroto-wej silnika jednostkowe zużycie paliwa oraz poziom emisji tlenków azotu obniżyły się przy zastosowaniu wtryskiwaczy ze wstępną obróbką paliwa. Jak widać na rys. 3 i 4, obniżka jednostkowego zużycia paliwa wynosi 8%, a emisja tlenków azotu 12% w stosunku do roz-wiązań fabrycznych.
11 Rys. 3. Jednostkowe zużycie paliwa silnika typu 359 przy zastosowaniu fabrycznego kompletu wtryskiwaczy (fabr) oraz wtryskiwaczy ze wstępną obróbką paliwa (WOP), (opracowanie własne)
Rys. 4. Emisja tlenków azotu silnika typu 359 przy zastosowaniu fabrycznego kompletu wtryskiwaczy (fabr) oraz wtryskiwaczy ze wstępną obróbką paliwa (WOP), (opracowanie własne)
Należy podkreślić, że operacyjne parametry pracy silnika typu 359 dotyczące jego mocy i momentu obrotowego przy zastosowaniu fabrycznego kompletu aparatury wtryskowej oraz WOP były porównywalne, natomiast praktycznie w całym zakresie częstotliwości obrotowej silnika jednostkowe zużycie paliwa oraz poziom emisji tlenków azotu obniżyły się przy zastosowaniu wtryskiwaczy ze wstępną obróbką paliwa. Jak widać na rys. 3 i 4, obniżka jednostkowego zużycia paliwa wynosi o 8% a emisja tlenków azotu o 12% w stosunku do rozwiązań fabrycznych.
Rys. 3. Jednostkowe zużycie paliwa silnika typu 359 przy zastosowaniu fabrycznego kompletu wtryskiwaczy (fabr) oraz wtryskiwaczy ze wstępną obróbką paliwa (WOP)
30 Ibidem.
63
11 Rys. 3. Jednostkowe zużycie paliwa silnika typu 359 przy zastosowaniu fabrycznego kompletu wtryskiwaczy (fabr) oraz wtryskiwaczy ze wstępną obróbką paliwa (WOP), (opracowanie własne)
Rys. 4. Emisja tlenków azotu silnika typu 359 przy zastosowaniu fabrycznego kompletu wtryskiwaczy (fabr) oraz wtryskiwaczy ze wstępną obróbką paliwa (WOP), (opracowanie własne)
Należy podkreślić, że operacyjne parametry pracy silnika typu 359 dotyczące jego mocy i momentu obrotowego przy zastosowaniu fabrycznego kompletu aparatury wtryskowej oraz WOP były porównywalne, natomiast praktycznie w całym zakresie częstotliwości obrotowej silnika jednostkowe zużycie paliwa oraz poziom emisji tlenków azotu obniżyły się przy zastosowaniu wtryskiwaczy ze wstępną obróbką paliwa. Jak widać na rys. 3 i 4, obniżka jednostkowego zużycia paliwa wynosi o 8% a emisja tlenków azotu o 12% w stosunku do rozwiązań fabrycznych.
Rys. 4. Emisja tlenków azotu silnika typu 359 przy zastosowaniu fabrycznego kompletu wtryskiwaczy (fabr) oraz wtryskiwaczy ze wstępną obróbką paliwa (WOP) Źródło: opracowanie własne.
Wnioski
Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski:
1. Kierunki rozwoju tłokowych silników spalinowych nastawione są przede wszystkim na spełnienie norm emisji spalin, które stają się coraz bardziej rygorystyczne. Obowiązu-jące normy EURO6 są możliwe do spełnienia w nowo produkowanych pojazdach, jednak dla tych, które znajdują się w eksploatacji, obniżenie poziomu emisji związków toksycznych w gazach wylotowych jest praktycznie niemożliwe do realizacji.
2. Analiza procesu roboczego silnika z zapłonem samoczynnym wskazuje na możliwość wpływu na niektóre etapy procesu spalania poprzez obniżenie energii aktywacji, która może skrócić okres opóźnienia samozapłonu, a to z kolei sprzyja obniżeniu maksymalnych tempe-ratur spalania, przyczyniając się do zmniejszenia emisji tlenków azotu w gazach wylotowych.
3. Zastosowanie materiałów katalitycznych bezpośrednio w korpusie rozpylacza silnika z zapłonem samoczynnym służy zarówno obniżeniu energii aktywacji, jak i reakcji odwodor-nienia, które umożliwiają uwolnienie wodoru, który dzięki swoim właściwościom fizykoche-micznym sprzyja pełniejszemu spaleniu paliwa.
4. Usytuowanie katalizatora w rozpylaczu jest korzystne ze względu na fakt, że efek-tywność zastosowanych materiałów katalitycznych jest lepsza w wysokich temperaturach, a właśnie rozpylacz silnika z zapłonem samoczynnym jest jednym z najbardziej obciążonych termicznie elementów silnika z zapłonem samoczynnym.
5. W celu wzmocnienia oddziaływania katalizatora poprzez zwiększenie częstości jego kontaktu z paliwem zaproponowano układ turbulizacyjny w postaci krzyżujących się kana-łów prawo i lewoskrętnych na powierzchni iglicy.
6. Opracowana technologia naniesienia katalizatora, z wykorzystaniem stopowania elek-troiskrowego oraz wykonania kanałów turbulizacyjnych, nie stwarza problemów
64
nych i może być zastosowana zarówno podczas produkcji nowych rozpylaczy, jak w tych, które znajdują się w eksploatacji.
7. Wyniki badań stanowiskowych przeprowadzonych na silniku z zapłonem samoczynnym typu 359 wykazały poprawę zarówno ekologicznych, jak i ekonomicznych parametrów pracy przy zastosowaniu kompletu aparatury wtryskowej ze wstępną obróbką paliwa dzięki obniże-niu emisji tlenków azotu o 12% oraz zmniejszeobniże-niu jednostkowego zużycia paliwa o 8%.
Wyniki badań powstałe w ramach realizacji pracy badawczej pt. „Ekologiczne i efek-tywne aspekty eksploatacji urządzeń energetycznych siłowni okrętowych” nr 1/s/IESO/2014 finansowanej z dotacji Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na finansowanie dzia-łalności statutowej.
Bibliografia
Ambrozik A., Wybrane zagadnienia procesów cieplnych w tłokowych silnikach spalinowych, Wyd. Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2003, s. 207.
Воинов А. Н., Процессы сгорания в быстроходных поршневых двигателях. Машгиз, Москва 1980, с. 288.
Брозе Д. Д., Сгорание в поршневых двигателях, Машиностроение, Москва 1969, с. 312. Burchardt A., Bartelmus G., Inżynieria reaktorów chemicznych, t. 1, PWN, Warszawa
2001, s. 356.
Ваншейдт В. А., Дизели, Машиностроение, Ленинград 1977, с. 480.
Hejwood J. B., Internal combustion engines fundamentals, McCraw-Hill Book Co, NY 1988, s. 930.
Jost V., Implosions and combustions in gas, McCraw-Hill Book Co, NY 1959, s. 688. Klyus O., Wewnątrzcylindrowa kataliza w silnikach wysokoprężnych, Wyd. KGTU,
Kali-ningrad 2007, s. 132.
Kowalczyk M., Wpływ temperatury wtryskiwanego paliwa na wybrane wskaźniki procesu cieplnego silnika wysokoprężnego, „Silniki Spalinowe” 1975, nr 2, 37 – 43.
Kowalewicz A., Podstawy procesów spalania, WNT, Warszawa 2000, s. 328.
Merkisz J., Ekologiczne aspekty stosowania silników spalinowych, Wyd. PP, Poznań 1994, s. 282.
Орлин А. С., Калиш Г. Г., Двигатели внутреннего сгорания, Машгиз, Москва 1974, с. 328.
Ricardo G. G., Internal combustion engines, McPasons, London 1960, s. 411.
Свиридов Ю. Б., Топливо и топливоподача автотракторных дизелей. Машиностроение, Ленинград 1979, c. 384. Толстов А. И., Индикаторный период запаздывания воспламенения и динамики цикла быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия, Труды НИЛДа 1975, №1, 67 – 82. Файнлейб Б. Н., Топливная аппратура автотракторных дизелей. Машиностроение, Ленинград 1989, c. 263. Oleh Klyus
65
Циулин В. А., Марченко Л. А., Влияние подогрева топлива на показатели дизеля.Труды КГТУ, Калиниград 1995, №5, 17 – 34.
Wajand J. A., Wajand J. T., Tłokowe silniki spalinowe, WNT, Warszawa 2005, s. 695.
SummaRy Oleh Klyus
Improvement of ecological and economic engineering parameters with self-dry motor
The requirements placed on reciprocating internal combustion engines mainly concern the reduction of toxic compounds emission in exhaust gases. The current EURO6 emission standards apply to newly produced cars, however, they do not apply to older generation vehicles. The use of constructional solutions in the form of electronic control of the fuel injection process or additional elements in the exhaust system is not possible. At the Maritime University of Szczecin, research is conducted on the use of pre-treat-ment of fuel in injection equippre-treat-ment, involving the use of catalytic materials directly in the body of the self-ignition engine springs. The developed technology of applying the catalyst layer along with the turbulence system of the fuel flow in the injector does not create technical problems and can be applied both to the newly manufactured parts of the injection equipment and those that are in operation. The tests carried out on the ap-plication of fuel pre-treatment in 359 type self-ignition engines showed a simultaneous reduction in the concentration of nitrogen oxides (up to 12%) in the exhaust gases as well as a reduction in specific fuel consumption (up to 8%).
Key words: self-ignition engine, pre-treatment of fuel.
РезЮМе Олег Клюс Улучшение экологических и экономических рабочих параметров двигателей с воспламенением от сжатия Требования, предъявляемые к поршневым двигателям, касаются прежде всего ограничения уровня концентрации токсических компонентов в выхлопных га-зах. Существующие нормы эмиссии еВРО6 являются обязательными для новых автомобилей, однако не касаются автомобилей старшей генерации. Использова-ние в них конструктивных решений в виде электронного управления характерис-тики топливоподачи или дополнительных элементов в выхлопной системе явля-ются невозможными. В Щецинской морской академии проводятся исследования по использованию предварительной обработки топлива, связанной с использова-нием каталитических материалов непосредственно в корпусе распылителя дизе-ля. Разработанная технология нанесения катализатора вместе с системой турбу-лизации топлива может быть рекомендована к использованию как в процессе
66
дукции новых распылителей, так и для тех, которые находятся в эксплуатации. Проведенные исследования на дизеле типа 359 показали, что использование пред-варительной обработки топлива позволяет одновременно снизить концентрацию оксидов азота (до 12%) и уменьшить удельный расход топлива (до 8%). Ключевые слова: двигатель с воспламенением от сжатия, предварительная об-работка топлива.Data wpływu artykułu: 26.02.2018 r. Data akceptacji artykułu: 6.04.2018 r.