W PŁY W SKŁADU M IESZA N K I PALNEJ

W pracy [34], analizując w pływ składu m ieszanki benzynowej, dodatkowo badano w pływ turbulencji na zapłon i rozchodzenie się płomienia. Turbulencja poprawia proces spalania, jednak osiągana przez instalow anie zaw irow yw aczy w układzie dolotowym kom plikow ała wyniki, bow iem odbyw ała się kosztem spadku sprawności napełniania.

Otrzym ane ciepło liczono jak o całkę szybkości w yw iązyw ania się ciepła netto, które rozum iano jak o wielkość wydzielonej energii chemicznej w czasie spalania minus wartość ciepła przyjętego przez ścianki kom ory. Czas trw ania charakterystycznych etapów spalania definiowano w pracy [34] jako:

(pZapi - 5% - kąt obrotu w ału korbowego od pojaw ienia się iskry do czasu wyw iązania się 5% energii chemicznej paliwa,

<P5% - 95% - kąt, w jakim nastąpi w yw iązanie się od 5% do 95% energii.

Otrzym ane w nioski sprow adzały się do stwierdzenia, że teoretycznie szybkość spalania najw iększa je st dla składu stechiom etrycznego. Oddalanie się od tego składu zm niejsza prędkość spalania. W praktyce, najw iększą szybkość spalania osiąga m ieszanka nieco bogatsza. W rzeczyw istości, przebieg spalania zależy nie tylko od składu, ale silnie uzależniony jest od panującego w cylindrze zawirowania, temperatury, w spółczynnika resztek spalin, chwili zapłonu i innych warunków, które nakładając się na siebie m ogą powodować w zrost ciśnienia, ale też w zrost niepowtarzalności przebiegów.

W pracy [36] badano 50 kolejnych cykli otrzym anych przy spalaniu m etanu przy zm ieniających się w spółczynnikach nadm iaru pow ietrza w zakresie od A,=l do a =1,6. w każdym przypadku kąt w yprzedzenia zapłonu ustaw iony był, tak aby osiągnąć m aksym alny w danych w arunkach m om ent obrotowy.

P rzy X = 1 rozrzut je s t m niejszy. D uży rozrzut ubogich m ieszanek spow odow any je st przedłużającym się procesem spalania. K olejne cykle są silnie uzależnione od param etrów poprzedniego obiegu, ja k np. resztek spalin pozostaw ionych w cylindrze i przypadkow ym , z tego pow odu w chwili zapłonu, składem m ieszanki.

N a rys. 10.1 przedstaw iono uśredniony w pływ w spółczynnika nadm iaru pow ietrza X na przebieg w ypalania się paliw a dla 5 składów m ieszanki. Z rysunku w idoczne jest, że zubożenie m ieszanki pow oduje spadek szybkości w ypalania się paliw a oraz że m aksym alna ilość spalonego paliw a je st w tedy m niejsza i wynosi Xb=0,87, podczas gdy przy X= 1.01 je st w iększa i w ynosi Xbmax = 0,91.

Poniew aż badania prow adzone były w ten sposób, żeby dla każdego składu m ieszanki otrzym ać m aksym alny m om ent, zm ieniano kąt wyprzedzenia zapłonu.

Zapłon dla składu stechiom etrycznego odbył się 15° przed zw rotem zewnętrznym , a 85% w yw iązanego ciepła otrzym ano przy kącie 30°OWK. W sumie, proces spalania trw ał tylko 45° OW K. D la m ieszanki uboższej o składzie k = 1,3 zapłon nastąpił 20°

przed zw rotem zewnętrznym . Proces spalania trw ał 62°OWK. M ieszanka bardzo uboga o składzie X = 1,59 została zapalona 30° przed zw rotem zew nętrznym , koniec spalania nastąpił w 110°OW K, spalanie trw ało 140°OWK.

90 120 [°O W K ] Rys. 10.1. Wpływ składu mieszanki na wypaloną masę [36]

Fig. 10.1. The impact of fuel blend mixture upon the burnt out mass [36]

91

Otrzym ane w nioski potw ierdziły, że przy projektow aniu procesu spalania m etanu należy zintensyfikow ać w arunki w yw iązyw ania się ciepła.

Zależności dotyczące m asy spalonego izooktanu w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla różnych stopni ekwiwalencji przy kącie wyprzedzenia zapłonu w ynoszącym 30°OW K przed ZZP otrzym ane w pracy [105] pokazano na rys. 10.2.

...- f » — • — »

—

T / — ■— <D= 1.0, f J --- 0 = 1 .2 ,

k • ^{© = 0.8,}

- 7 / — * — - <D = 0.6,

,} E G R = 0 %

( n = 1000 obr/min

i . ^ r '

zapfon = -30 f ° O W K ]

1 i 1 i 1 i 1 i

-60 -40 0 40 80 120 160 2 0 0 [oO W K ;

Rys.10.2. Wpływ stopnia ekwiwalencji na przebieg wypalania ładunku [105]

Fig. 10.2.The impact o f the degree o f equivalence upon the course of burning up the charge [105]

t/ts

Rys.10.3. Wpływ składu mieszanki na przebieg wywiązywania się ciepła w bezwymiarowym czasie dla spalania zupełnego izooktanu, kąt wyprzedzenia zapłonu (p = 30°OWK Fig. 10.3. The impact o f fuel blend composition upon heat evolution at nondimensional time

in the process of complete combustion o f isooctane, (30 deg BTDC) ignition angle o f advance

N a rys. 10.3 te same przebiegi przedstaw iono w czasie bezwym iarowym . czasie bezw ym iarow ym je st najbardziej przesunięty w prawo. M ieszanka bogatsza spala się nieznacznie wolniej, jej przebieg praw ie pokryw a się ze składem w ykorzystano m odel jednostrefow y. D la lepszej w izualizacji płom ienia silnik posiadał okna kw arcow e, co spowodowało, że otrzym ane w yniki ilościowe odbiegają od rzeczyw istości. Badano wpływ w spółczynnika nadm iaru pow ietrza X i trzech różnych świec na kąt, przy którym następow ało w ypalanie się 10 %, 50%, i 90% masy.

M niej skom plikow ane technologicznie silniki tworzące m ieszankę palną poza cylindrem pow oli ustępują m iejsca silnikom tw orzącym m ieszankę w kom orze roboczej. W pracach [107, 90] badania dotyczyły w ew nętrznego tw orzenia się m ieszanki i spalania ładunku uw arstw ionego.

D o obliczeń w ykorzystano m odel w ielow ym iarow y, a jak o param etry diagnostyczne w ykorzystano szybkość i ilość w yw iązanego ciepła. Całkow ity czas spalania w ynosi niew iele ponad 40 stopni obrotów w ału korbow ego. Jest to redukcja o około 50% czasu trw ania spalania w porów naniu do konw encjonalnych silników Zł.

Przesunięcie w praw o czasu w yw iązyw ania się 50% ciepła w skazuje na skrócenie okresu spalania i w tym aspekcie należy rozpatryw ać procentow o okres rozpłom ieniania i dopalania jak o bardzo małe. To przyspieszone spalanie m oże spowodowane być w ysokim i lokalnym i intensyw nościam i turbulencji, które pow stają w procesie w trysku m ieszanki i które um ożliw iają późny zapłon. Z analizy rys. 10.4 przedstaw iającego sumę

93

w yw iązanego ciepła m ożna rów nież zauw ażyć, że w tym system ie m im o bardzo szybkiego spalania około 5% węglow odorów pozostaje niespalone.

a) szybkość' w ydzielania ciepła %/°

Rys. 10.4. a i b. Szybkość i ilość wywiązanego ciepła przy spalaniu uwarstwionym [107]

Fig.10.4. a and b. The rate and quantity of heat evolution in the process of laminar combustion [107]

N atom iast przedstaw iona na rys. 10.5 szybkość w yw iązyw ania się ciepła przy zm ianie współczynnika ekwiwalencji O, um ożliwiła wyznaczenie kąta obrotu wału korbow ego, przy którym wystąpiło m aksim um szybkości w yw iązyw ania się ciepła. Do

^ 2

JO

-c "

S' 450[°OWK;

Stosunek ekwiwalencji

Rys. 10.5. Wpływ ekwiwalencji na maksymalną szybkość wywiązywania się ciepła [107]

Fig. 10.5. The impact of equivalence ratio upon the maximal rate o f heat evolution [107]

A naliza w ykazała bardzo w yraźny w pływ składu m ieszanki na przebieg w yw iązyw ania się ciepła. Najszybciej spala się m ieszanka o składzie nieco bogatszym niż stechiom etryczny. Przy zbyt ubogiej lub zbyt bogatej m ieszance następuje wydłużenie czasu spalania. Szczególnie w yraźnie proces opóźnienia nasila się po stronie m ieszanki ubogiej. W yraźnie zaznaczył się rów nież w pływ stopnia kompresji.

Silne różnice w przebiegach w yw iązyw ania się ciepła przy tym sam ym współczynniku ekw iw alencji zaobserw ow ano przy zm ianie zawirowania.

Podsum ow ując, należy podkreślić, że przy paliw ach w ęglow odorow ych bez w zględu na system spalania najszybciej spala się m ieszanka stechiom etryczna, a najwolniej uboga.

95