2. TWORZENIE MIESZANKI I SPALANIE W SILNIKACH O ZAPŁONIE
2.6. Wnioski uzasadniające podjęcie tematu
Z analizy literatury wynika, że szczątkowe są wyniki badań przedstawiające możliwości ste-rowania procesem spalania przy wykorzystaniu recyrkulowanych spalin do izolowania procesu spalania.
Przedstawione wcześniej wyniki dotyczą najczęściej oceny procesu spalania z wykorzysta-niem recyrkulowanych spalin (nisko- i wysokociśnieniowych układów) wykonanej na podsta-wie analizy zmian ciśnienia w cylindrze, redukcji emisji związków toksycznych lub w oparciu o ograniczenie zużycia paliwa jednostki napędowej. Ocena procesu spalania, na podstawie tych globalnych wartości, nie dostarcza szczegółowych informacji o jego lokalnych warunkach.
Analiza emisji związków toksycznych jest wykonywana dla uśrednionego przebiegu (wynika to z konieczności zebrania odpowiedniej wielkości próbki pomiarowej), co ogranicza dokładną diagnostykę pojedynczego cyklu pracy maszyny cieplnej. Powyższe metody nie są zatem wy-starczające do pełnego opisu pojedynczego procesu spalania wraz z uwzględnieniem poszcze-gólnych jego faz.
Przeprowadzona analiza literatury nie wskazuje na sposób dostarczania recyrkulowanych spalin do cylindra silnika o ZI w celu kontrolowania procesu spalania. Do rozpoznania poszcze-gólnych składowych zjawisk fizykochemicznych, zachodzących w czasie jednego cyklu pracy
silnika konieczne jest prowadzenie badań metodami, które pozwalają na określenie lokalnych wielkości procesów (m.in. mieszania gazów i rozwoju płomienia).
Praca stanowi próbę wyjaśnienia wybranych aspektów procesu powstawania i rozprzestrze-niania się płomienia podczas kontrolowanego doprowadzania recyrkulowanych gazów do ko-mory spalania przy wykorzystaniu metod badawczych w postaci technik optycznych i techniki pomiarów indykatorowych.
Zaawansowane systemy sterowania procesem wtrysku i spalania pozwalają na minimalizo-wanie emisji NOx (kluczowej w kontekście wykorzystania recyrkulacji spalin) oraz redukcję zużycia paliwa. Obecnie wykorzystywane układy recyrkulacji spalin w silnikach o zapłonie iskrowym spełniają swoją rolę w określonych warunkach pracy.
Mimo zaawansowanych konstrukcji silników spalinowych, obecnie uzyskiwane sprawności ogólne jednostek spalania wewnętrznego są osiągane na poziomie 35–40%. Teoretyczne roz-ważania wskazują na możliwość zwiększenia tej sprawności przez redukcję strat związanych z wymianą ciepła i chłodzenia. W celu realizacji tych postulatów konieczne jest odizolowanie procesu spalania od ścianek cylindra. Koncepcja prezentowanego układu spalania opiera się na wytworzeniu przez nieaktywne gazy izolacji wokół ścianek cylindra. Powinno się to przyczynić do zredukowania wymiany ciepła z cylindrem silnika podczas spalania (który ze względów mechanicznych wymaga chłodzenia). Nowoczesne konstrukcje układów dolotowych pozwa-lają na realizację zawirowania ładunku w cylindrze. Doprowadzenie do cylindra nieaktywnych gazów, zawirowanych w okolicy ścianek cylindra, powinno pozwolić na realizację założeń do-tyczących izolacji termicznej.
Celem przedstawianej dysertacji jest eksperymentalne rozpoznanie możliwości tworzenia mieszanki palnej w silniku o zapłonie iskrowym w otoczeniu niepalnych gazów. Określenie możliwości przygotowania i spalania mieszanek w takim układzie ma na celu uzyskanie czę-ściowej adiabatyzacji procesu spalania. Analiza teoretyczna zagadnienia wskazuje na możli-wość uzyskania takiego uwarstwienia ładunku, aby nieaktywne gazy spalinowe – tworząc ze-wnętrzny pierścień – otaczały umieszczoną wewnątrz mieszaninę palną w taki sposób, by ogra-niczyć wymianę ciepła między czynnikiem roboczym a ściankami cylindra. Główny problem badawczy sformułowano więc następująco:
w jaki sposób i w jakim stopniu nowy systemu spalania
pozwala kształtować proces spalania w układzie bezpośredniego wtrysku benzyny?
Problem ten wymaga rozwiązania zagadnienia naukowego (celu naukowego) którym jest:
rozpoznanie procesów mieszania gazów i efektów zastosowania nowego systemu spalania wykorzystującego recyrkulowane spaliny i częściową adiabatyzację procesu.
Z przedstawionego problemu badawczego wynikają pytania o procesy mieszania się gazów i spalanie paliw w ich otoczeniu, które można sprecyzować w odniesieniu do badań ekspery-mentalnych następująco:
1) W jaki sposób doprowadzenie gazów niepalnych do cylindra utworzy warstwę ochronną ograniczającą proces spalania?
2) W jaki sposób należy sterować procesem wtrysku, aby zapewnić zapalność ładunku?
Pytanie takie jest istotne w aspekcie możliwości spalania ładunku uwarstwionego.
3) Jaki jest przestrzenny rozkład mieszaniny gazów palnych i niepalnych? Brak znajo-mości przebiegu spalania benzyny w otoczeniu niepalnych gazów prowadzi do py-tania o sposób przestrzennego rozkładu gazów (spalin) w celu zapewnienia częścio-wej adiabatyzacji procesu, pozwalającej jednocześnie na uzyskanie zapalności po-wstałego ładunku. Oznacza to, że dostarczenie spalin przy jednoczesnym zapewnie-niu dostatecznej ilości powietrza nie powinno mieć znamion przypadkowości, lecz powinno stanowić synergię tych dwóch ośrodków gazowych.
Przedstawione pytania badawcze prowadzą do szczegółowych celów naukowych sformuło-wanych następująco:
• analiza procesów tworzenia separacji gazów (palnych i niepalnych) z wykorzystaniem badań eksperymentalnych oraz symulacji komputerowych,
Rys. 3.1. Struktura pracy i wynikający z niej sposób rozwiązania problemu badawczego
• ocena procesu spalania z analizą procesów szybkozmiennych oraz optyczną analizą ob-razów, które umożliwią określenie rozwoju płomienia,
• badania rozkładu lokalnych wartości temperatury płomienia przy zastosowaniu różnych strategii wtrysku gazów.
Do realizacji celu pracy wymagane jest wykonanie zadań technicznych odnoszących się do omawianego tematu. Zaproponowano następujące zadania techniczne:
• stworzenie układu umożliwiającego realizację zawirowania zgodnego z założeniami przedstawionymi w pracy,
• badania wpływu zastosowanych parametrów i strategii wtrysku gazów niepalnych na możliwości tworzenia i zapalności mieszanki,
• optyczna analiza rozwoju płomienia przy zastosowaniu różnych parametrów wtrysku gazów niepalnych.
Rozwiązanie problemu naukowego wymaga dodatkowo prowadzenia badań symulacyjnych.
W ramach tych badań sformułowano następujące pytania:
1) W jaki sposób kształtuje się zawirowanie ładunku w cylindrze w aspekcie dostarczania zróżnicowanych aktywnie gazów? Badania symulacyjne pozwolą na uzyskanie odpo-wiedzi: w jaki sposób doprowadzenie gazów obojętnych (EGR) wpływa na sposób two-rzenia warstwy oddzielającej tworzony ładunek palny od ścianek komory spalania?
2) Czy ciśnienie gazów obojętnych prowadzi do zróżnicowania wielkości warstwy ochron-nej? Badania symulacyjne pozwolą określić parametry termodynamiczne gazów obo-jętnych przy różnych sposobach ich dostarczenia do komory spalania.
Problem badawczy przedstawiony w niniejszej pracy wymaga użycia zróżnicowanego apa-ratu badawczego. Na rysunku 3.1 przedstawiono strukturę pracy wyjaśniającą rozwiązanie po-stawionego problemu badawczego w niniejszej dysertacji.
BADAWCZEGO
4.1. Charakterystyka metody badawczej
Rozwiązanie problemu naukowego przedstawionego w rozdz. 3 wymagało zastosowania odpowiedniej metody badań. W pracy wykorzystano dwie metody badawcze: badań symula-cyjnych oraz badań eksperymentalnych. Badania eksperymentalne prowadzono przy użyciu maszyny pojedynczego cyklu, natomiast badania symulacyjne – przy użyciu oprogramowania AVL Fire. Badania modelowe dotyczyły analizy statycznej adaptacji MPC do proponowanego systemu spalania (badanie te opisano w rozdziale 5).
Ze względu na podstawowy charakter badań, głównym narzędziem umożliwiającym reje-strację procesu spalania są maszyny cieplne z dostępem optycznym [114]. Istniejące rozwiąza-nia można podzielić na silniki transparentne i maszyny pojedynczego cyklu spalarozwiąza-nia (MPC).
Pierwsze z nich – silniki transparentne – umożliwiają rejestrację kilku cykli pracy. Liczba tych cykli uzależniona jest od możliwości aparatury badawczej (maksymalny czas rejestracji). Na etapie badań podstawowych zjawisk fizykochemicznych zachodzących podczas spalania w oto-czeniu recyrkulowanych spalin, modyfikacja rzeczywistego silnika badawczego byłaby utrud-niona. Z tego względu do badań wykorzystano maszynę pojedynczego cyklu spalania. Charak-teryzuje się ona łatwością modyfikacji układu doprowadzenia ładunku.
4.2. Obiekt badawczy
Do rozwiązania zagadnienia naukowego wykorzystano maszynę pojedynczego cyklu. Na stanowisku prowadzono badania indykatorowe oraz optyczne. Wykorzystana w badaniach ma-szyna (rys. 4.1) odwzorowuje w pewnym stopniu warunki pracy silnika (głównym ogranicze-niem jest mała prędkość ruchu tłoka wynikająca ze sposobu napędu maszyny – napęd pneuma-tyczny (3)).
Rys. 4.1. Widok maszyny pojedynczego cyklu: 1) ramiona układu korbowego, 2) układ wyzwolenia zapłonu, 3) zawory elektromagnetyczne, 4) kamera, 5) oświetlenie, 6) głowica, 7) sprężarka, 8) butla CO2,
9) układ wtryskowy
1 2 3 4
5
6
7
8
9
Maszyna pojedynczego cyklu zbudowana jest z cylindra roboczego, w którym umieszczono tłok wykonany w ten sposób, aby umożliwić dostęp optyczny do komory spalania od jego denka. Średnica szkła kwarcowego, umieszczonego w tłoku wynosi 57 mm, jednak konstrukcja tłoka umożliwiająca jego zabudowę, ogranicza tę średnicę obszaru widocznego do 50 mm (rys. 4.2).
Rys. 4.2. Dostęp optyczny do komory spalania w maszynie pojedynczego cyklu
Adaptacja maszyny pojedynczego cyklu do proponowanych badań wymagała zaprojekto-wania układu dostarczania gazów dolotowych: palnych i niepalnych (symulujących spaliny).
W celu realizacji promieniowego uwarstwienia ładunku, na obwodzie głowicy wykonano ka-nały dolotowe doprowadzające stycznie do osi cylindra gazy niepalne. Ich sterowanie odbywało się przy użyciu zaworów elektromagnetycznych. Widok modelu pierścienia odpowiadającego za realizację wtrysku gazów niepalnych do komory spalania maszyny pojedynczego cyklu przedstawiono na rysunku 4.3.
Rys. 4.3. Projekt pierścienia maszyny pojedynczego cyklu do doprowadzenia recyrkulowanych spalin (projekt wykonany w oparciu o badania modelowe)
Sposób umieszczenia zaworów dobrano w taki sposób, by czynnik wtłaczany do głowicy trafiał na ścianki cylindra tworząc zawirowanie (rys. 4.4).
Kamera HSS5
Zwierciadło
Szkło kwarcowe
Świeca zapłonowa Droga optyczna
Niewidoczny obszar komory spalania
mm mm
KOREK
Użyte w badaniach zawory elektromagnetyczne do realizacji dolotu i wylotu gazów (zawory typu 52 2/2NC) sterowano z użyciem sequencera (rys. 4.5 i 4.6). Zawory tego typu charaktery-zują się możliwością montażu w dowolnej pozycji i są wykorzystywane do przesyłania medium typu powietrze, neutralne gazy, płyny lub lekkie oleje. Zawory pracowały w trybie NC (nor-mally closed – normalnie zamknięty). Przyłożenie napięcia stałego o wartości 24 V powoduje otwarcie zaworu zgodnie z sygnałem wymuszenia TTL (transistor-transistor logic) z sequen-cera.
Rys. 4.4. Wizualizacja sposobu realizacji zawirowania podczas badań procesu spalania w komorze MPC z wykorzystaniem zaworów elektromagnetycznych
Rys. 4.5. Model obsady dolotu powietrza Rys. 4.6. Zawór elektromagnetyczny użyty w badaniach
Maszynę pojedynczego cyklu wyposażono w aparaturę pomiarowo-wykonawczą (rys. 4.7).
Elementy aparatury są ze sobą sprzężone przez jednostkę wyzwalającą HSD Sequencer C711 (5) z zaprogramowaną sekwencją działań (aktywacji zaworów elektromagnetycznych) w komputerze sterującym (1). Sygnały pomiarowe z dwóch modułów AVL IndiModul 621 (6) poddano akwizycji (3) z użyciem programu AVL IndiCom. Urządzenie to pozwala na rejestra-cję sygnałów sterujących pracą maszyny wraz z przebiegiem ciśnienia szybkozmiennego. Dwa połączone moduły umożliwiają jednoczesną rejestrację ośmiu sygnałów pomiarowych. Reje-strowano następujące sygnały: dostarczenia powietrza nad tłok, dolotu dwutlenku węgla do cy-lindra, wylotu powietrza spod tłoka, wylotu spalin, wtrysku paliwa, wymuszenia wyładowania na świecy zapłonowej, ruchu tłoka oraz ciśnienia w cylindrze. Badania prowadzono przy stałym ciśnieniu wyzwalającym ruch tłoka MPC ustalanym przy pomocy regulatora (7) typ RE82-430100P0 firmy Lumel. Sterowanie pracą zaworów odbywało się z wykorzystaniem generatora
injector spark plug
Świeca zapłonowa
Wtryskiwacz
impulsów (8) posiadającego 7 wejść typu BNC (złącze komputerowe). Generowane impulsy z sequencera (5) przez przekaźniki półprzewodnikowe Omron G3NA wyzwalały sygnał napię-ciowy, sterujący pracą zaworów elektromagnetycznych. Elementem wykonawczym układu sta-bilizacji temperatury cylindra podczas badań był impulsowy regulator temperatury (9), z zada-nym zakresem wartości 70±3ºC.
Rys. 4.7. Elementy sterująco-rejestrujące stanowiska maszyny pojedynczego cyklu (opis w tekście)
W badaniach wykorzystano wtryskiwacz o zewnętrznym otwarciu iglicy – Siemens VDO typu outward-opening (rys. 4.8), którego elementem wykonawczym jest stos kryształów pie-zoelektrycznych powodujący przemieszczenie iglicy. Kształt strugi paliwa uzyskiwany pod-czas wtrysku przybiera postać stożka (kąt rozpylenia strugi wynosi 90º±3º).
a) b)
Rys. 4.8. Wykorzystany w badaniach wtryskiwacz o zewnętrznym otwarciu iglicy: a) budowa rozpylacza [56], b) badawcza charakterystyka przepływowa [83]
Do prac badawczych wykorzystano dwa warianty głowicy maszyny. Wariant pierwszy do-tyczył obserwacji tworzenia ładunku (powietrze – gazy niepalne), drugi – obserwacji procesu spalania.
Na rysunku 4.9 przedstawiono budowę maszyny do badań optycznych w technice fotografii cieniowej. Do budowy stanowiska wykorzystano m.in. prace [45, 49, 71, 78, 95]. Główne ele-menty układu stanowiły: zwierciadło wklęsłe (1) o średnicy φ = 150 mm i ogniskowej f = 750 mm, lustro (9) półprzepuszczalne 50:50 przy długości fali 450–650 nm±10% o średnicy φ = 50 mm firmy Thorlabs, umieszczone pod kątem 45º do osi optycznej, źródło światła
1 2 3 4
5 6 7 8 9
iglica
rzut strugi paliwa
kąt strugi wypływ
paliwa 90o
w postaci diody (10) oraz nóż odcinający (6). Pozostałe elementy stanowiska to: zawór elek-tromagnetyczny doprowadzający CO2 do komory cylindra (2), szkło φ = 85 mm umożliwiające dostęp do komory spalania (3), zawór elektromagnetyczny wylotu gazów z komory cylindra (4), lustro z dostępem optycznym od strony denka tłoka (5) oraz kamera (7) wraz z obiektywem (8).
Rys. 4.9. Stanowisko maszyny pojedynczego cyklu adaptowane do badań optycznych (I etap) w technice fotografii cieniowej (opis w tekście)
Drugi wariant stanowiska (model 3D – rys. 4.10) dotyczy adaptacji maszyny do analizy pro-cesu spalania z udziałem recyrkulowanych spalin. Ten wariant uwzględniał dwa etapy
Rys. 4.10. Projekt 3D stanowiska maszyny pojedynczego cyklu do badań drugiego etapu: a) centralnie umieszczony wtryskiwacz paliwa (I część badań), b) centralnie umieszczona świeca zapłonowa w głowicy (II część badań); 1) komputer sterujący, 2) sequencer, 3) komputer rejestrujący parametry termodynamiczne, 4) sterowanie elementami układu pneumatycznego, 5) komputer sterująco-rejestrujący kamery, 6) kamera, 7) sprężarka, 8) głowica, 9) zawór regulacji ciśnienia CO2, 10) wtryskiwacz, 11) świeca zapłonowa z czujnikiem
ciśnienia, 12) dodatkowy zawór powietrza, 13) elektromagnetyczny zawór wtrysku CO2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10b 11b 12b 13b 10a
11a 12a 13a
a) b)
badań: z centralnie umieszczonym wtryskiwaczem oraz z centralnie umieszczoną świecą za-płonową. Gaz niepalny stanowił techniczny dwutlenek węgla (9) o czystości 99,95% objętości.
W pierwszej części drugiego etapu badań (rys. 4.11a) w centralnym punkcie głowicy umieszczono wtryskiwacz piezoelektryczny (3). Świecę zapłonową (1) wraz z wmontowanym czujnikiem ciśnienia AVL GU13Z-24 zamontowano w taki sposób, aby tworzenie ładunku oraz zapłon odbywał się na zasadach spray-guided (4.11c). Za dostarczanie spalin (CO2) odpowie-dzialny jest zawór elektromagnetyczny (4).
Drugi etap badań procesu spalania polegał na umieszczeniu w centralnym punkcie głowicy źródła zapłonu – świecy zapłonowej (4.11b).
Rys. 4.11. Widok głowicy podczas I etapu badań (a) oraz II etapu badań: 1 – świeca zapłonowa, 2 – dostęp do czujnika ciśnienia, 3 – wtryskiwacz, 4 – obsada dolotu powietrza; (b) ilustracja spalania w systemie
spray-guided [42]
4.3. Aparatura badawcza
Podczas prac prowadzonych na stanowisku badawczym wykorzystano aparaturę pomiarową w postaci:
a) kamery firmy LaVision typu HSS5 do szybkiego filmowania, rejestrującej sekwencję zdjęć z częstotliwością 5 kHz (wartość wykorzystana w pracy),
b) systemu do pomiarów szybkozmiennych – AVL Indiset 621 (z użyciem wzmacniaczy ładunku MicroIFEM); otrzymane dane następnie poddawano obróbce w programie AVL Concerto,
c) symulacyjnej analizy rozkładu zawirowania gazów w komorze z wykorzystaniem opro-gramowania Fire firmy AVL [9] (dokładną analizę zastosowanej metody przedstawiono w podrozdziale 5.4).
Obserwacje optyczne prowadzono z wykorzystaniem wspomnianej kamery do szybkiego fil-mowania (rys. 4.12), której parametry i przykładowe szybkości filfil-mowania wraz z wartościami maksymalnych rozdzielczości przedstawiono w tablicy 4.1.
Rys. 4.12. Widok kamery High Speed Star 5 firmy LaVision [66]
3 1 2 4
1 2 3 4
a) a) b) c)
Tablica 4.1. Parametry techniczne kamery HighSpeedStar 5 firmy LaVision [66]
Typ przetwornika obrazu CMOS
Wielkość piksela fotokatody 17 µm × 17 µm
Rozdzielczość maksymalna 1024 × 1024 piksele
Maksymalne prędkości filmowania
3 000 zdjęć/s przy rozdzielczości 1024 × 1024 5 000 zdjęć/s przy rozdzielczości 512 × 512 (szybkość
wykorzystana podczas badań) 20 000 zdjęć/s przy rozdzielczości 384 × 152
50 000 zdjęć/s przy rozdzielczości 256 × 128 (250 000 zdjęć/s przy rozdzielczości 128 × 16)
Nagrywanie w skali szarości Monochromatycznej 10 bitowej
Zakres widmowy 380 nm do 800 nm
Podstawowym czujnikiem pomiarowym w prowadzonych badaniach był czujnik ciśnienia indykowanego GU13Z-24 w obsadzie świecy AVL ZF43 (rys. 4.13). Jego konstrukcja pozwala na zastosowanie w silnikach o zapłonie iskrowym, w których istnieje możliwość zamiany świecy zapłonowej na adapter wyposażony w czujnik ciśnienia. Najważniejsze parametry czuj-nika przedstawiono w tablicy 4.2.
Rys. 4.13. Schemat czujnika GU13Z-24 w adapterze świecy zapłonowej ZF43 [10]
Tablica 4.2. Parametry czujnika GU13Z-24 [10]
Wielkość Jednostka Wartość
Zakres pomiarowy MPa 0…25
Przeciążenie MPa 30
Czułość pC/bar 16
Odporność na wstrząsy g 2000
Zakres temperatur pracy °C –40…400
Termiczna zmiana czułości % ≤ 2% w zakresie 20…400°C
≥ ±0,5% w zakresie 250±100°C
Masa g 2,5 (bez przewodu)
Użycie w badaniach eksperymentalnych aparatury badawczo-pomiarowej pozwoliło na określenie następujących wielkości:
a) podczas procesu zawirowania:
• zasięgu gazów niepalnych,
• względnej prędkości zawirowania, b) podczas spalania:
• obszaru płomienia – zdefiniowanego jako obszar o zadanej intensywności świecenia po uwzględnieniu (odjęciu) tła pomiarowego,
• rozkładu temperatury – o zdefiniowanych przedziałach wartości temperatury płomie-nia,
• termodynamicznej analizy procesów szybkozmiennych w postaci:
− ciśnienia w cylindrze,
− szybkości wywiązywania ciepła na podstawie znajomości geometrii układu:
( )
t t(
t t)
indeksy t oraz t + 1 oznaczają bieżącą i następną wartość ciśnienia P w cylindrze oraz odpo-wiadające im objętości cylindra.
Obliczenia powyższych wskaźników prowadzono w zakresie od rozpoczęcia ruchu tłoka do umownego zakończenia rozprężania. Wartości średniego ciśnienia indykowanego wyznaczono na podstawie równania:
V0 jest objętością cylindra podczas rozpoczęcia ruchu tłoka,
Vk jest objętością podczas zakończenia rozprężania; czas tych zmian określono na 100 ms.
Powtarzalność procesu spalania oceniono na podstawie wartości:
− maksymalnego ciśnienia w cylindrze – Pmax, kąta tego ciśnienia αPmax,
− ciśnienia indykowanego,
− czasu wywiązywania ciepła – 5% oraz 90%,
− szybkości wywiązywania ciepła dQmax i czasu tej wielkości tdQmax,
− pola powierzchni płomienia Amax,
− czasu wystąpienia maksymalnego pola powierzchni płomienia t(Amax),
− maksymalnej szybkości przyrostu pola powierzchni płomienia dA/dt.
Na podstawie rejestracji ciśnienia szybkozmiennego przez czujnik GU13Z i drogi tłoka przez bezstykowy potencjometryczny czujnik przemieszczenia (Megatron LSR 150 ST R5k) wykonano analizę termodynamiczną procesu spalania z użyciem oprogramowania AVL Con-certo. Opracowano makra (rys. 4.14), umożliwiające obliczenia między innymi szybkości wy-wiązanego ciepła podczas procesu (4.1) oraz średniego ciśnienia indykowanego (4.2).
Rys. 4.14. Widok modułu obliczeniowego CalcGraf w programie AVL Concerto [83]
4.4. Zakres prowadzonych pomiarów
Eksperymentalne prace badawcze i analizy procesu spalania wykonano z uwzględnieniem dwóch głównych wskaźników:
• kolejności podawania gazów palnych i niepalnych do cylindra,
• ciśnienia wtrysku recyrkulowanych spalin (zastąpionego dwutlenkiem węgla – wyjaśnie-nie takiego zabiegu przedstawiono w rozdziale 5.2).
Zestawienie takich wskaźników precyzuje badania eksperymentalne w obszarze matrycy po-miarowej 3 × 6 (rys. 4.15). Trzy zmienne sekwencje dostarczania gazów zestawiono z sze-ścioma zmiennymi nastawami ciśnienia wtrysku CO2 do cylindra. W rezultacie uzyskano 18 punktów badawczych. Każdy punkt powtórzono 3-krotnie, w celu weryfikacji powtarzalno-ści badań w maszynie i ewentualnym odrzuceniu punktów pomiarowych odbiegających od trendu. Nastawy ciśnienia wtrysku gazów niepalnych (CO2) realizowane były w zakresie od 0,5 do 1,0 MPa.
Odpowiednie kształtowanie spalania podczas bezpośredniego wtrysku benzyny, który od-bywa się w pobliżu GMP, wymaga podziału wtryskiwanej dawki paliwa [83]. W oparciu o wcześniejsze prace z użyciem maszyny pojedynczego cyklu spalania [20, 21, 81] wybrano następujące, niezmienne nastawy (niezależnych od wielkości recyrkulowanych spalin):
• ciśnienie wtrysku paliwa wynoszące Pwtr = 5 MPa,
• dawkę paliwa: q = 31,5 mg (dawka paliwa wyznaczona na podstawie badawczej cha-rakterystyki przepływowej wtryskiwacza (rys. 4.8); strategia podziału dawki paliwa – 3 × twtr = 0,3 ms),
• punkt zapłonu o stałej wartości t = 6,8 ms przed GMP tłoka,
• czas otwarcia zaworów elektromagnetycznych doprowadzających gazy (palne i niepalne) do komory: twtr_g = 11 ms,
• różnicę czasu między sekwencjami wtrysku gazów (jeśli występowała): ∆twtr_g =
= 95 ms,
• ciśnienie powietrza ze sprężarki (wyzwolenie ruchu tłoka MPC): Pspr = 2,2 MPa,
• współczynnik nadmiaru powietrza λ = 1,17.
Rys. 4.15. Realizowane punkty pomiarowe
Zastosowanie w badaniach silnikowych maszyny do pojedynczego cyklu pracy wymagało potwierdzenia jej przydatności. Prace takie, dotyczące analizy powtarzalności procesu spalania z użyciem MPC przedstawiono w kolejnym podrozdziale.
4.5. Charakterystyka maszyny pojedynczego cyklu w badaniach procesu spalania
Eksperymentalne prace badawcze i rozwojowe mimo rozpowszechnionych w ostatnich la-tach licznych metod symulacyjnych [47, 91], wciąż mają znaczące podłoże poznawcze. Jest to związane z badaniami przy wykorzystaniu silników doświadczalnych, jedno- lub wielocylin-drowych oraz maszyn pojedynczego cyklu [46, 67, 73, 79, 84]. Maszyny takie, ze względu na znaczne możliwości badawcze, są obecnie szeroko stosowane do analizy procesu wtrysku i spalania [29, 44, 81], gdyż ograniczają koszty i zwiększają intensywność prac w porównaniu z badaniami, w których wykorzystuje się silniki transparentne.
EGR Pow.
Pomiary Indykowanie Badania optyczne Określenie temperatury Indykowanie Badania optyczne Określenie temperatury Indykowanie Badania optyczne Określenie temperatury
5 bar X X - X X - X X
-6 bar X X X X X X X X X
7 bar X X - X X - X X
-8 bar X X X X X X X X X
9 bar X X - X X - X X
-10 bar X X X X X X X X X
Sekwencja III Sekwencja II
Sekwencja I
Badania z użyciem maszyny pojedynczego cyklu wykonuje się z myślą o adaptacji otrzy-manych wyników do silników spalinowych, dlatego kryteria równomierności pracy silnika linowego są także kryteriami dla maszyny [54, 77, 118]. Nierównomierność pracy silnika spa-linowego określono przy pomocy współczynnika zmienności średniego ciśnienia indykowa-nego (lub użyteczindykowa-nego) CoV(IMEP) zdefiniowaindykowa-nego w rozdz. 2.2.1 – równanie (2.3).
Ocenę nierównomierności pracy maszyny pojedynczego cyklu wykonano na podstawie ana-lizy ciśnienia indykowanego. W oparciu o współczynnik zmienności, określono także nierów-nomierność uzyskiwania innych wskaźników pracy maszyny w postaci: maksymalnego ciśnie-nia spalaciśnie-nia Pmax, kąta (czasu wystąpienia) maksymalnego ciśnienia spalania aPmax, średniego ciśnienia indykowanego, czasu termodynamicznego początku spalania AI05 (określanego na podstawie 5-procentowego progu wywiązywania ciepła) oraz czasu końca spalania AI90 (okre-ślanego jako 90-procentowa wartość maksymalnego wywiązywania ciepła).
Wstępne porównanie powtarzalności pracy maszyny pojedynczego cyklu polegało na anali-zie zależności między drogą tłoka, zmianą objętości komory spalania oraz ciśnieniem indyko-wanym, które to zależności przedstawiono na rysunku 4.16. Brak mechanizmu korbowego wy-maga prowadzenia analizy sygnałów w odniesieniu do czasu trwania cyklu. Przedstawione po-niżej badania dotyczą analiz równomierności pracy maszyny w referencyjnym punkcie pracy – a więc bez udziału recyrkulowanych spalin.
Rys. 4.16. Pomiar ciśnienia spalania, drogi tłoka i objętości cylindra dla 10-ciu kolejnych cykli pracy MPC
Analiza 10-ciu cykli pomiarowych pozwala zaobserwować jakościowo dużą powtarzalność przebiegu ciśnienia w komorze spalania oraz zarejestrowanej drogi tłoka. Na rysunku 4.17 przedstawiono różnicę między osiągniętymi ciśnieniami w komorze spalania. Przebieg
Analiza 10-ciu cykli pomiarowych pozwala zaobserwować jakościowo dużą powtarzalność przebiegu ciśnienia w komorze spalania oraz zarejestrowanej drogi tłoka. Na rysunku 4.17 przedstawiono różnicę między osiągniętymi ciśnieniami w komorze spalania. Przebieg