Seria: T R A N S P O R T z. 46 N r kol. 1571
Piotr G U ST O F
MODELOWANIE PROCESU TWORZENIA SIĘ SADZY W SILNIKU ZS
S tre sz c z e n ie . W p ra c y w y zn a c z o n o k o n cen trację sadzy w cy lin d rze d o ład o w an eg o silnika w y so k o p rężn eg o z w try sk ie m b e z p o śre d n im p a liw a do k o m o ry spalania. Ilo ść sadzy obliczono za p o m o c ą m o d e lu o p raco w an eg o p rz e z T. M o rela i R .K erib ara [4], skorzystano także z dan y ch o b lic z o n y c h z a p o m o c ą m o d elu d w u strefo w eg o [6],
MODELING OF CREATES PROCESS SOOT IN ENGINE ZS
S u m m a r y . T he a im o f th is w o rk w as to co n c e n tra tio n so o t in a cy lin d er o f c h arg ed engine w ith d irect fuel in je c tio n to c o m b u s tio n cham ber. T he value o f the so o t w as co u n ted up by using o f m o d e l c re a te d by T. M o rel an d R. K erib ar [4], it w as u sed also fro m c o u n ted data’s b ehind h elp o f tw o -z o n a l m o d el [6].
1. M O D E L O W A N IE S A D Z Y W S IL N IK U Z S
P o w s ta w a n ie s a d z y j e s t c h a ra k te ry s ty c z n y m z ja w is k ie m to w a rz y s z ą c y m sp a la n iu we w s z y stk ic h s iln ik a c h w y s o k o p rę ż n y c h , p ra c u ją c y c h w p o b liż u p e łn e g o o b c ią ż e n ia (m aksym alnej m o cy ).
W ię k sz e stę ż e n ie s a d z y p o w o d u je n a d m ie rn e z a n ie c z y s z c z e n ie a tm o s fe ry (ta k ż e składnikam i to k s y c z n y m i to w a rz y s z ą c y m i w y w ią z y w a n iu się sa d z y ) o ra z z m n ie js z e n ie w id o czn o ści n ie b e z p ie c z n e d la ru c h u p o ja z d ó w d ro g o w y c h [1 ],[2 ],[3 ],
S a m a sa d z a , ja k o c z y sty c h e m ic z n ie w ę g ie l, nie s ta n o w i z a g ro ż e n ia d la o rg a n iz m u człow ieka, n ie b e z p ie c z n e s ą z w ią z k i z n a jd u ją c e się n a je j p o w ie rz c h n i - w ie lo p ie rśc ie n io w e w ę g lo w o d o ry a ro m a ty c z n e P A H o ra z w ę g lo w o d o ry p o c h o d z ą c e z n iesp alo n eg o p a liw a i o le ju sm a ru ją c e g o .
S z k o d liw o ś ć o d d z ia ły w a n ia s a d z y n a ś ro d o w isk o n a tu ra ln e i o rg a n iz m y ży w e w ynika te ż z fa k tu , ż e z e w z g lę d u n a m a łe w y m ia ry c z ą s tk i sa d z y u tr z y m u ją się d łu g o w atm o sferze i s ą ła tw o w c h ła n ia n e p r z e z u k ła d o d d e c h o w y . W te n s p o s ó b u m o ż liw ia się w n ik n ięcie do o rg a n iz m u w ę g lo w o d o ró w , z w ią z k ó w sia rk i i azo tu .
C elem p racy było u d o w o d n ie n ie , iż m o ż n a z am o d e lo w ać p ro c e s tw o rz e n ia się sadzy w silniku Z S z d o ść d u ż ą d o k ła d n o ś c ią w sto su n k u do w y n ik ó w u z y sk an y ch n a sta n o w isk u badaw czym . W p ra c y o k re ślo n o ta k ż e p rz y d a tn o ść z asto so w an eg o m o d elu w fazie p rojektow ania n o w y c h siln ik ó w ZS.
W m o d elu T .M o re la i R .K e rib a ra s ą za w a rte w ielk o ści, k tó re b y w a ją w y z n aczan e przy k o n w encjonalnym b a d a n iu p ro c e s u sp alan ia w silniku, w y k o rzy stu jący m te rm o d y n a m ic z n ą analizę d o św iad czaln ie w y z n a c z o n e g o w y k re su indy k ato ro w eg o .
T .M o rel i R .K e rib a r zało ż y li [4], że w k o m o rze sp alan ia m o ż n a w y ró żn ić trz y strefy:
- strefę n iesp alo n eg o p aliw a, - c ie n k ą strefę spalania, - strefę p ro d u k tó w spalania.
Przy jm u je się, że ilość p a liw a sp alo n a w strefie sp alan ia w k ażd y m przedziale czaso w y m w y tw a rz a sadzę, k tó ra p rzed o staje się do strefy p ro d u k tó w spalania. Z ało żen ia m o d elu d w u strefo w eg o s ą b ard zo p o d o b n e do p rzed staw io n y ch pow yżej założeń.
T .M o rel i R .K e rib a r zap ro p o n o w ali, aby k o n cen trację c ząstek sadzy cs [4] w kom o rze sp alan ia w y zn aczy ć z a p o m o c ą form uły:
c , = [ g / ^ 3] 0 )
gdzie:
m Sf - m a sa sad zy w y tw o rzo n ej do chw ili x [g], m Sb - m a sa sad zy w y p alo n ej do c h w ili t [g], V - c h w ilo w a o b ję to ść cy lin d ra [m 3].
C h w ilo w ą ob jęto ść cy lin d ra [6] o b liczo n o za p o m o c ą przedstaw ionej zależności:
TT • D 2
V = 0 ,2 4 8 6 5 -1 0 "4 + [ ( --- — ) - r - ( l - c o s a + 0,5Z k - s in 2a ) ] [m 3] (2) 4
gdzie:
D ti - śred n ica tło k a (w p rz y p a d k u siln ik a 2 ,4 T D I w y n o si 0 ,082)[m ], r - p ro m ień w y k o rb ie n ia (0 ,0 4 5 2 ) [m],
a - k ą t o b ro tu w ału k o rb o w e g o [°O W K ],
Xk - w sp ó łczy n n ik k o rb o w o d o w y - sto su n ek p ro m ien ia w y k o rb ien ia do d łu g o ści k o rb o w o d u (0,3117).
W arto ści m asy w y tw o rzo n ej sad zy m Sf o raz m asy w ypalonej sadzy rrisb [4] uzyskano dzięki p o n iż sz y m form ułom :
m sf = Aj - q0 ■
— -ex p dx d a
A.
k ' T f ,
/(I + 4 ,7 6 - Yo2) 3 [g] (3)
gdzie:
A i, A 2 - w sp ó łc z y n n ik i o w arto śc ia c h 100 i 2000, q 0 - c a łk o w ita d a w k a p a liw a n a cy k l [g],
dx d a
T f - te m p e ra tu ra p ło m ien ia [K],
Y o 2 - u d z ia ł m o lo w y n iesp alo n eg o tle n u w sp alin ach [% ].
- szy b k o ść w y p a le n ia ła d u n k u x [l/°O W K ],
gdzie:
6 n rn Ps - d i
•exp Ł .
T f
• P o , [g] (4)
Bi,B 2 - w sp ó łczy n n ik i o w arto ściach 10 i 2000,
n - p rę d k o ść o b ro to w a siln ik a [obr/m in], m Sf - m a sa sad zy w y tw o rzo n ej do chw ili x [g], p s - g ęsto ść sad zy [k g /m 3],
d s - śre d n ic a c z ą stk i sad zy [pm ], T f - te m p e ra tu ra p ło m ie n ia [K], P0 2 - ciśn ien ie c z ą stk o w e tlen u [bar].
F o rm u ły (3 ) o ra z (4) u zy sk an o p o p rz e z scałk o w an ie ró w n an ia n a m a s o w ą szybkość form ow ania się sad zy (5 ) o ra z n a m a s o w ą szy b k o ść w y p a la n ia się sadzy (6):
a d m d
A j - - e x p
d m sf d t
A Tf y dx (1 + 4,7 6 • Yo2)
[ g / s ] (5)
gdzie:
A i,A2 - w sp ó łc z y n n ik i o w a rto śc ia c h od p o w ied n io : 100 i 2000,
^ m d- - m a s o w a szy b k o ść d y fu zy jn eg o sp alan ia p a liw a w silniku [g/s], dx
T f - te m p e ra tu ra p ło m ie n ia [K ],
Y o2 - u d ział m o lo w y n iesp alo n eg o tlen u w sp alin ach [%].
gdzie:
^ = _B1. - Ł . e x p ( - ^
d t P s ' d s l T f
■Po2 2 [ g / s ] (6)
B !,B 2 - w sp ó łczy n n ik i, k tó re w y n o sz ą o d p o w ied n io 10 i 2000,
m Sf - m a sa sad zy w y tw o rzo n ej do chw ili x [g], p s - g ę sto ść sad zy [k g /m 3],
P0 2 - ciśn ien ie c z ą stk o w e tlen u [bar], d s - śred n ica c z ą stk i sad zy [pm ], T f - te m p e ra tu ra pło m ie n ia [K ].
M a s o w ą szy b k o ść d y fu zy jn eg o sp alan ia p a liw a w siln ik u w y zn aczo n o z g o d n ie z przedstaw ioną zale żn o ścią:
d m d dx r
- r L = T " q „ tg/s] (7)
dx dx
gdzie:
— - w z g lę d n a szy b k o ść sp alan ia [l/s ] , dx dx
q 0 - c a łk o w ita d a w k a p a liw a na c y k l [g].
Ś rednicę c z ąstek sad zy d s [4] o b liczo n o z rów nania:
d s = M l [ p m ] (8)
K gdzie:
X - w sp ó łc z y n n ik n ad m ia ru p o w ietrza.
A by p o ró w n a ć d an e d o św iad czaln e z d an y m i w y liczo n y m i z a p o m o c ą m o d elu M orela i K eribara, m aso w e stężen ie sad zy c s zam ien io n o na stężenie o b jęto ścio w e c sv [5],
Skorzystano w ięc ze w zoru:
62,36 T r ,
Csv= M ~ F ' Cs [PPm ] (9)
cz a
gdzie:
T - te m p e ra tu ra b ezw zg lęd n a p o w ie trz a [K], M cz - m a s a c z ą ste c z k o w a w ęgla [kg/km ol], P a — ciśn ien ie a tm o sfery czn e [m m H g], c s - k o n cen tracja sad zy w m 3 sp alin [g/m 3].
2. O B IE K T A N A L IZ Y I W Y N IK I B A D A Ń
W yniki o b lic z e ń p rzep ro w a d z o n o dla w y so k o p rężn eg o silnika z w tryskiem bezp o śred n im o p o je m n o śc i sk o k o w ej 2 3 9 0 cm 3, m ocy nom in aln ej 85 k W d la p rędkości obrotow ej 42 5 0 m in '1 i ró ż n y c h w sp ó łc z y n n ik ó w n ad m iaru p o w ietrza X.
O b licze n ia o b ejm o w ały w y z n aczen ie ilości tw o rzącej się sadzy, a n astęp n ie ilości w ypalanej sad zy w czasie trw a n ia sp alan ia w c y lin d rze siln ik a ZS.
K o ń c o w ą k o n c e n tra c ję sad zy u zy sk an o p o p rzez różnicę p o m ięd zy s a d z ą w y tw o rz o n ą a w ypaloną. Jako tem p e ra tu rę p ło m ien ia T f p rzy jęto tem p eratu rę spalin Tb [6], ja k o udział m o lo w y n iesp alo n eg o tlen u w sp alin ach Y0 2 o ra z w sp ó łczy n n ik w y p alen ia ład u n k u x przy jęto dane w y liczo n e z a p o m o c ą m o d elu d w u strefo w eg o [6] dla p o szczeg ó ln y ch w sp ó łczy n n ik ó w X. W e w z o rz e (6) ja k o g ęsto ść sad zy p s p rzy jęto w arto ść p ro p o n o w a n ą p rz e z M o rela i K erib ara [4], a w y n o sz ą c ą 90 0 kg /m 3, p o n iew aż silnik je s t silnikiem d o ład o w an y m , w ięc ciśnienie c z ąstk o w e tlen u P o 2 p rzy jęto ró w n e 10 b aró w [1,2,3].
O ceny sto p n ia p rz y d a tn o śc i m o d elu T .M o re la i R .K erib ara d o k o n an o p o p rzez p o ró w n an ie d a n y c h o trz y m a n y c h d o św iad czaln ie z w y n ik am i o b liczeń p rz e p ro w ad zo n y ch za p o m o c ą w w . m o d e lu n a ty m sam y m obiekcie.
W y k re s 1 p rz e d s ta w ia ją c y k o n c e n tra c ję sa d z y w c y lin d rz e siln ik a Z S z o sta ł w y k o n a n y w iu n k c ji k ą ta o b ro tu w a łu k o rb o w e g o , w y k re s 2 p o ró w n u ją c y w y n ik i o b lic z e ń z d a n y m i d o ś w ia d c z a ln y m i i d a n y m i u z y sk a n y m i z a p o m o c ą m o d e lu d w u stre fo w e g o z o s ta ł w y k o n a n y w iu n k c ji o b c ią ż e n ia siln ik a.
Sadza [ppm] ^
900 850 8C0 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50
O
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 0 2 2 24 2 6 2 8 3 0 3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 4 2 4 4 4 6 4 8 a [°OWK]
Rys. 1. P rzeb ieg o b lic z o n e g o k o ń co w eg o stężen ia sad zy c sv dla ró żn y ch sta n ó w o b c ią ż e n ia siln ik a
F ig .l. C o u rse o f c o u n te d final c o n c e n tra tio n o f so o t csv for d ifféren t co n d itio n s w e ig h t o f en g in e
P o ró w n u jąc p rz e b ie g i n a ry s u n k u 1, m o ż n a z a o b serw o w ać, iż k o n c e n tra c ja sad zy w cylindrze ro śn ie w ra z z k ą te m o b ro tu w ału k o rb o w e g o do pew nej w arto ści m aksym alnej, następnie n astęp u je sp a d e k k o n c e n tra c ji sadzy. D zieje się ta k , p o n iew aż p ro c e s tw o rz e n ia i wypalania sad zy ro z p o c z y n a się w ra z z p o c z ą tk ie m sp alan ia m ieszan k i w cylindrze. W trak cie tego spalania n astęp u je g w a łto w n y p rz y ro st ilości w ytw arzanej sad zy o ra z w o ln iejszy przyrost ilo ści w y p alan ej sadzy. P o o sią g n ię c iu m ak sy m aln ej w arto ści ilość form ującej się sadzy m aleje, ilość w y p alan ej sad zy n ad al ro ś n ie do p ew n eg o m aksim um . K o ń co w a koncentracja sad zy u s ta la się n a p e w n y m sta ły m p o zio m ie w m om en cie zak o ń czen ia wypalania się sadzy. D u ży w p ły w n a w z ro st ilości sad zy m a ta k ż e szybkość w y p alen ia ładunku w cylindrze. W p rz y p a d k u g d y t a szybkość je s t duża, n astępuje g w ałto w n y p rzy ro st ilości p o w stałej sadzy. Ilo ść w y p alo n ej sad zy je s t n iew ielk a, p o n iew aż w cy lin d rze p an u je zbyt n isk a te m p e ra tu ra , n ie p o z w a la ją c a n a sp alen ie d u ż y c h ilo ści sadzy. P rz y m ałych obciążeniach siln ik a w y k resy s ą zn a c z n ie p o falo w an e. Z w iązan e je s t to z duży m i zm ian am i szybkości w y p a le n ia ła d u n k u w cy lin d rze. Z m ia n y te s ą sp o w o d o w an e duży m n ad m iarem powietrza, k tó ry to n ie sp rz y ja ła tw em u z a p a le n iu się m ieszan k i i je j p ó źn iejszem u rów nom iernem u w y p alen iu .
N a ry su n k u 2 p rzed staw io n o o b lic z o n ą śre d n ią zaw a rto ść sad zy w k o m o rz e spalania silnika ZS za p o m o c ą m o d elu T .M o re la i R .K erib ara, a tak że o b lic z o n ą za p o m o c ą m odelu dw ustrefow ego z b ila n su p ie rw ia stk o w e g o w ęg la o ra z o trzy m an y d o św iad czaln ie na podstawie p o m ia ru sto p n ia z a d y m ie n ia sp alin u d z ia ł sad zy w sp alin ach w z a le ż n o śc i od obciążenia siln ik a ZS.
Sadza [ppm]
Model IVbrela i Keribara Model d\Austrefa/\y Dane doświadczalne
1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 4,75 5,00 5,25 5,50
X
R ys.2. P rzeb ieg stę ż e n ia sad zy o b liczo n y z a p o m o c ą m odelu M o rela i K erib ara, a tak że o b liczo n y za p o m o c ą m odelu dw u strefo w eg o o ra z d o św iad czaln ie zarejestro w an y w firm ie A V L
Fig.2. C o u n ted o f co n c e n tra tio n o f so o t co u rse beh in d h elp o f m odel M o rel and K erib ar, also c o u n te d behind help o f tw o -zo n al m odel and reg istered testin g in A V L
O trzy m an y n a p o d sta w ie o b lic z e ń p rzeb ieg średniego stężen ia sadzy w sp alin ach je s t bardzo z b liżo n y do p rz e b ie g u d o św iad czaln eg o (w sp ó łczy n n ik ko relacji w y n o si o k o ło 99% ).
N a p o d staw ie ry su n k u 2 z a o b serw o w an o d u ży w z ro st ilości sad zy w c y lin d rze przy zw ięk szen iu o b c ią ż e n ia siln ik a (m ałe w a rto śc i X).
P rzy m ak sy m aln y m o b c ią ż e n iu silnika A=1,52 średnia ilość sadzy w y n o si o k o ło 600 ppm . Jest to zw iązan e ze z w ię k sz a n ie m d aw k i p a liw a przy d u ży ch o b ciąż en iach silnika.
P rzy z m n ie jsz a n iu o b c ią ż e n ia stw ierd zo n o znaczny sp ad ek ilości sadzy. P rzy m in im aln y m o b c ią ż e n iu siln ik a A,=5,3 śred n ia ilość sadzy m ieści się w g ran icach 3 ppm .
3. P O D S U M O W A N IE
P ro cesy tw o rz e n ia się i w y p a la n ia sad zy s ą na tyle sk o m p lik o w an e, iż ich m o d elo w an ie je s t bard zo tru d n e p rzy d zisiejszy m stan ie w iedzy.
W m o d elu M o re la i K e rib a ra u w z g lęd n io n o ty lk o daw kę p a liw a n a obieg siln ik a q0, szybkość w y p a le n ia ła d u n k u — , u d z ia ł m o lo w y n iesp alo n eg o tle n u 0 2 w spalinach,dx
d a
ciśnienie c z ą stk o w e tle n u P0 2 o ra z te m p e ra tu rę spalin Tb d la siln ik a d o ład o w an eg o o bezpośrednim w try sk u p a liw a do k o m o ry spalania.
M o żn a stw ierd zić , że za sto so w a n y m odel T .M o rela i R .K erib ara [4] w p o łą c z e n iu z modelem d w u stre fo w y m [6] dał b ard zo z a d o w alające w yniki zb liżo n e do d o św iad czaln y ch . Tak w ięc m o ż e b y ć z p o w o d z e n ie m sto so w an y do m o d elo w an ia p ro c e só w p o w staw an ia sadzy w c y lin d rz e siln ik a ZS na etap ie p ro je k to w a n ia w y so k o p rę ż n y c h je d n o s te k napędowych.
L iteratura
1. M erk isz J.: W p ły w m o to ry zacji n a sk ażen ie śro d o w isk a n atu raln eg o . W P P , P o zn ań 1998.
2. M erk isz J.: E k o lo g ic z n e asp e k ty sto so w a n ia siln ik ó w spalinow ych. W P P , P o zn ań 1999.
3. M erk isz J.: E k o lo g ic z n e p ro b le m y siln ik ó w spalinow ych. W P P , P o zn ań 2001.
4. K o w a lc z y k M .: P ro m ie n n e w łaściw o ści pło m ien i siln ik ó w w y so k o p rężn y ch . W PP, P oznań 1995.
5. B e rn h a rd t M .: M o to ry z a c y jn e sk ażen ia p o w ietrza. W K iŁ , W arszaw a 1976.
6. G u sto f P ., W ilk K .: M o d e l d w u stre fo w y w z asto so w an iu do analizy p ro cesu
sp alan ia w d o ła d o w a n y m siln ik u ZS. M a te ria ły k o n feren cy jn e O stra w a -K a to w ic e 2 9 .0 4 -0 6 .0 5 .1 9 9 7 .
R ecen zen t: P rof. d r hab. inż. Jerzy Jaskólski
Abstract
S oot creatin g an d b u rn in g p ro c e ss are to o co m p licated at presen t co n d itio n o f knowledge.
In bo th m o d els ju s t on ly a d o se o f fu el fo r e n g in e c ircu latio n q 0 w a s co n sid ered , th e dx
speed o f b u rn in g fu el — , p art o f u n b u rn e d m o lar oxy g en O2 in em issio n , and th e e x h a u st gas d a
tem perature Tb o f th e engine. It w as b een p o ssib le to affirm , th a t ap p lied m odel T .M o re l an d R .Keribar [4] in jo in t w ith tw o -z o n a l m odel [6] he g av e satisfacto ry a p p ro x im a te resu lts to experim ental. S o it can b e a p p lied w ith su ccess to m o d elin g o f creates p ro cess o f so o t in cylinder o f e n g in e Z S on stag e o f p rojecting.
