M arek F L E K IEW IC Z
WPŁYW UKIERUNKOW ANIA STRUGI W TRYSKIW ACZA
GAZOW EGO NA JAKOŚĆ MIESZANINY POW IETRZNO-GAZOW EJ
S tre szc ze n ie . C elem niniejszego opracow ania je s t określenie w pływ u ukierunkow ania strugi w tryskiw acza gazow ego na skład w ytw arzanej m ieszaniny pow ietrzno gazow ej. P rzed
staw iono i om ów iono w yniki badań stanow iskow ych i badań przeprow adzonych n a ham ow ni podw oziow ej dla sam ochodu F iat D ucato napędzanego alternatyw nie p aliw em gazow ym i benzyną. W ykazano znaczący w pływ kierunku w tryskiw anego gazu na skład m ieszaniny, a w konsekw encji n a p oziom em isji składników toksycznych spalin.
IN F L U E N C E O F IN JE C T O R S P R A Y D IR E C T IO N O N A IR G A S M IX T U R E Q U A L IT Y
S u m m a ry . D eterm ining the influence o f gaseous fuel spray direction w as the m ain goal o f this study. C hanges o f transient function t wg= f(twb) as a results o f spray direction w ere pre
sented and discussed. T he results show that the spray direction has an influence on tim e injec
tion and engine em ission.
1. W P R O W A D Z E N IE
W tryskiw acz gazow y stanow i zn a cz n ą innow ację w technice m otoryzacyjnej; je g o w p ro w adzenie dokonało istotnej zm iany w system ach zasilania alternatyw nym i paliw am i gazo
wym i. W konsekw encji tych zm ian m ożliw e było zm niejszenie poziom u em isji składników toksycznych spalin, obniżenie zużycia p aliw a gazow ego, a także uzyskanie w łasności dyna
m icznych sam ochodu porów nyw alnych do w łasności sam ochodu zasilanego benzyną. W pro
w adzenie w tryskiw acza gazow ego zapew nia bardzo p ro stą regulację daw ki p aliw a gazow ego, um ożliw ia rów nież realizację specjalnych strategii, takich ja k np. zim ny rozruch silnika.
W przypadku w ykorzystania do zasilania silnika ZI skroplonej lub odparow anej m ieszani
ny gazów ropopochodnych, konstrukcja w tryskiw aczy je s t odm ienna. P rzykłady rozw iązań konstrukcyjnych w tryskiw aczy w raz z ilu stracją ukształtow ania strugi w tryskiw anego paliw a gazow ego przedstaw iono n a rysunkach 1 i 2.
P rzy za łożeniu przepływ u ustalonego strum ień m asy p aliw a przepływ ający przez w tryski
w acz m ożna określić p o n iż sz ą zależnością:
( I)
o o
gdzie:
Tn f — strum ień m asy paliw a,
Ap - różnica ciśnienia p aliw a i ciśnienia w kanale dolotow ym , A f - zm ienny w czasie efektyw ny przekrój dyszy w tryskiw acza, p - gęstość paliw a.
P oniew aż średni efektyw ny przekrój dyszy m ożna określić następująco:
Af = ] r , \ Af d t (2) o
m asę paliw a w y p ły w ają cą z dyszy w tryskiw acza określa poniższa zależność:
m f = - J l p A p A f A t ( 3 )
gdzie:
At - czas otw arcia w tryskiw acza.
R y s . l . W tr y sk iw a c z sk ro p lo n ej m ie s z a n in y g a z ó w r o p o p o c h o d n y c h i struga w tr y sk iw a n e g o p a liw a F ig . 1. In jector fo r liq u id L P G an d sp ray a n g le
R y s . 2. L is tw a w tr y s k iw a c z y o d p a ro w a n ej m ie sz a n in y g a z ó w r o p o p o c h o d n y c h i struga w tr y sk iw a n e g o p a liw a
Fig. 2. Injection raił for gaseous injection and spray angle
R óżnice gęstości m ieszan in y skroplonej i odparow anej d ec y d u ją o objętości w tryskiw a
nego p a liw a gazow ego; w przypadku m ieszaniny odparow anej w tryskiw acz w tryskuje około
300 razy w ięk szą objętość paliw a gazow ego niż w tryskiw acz benzynow y, konstrukcja w try- skiw acza pow inna w ięc zapew nić je g o duży w ydatek objętościow y, natom iast system stero
w ania je g o otw arciem odpow iednie w yprzedzenie otw arcia i w ystarczający czas otw arcia. D la prędkości obrotow ej silnika rów nej 1000 obr/m in otw arcie w tryskiw acza daw kującego skro
ploną m ieszaninę, w odniesieniu do położenia zaw oru ssącego, pow inno następow ać rów no
cześnie z rozpoczęciem otw ierania zaw oru dolotow ego, a je g o zam knięcie w chw ili m aksy
m alnego je g o otw arcia. W przypadku m ieszaniny odparow anej proces ten pow inien się ro z
poczynać znacznie w cześniej, tzn. około 50° przed rozpoczęciem otw arcia zaw oru i zakoń
czyć się w chw ili uzyskania m aksym alnego otw arcia zaw oru ssącego. W obu przypadkach kąt otw arcia w tryskiw acza i czas je g o o tw arcia zw iększa się w raz ze w zrostem prędkości obro
towej silnika [L 3 , 4 i 5].
W łaściw e przygotow anie m ieszaniny pow ietrzno-gazow ej, poza w spom nianym i pow yżej czynnikam i, zależy także od um iejscow ienia dyszy w tryskiw acza i kierunku strugi w tryski
w anego gazu do kolektora dolotow ego silnika. W pływ ukierunkow ania strugi gazu w yjaśnio
no w niniejszym opracow aniu na przykładzie silnika sam ochodu Fiat D ucato.
Rys. 3. Rozmieszczenie w komorze silnika elementów układu zasilania paliwem LPG, przy czym:
1 - parownik/regulator ciśnienia, 2 - zespół filtra paliwa LPG, 3 - urządzenie wtrysku gazu, 4 - czujnik ciśnienia, 5 - elektroniczna je d n o stk a sterująca natom iast 6 - bezpiecznik Fig. 3. M ain ełem ents o f L PG supply system in the engine com partm ent o f tested car
2. O B IE K T B A D A Ń I P R Z E B IE G BA D A Ń
W badaniach w ykorzystano sam ochód m arki F IA T D ucato napędzany silnikiem o p ojem ności skokow ej 2,0 dm 3. Sam ochód ten posiadał fabrycznie zabudow any system diagnostyki pokładow ej oraz był przystosow any do alternatyw nego zasilania paliw em gazow ym , m iesza
n in ą propanu butanu. Z asilanie paliw em gazow ym realizow ane było z a po m o cą sekw encyj
nego, fazow anego w trysku gazu w fazie odparow anej. System ten, ja k o system podległy, przetwarzał czas otwarcia wtryskiwacza benzynowego na czas otwarcia wtryskiwacza g az o w ego. System ten oprogram ow ano, w ykorzystując m etodę o pracow aną w K atedrze B udow y P ojazdów Sam ochodow ych, a popraw ność je g o pracy zw eryfikow ano p o przez ocenę:
- transform acji czasu otw arcia w tryskiw acza benzynow ego n a czas o tw arcia w tryskiw acza gazow ego,
- zakresu pracy m onitorów system u diagnostyki pokładow ej, - em isji składników toksycznych spalin.
D o o ceny p rzebiegu transform acji czasu otw arcia w tryskiw acza benzynow ego n a czas otw ar
cia w tryskiw acza gazow ego zastosow ano m etodę doboru funkcji adaptacji [L.3]
G ło w ica silnika badanego sam ochodu p o sia d a duże okna kanałów dolotow ych o bejm ują
ce d w a sąsiadujące z so b ą cylindry. W konsekw encji kolektor dolotow y nie je s t w yposażony w o ddzielne kanały dolotow e, lecz zw iększając przekrój obejm uje szerokie okno dolotow e d w ó ch sąsiadujących cylindrów (rys. 4).
B iorąc po d uw agę kąt, p o d ja k im w tryskiw ana je s t struga odparow anego p aliw a gazow e
go (rys. 2), do badań przygotow ano dw ie dysze w tryskiw aczy. Jedna z n ich zapew niała w try sk p aliw a gazow ego prostopadle do osi k o lek to ra dolotow ego, d ruga rów nolegle do osi ko lektora dolotow ego. W drugim przy p ad k u dokonano rów nież zm iany punktu w trysku prze
suw ając dyszę tak, aby je j koniec znajdow ał się w oknie dolotow ym głow icy. S posób zabu
d ow y d y sz w trakcie b ad a ń p rzed staw ia rysunek 5 (oznaczono je odpow iednio ja k o w ersja A i w ersja B).
Rys. 4. Kolektor dolotowy badanego silnika wraz z punktami montażu dysz wtryskiwaczy gazowych
Fig. 4. Intake manifold o f tested engine with marked points for injectors mounting 3. W Y N IK I B A D A Ń N A H A M O W N I P O D W O Z IO W E J F L A 203
T ak przygotow any sam ochód poddano b adaniom na ham ow ni podw oziow ej. Podczas tych b adań m ierzono i rejestrow ano m iędzy innym i ta k ie param etry, ja k : pręd k o ść o b ro to w ą silni
ka, tem peraturę silnika, tem peraturę regu lato ra ciśnienia gazu, ciśnienie gazu, czas otw arcia w tryskiw aczy benzyny oraz gazu, n apięcie sondy lam bda um ieszczonej przed i za katalizato rem , poło żen ie przepustnicy, ciśnienie bezw zględne w kolektorze dolotow ym , m o c silnika oraz prędkość sam ochodu.
D o pom iarów i rejestracji w ykorzystano trzy niezależne od siebie układy. P ierw szy z nich p ro w a d ził rejestrację w szystkich p aram etrów z a p o średnictw em złąc za kom unikacyjnego z u rządzeniem sterującym czasem otw arcia w tryskiw acza benzynow ego, drugi za p o m o c ą złąc za kom unikacyjnego urządzenia sterującego w tryskiw aczem gazu, n atom iast w trzecim układ zie w ykorzystano k artę akw izycji danych i oprogram ow anie system u dSpace. O statni z
system ów zapew niał niezależny pom iar oraz rejestrację m ierzonych param etrów . C elem w y
korzystanego sposobu po m iaró w i rejestracji za pośrednictw em trzech układów było spraw dzenie, czy:
- urządzenia odpow iedzialne z a ustalanie czasu otw arcia w tryskiw aczy, w ykorzystujące w swej pracy te sam e czujniki i przetw orniki, o trzy m u ją ta k ą sam ą inform ację o stanie pracy silnika,
- inform acja ta nie je s t o barczona istotnym i błędam i.
w ersja A w ersja B
Rys. 5. Sposób zabudowy wylotu dyszy w kolektorze dolotowym badanego silnika Fig. 5. Mounting places o f injectors on intake manifold o f tested engine
---- 0---- Napięcie sondy lambda [ V ] Czas otwarcia wt rys kiwa cza gazu [ ms ] _ * ---- Czas otwarcia wtryskjwacza benzyny [ ms ) ---- ■---- Ciśnienie gazu [ M’ a ] ---- * " — Temperatura silnika [ C ] ---- T emperatura regulatora [ C ] ---- •---- Prędkość obrotowa silnika [ obr/min \
Czas [ m s ]
Rys. 6. Przebieg wybranych wielkości mierzonych w trakcie badań Fig. 6. Traces o f chosen parameters measured during tests
S tandardow e u rządzenia w ykorzystane do po m iaró w i rejestracji to m iędzy in n y m i sys
te m diagnostyczny K T S 520 - firm y B osch. W szystkie w yniki rejestrow ano n a kom puterze przenośnym .
P rzykład zarejestrow anych zm ian m ierzonych p aram etrów w funkcji czasu p rzed staw iają rysunki 6 i 7.
B adania przeprow adzone na ham ow ni podw oziow ej m iały n a celu zebranie dan y ch nie
zb ędnych do w ykreślenia funkcji adaptacji czasu otw arcia w tryskiw acza gazow ego oraz p o m iar poziom u em isji składników toksycznych w spalinach.
— •— Czas otwarcia wtryskiwacza gazu [ ms ] Czas otwarcia wtryskiwacza benzyny [ ms ]
■ Napięcie sondy lambda [ V ]
«
I
(0a ON
■on -O Ew _i
>.
■oc 0 (0
ra
c 01 >. (OCzas [ms]
Rys. 7. Przebiegi zmian czasu otwarcia wtryskiwaczy gazu i benzyny oraz sygnału sondy Lambda dla samochodu marki FIAT Ducato 2.0, dla wersji 1
Fig. 7. Traces o f gas and petrol injection time and oxygen sensor signal o f FIAT Ducato 2.0 for ver
sion 1
O trzym ane w yniki po m iaró w stanow iły p odstaw ę do w yzn aczen ia zm ian w spółczynnika k o rygującego czasu otw arcia w tryskiw acza benzynow ego, ustalonego p rzez elek tro n iczn ą je d n o stk ę sterującą. Z m iany te określono w funkcji prędkości obrotow ej silnika d la różnych cz asó w otw arcia w tryskiw acza gazow ego. O trzym ane zależności d la ob u b adanych w ersji, różn iący ch się lo k a liz ac ją d yszy w tryskiw acza, przedstaw iono n a rysunkach 8 i 9. N atom iast n a rysunku 9 p rzedstaw iono różnicę w w artości w spółczy n n ik a korygującego d la ob u bad a
nych w ersji lokalizacji dyszy w tryskiw aczy gazow ych.
W spółczynnik korekty d la w ersji pierw szej przyjm uje duże w artości w zakresie m ałych cz asó w otw arcia w try sk iw acza gazow ego, odpow iadających m ałym o bciążeniom silnika.
W artość ró w n ą je d n o śc i przyjm uje dla duży ch obciążeń, odpow iadających dużym w artościom czasu otw arcia w tryskiw acza benzynow ego. P rzed ział zm ian w spółczynnika korygującego dla tej w ersji je s t znaczny i w ynosi około 0,75.
D la w ersji drugiej zm ian a w spółczy n n ik a korygującego nie p rzek racza 0,4, p rz y czym d la n isk ich i d użych obciążeń silnika n ie p rzek racza w artości 1,15-1,2. W p rzedziale średnich ob ciążeń p rzyjm uje w arto ści n ieprzekraczające 1,45. R óżnicę czasu w try sk u p aliw a gazow e
go d la obu bad an y ch w ersji, z prostopadłym i rów noległym ukierunkow aniem strugi p aliw a p rze d staw ia rysunek 8.
b)
Rys. 8. Korekta czasu otwarcia wtryskiwacza gazowego w funkcji czasu otwarcia wtryskiwacza ben
zynowego i prędkości obrotowej silnia dla lokalizacji wtryskiwacza, a) dla wersji 1 i b) w wersji 2
Fig. 8. Transformation o f petrol time injection into gaseous time injection vs. engine speed and load, a) for version 1 and b) for version 2
Czas otwarcia wtryskiwacza [ms]
3000 Prędkość obrotowa silnika [1/min]
1000
%t
Rys. 9. Różnica wartości współczynników korekcyjnych dla obu badanych wersji lokalizacji dyszy wtryskiwacza gazowego
Fig. 9. Differences between injection times for two version o f injectors localization in intake manifold
czas [ms]
I lamda — korekta długoterm inowa korekta krótkoterminowa | Czas wtrysku benzyny [ms]
5000
Prędkość obrotowa [ 1/min ]
Rys. 10. Przebieg zmian sygnału czujnika tlenu oraz korekty krótko- i długoterminowej w trakcie ba
dań dla wersji 2
Fig. 10. Traces o f oxygen sensor and short and long time correction for version 2
korektaskładumieszanki [%]
C y k l j e z d n y N E D C
Czas [s]
I NOx [ppm] Expected speed___________________]
Rys. 11. Emisja NOxw cyklu jezdnym NEDC dla wersji 1 Fig. 11. NEDC NOx emission for version 1
C y k l j e z d n y N E D C
Czas [s]
I NOx [ppm] Expected speed
R ys 12. E m isja N O x w cyklu je zd n y m N E D C dla w ersji 2 Fig. 12. N O x em ission for version 2
Prędkość[km/h] prędkość[km/h]
P O D S U M O W A N IE
S tosow any w praktyce eksploatacyjnej system w try sk u sekw encyjnego, fazow anego w ykorzystuje strategię zarząd zan ia czasem otw arcia w tryskiw aczy urząd zen ia bazow ego, tzn. strategię o p rac o w a n ą dla paliw a benzynow ego. O praw idłow ym je g o d ziałaniu w zakresie p rzygotow ania m ieszaniny pow ietrzno-gazow ej, op ró cz w łaściw ego oprogram ow ania, decy
d u ją je d n a k czynniki konstrukcyjne, a w śród nich lokalizacja dyszy w tryskiw acza. P rzepro
w adzone badania w ykazały, że kierunek strugi w tryskiw anego paliw a gazow ego do kolektora dolotow ego decyduje o czasie otw arcia w tryskiw acza gazow ego.
N ajw iększe zm iany czasu o tw arcia w tryskiw acza w zależności od o b ciążenia silnika i je g o prędkości obrotow ej w y stę p u ją d la w ersji pierw szej. Z m iany te o b ejm u ją bardzo szeroki zakres korekty czasu otw arcia w tryskiw acza benzynow ego, tj. od 0,79 do 1,29. N ajw iększe korekty w y stę p u ją w zakresie m ałych o bciążeń silnika. Tym niekorzystnym zm ianom w spół
czynnika korekcyjnego tow arzyszy zw iększenie poziom u em isji tlenków azotu tak w począt
kow ej, ja k i końcow ej fazie testu jezd n e g o (ry s.11). U kierunkow anie strugi w tryskiw anego paliw a gazow ego rów nolegle do osi k o lektora dolotow ego zapew nia znacznie m niejsze zm ia
n y w spółczynnika k orekcyjnego. Z akres je g o zm ian w ty m p rzypadku zaw iera się w p rzed zia
le od 0,9 do 1,09. W rezultacie stabilnych zm ian w spółczynnika korekcyjnego po zio m em isji składników toksycznych spalin je s t dla tej w ersji znacznie m niejszy.
R ó żn ice czasu w trysku, w idoczne n a rysu n k u 9, s ą spow odow ane nakład an iem się na siebie strugi pow ietrza zasysanego p rze z cylindry przez je d n o w spólne okno dolotow e. P o
nadto przy m a ły ch p rędkościach o brotow ych silnika prędkość strum ienia p o w ietrza zm niejsza się ze w zględu n a duży przekrój okna. S tąd te ż rozw iązanie drugie, dla którego struga ukie
runkow ana je s t rów nolegle, a k o ń có w k a dyszy w tryskow ej je s t w pro w ad zo n a do o k n a dolo
tow ego, zap ew n ia k orzystne w yniki.
S tabilność pracy układu regulacji składu m ieszaniny dla tej w ersji p o tw ie rd z ają rów nież przebiegi korekty krótko- i długoterm inow ej (rys. 10).
L iteratura
1. B aker SP., W atson H.: M PI A ir/F uel M ixing for G aseous and L iquid L PG , S A E P a p e r, 2 0 0 5 -0 1 -0 2 4 6 ,2 0 0 5 .
2. C ipollone R., V illante C.: A /F and L iquid-P hase C ontrol in L P G -Injected, Spark- Ignition Ice, S A E P aper, 2000-01-2974, 2000.
3. F lekiew icz B.: O cen a w pływ u funkcji adaptacji czasu w trysku n a w ybrane w skaźniki pracy silników ZI zasilanych paliw em gazow ym . R ozpraw a doktorska, W ydział T ransportu P olitechniki Ś ląskiej, 2006.
4. F lekiew icz M.: S ekw encyjny w trysk p aliw a gazow ego w silnikach o zapłonie iskro
w ym , Z eszyty N aukow e P olitechniki Ś ląskiej, seria T ransport z.56, 2004.
5. F lekiew icz M .: Z asilanie p aliw am i gazow ym i a system O B D cz.2. Z eszyty N aukow e P olitechniki Śląskiej, seria T ransport z .4 8 ,2003.
6. F lekiew icz M .: S ekw encyjny w trysk p aliw a gazow ego w silnikach o zapłonie iskro
w ym , Z eszyty N aukow e P olitechniki Ś ląskiej, seria T ransport z .5 6 ,2004.
7. Li L., D eng B., H. W ang H ., X iao Z. Jiang Z. W .: D evelopm ent o f a G as-P hase L PG In jection S ystem for a S m ali SI Engine, S A E P aper, 2003-01-3260, 2003.
8. L is M .: O kreślenie w p ły w u zasilan ia paliw am i gazow ym i n a pracę u k ła d ó w adaptacji czasu otw arcia w tryskiw acza. P raca dyplom ow a, W ydział T ransportu P olitechniki Ś ląskiej, K atow ice 2003.
9. L uft S.: A nalysis o f C hosen P aram eters o f D ual-F uel CI E ngine F uelled W ith Pro- p ane-B utane G as as a M ain F uel, S A E P aper, 2002-01-2234, 2002.
10. Zyzański R.: W pływ tem peratury gazu na tem peraturę m ieszaniny pow ietrzno- gazow ej i m oc u ży tec zn ą silnika gazow ego P erkins A D 3.152G . P raca dyplom ow a, W ydział T ransportu P olitechniki Śląskiej, K atow ice 2000.
11. W endeker M .: A daptacyjne sterow anie w tryskiem benzyny w silniku sam ochodow ym . PW N , W arszaw a 2000.
R ecenzent: Prof. dr hab. S ław om ir Luft
Pracę w ykonano w ram ach B K - 265/R T 2/2006
