Wpływ recyrkulowanych spalin na przebieg spalania w układzie bezpośredniego wtrysku benzyny

mgr inż. Wojciech Cieślik

Wpływ recyrkulowanych spalin na przebieg spalania w układzie bezpośredniego wtrysku benzyny

Rozprawa doktorska

Promotor prof. dr hab. inż. Ireneusz Pielecha

Poznań 2018

STRESZCZENIE ... 3

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH SKRÓTÓW, OZNACZEŃ I INDEKSÓW ... 4

1. WSTĘP ... 6

2. TWORZENIE MIESZANKI I SPALANIE W SILNIKACH O ZAPŁONIE ISKROWYM Z RECYRKULACJĄ SPALIN ... 12

2.1. Geneza systemu recyrkulacji spalin w silnikach spalinowych ... 12

2.2. Układy recyrkulacji spalin ... 16

2.2.1.

16

2.2.2.

26

2.2.3.

28

2.3. Obecny stan prac dotyczących wykorzystania recyrkulowanych spalin ... 29

2.4. Koncepcje tworzenia mieszanki w aspekcie recyrkulacji spalin ... 31

2.5. Możliwości sterowania procesem spalania z wykorzystaniem recyrkulowanych spalin .. 34

2.6. Wnioski uzasadniające podjęcie tematu ... 36

3. PROBLEMATYKA DYSERTACJI, JEJ CEL I ZAKRES ... 38

4. PRZYJĘTY SPOSÓB ROZWIĄZYWANIA ZAGADNIENIA BADAWCZEGO ... 41

4.1. Charakterystyka metody badawczej ... 41

4.2. Obiekt badawczy ... 41

4.3. Aparatura badawcza ... 46

4.4. Zakres prowadzonych pomiarów ... 49

4.5. Charakterystyka maszyny pojedynczego cyklu w badaniach procesu spalania ... 50

5. MOŻLIWOŚCI TWORZENIA MIESZANKI PALNEJ W SILNIKU SPALINOWYM O ZI W OTOCZENIU GAZÓW NIEPALNYCH ... 55

5.1. Wprowadzenie ... 55

5.2. Koncepcja tworzenia ładunku ... 55

5.3. Symulacyjne badania zawirowania ... 56

5.4. Eksperymentalna ocena zawirowania ładunku w komorze cylindra ... 61

5.4.1.

61

5.4.2.

62

5.4.3.

64

6. PROBLEMATYKA SPALANIA MIESZANKI W OTOCZENIU RECYRKULOWANYCH SPALIN ... 70

6.1. Analiza procesu spalania w układzie z centralnym punktem wtrysku paliwa ... 70

6.2. Analiza procesu spalania w układzie z centralnym punktem wyzwolenia zapłonu ... 78

6.3. Optyczna analiza procesu spalania ... 80

6.4. Optyczna analiza temperatury płomienia ... 85

7. WNIOSKI I KIERUNKI DALSZYCH BADAŃ ... 92

7.1. Ogólna charakterystyka osiągniętych wyników badań ... 92

7.2. Wnioski ogólne i szczegółowe ... 92

7.3. Kierunki dalszych badań ... 94

Literatura ... 95

Praca doktorska dotyczy badań wpływu recyrkulowanych spalin na przebieg spalania w układzie bezpośredniego wtrysku benzyny. W sposób poznawczy ocenia się w niej możli- wości sterowania procesem spalania w dążeniu do osiągnięcia izolacji płomienia od ścianek cylindra przez odpowiednie dostarczenie gazów niepalnych. Zagadnienia związane z wykorzy- staniem recyrkulowanych spalin (EGR) w silnikach są aktualne, a jednocześnie nie w pełni poznane. Mimo, że większość obecnie produkowanych silników wyposażonych jest w układy EGR, to brak jest analiz dotyczących możliwości kontroli procesu spalania przez zdefiniowany sposób dostarczenia tych gazów do komory spalania. W sytuacji, gdy spaliny spowodują wy- gaszenie płomienia w pobliżu ścianek cylindra, w sposób kontrolowany przez wytworzenie warstwy przyściennej, wystąpią znamiona adiabatyzacji pracy układu termodynamicznego.

Taka sytuacja może przyczynić się do poprawy sprawności cieplnej systemu (zmniejszenie strat cieplnych) oraz ograniczenia emisji szkodliwych składników spalin. Niniejsza praca dotyczy zatem oceny procesu spalania (analizy procesów szybkozmiennych oraz badań optycznych) w zakresie podstawowych zjawisk zachodzących w cylindrze w otoczeniu recyrkulowanych spalin.

W pracy przedstawiono wyniki badań symulacyjnych i optycznych z wykorzystaniem tech- niki cieniowej (metoda schlieren) umożliwiającej ocenę możliwości kształtowania promienio- wego rozkładu gazów w komorze spalania. Modyfikacja maszyny pojedynczego cyklu w za- kresie stycznego doprowadzenia gazów niepalnych względem ścianek cylindra pozwoliła na weryfikację modelu statycznego (wykonaną na etapie badań wstępnych). Wykonana analiza materiału filmowego udowodniła możliwość generowania warstwy przyściennej przez odpo- wiednio dostarczony gaz niepalny.

Badania spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w układzie bezpośredniego wtrysku ben- zyny wykonano dla dwóch wariantów głowicy. W sytuacji, gdy w centralnym punkcie znajduje się wtryskiwacz, a zapłon rozpoczyna się w bocznej części głowicy, zaobserwowano „porywa- nie” płomienia przez zawirowanie wywołane wtryskiwanym gazem. Modyfikacja głowicy po- legająca na montażu świecy zapłonowej w centralnym punkcie umożliwiła osiągnięcie zakła- danego przebiegu procesu spalania. W konfiguracji tej wykonano wariantowanie kształtowania spalania w oparciu o modyfikację sekwencji wtrysku gazów i regulacji ich ciśnienia w zakresie 0,5–1,0 MPa skutkującej otrzymaniem udziałów masowych spalin na poziomie 20–30%. Wy- konane badania obejmowały analizę parametrów termodynamicznych procesu, rozprzestrze- niania się płomienia oraz rozkładu temperatury. Zastosowanie systemu do analizy procesów szybkozmiennych umożliwiło określenie m.in. przebiegu zmian ciśnienia oraz szybkości wy- wiązania ciepła podczas spalania w koncepcyjnym układzie. Dostęp optyczny do komory spa- lania w tłoku pozwolił na równoczesną rejestrację obrazów rozprzestrzeniania płomienia pod- czas procesu spalania mieszanki. Ocenę powierzchni płomienia oraz jego temperatury doko- nano na podstawie analizy intensywności świecenia płomienia z użyciem metody dwubarwo- wej. W badaniach tych zaobserwowano oczekiwane rezultaty w postaci koncentracji płomienia we wnętrzu komory spalania. Przedstawione warianty badań pozwoliły na wybór preferowa- nych sposobów kontroli procesu spalania z wykorzystaniem wtrysku gazów niepalnych.

Pracę uzupełniają wnioski dotyczące wykonanych prac badawczych. Wykazano, że przed-

stawione strategie wtrysku gazów niepalnych umożliwiają tworzenie izolacji płomienia od ścia-

nek cylindra, co w dalszej perspektywie rozwojowej może przyczynić się do redukcji strat

cieplnych i strat chłodzenia.

A pole powierzchni

A

maksymalne pole powierzchni płomienia BEV battery electric vehicles – pojazdy elektryczne

CMOS complementary metal-oxide semiconductor – technologia wytwarzania układów scalonych

CO carbon monoxide – tlenek węgla CO

carbon dioxide – dwutlenek węgla

CoV coefficient of variation – współczynnik zmienności CR compression ratio – stopień sprężania

D średnica tłoka

D-EGR dedicated exhaust gas recirculation – dedykowany system recyrkulowanych spalin DI direct injection – wtrysk bezpośredni

DISI direct injection spark ignition – wtrysk bezpośredni w silniku o zapłonie iskrowym

dQ szybkość wywiązywania ciepła

EGR exhaust gas recirculation – recyrkulacja spalin EV electric vehicle – pojazdy elektryczne

g

jednostkowe zużycie paliwa GMP górne martwe położenie tłoka HC hydrocarbons – węglowodory

HCCI homogeneous charge compression ignition – zapłon samoczynny mieszanek homo- genicznych

HPI high precision injection – wysokociśnieniowy bezpośredni wtrysk benzyny iEGR internal exhaust gas recirculation – system wewnętrznej recyrkulacji spalin KH-RT Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor model – model rozpadu kropel Kelvina-Helm-

holtza i Rayleigha-Taylora

MPC maszyna pojedynczego cyklu (spalania)

MPI multi point injection – wtrysk pośredni do kanału dolotowego n prędkość obrotowa

NO

nitrogen oxides – tlenki azotu N

objętościowy wskaźnik mocy P ciśnienie

p

średnie ciśnienie indykowane

PIV particle image velocimetry – cyfrowa anemometria obrazowa PM particle matter – cząstki stałe

PPCI partially pre-mixed compression ignition – system spalania z częściową homoge- nizacją ładunku

S skok tłoka

q dawka paliwa

Q ciepło

Q5 kąt wywiązania 5% ciepła (początek spalania) Q90 kąt wywiązania 90% ciepła (koniec spalania)

t czas

T temperatura

TFSI turbocharged fuel stratified injection – silnik turbodoładowany z wtryskiem bez- pośrednim benzyny

TTL transistor-transistor logic – klasa cyfrowych układów scalonych t0 czas wystąpienia zapłonu

t_A

czas wystąpienia maksymalnego pola powierzchni płomienia

VVTi variable valve timing with inteligence – zmienne fazy rozrządu koncernu Toyota ZI silniki o zapłonie iskrowym

ZS silniki o zapłonie samoczynnym α kąt obrotu

σ odchylenie standardowe wielkości X Ʌ długość fali

λ współczynnik nadmiaru powietrza Indeksy:

cyl cylinder

max maksymalny

mean średni

min minimalny

wtr wtrysk

Obecny etap rozwoju silników spalinowych charakteryzuje się znacznym zbliżeniem kon- strukcyjnym silników o zapłonie iskrowym i silników o zapłonie samoczynnym. Unifikacja ta dotyczy nie tylko podobnych obecnie systemów doładowania, ale także systemów spalania.

W obu systemach występuje obecnie bezpośredni wtrysk paliwa do komory spalania. Podo- bieństwa występują także w systemach oczyszczania spalin, gdyż silniki o zapłonie iskrowym również pracują z wartościami współczynnika nadmiaru powietrza większymi od jedności (ła- dunek uwarstwiony). Podobnej analogii można oczekiwać również w systemach recyrkulacji spalin (EGR). Stosowany już powszechnie system EGR w silnikach o zapłonie samoczynnym zaczyna odgrywać coraz większą rolę również w silnikach o zapłonie iskrowym. Obecnie więk- szość nowych pojazdów z silnikami o zapłonie iskrowym wyposażonych jest w układy EGR.

Głównym powodem stosowania systemu recyrkulacji spalin w silnikach spalinowych jest możliwość ograniczenia emisji tlenków azotu (NO

) przez zmniejszenie maksymalnej tempe- ratury spalania. Zwiększenie udziału recyrkulowanych gazów w zakresie dużych obciążeń sil- nika może skutecznie ograniczać występowanie spalania stukowego (w silniku ZI) oraz zmniej- szać temperaturę gazów wylotowych. Ujemną cechą stosowania tego systemu jest – jednocze- śnie w miarę zwiększania stopnia EGR – zmniejszanie współczynnika napełnienia, co prowadzi do redukcji momentu obrotowego silnika. Badania prowadzone przez Algera [4] wskazują, że duży udział recyrkulowanych spalin zmniejsza szybkość propagacji płomienia oraz prowadzi do niestabilności procesu spalania. Stosowanie nowych systemów wtrysku w silnikach ZI DI [5] i dalsze badania tych systemów w silnikach ZS [12], przyczyniają się do zwiększenia mocy jednostkowych z tych układów. Kombinacja zaawansowanych systemów wtryskowych z sys- temami EGR może przyczynić się do osiągnięcia układów o zwiększonej sprawności.

Silniki spalinowe bezustannie odgrywają istotną rolę jako źródło napędu pojazdów samo- chodowych. Mimo, iż w branży motoryzacyjnej obserwuje się coraz większy trend w rozwoju pojazdów z układami napędu hybrydowego lub pojazdów typu plug-in, modernizacja konwen- cjonalnych silników spalinowych jest niezbędna, aby zmaksymalizować wydajność pojazdów je wykorzystujących. W dobie rygorystycznych norm dotyczących zużycia paliwa i emisji spa- lin z układów napędowych pojazdów samochodowych, jednym z kierunków rozwoju konstruk- cji tych napędów jest stosowanie alternatywnych układów napędowych (napędy hybrydowe, napędy wodorowe) [63, 87]. Klasyczne napędy wykorzystujące silniki spalinowe o zapłonie iskrowym oraz samoczynnym są poddawane modyfikacjom, które można podsumować jako działania uwzględniające downsizing, rightsizing, downspeeding, bezpośredni wtrysk paliwa oraz doładowanie [28, 41, 43, 55].

W nurt powyższych działań wpisuje się przyjęty przez firmę Nissan [106] scenariusz długo- trwałej redukcji emisji dwutlenku węgla (rys. 1.1). Wprowadzenie na rynek powszechnie już używanych pojazdów elektrycznych (BEV), które nie emitują CO

(oraz pozostałych składni- ków spalin) podczas pracy, jest głównym filarem wspierającym tą długoterminową wizję.

W ostatnich latach zauważalny jest znaczny rozwój tych pojazdów, dzięki czemu większość

producentów posiada w swojej ofercie pojazdy typu EV (electric vehicle – pojazdy elek-

tryczne). W 2017 roku w Polsce przyjęto Plan Rozwoju Elektromobilności, którego celem jest

stworzenie warunków do rozwoju tego sektora przemysłu w Polsce oraz stabilizacja sieci elek-

troenergetycznej [35]. Nie rozwiązanym zagadnieniem pozostaje nadal zasięg i czas ładowania

tych pojazdów. Firma Nissan, w przedstawionym opracowaniu [106] twierdzi, że ma technolo-

gię, która umożliwia jazdę na jednym ładowaniu akumulatora porównywalnym do zasięgu

zwykłych pojazdów zasilanych silnikami ZI. Jednak zastąpienie wszystkich pojazdów z spali-

nowymi silnikami jest problematyczne z punktu widzenia kosztów produkcji i zakupu samych

pojazdów oraz zapewnienia odpowiedniej infrastruktury energetycznej. Problemy te spowodo-

wane są niedostateczną energią właściwą gromadzoną w akumulatorach litowo-jonowych

(która wynosi około 100 Wh/kg). Rozwój elektromobilności zakłada przekroczenie wartości

200 Wh/kg, co pozwoli na zwiększenie zasięgu pojazdów elektrycznych (jednak pamiętać trzeba, że masa akumulatora jest również transportowana – nawet gdy jest on rozładowany).

Mimo że gęstość energetyczna benzyny wynosi około 12000 Wh/kg, to potencjał ten nie jest w pełni wykorzystany. Należy więc dążyć do zwiększenia sprawności silników spalinowych (w celu lepszego wykorzystania energii zawartej w paliwach ciekłych). Dzięki zmniejszeniu zużyciu paliwa przez silniki spalinowe, można spełnić postulaty redukcji emisji, opierając je na dwóch filarach: na pojazdach bezemisyjnych (elektrycznych lub wodorowych) oraz na pojaz- dach spalinowych o zwiększonej sprawności.

Rys. 1.1. Scenariusz redukcji emisji CO

przyjęty przez firmę Nissan [106]

W ostatnich latach obserwuje się zmniejszenie dynamiki osiąganej sprawności silników spa- linowych (rys. 1.2). Wszelkiego rodzaju modyfikacje powodują zmiany na poziomie ułamka procentowego.

Rys. 1.2. Ewolucja zwiększenia sprawności cieplnej silników spalinowych [106]

Głównymi wskaźnikami pracy silników spalinowych są średnie ciśnienie użyteczne p

oraz objętościowy wskaźnik mocy N

. Na etapie projektowania silnika spalinowego możliwe jest określenie wskaźników jego pracy. Możliwy jest m.in. określony dobór stosunku skoku tłoka

Silniki spalinowe

(pojazdy klasyczne)

Silniki spalinowe

(pojazdy hybrydowe)

Pojazdy elektryczne

Pojazdy z ogniwami paliwowymi Energia

odnawialna - elektryczna

Energia odnawialna

- wodór

Re du kc ja e m is ji [% ]

90%

redukcji

Rok

Sp ra w no ść e ne rg et yc zn a [% ]

do jego średnicy. Wraz ze zwiększeniem stosunku S/D (przy stałej pojemności skokowej oraz stopniu zawirowania w cylindrze) zwiększa się współczynnik napełnienia cylindra (odgrywa- jący znaczącą rolę w silnikach niedoładowanych). Zmniejszenie wskaźnika S/D skutkuje ogra- niczeniem strat tarcia oraz zmniejszeniem stosunku powierzchni do objętości komory spalania (straty chłodzenia), co zwiększa sprawność cieplną procesu. Niestety, kierunek zmian stosunku S/D powoduje różne skutki procesu spalania, dlatego wymusza to konieczność kompromisu między doborem niektórych wielkości geometrycznych silnika, które wpływają na końcowe wskaźniki jego pracy [82].

Najnowsze dane opublikowane przez brukselską organizację Transport&Environment [31]

wskazują, że brak jest obecnie podstaw do promocji pojazdów osobowych z silnikami o zapło- nie samoczynnym (rys. 1.3). W raporcie, który uwzględnia cykl życia pojazdu stwierdzono, że emisja CO

z pojazdu zasilanego olejem napędowym jest większa niż z pojazdu zasilanego benzyną.

Konstrukcja silników o zapłonie samoczynnym jest również konstrukcją bardziej skompli- kowaną i wymagającą użycia większej liczby elementów. Przedstawione w raporcie wartości wskazują, że produkcja paliw do silników ZS (tzw. well-to-whell) powoduje emisję 34,8 ton CO

. W tym samym ujęciu emisja z produkcji benzyny wynosi o 1,6 tony CO

mniej. Dodat- kowo, uwzględniając emisję powstałą w czasie produkcji pojazdu i paliwa, szacuje się całko- witą emisję pojazdu o ZS na 42,65 ton CO

, w porównaniu do silnika ZI, który ma o około 9%

mniejszą tę emisję. Biorąc pod uwagę aktualną liczebność pojazdów osobowych, to różnice te są znaczące. Wobec tego istotnym czynnikiem jest rozwój technologii silników benzynowych w aspekcie osiągania wyższych sprawności.

Rys. 1.3. Emisja dwutlenku węgla na podstawie cyklu życia pojazdów osobowych zasilanych olejem napędowym oraz benzyną [31]

W ostatnich latach znaczącą redukcję zużycia paliwa większość producentów pojazdów oso- bowych osiągnęło przez zastosowanie w pojazdach układów hybrydowych (połączenie silnika spalinowego i silnika lub silników elektrycznych. Konstrukcje te pozwalają na pracę silników spalinowych w ustalonych warunkach, w których można je zoptymalizować [23, 63, 88, 112].

Większość stanów przejściowych, powodujących duże obciążenie układu napędowego, reali- zowanych jest z wykorzystaniem silników elektrycznych. Rozwiązania takie – mimo swoich korzyści – są obecnie dość kosztowne.

42,65 ton CO

z pojazdu

emisja

well-to whell 34,8 tony CO2

produkcja paliwa 2,60 ton CO2

produkcja

pojazdu 5,25 tony CO2

Przebieg: 182 000 km

Paliwo: B7 (95% ON, 5% biodiesel)

Przebieg: 175 000 km

Paliwo: E95 (95% Pb, 5% etanol)

Pojazd zasilany silnikiem ZS

emisja

well-to whell 33,2 tony CO2

5,0 ton CO2

produkcja paliwa 0,8 tony CO2

39,0 ton CO

z pojazdu

0

35

37

39

41

43

Emisja CO2 [tony]

Pojazd zasilany silnikiem ZI

produkcja pojazdu

Ciągłe zmiany norm dotyczących ograniczania emisji spalin wymuszają na konstruktorach oraz jednostkach naukowych poszukiwanie nowych rozwiązań, pozwalających spełnić te wy- magania. Spełnienie tych wymogów jest możliwe przez zwiększenie sprawności: procesu spa- lania istniejących już silników spalinowych oraz pracy układów oczyszczania spalin. Prawi- dłowe warunki współpracy tych układów mają kluczowe znaczenie z punktu widzenia poprawy sprawności spalinowych jednostek napędowych. W celu realizacji powyższych postulatów wy- konuje się prace rozwojowe w oparciu o badania empiryczne i symulacyjne (rys. 1.4) [30, 39, 43, 85]. Badania empiryczne można realizować zarówno na pojedynczych podzespołach, któ- rych ta modernizacja dotyczy lub na specjalnych silnikach badawczych. Badania symulacyjne pozwalają często na znaczną redukcję kosztów na etapie projektowym, wymagają one jednak weryfikacji przyjętego modelu obliczeniowego.

Rys. 1.4. Metody prowadzenia prac rozwojowych [14]

Od kilkunastu lat obserwuje się trend w budowie silników samochodowych, polegający na uzyskiwaniu zwiększonych wartości wskaźników pracy silników przy zmniejszonych objęto- ściach skokowych przy zmniejszonej liczbie cylindrów [13, 86]. Działania podejmowane przez producentów to głównie:

– downsizing (rys. 1.5) – polega on przede wszystkim na zmniejszeniu objętości skokowej silnika przy jednoczesnym użyciu dodatkowych systemów, zwiększających średnie ciśnienie użyteczne na charakterystyce zewnętrznej,

Rys. 1.5. Charakterystyka wskaźników downsizingu w silnikach spalinowych [82]

– downspeeding (rys. 1.6) – zabieg polegający na zmniejszeniu prędkości obrotowej silnika

z jednoczesnym wykorzystaniem dodatkowych systemów zwiększających średnie ciśnienie

użyteczne.

Rys. 1.6. Charakterystyka wskaźników downspeedingu w silnikach spalinowych [82]

Dodatkowo downsizing podzielono na dwa typy: statyczny i dynamiczny [86]. Jako sta- tyczny downsizing rozumiane jest zmniejszenie wymiarów silnika przez ograniczenie jego ob- jętości skokowej (zazwyczaj realizowane przez zmniejszenie liczby cylindrów) przy zachowa- niu wskaźników jego pracy. O dynamicznym downsizingu mówi się, gdy zmniejszenie objęto- ści skokowej silnika realizowane jest przez chwilowe odłączanie części cylindrów przy ustalo- nych warunkach pracy. Ten typ był dotychczas stosowany bardzo rzadko i dotyczył głównie silników wielocylindrowych. W nowoczesnych konstrukcjach można spotkać takie rozwiąza- nia dla silników czterocylindrowych (rys. 1.7) montowanych w pojazdach osobowych (np. sil- niki koncernu VW 1.4 TFSI lub Mercedes 1.4) [30].

Rys. 1.7. Silniki koncernu Audi wykorzystujące dynamiczny downsizing; z lewej V8 – 4.0 dm

, z prawej R4 – 1.4 dm

TFSI (kolorem czerwonym zaznaczono deaktywowane cylindry w ustalonych warunkach pracy

silnika) [30]

Aby wszystkie wspomniane dotychczas zmiany wniosły rzeczywisty wkład w poprawę glo-

balnego środowiska konieczne jest, by zaawansowane silniki spalinowe zostały wprowadzone

do wszystkich modeli pojazdów. Przedstawione przez Hirose i Hitomi [55] pakiety rozwojowe

dla silników seryjnych produkowanych przez firmę Mazda przyjmują koncepcję tzw. wspólnej

architektury. W oparciu o tę koncepcję wprowadzona została pierwsza generacja silników

Skyactive (o pojemności 1,3–2,5 dm

). W celu zwiększenia sprawności należy zmniejszyć

straty energii cieplnej, która została dostarczona z paliwem (straty spalin, chłodzenia, pompo-

wania i mechaniczne). W cytowanym opracowaniu autorzy wskazują na istnienie tylko siedmiu

czynników kontrolnych, pozwalających na zmniejszenie omawianych strat. Na rysunku 1.8

przedstawiono strategię firmy Mazda w dążeniu do stworzenia idealnego silnika spalinowego,

zarówno o zapłonie samoczynnym, jak i o zapłonie iskrowym.

Rys. 1.8. Koncepcja idealnej modernizacji silników spalinowych; silniki o zapłonie samoczynnym i iskrowym dążą do wspólnej konstrukcji [55]

Zgodnie z przedstawioną koncepcją w celu uzyskania stanu docelowego (oznaczonego ko- lorem zielonym na rys. 1.8) należy dążyć do adiabatyzacji procesu spalania. Oznacza to ko- nieczność kontroli wymiany ciepła procesu spalania ze ściankami cylindra. Biorąc pod uwagę koncepcję ujednolicenia konstrukcji silników spalinowych ZI i ZS, można spodziewać się zwiększania ich sprawności przez zmniejszanie obecnie występujących strat, których rozkład jest powszechnie znany (rys. 1.9).

Rys. 1.9. Możliwości zwiększenia sprawności silników spalinowych według koncernu Mazda [55]

Z przytoczonych powyżej rozważań wynika, że doskonalenie systemu spalania w główniej mierze dotyczy zmniejszenia strat cieplnych powstających w tym procesie. Dlatego aktualnym zagadnieniem jest zaawansowana analiza możliwości poprawy warunków spalania i rozpozna- nie procesów jemu towarzyszących, które zostaną omówione w tej pracy. Spośród przedsta- wionych wielu możliwości zwiększania sprawności silnika, w przedstawianej dysertacji poru- szony będzie jedynie temat możliwości zwiększenia sprawności cieplnej silnika przez nowy system spalania wykorzystujący recyrkulowane spaliny.

bi la ns e ne rg ii ci ep ln ej [% ]

Obciążenie silnika [%]

0 100

100

Moc przekazana na napęd Straty chłodzenia

Straty wylotu Należy

zwiększyć użycie energii

z procesu spalania

Należy zmniejszyć

te straty Wypadanie zapłonów

O ZAPŁONIE ISKROWYM Z RECYRKULACJĄ SPALIN

2.1. Geneza systemu recyrkulacji spalin w silnikach spalinowych

Spalanie w silniku spalinowym jest procesem szybkozmiennym, a zjawiska występujące podczas procesów przedpłomiennych przebiegają w wyniku reakcji łańcuchowych [65]. Zapo- czątkowany proces charakteryzuje brak możliwości jego zatrzymania. Aby poprawnie zainicjo- wać proces spalania należy odpowiednio przygotować mieszankę paliwowo-powietrzną. Ja- kość osiągniętego procesu spalania można ocenić dopiero po jego zakończeniu, często analizu- jąc kilka cykli spalania (co wynika z konieczności uśredniania uzyskanych wartości, ze względu na niepowtarzalność procesu spalania).

Głównym kierunkiem poprawy procesu spalania jest dążenie do osiągnięcia spalania zbli- żonego do idealnego – zupełnego i całkowitego (charakteryzującego się całkowitym utlenie- niem spalanego paliwa). Niestety, nie jest to możliwe z punktu widzenia przebiegu procesów fizykochemicznych dla rozpatrywanego procesu spalania w tłokowych silnikach spalinowych.

Możliwe jest natomiast zastosowanie odpowiednich układów pozasilnikowych oczyszczania spalin, które pozwolą na uzyskanie małego stężenia związków toksycznych po zakończeniu spalania.

Obecny rozwój silników spalinowych wynika głównie z wymagań dotyczących ochrony środowiska. Kluczowe działania powinny korespondować ze sobą pod względem osiągnięcia optymalnych wskaźników ekologicznych, ekonomicznych i energetycznych, dotyczących kon- strukcji silnika spalinowego (rys. 2.1).

Rys. 2.1. Graficzna interpretacja wymagań dotyczących konstrukcji silników spalinowych [114]

Spełnienie omawianych wymagań wymusza ciągłe ulepszanie konstrukcji silnikowych, co z kolei przyczynia się do prowadzenia kosztownych i skomplikowanych badań rozwojowych.

Badania te są prowadzone w różnych kierunkach, jednak większość z nich koncentruje się na poprawie systemu spalania, ponieważ to jego niedoskonałości prowadzą do powstawania szko- dliwych związków spalin. Rezultaty prac badawczych w zakresie poprawy sprawności silników o zapłonie iskrowym w znacznym stopniu zależą od konstrukcji systemów spalania, który jest podstawowym wyznacznikiem jakości opracowanej konstrukcji.

System spalania składa się z układów i elementów silnika, które służą do właściwego przy- gotowania mieszanki paliwowo-powietrznej oraz kontroli przebiegu całego procesu. Proces spalania można podzielić na trzy etapy (rys. 2.2):

Ekonomia

Ekologia Energetyka

NORMY EKONOMICZNE

NORMY PRAWNE

• etap wstępny (I) – tzw. inicjacja lub indukcja – trwa od chwili pojawienia się wyłado- wania na świecy do chwili, gdy wskutek rozprzestrzeniania się płomienia zaczyna gwał- townie wzrastać ciśnienie w cylindrze,

• etap właściwego spalania (II) – rozpoczyna się, gdy płomień osiąga całą przestrzeń ko- mory spalania; w etapie tym zauważalny jest nagły wzrost ciśnienia do chwili osiągnię- cia maksymalnego ciśnienia w cylindrze,

• etap dopalania (III) – rozpoczyna się w momencie, gdy ciśnienie w cylindrze zaczyna spadać (m.in. na skutek ruchu tłoka w kierunku DMP); w etapie tym następuje dopalanie resztek paliwa.

Rys. 2.2. Okresy spalania w silniku o zapłonie iskrowym [54]

Silniki spalinowe jako maszyny energetyczne charakteryzują się wytwarzaniem pracy, któ- rej efektem jest powstawanie ciepła. Stabilna temperatura pracy silnika, pozwala utrzymać określony stan cieplny czyli zagwarantować wszystkim częściom i układom silnika prawidłową dla nich temperaturę pracy. Obecnie układy chłodzenia, gdzie stosowane są płyny chłodzące (nisko krzepnące o temp. wrzenia ok. 120°C) umożliwiają pracę silnika w temperaturach z za- kresu od 90 do 100°C. Temperatura ta utrzymywana jest w okolicach ścianek cylindra, gdzie znajduje się płaszcz wodny. Wartości te są prawie 20-krotnie mniejsze od lokalnych temperatur osiąganych w punkcie zapłonu, komorze spalania oraz kolektorze wylotowym. W silnikach o ZI głównym elementem odpowiedzialnym za inicjowanie procesu spalania jest świeca zapło- nowa; temperatura na końcach elektrod w czasie pracy osiąga wartości z przedziału 450–850°C.

Gwałtowny rozwój procesu spalania (dokładniej frontu płomienia), zapoczątkowany wyłado- waniem na świecy, osiąga duże wartości temperatury, które sprzyjają powstawaniu tlenków azotu.

Ciśnienie i temperatura panująca w cylindrze silnika spalinowego podczas procesu spalania

sprzyja tworzeniu tlenków azotu (rys. 2.3); w sytuacji, gdy lokalna temperatura przekracza

1300°C – termiczny mechanizm Zeldovicza – azot (N

) wchodzi w reakcję z tlenem (O

) two-

rząc tlenek azotu (NO). Temperatura ta jest uznawana za graniczną, po przekroczeniu której

ilość powstających tlenków azotu (NO

) szybko rośnie [54] (rys. 2.4). Następnie powstaje tle-

nek azotu (NO), dwutlenek azotu (NO

) oraz podtlenek azotu (N

O). Mając na uwadze powyż-

sze aspekty tworzenia składników toksycznych, należy ograniczyć temperaturę spalania, aby

przejść w zakres spalania niskotemperaturowego (LTC – low temperature combustion), który

dla silników ZI oraz ZS charakteryzuje się zmniejszeniem emisji cząstek stałych i tlenków

azotu (rys. 2.5).

Rys. 2.3. Schemat powstawania tlenków azotu w silnikach spalinowych [74]

Rys. 2.4. Strefy powstawania tlenków azotu na podstawie procesu samozapłonu paliwa (silniki ZS) [7]

Rys. 2.5. Charakterystyka typowych procesów spalania w silnikach ZI oraz ZS wraz z zakresem spalania nisko temperaturowego – LTC [57]

Podczas spalania w komorze silnika, w wysokich temperaturach powstają tlenki azotu, które są jednymi z groźniejszych składników skażających atmosferę. Uważa się, że są one 10-krotnie bardziej szkodliwe niż tlenek węgla. O charakterze problemu mogą świadczyć ob- jawy powstające podczas kontaktu człowieka z tlenkami azotu. Ich duże stężenie może prowa- dzić do ostrego obrzęku płuc lub asfiksji, czyli stanu niedoboru tlenu w organizmie, który –

Ciekłe paliwo Bogata mieszanka paliwowo-powietrzna Płomień dyfuzyjny Skala [mm]

Początkowe formowanie sadzy Obszar termiczny tworzenia NOx

Strefa utleniania sadzy

Cząstki stałe

ZI

Mieszanka bogataMieszanka uboga Współczynnik nadmiaru powietrza

Temperatura [K]

jeżeli nie podejmie się natychmiastowych czynności ratowniczych – może prowadzić do szyb- kiej utraty przytomności, a nawet śmierci [33, 103, 104]. Należy pamiętać jednak, że obecnie produkowane pojazdy muszą spełniać rygorystyczne normy emisji, które powodują, że w mo- toryzacji problem ten jest częściowo rozwiązany przez układy oczyszczania spalin, a nie przez działania silnikowe. Z tego względu dalsze prace w kontekście opracowania spala- nia niskotemperaturowego są wskazane i pożyteczne.

Od czasu wdrożenia normy emisji spalin Euro 1, w największym stopniu zredukowana zo- stała dopuszczalna wartość emisji tlenków azotu (rys. 2.6). Norma Euro 3 dopuszczała emisję NO

na poziomie 500 mg/km; obecna norma Euro 6 – 80 mg/km. Oznacza to ograniczenie emisji o 84%.

Rys. 2.6. Ograniczenie limitów emisji NO

dla pojazdów osobowych [101]

Skład gazów emitowanych z układu wylotowego zależy w głównej mierze od obiegu silnika oraz od warunków jego pracy, a przede wszystkim od współczynnika nadmiaru powietrza. To właśnie z tego powodu występują różnice w emisji związków toksycznych z silników ZI i ZS. Spaliny samochodowe są dla ludzi dużo bardziej szkodliwe niż zanieczyszczenia genero- wane przez przemysł. Głównym powodem jest fakt, że zanieczyszczenia motoryzacyjne (szcze- gólnie w dużych aglomeracjach, gdzie występuje znaczna kongestia) rozprzestrzeniają się w dużych stężeniach na małych wysokościach, w bezpośrednim sąsiedztwie ludzi.

W silnikach stosowane są różnego rodzaju systemy oczyszczania spalin, które znacznie zwiększają koszt silnika i jego eksploatacji. Dlatego też równolegle są stosowane metody zmniejszające powstawanie tlenków azotu. Najpowszechniejszą obecnie silnikową metodą zmniejszania emisji NO

w silnikach ZS oraz w silnikach ZI jest stosowanie recyrkulacji spalin.

Zabieg ten ma na celu kontrolne doprowadzenie (lub pozostawienie) części spalin po poprzed- nim cyklu pracy silnika w komorze spalania. Spaliny z poprzedniego cyklu składają się głównie z niepalnych składników (ok. 99,9%): azotu, dwutlenku węgla (CO

), pary wodnej (H

O), tlenu (O

– śladowa ilość) oraz niewielkiej ilości związków szkodliwych. Wymienione gazy niepalne pełnią funkcję tzw. gazu obojętnego, który nie uczestniczy w procesie spalania. Recyrkulowane spaliny w porównaniu z powietrzem mają większe ciepło właściwe, dlatego mają większą od powietrza zdolność odbierania ciepła czyli chłodzenia [74]. Najważniejszą cechą recyrkulowa- nych spalin jest to, że zawierają znacznie mniejszą ilość tlenu niż świeże powietrze, które by- łoby doprowadzone do komory.

Elektrownie Przemysł wytwórczy Przemysł

Gospodarstwa domowe Rolnictwo

Inne

Całkowity ruch pojazdów

Samochody z silnikiem ZS

ZS ZI

brak limitów

2.2. Układy recyrkulacji spalin

2.2.1. Systemy recyrkulacji spalin silników spalinowych

Tematyka przedstawianej pracy doktorskiej dotyczy zagadnień związanych z recyrkulacją spalin i ich wykorzystaniem do izolacji procesu spalania od ścianek cylindra. Rozwiązanie za- gadnienia naukowego związanego z tymi zagadnieniami, wymaga wcześniejszego przedsta- wienia systemów recyrkulacji spalin. W rozdziale tym dokonano więc analizy systemów recyr- kulacji spalin we współczesnych konstrukcjach silnikowych.

Dostarczanie gazów spalinowych do komory spalania jest jedną z technologii pozwalającą na ograniczenie (w pewnym zakresie) zużycia paliwa w silniku bez znaczącego pogorszenia jego wskaźników pracy [89]. Gazy spalinowe mogą zostać dostarczone do cylindra dwoma zasadniczymi sposobami (rys. 2.7):

– przez zastosowanie recyrkulacji wewnętrznej (IGR – internal gas residual), polegającej na zatrzymaniu w cylindrze części spalin z poprzedniego cyklu pracy, np. przy wykorzystaniu systemów zmiennych faz rozrządu,

– przy wykorzystaniu zewnętrznego systemu recyrkulacji (EGR – exhaust gas recirculation), polegającego na częściowym wykorzystaniu spalin opuszczających cylinder z poprzedniego cyklu pracy silnika.

Rys. 2.7. Systematyka układów doprowadzenia spalin do cylindra [11, 15, 17, 19]

Wewnętrzna recyrkulacja spalin może być realizowana w sposób, który polega na otwarciu zaworu wylotowego podczas suwu dolotu lub zaworu dolotowego podczas suwu wylotu (rys. 2.8). Obie metody mogą być realizowane za pomocą prostej modyfikacji wałka rozrządu, ale wadą jest to, że wałków rozrządu nie można dezaktywować. Dzięki tej metodzie system EGR działa nieprzerwanie, niezależnie od obciążenia silnika i prędkości. Stosowanie we- wnętrznego, niekontrolowanego systemu recyrkulacji spalin powoduje niewielki spadek mo- mentu obrotowego, w niektórych obszarach pracy silnika [75].

Doprowadzenie spalin do cylindra

Recyrkulacja we- wnętrzna (reszta spalin)

Recyrkulacja zewnętrzna

Układy zmien- nych faz roz-

rządu

Układy zmiany wzniosu

zaworów

Wysoko- ciśnieniowy system EGR

Niskociśnie- niowy system

EGR

Bez oczyszczania spalin „brudny EGR”

Sterowane zwężką

Sterowane zaworem

Z oczyszczaniem spalin „czysty EGR”

Mieszany

Rys. 2.8. Wewnętrzna recyrkulacja spalin [38]

Najnowsze rozwiązanie zaproponowane przez firmę Eaton nazwano iEGR (internal exhaust gas recirculation – system wewnętrznej recyrkulacji spalin) [36, 40]. Proces sterowania we- wnętrznym EGR realizowany jest dodatkowym wałkiem wyzwalającym pracę zaworów wylo- towych przez specjalną krzywkę. Niezależny silnik elektryczny uruchamia zawory wylotowe (mały wznios zaworów wylotowych, w dowolnym momencie suwu dolotu), powodując w ten sposób powrót spalin do cylindra (rys. 2.9).

Rys. 2.9. Rozwiązanie firmy Eaton wewnętrznej recyrkulacji spalin iEGR [36]

Inna metoda sterowania wewnętrznym EGR polega na elektronicznym sterowaniu (przez zawór elektromagnetyczny) skoku zaworu wylotowego. Realizacja tego zadania jest hydrau- liczna, przez połączenie z krzywką zaworu dolotowego. Jedną z korzyści tego systemu jest szybsza reakcja silnika na chwilowe zapotrzebowanie mocy. Kontrolowany wewnętrzny EGR jest wykorzystywany przede wszystkim w wysokowydajnych silnikach ZS [75].

Zewnętrzna recyrkulacja spalin charakteryzuje się połączeniem kolektora wylotowego z układem dolotowym (rys. 2.10). Wykorzystując różnicę ciśnień, system EGR powoduje prze- mieszczenie się spalin wygenerowanych w poprzednim cyklu ponownie do układu dolotowego.

Istnieją różne rozwiązania konstrukcyjne zewnętrznej recyrkulacji spalin, które opisano w dal- szej części tego rozdziału.

Spaliny Dolot

Zawór dolotowy przyspieszone otwarcie Zawór wylotowy

opóźnione zamknięcie Przekrycie faz rozrządu

Czas Zawór wylotowy

Zawór dolotowy

Wylot Dolot

iEGR

Kąt obrotu

wznios

Rys. 2.10. Zewnętrzna recyrkulacja spalin [58]

Możliwe jest wyznaczanie ilości spalin w cylindrze dla typów recyrkulacji (wewnętrznej i zewnętrznej). Mniej skomplikowanym, jest wyznaczenie ilości spalin w cylindrze przy wyko- rzystaniu recyrkulacji zewnętrznej. Udział masowy recyrkulowanych spalin określany jest jako:

EGR = m

m

+ m

(2.1)

gdzie:

m

– oznacza masę spalin doprowadzonych do cylindra, m

– masa powietrza w cylindrze.

Taka postać wzoru powoduje wiele trudności w określeniu masy tych wielkości, dlatego częściej proponuje się wykorzystanie wzoru, uwzględniającego stężenie dwutlenku węgla:

EGR % = CO

− CO

CO

− CO

∗ 100% (2.2)

gdzie:

CO

– stężenie [%] dwutlenku węgla na dolocie do silnika, CO

– stężenie [%] dwutlenku węgla w powietrzu,

CO

– stężenie [%] dwutlenku węgla w spalinach.

Ilość spalin zatrzymanych w cylindrze w wyniku stosowania recyrkulacji wewnętrznej jest znacznie trudniejsza do wyznaczenia. Proponuje się wyznaczenie jej na podstawie modeli uwzględniających fazy rozrządu [6, 11] lub przez pomiar bezpośredni w komorze spalania przy wykorzystaniu metod optycznych [12, 15].

Systemy recyrkulacji spalin stosowane są w silnikach o zapłonie samoczynnym od wielu lat

jako skuteczny sposób obniżenia emisji tlenków azotu (w wyniku mniejszej maksymalnej tem-

peratury spalania). Stosowanie recyrkulacji spalin w silnikach o zapłonie iskrowym ma na celu

głównie zmniejszenie strat dławienia podczas częściowych obciążeń, co pozwala na zmniej-

szenie zużycia paliwa, a także zmniejszenie poziomu emisji tlenków azotu. Udziały recyrkulo-

wanych spalin w silnikach o ZS są nieco większe niż udziały spalin w silnikach o ZI z pośred-

nim wtryskiem paliwa. Wykorzystanie w silnikach o zapłonie iskrowym układów bezpośred-

niego wtrysku benzyny pozwala na zastosowanie dużych udziałów recyrkulowanych spalin,

podczas pracy na mieszance uwarstwionej oraz homogenicznej. W obu sposobach pracy moż-

liwe jest ograniczenie emisji tlenków azotu oraz poprawa warunków spalania przy pracy silnika

ze współczynnikiem nadmiaru powietrza λ = 1.

Porównanie obszarów pracy silnika, w których możliwe jest wykorzystanie recyrkulowa- nych spalin, przedstawiono na rysunku 2.11. Szerokie obszary wykorzystania spalin powodują, że konieczne jest użycie dodatkowych przepustnic w celu wywołania odpowiedniej różnicy ciśnienia między systemem wylotu a dolotu.

Rys. 2.11. Obszary pracy silników z systemem EGR: a) silnik ZS, b) silnik ZI [12]

Za sterowanie systemami recyrkulacji spalin w silnikach spalinowych odpowiedzialne są elementy w postaci zaworów EGR, których praca regulowana jest najczęściej przez moduł ECM (Engine Control Management – sterownik silnika). Sterownik ten wykorzystuje sygnały (rys. 2.12) z czujnika podciśnienia w kolektorze dolotowym, położenia wału korbowego, aktu- alnego położenia pedału przyspieszenia, temperatury powietrza dolotowego oraz płynu chło- dzącego.

Rys. 2.12. Podstawowe czujniki regulujące pracę EGR [117]

Wymagania normy Euro 6, w odniesieniu do emisji spalin, spowodowały że rozwiązania systemów oczyszczania spalin w silnikach ZI i ZS są do siebie bardzo zbliżone [19]. Możliwe jest ich zróżnicowanie jedynie pod względem liczby zastosowanych systemów dławienia prze- pływu w celu uzyskania odpowiednich wartości ciśnienia różnicowego, pozwalającego na do- prowadzenie właściwej ilości spalin do cylindra.

W silnikach niedoładowanych (co ma miejsce obecnie jedynie w systemach o zapłonie iskro- wym) rozwiązaniem systemu doprowadzenia spalin do cylindra jest układ wysokociśnieniowej recyrkulacji spalin (HP EGR – high pressure EGR). W silnikach wyposażonych w doładowanie możliwe jest stosowanie następujących rozwiązań:

• układy wysokociśnieniowe – w których spaliny sprzed turbiny kierowane są do układu dolotowego za sprężarką (rys. 2.13),

b)

a)

• układy niskociśnieniowe (LP EGR – low pressure EGR) – w których spaliny pobierane są za wylotem turbiny i kierowane do układu dolotu przed sprężarką (rys. 2.14),

• układy mieszane (rys. 2.15, 2.16) – wykorzystujące zalety obu powyższej przedstawio- nych systemów.

Rozwiązania systemów recyrkulacji spalin omówione powyżej zestawiono z mapami pracy silnika spalinowego, na których przedstawiono regiony stosowania danego rozwiązania. Róż- nice w zastosowanych systemach w silnikach dotyczą redukcji zużycia paliwa w określonych obszarach pracy silnika oraz wykorzystanych spalin (przed lub po układach oczyszczania). Na- leży zauważyć, że system niskociśnieniowy może być realizowany z poborem spalin przed lub za układem oczyszczania spalin (za reaktorem katalitycznym i filtrem cząstek stałych lub za monolitycznym układem stanowiącym połączenie reaktora utleniającego i filtra cząstek sta- łych).

Rys. 2.13. Wysokociśnieniowy system EGR: 1 – chłodnica EGR, 2 – chłodnica powietrza doładowującego, 3 – układ oczyszczania spalin, 4 – zawór EGR [26]

Rys. 2.14. Niskociśnieniowy system EGR: 1 – chłodnica EGR, 2 – chłodnica powietrza doładowującego, 3 – układ oczyszczania spalin, 4 – zawór EGR, 5 – przepustnica spalin [26]

Uniwersalne układy recyrkulacji spalin to układy mieszane, w których zaimplementowane są oba wcześniej omawiane systemy: nisko- i wysokociśnieniowe. Rozwiązanie to przedsta- wiono na rysunkach 2.15 i 2.16. System wysokociśnieniowy, którego przepływ spalin charak- teryzuje się krótką drogą, stosowany jest w przypadku dążenia do uzyskania dużej szybkości odpowiedzi systemu podczas małej prędkości obrotowej silnika i małego obciążenia oraz w zakresie charakterystyki pełnej mocy.

n [obr/min]

Średnie ciśnienie użyteczne [bar]

Redukcja g_e[%]

n [obr/min]

Średnie ciśnienie użyteczne [bar]

Redukcja g_e[%]

Rys. 2.15. Zakres stosowania mieszanego systemu EGR w silnikach o ZI: 1 – chłodnica EGR, 2 – chłodnica powietrza doładowującego, 3 – układ oczyszczania spalin, 4 – zawór EGR, 5 – przepustnica spalin (przedstawione wartości na wykresie dotyczą ograniczenia zużycia paliwa przy wykorzystaniu określonego systemu

recyrkulacji) [26]

Zwiększenie prędkości obrotowej i obciążenia silnika powoduje, że aktywny staje się nisko- ciśnieniowy układ recyrkulacji. Pozwala on na zwiększenie szybkości przepływu spalin. Układ niskociśnieniowego EGR pozwala na obniżenie emisji tlenków azotu podczas średniego i du- żego obciążenia silnika spalinowego. Dodatkowo, niskociśnieniowy układ recyrkulacji po- zwala na znaczne obniżenie temperatury spalin, co przyczynia się do zwiększenia współczyn- nika napełnienia silnika.

Rys. 2.16. Mieszany system recyrkulacji spalin (stosowany z silnikach ZS) [94]

Wpływ mieszanego systemu recyrkulacji na przebieg spalania przedstawił Chao [18]. Na skutek użycia wysoko- i niskociśnieniowego układu EGR zaobserwowano tłumienie procesu spalania (widoczne na rys. 2.17 – przebieg ciśnienia w cylindrze). Stała wartość wyzwolenia zapłonu pozwala na obserwację wpływu udziału i typu zastosowanej recyrkulacji. Zauważono, że przy udziale niskociśnieniowego systemu o wartości 10% EGR, ciśnienie w cylindrze ma podobny przebieg jak dla 15% udziału EGR w układzie wysokociśnieniowym. Podobne zależ- ności widoczne są również dla innych udziałów spalin. Zatem do osiągnięcia podobnych zmian ciśnienia w cylindrze możliwe jest stosowanie obu rozwiązań o innej wartości udziału recyrku- lowanych spalin.

n [obr/min]

Śr e d n ie ci śn ie n ie u żyt e czn e [b a r]

Zasobnik NOx

Rys. 2.17. Ciśnienie w cylindrze przy różnym udziale recyrkulowanych spalin realizowanych przez wysokociś- nieniową pętlę EGR (HP-EGR) oraz niskociśnieniową pętlę EGR (LP-EGR) [18]

W tej samej pracy [18] wykonano analizę stabilności pracy silnika przez określenie współ- czynnika zmienności średniego ciśnienia indykowanego (rys. 2.18), zdefiniowanego jako:

CoV(x) = s/x [%] (2.3)

gdzie:

s – oznacza standardowe odchylenie zbioru danych, x – oznacza średnią arytmetyczną zbioru danych.

Rys. 2.18. Średnie ciśnienie indykowane oraz analiza współczynnika zmienności dla różnego udziału EGR nisko- i wysokociśnieniowego układu [18]

Z analizy rysunku 2.18 wynika, że jednakowe maksymalne ciśnienia w cylindrze mogą być uzyskane przy większych wartościach recyrkulowanych spalin dostarczanych przez układ wy- sokociśnieniowy. Dodatkowo, praca silnika jest stabilniejsza, gdy spaliny dostarczane są

P

[MP a]

Kąt obrotu [

] Kąt zapłonu -13

Bez EGR

z układu wysokociśnieniowego (przy jednakowych wartościach recyrkulowanych spalin). Za- łożenie stabilności procesu spalania (CoV(p

) < 5%) wskazuje, że graniczne wartości udziału spalin wynoszą: 13% przy użyciu LP-EGR oraz prawie 17,5% przy wykorzystaniu HP-EGR.

Odmiennym rozwiązaniem od przedstawionych wcześniej jest system D-EGR (dedicated EGR – dedykowany EGR) zaprezentowany przez Southwest Research Institute przy współ- pracy z PSA [5]. W przedstawionym układzie kolektor wylotowy czwartego cylindra połączono ze wspólnym kolektorem dolotowym, a pozostałe przewody wylotowe połączono z układem turbiny. Rozwiązanie takie powoduje, że spaliny z trzech cylindrów napędzają tur- bosprężarkę, natomiast spaliny z czwartego cylindra stanowią o ilości recyrkulowanych spalin (rys. 2.19).

Rys. 2.19. Schemat wielocylindrowego silnika z pojedynczym cylindrem wykorzystywanym do dedykowanego systemu recyrkulacji spalin [100]

Wprowadzenie tego systemu pozwala utrzymywać stałą wartość recyrkulowanych spalin na poziomie 25%, co znacznie obniża emisję składników toksycznych ze wszystkich cylindrów.

Silnik nie jest wyposażony w układ doładowania; zwiększono stopień sprężania do wartości 14. Wykorzystanie dużego stopnia sprężania przy zastosowaniu udziału spalin (wysokociśnie- niowego systemu recyrkulacji spalin) w silniku benzynowym powoduje, że ograniczono moż- liwość wystąpienia spalania stukowego. Dodatkowo, pojazd demonstracyjny z systemem D-EGR uzyskał zmniejszenie zużycia paliwa w stosunku do bazowej konstrukcji o 13% w cy- klu miejskim i o około 9% w jeździe autostradowej [100]. Dzięki zastosowanym modyfikacjom uzyskano także większe wskaźniki mocy i momentu obrotowego (o około 15%) – rys. 2.20.

Rys. 2.20. Zmniejszenie zużycia paliwa oraz zwiększenie mocy i momentu obrotowego przez zastosowanie układu D-EGR w stosunku do silnika bazowego [100]

System recyrkulacji spalin wykorzystuje się również do reformingu paliwa (wytworzenia wodoru). Badania silnikowe dotyczące poprawy sprawności cieplnej przedstawił Daw

p

[b ar ] Mo [Nm ] Ne [k W ]

n [obr/min]

Silnik bazowy 2,4 dm³ Silnik D-EGR 2,0 dm³

g

[%]

n [obr/min]

w opracowaniu [3]. Zgodnie z przedstawionymi wynikami badań, użycie recyrkulacji spalin w jednym cylindrze do reformingu paliwa i dostarczenia produktów (wodoru) do pozostałych trzech cylindrów, pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa o ponad 9% (rys. 2.21).

Rys. 2.21. Sprawność cieplna konwencjonalnego silnika o ZI, strategii dezaktywacji cylindrów oraz reformowania paliwa w cylindrze w funkcji EGR przy 2000 obr/min [3]

Analizując powyższe systemy recyrkulacji spalin, można zauważyć, że istnieje kilka strate- gii pozwalających ograniczyć emisję tlenków azotu.

Coraz częściej silniki ZS pojazdów ciężarowych (ale również i osobowych) wyposaża się w systemy EGR lub wtrysk mocznika w układach z systemami SCR (selective catalytic reduc- tion – selektywna redukcja katalityczna). Wraz z zaostrzeniem norm dotyczących limitów emi- sji NO

konieczne staje się zastosowanie środków silnikowej i pozasilnikowej reedukacji re- dukcji emisji tlenków azotu.

Stosowanie systemów bezpośredniego wtrysku paliwa i systemów doładowania w silnikach benzynowych pozwala na stworzenie mapy, wskazującej obszary większego zastosowania re- cyrkulowanych spalin niż jest to obecnie realizowane (rys. 2.22).

Rys. 2.22. Możliwości zastosowania recyrkulowanych spalin w silniku o zapłonie iskrowym z wtryskiem

bezpośrednim w aspekcie charakterystyki ogólnej silnika [62, 72]

Na przedstawionej mapie zaznaczono charakterystyczne obszary, w których następująco kształtuje się użyteczność systemu EGR w silniku o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtry- skiem:

I obszar downspeedingu – zwiększenie momentu obrotowego przy małych prędkościach obrotowych, poprawa odpowiedzi w warunkach przejściowych,

II maksymalne otwarcie przepustnicy – zakres doładowania, udział spalin o wartości 0–10%, chłodzony EGR, obieg Atkinsona/Millera,

III zakres niewielkich obciążeń, w którym udział spalin szacuje się w przedziale 10–30%, strategie wykorzystania recyrkulacji wewnętrznej (IGR),

IV współczynnik nadmiaru powietrza λ = 1, obszar z podziałem dawki dla ograniczenia spalania stukowego; niskociśnieniowy, chłodzony układ recyrkulacji spalin o wielkości 5–15% używany w połączeniu z zaawansowanym doładowaniem i wzrostem stopnia sprężania dla zwiększenia sprawności silnika,

V zakres pracy silnika o λ = 1 przy maksymalnych prędkościach obrotowych, w punkcie tym nie wymaga się wykorzystania układu recyrkulacji spalin,

VI maksymalne otwarcie przepustnicy, możliwość uzyskania małego g

(zużycia paliwa) dzięki użyciu strategii podziału dawki na części oraz doładowania.

W nowoczesnych konstrukcjach silników o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa, w coraz większym zakresie sterowania wykorzystuje się systemy recyrkulacji spalin (zakresy w zależności od spełnianych norm emisji spalin przedstawione są na rysunku 2.23).

Rys. 2.23. Typowe warunki pracy silnika ZI DI dla normy emisji spalin: a) Euro 5, b) Euro 6 [72]

Przedstawione przez Isenstadta [58] możliwości redukcji zużycia paliwa na przykładzie silnika Skyactiv-G (rys. 2.24), wskazują na efektywność stosowania chłodzonej recyrkulacji spalin szczególnie w zakresie średnich obciążeń silnika.

Szczególną zaletą stosowania układów recyrkulacji spalin jest stosunkowo niewielki wzrost kosztu modyfikacji silnika. Z tego powodu praktycznie wszystkie nowoczesne jednostki napę- dowe są wyposażone w te układy.

Inne trendy widoczne w konstrukcjach układów napędowych koncentrują się na: dopasowa- niu przekładni (np. przez dodawanie kolejnych przełożeń), redukcji obciążeń powstających od urządzeń akcesoryjnych lub elektryfikacji pojazdu. Każde kolejne modyfikacje głównego układu napędowego (silnika spalinowego) w porównaniu do konstrukcji sprzed kilkunastu lat, prowadzą do kilkuprocentowego zwiększenia sprawności i obarczone są dużymi kosztami ich wprowadzenia. Rozwiązaniem mogącym znacząco wpłynąć na zmniejszenie emisji składników toksycznych spalin jest rozpoznanie wpływu prototypowych systemów spalania, pozwalają- cych na znaczne zmniejszenie tej emisji. Do takich układów w ostatnich latach należą układy

a) b)

zapłonu strumieniowo-płomieniowego (TJI – turbulent jet ignition) pozwalające na zwiększe- nie sprawności cieplnej układu do około 45% [8, 102].

Rys. 2.24. Tendencje redukcji zużycia paliwa na przykładzie silników Mazda Skyactiv-G przy prędkości obrotowej 2000 obr/min [55]

Układy recyrkulacji spalin są stosowane w nowoczesnych konstrukcjach silników spalino- wych: zarówno ZI jak i ZS. Ich wykorzystanie pozwala na spełnienie normom emisji spalin, a przy ich odpowiednim sterowaniu, możliwe jest także zwiększenie sprawności ogólnej silnika spalinowego. Ze względu na to, że recyrkulowane spaliny są dostarczane kanałami dolotowymi do cylindra, ich ukształtowanie oraz ruch ładunku mają również znaczenie w odniesieniu do warunków procesu spalania. Z tego względu zagadnienia te przedstawiono w kolejnym pod- rozdziale.

2.2.2. Ruch ładunku w cylindrze

Jednym z głównych elementów odpowiedzialnych za doprowadzenie gazów do komory spalania jest układ dolotowy. To od jego konstrukcji zależy możliwość generowania odpowied- niego zawirowania. Koncepcja pracy (rozdz. 2.4) zakłada wytworzenie ruchu wirowego w cy- lindrze. Ruch wirowy wywołany jest krętem (momentem pędu), który tworzy się przy napływie ładunku do komory spalania. W celu otrzymania dużych wartości krętu należy zastosować od- powiednio ukształtowane kanały dolotowe. Jednak wraz ze wzrostem krętu, zwiększa się rów- nież opór przepływu, co wpływa na pogorszenie współczynnika napełnienia η

.

W układach dolotowych stosowanych w konstrukcjach tłokowych silników spalinowych uzyskuje się zawirowanie ładunku przez zastosowanie określonej geometrii kanałów doloto- wych. Sposobami na osiągnięcie wzbudzenia ruchu wirowego są:

• zastosowanie kanału stycznego (generuje kręt względem osi cylindra),

• zastosowanie kanału spiralnego (generuje kręt względem osi zaworu),

• podniesienie gniazda zaworu względem głowicy wraz z jednostronnym wybraniem ma- teriału głowicy w rejonie gniazda zaworowego,

• zastosowanie zawirowywacza w kanale (rys. 2.25),

• zastosowanie zmiennego wzniosu zaworów (rys. 2.26),

• zastosowanie deaktywacji zaworów (rys. 2.27).

Je dn os tk ow e zu ży ci e pa liw a [g /k W h]

Moment obrotowy [Nm]

0 100 200 300 400 500

Zmniejszone tarcie mechaniczne i straty pompowania przez

downsizing

Chłodzony EGR

Zmniejszenie zużycia paliwa przez redukcję strat

przedmuchania

SKYACTIV-G 2.5

LARGE SUV SKYACTIV-G

2.5T

Rys. 2.25. Zastosowanie zawirowywacza w postaci klapy w kanale dolotowym wymuszającej ruch typu tumble (używane np. w silnikach Audi 2.0 FSI) [59]

Rys. 2.26. Wpływ zmiennego wzniosu zaworu na generowane zawirowanie (rozwiązanie firmy Eaton): (z lewej) duży wznios wynoszący 8 mm, (z prawej) wznios wynoszący 4,8 mm [105]

Rys. 2.27. Zastosowanie przepustnicy deaktywującej jeden z kanałów dolotowych w celu zmiany wzbudzanego ruchu powietrza (stosowane np. w silnikach Audi 3.0 V6 TDI) [59]

Omawiane zawirowania w cylindrze można również usystematyzować według dominują- cego kierunku ruchu ładunku:

• swirl – zawirowanie obwodowe – wywołane głównie przez odpowiednie ukształtowa- nie kanałów dolotowych i gniazd zaworowych, ale również ruch może być wywołany specjalnymi klapami (rys. 2.28) lub dezaktywacją zaworów,

Klapka

zawirowująca otwarta Klapka

zawirowująca zamknięta

Przepustnica zawirowująca

zamknięta

Przepustnica zawirowująca

otwarta

• tumble – zawirowanie promieniowe (beczkowe) – jego ruch zlokalizowany jest w kie- runku źródła zapłonu; wywoływany jest głównie przez ruch tłoka w cylindrze lub klapy zmieniające kierunek napływu powietrza już w kanale dolotowym,

• squish – ruch ładunku dośrodkowy (wyciskający) – jest wywoływany przez wyciska- jące działanie tłoka w suwie sprężania w okolicy szczelin między tłokiem a płaszczyzną komory spalania.

Rys. 2.28. Generowanie zawirowania typu swirl w cylindrze [99]

W większości konstrukcji tłokowych silników spalinowych powyższe typy zawirowań wy- stępują jednocześnie. Możliwa jest dominacja jednego z nich w zależności od kształtu kanału dolotowego, kształtu korony tłoka, powierzchni głowicy oraz prędkości obrotowej silnika.

W poszczególnych fazach cyklu pracy silnika, dany typ zawirowania może być zauważalny zarówno w makro- jak i mikroskali.

Wielozaworowe głowice silników spalinowych zaprojektowane są w taki sposób, aby każdy z zaworów dolotowych generował inny typ zawirowania (obwodowe lub promieniowe). Stero- wanie ruchem ładunku jest istotne podczas spalania ładunków niejednorodnych – występują- cych w silnikach z jakościową regulacją składu mieszanki. Dotyczy to zatem wszystkich silni- ków z wtryskiem bezpośrednim do komory spalania (silniki o zapłonie samoczynnym oraz o zapłonie iskrowym).

Wytworzenie odpowiedniego ruchu ładunku w cylindrze ma istotnie znaczenie ze względu na:

• przyspieszenie odparowania i wymieszania paliwa,

• rozprowadzenie mieszanki w przestrzeni spalania (skierowanie mieszanki w okolicę ze- wnętrznego punktu zapłonu – świecy zapłonowej),

• zwiększenie burzliwości ładunku, które skutkuje zwiększeniem prędkości rozprzestrze- niania się płomienia.

2.2.3. Proces spalania

Ocena procesu spalania może odbywać się w sposób jakościowy oraz ilościowy. Prawi- dłowo określona jakość osiągniętego procesu spalania wymaga zdefiniowania i wyselekcjono- wania grupy wskaźników, które mogą posłużyć do oceny porównawczej. Podstawową ocenę

n [obr/min]

Mo [Nm]

Strefa dużego zawirowania

Przepustnica zamknięta Zwiększenie zawirowania typu swirl

Przepustnica otwarta Zmniejszenie zawirowania typu swirl

procesu spalania uzyskuje się przez analizę termodynamiczną wykresu indykatorowego [54].

Do podstawowych wskaźników, które są wyznacznikami procesu spalania należą:

• ciśnienie maksymalne panujące w cylindrze w czasie przebiegu procesu spalania,

• ilość wywiązanego ciepła w czasie procesu spalania,

• szybkość wywiązywania ciepła.

Wskaźniki wyznaczone w oparciu o analizę termodynamiczną procesu spalania dostarczają informacji o globalnych skutkach zrealizowanego procesu. Nie są one wystarczające do pełnej oceny jego przebiegu. W celu poszerzenia analizy procesu spalania należy wykorzystać op- tyczne metody badawcze, które dostarczają informacji dotyczących lokalnych wartości. Me- toda optyczna z wykorzystaniem kamery o odpowiedniej rozdzielczości umożliwia ocenę pro- cesu powstawania i rozprzestrzeniania się płomienia. Wykorzystanie dodatkowych konfigura- cji kamery wraz z systemem podwójnej optyki pozwala na określenie temperatury płomienia.

Natomiast konfiguracja stanowiska z użyciem metody smugowej pozwala na poznawczą ocenę zawirowania gazów przed zapłonem mieszanki.

Praca skupia się na poznawczej ocenie procesu spalania. Jego optymalizacja ma istotne zna- czenie dla zwiększania sprawności silnika oraz poprawy jego wskaźników pracy. Współczesna diagnostyka procesu spalania w silnikach tłokowych nie dotyczy już tylko analizy pomiarów szybkozmiennych (dotyczących analizy wielkości termodynamicznych), ale także obserwacji procesów zachodzących w trakcie rozwoju zjawisk z wykorzystaniem technik optycznych i laserowych [61]. Dzięki zastosowaniu wspomnianych metod, możliwa staje się rejestracja i ocena lokalnych parametrów, dotyczących m.in. rozwoju płomienia oraz rozkładu jego tem- peratury.

W celu spełnienia postulatów dotyczących zwiększania efektywności procesu spalania, ko- nieczne jest rozpoznanie podstawowych procesów zachodzących podczas tego procesu z użyciem recyrkulowanych gazów. Oszacowanie zmian strat ciepła w wyniku izolacji procesu spalania jest zagadnieniem dość skomplikowanym, a jednocześnie obarczonym dużym błędem (ze względu na wielkości określające wymianę ciepła w takim układzie). Metodą zastępującą bezpośrednie określenie wielkości strat ciepła jest metoda optyczna pozwalająca w sposób eksperymentalny określić obszary komory spalania objęte płomieniem. Metoda op- tyczna jest jedną z metod diagnostyki procesów szybkozmiennych, pozwalająca na ilościową i jakościową ocenę powstawania i rozprzestrzeniania się płomienia. W dysertacji podjęto próbę wykonania takiej oceny z wykorzystaniem badań eksperymentalnych i symulacyjnych dotyczą- cych sterowania rozkładem recyrkulowanych gazów w komorze cylindra.

2.3. Obecny stan prac dotyczących wykorzystania recyrkulowanych spalin

W literaturze przedmiotu niewiele jest informacji dotyczących badań nad sterowaniem pro- cesem spalania przy wykorzystaniu zawirowania recyrkulowanych spalin. Analizy dotyczące możliwości wytworzenia zawirowania ukierunkowane są przede wszystkim na silniki o ZS [80]. W silnikach o ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny niewiele jest prac uwzględnia- jących charakter tworzenia mieszanki z udziałem recyrkulowanych spalin. Przy wtrysku bez- pośredniem, wytworzenie zbyt dużego zawirowania, może skutkować porwaniem rozpylonego paliwa, co przyczynia się do problemów z zapalnością mieszanki od świecy zapłonowej. Aktu- alnym problemem jest także równomierność dostarczanych spalin do każdego cylindra. Bada- nia Dimitriowa [32] wskazują, że od systemu mieszania zależy w znaczącym stopniu równo- mierność dostarczenia gazów spalinowych do wszystkich cylindrów. Przy dużej nierównomier- ności rozkładu EGR, precyzyjne sterowanie procesem spalania jest znacząco utrudnione. Ana- liza rozkładu gazów spalinowych i sposób ich dostarczenia w silnikach o ZI są problemami nierozpoznanymi i wymagają dalszych analiz.

Głównym aspektem rozprawy doktorskiej jest ograniczenie strat ciepła przez wytworzenie

warstwy izolacji płomienia od ścianek cylindra przy użyciu spalin. Sposoby zawirowania

kanałów dolotowych silników o ZS są wyznacznikiem dalszych analiz dotyczących tego za- gadnienia w niniejszej dysertacji. Z tego powodu w dalszej części tego rozdziału przedstawiono informacje dotyczące głównie silników o zapłonie samoczynnym.

Badania przedstawione przez Periniego [80], dotyczące modelowania zawirowania w cylin- drze silnika o zapłonie samoczynnym wskazują na możliwości wytworzenia sterowanego za- wirowania w komorze przy użyciu specjalnych przepustnic (rys. 2.29). Umieszczono je w kanałach: spiralnym (helical) oraz stycznym (tangential). Przepustnica taka otwiera lub za- myka kanał dolotowy.

Rys. 2.29. Modelowanie przepływu przez przepustnice kanałów dolotowych: kanał spiralny (lewy), przepustnica kanału stycznego wraz z modelem fizycznym (prawy) [80]

W powyższych badaniach wykazano, że dla silników o ZS, w których ruch ładunku ma klu- czowe znaczenie dla procesu spalania, zawirowanie jest generowane przez sterowanie zamknię- ciem (przesłonięciem) odpowiedniego kanału dolotowego. Przykładowo zamknięcie kanału spiralnego, przy pozostawionym całkowicie otwartym kanale dolotowym stycznym (rys. 2.30), powoduje znaczny wzrost zawirowania w okolicach ścianek cylindra z wartości 3000 cm/s do wartości 4000 cm/s (większych o 25%).

Rys. 2.30. Symulacyjne porównanie linii prądu przepływu gazów podczas suwu dolotowego; styczny kanał cał- kowicie otwarty, kanał spiralny w pozycji 1 – częściowo otwarty (po lewej) lub 0 – całkowicie zamknięty

kanał spiralny (po prawej) [80]

Kanał spiralny (H)

Kanał styczny (T)

Kanał otwarty

Kanał zamknięty Kanał styczny (T)

Kanał spiralny (H)

Prędkość zawirowania [cm/s]

Prędkość zawirowania [cm/s]

0 4000

0 4000

Regulacja przepustnic w kanałach dolotowych stwarza możliwości generowania zawirowa- nia promieniowego (rys. 2.31). Centrum wirowania ładunku oznaczone znakiem „+”, może sta- nowić miejsce inicjowania procesu spalania. Zawirowanie takie jest pożądane w aspekcie ko- nieczności adaptacji takiego ruchu ładunku do planowanych przez autora prac eksperymental- nych.

Rys. 2.31. Przewidywane styczne pole prędkości w płaszczyźnie pomiarowej; znak „+” oznacza obliczone centrum wirowania (kolory odpowiadają skali prędkości zawirowania ładunku) [80]

Brak jest obecnie wyników prac badawczych dotyczących realizacji takiego zawirowania w silnikach o zapłonie iskrowym z wykorzystaniem recyrkulowanych spalin. Analiza rozkładu gazów w silnikach o ZI jest zatem zakresem nierozpoznanym i wymaga dalszych badań ekspe- rymentalnych.

2.4. Koncepcje tworzenia mieszanki w aspekcie recyrkulacji spalin

W pracy podejmowana jest analiza możliwości sterowania procesem spalania i uzyskania rozkładu mieszanki palnej z udziałem zawirowanych gazów niepalnych w taki sposób, aby ograniczyć dostęp płomienia do ścianek cylindra, otrzymując ograniczoną wymianę ciepła ze ściankami cylindra. Przedstawione w pracach [23, 111] rozwiązania uwarstwienia ładunku z gazami niepalnymi (rozdzielenie powietrza i spalin) umożliwiają w dalszej kolejności wybór wstępnej koncepcji systemu spalania. Uwarstwienia te podzielono na boczne (kolejno od le- wej), osiowe oraz promieniowe (rys. 2.32).

Rys. 2.32. Możliwości uwarstwienia dwóch gazów w cylindrze: a) boczne, b) osiowe, c) promieniowe [23, 111]

Pr ęd ko ść z aw iro w an ia [c m /s ]

0 1200

a) b) c)