G rzegorz KU BICA
WPŁYW PARAMETRÓW REGULACYJNYCH NA PROCES SPALANIA W SILNIKU ZI ZASILANYM PALIWEM GAZOWYM (LPG)
Streszczenie. W pracy przedstaw iono wyniki badań i analiz w pływ u param etrów regulacyjnych na proces spalania m ieszanki pow ietrzno-paliw ow ej (LPG ) w silniku ZI, zasilanym m ieszaniną propanu i butanu. S zczegółow ą analizę przebiegu w yw iązyw ania się energii w trakcie procesu spalania przeprow adzono opierając się na dw ustrefow ym m odelu m atem atycznym opisującym zjaw iska zachodzące w cylindrze silnika. Podstaw ę obliczeń stanow iły wyniki badań ham ow nianych silnika PER K IN S A D 3.152G przeprow adzone w laboratorium badań alternatywnych.
G łów nym param etrem opisującym proces spalania je s t m asow y stopień w ypalenia m ieszanki x. Z aprezentow ane wyniki przedstaw iają przebieg procesu spalania w zależności od zm iennych param etrów regulacyjnych, tzn. w spółczynnika nadm iaru pow ietrza X i kąta wyprzedzenia zapłonu k W z. U zyskane wyniki stanow ią podstaw ę do określenia racjonalnych wartości nastaw regulacyjnych w silniku gazow ym oraz p o słu ż ą ja k o w ytyczne przy projektow aniu charakterystyk regulacyjnych w trakcie badań silnika zasilanego przez układ w ielopunktow ego w trysku p aliw a gazow ego (LPG).
AN INFLUENCE OF REGULATION PARAMETERS ON COMBUSTION PROCESS IN SI ENGINE FUELLED BY LPG
S u m m ary . The results o f investigations and analysis an influence o f regulation param eters on com bustion process o f air-gas m ixture in SI engine fuelled by LPG are presented in this paper. The detailed analysis w as conducting according to assum ptions o f dual-zone m athem atical m odel o f internal com bustion. The m odel counting w as based on bench test results o f PERKINS A D 3.152G tested in laboratory o f alternative fuels.
The m ain param eter characteristic in com bustion process is the heat release ratio x. The results presented are show ing an influence o f regulation param eters, A /F ratio /. and ignition advanced angle kW z, on the general profile o f com bustion process. The obtained results were the base to sign the reasonable values o f regulation param eters in that engine and w ould be significant in creation o f regulation profiles in engine fuelled by m ulti-point injection system o f LPG in the next stage o f research.
1. W PRO W AD ZEN IE
D otychczasow e inform acje n a tem at przebiegu spalania m ieszanki powietrzno-gazowej w skazują na odm ienny charakter tego procesu w stosunku do spalania m ieszanki z paliwem benzynow ym , dlatego w iele uw agi pośw ięca się analizie w pływ u poszczególnych czynników na efektyw ność tego procesu. K olejnym , rów nie ważnym procesem tow arzyszącym spalaniu paliw a, je st pow staw anie substancji toksycznych. Ich ilość i rodzaj są zależne głównie od składu paliw a i przebiegu tem peratury podczas spalania ładunku.
Postęp w dziedzinie stosow anych metod badaw czych daje m ożliw ości lepszego poznania struktury pow staw ania i rozprzestrzeniania się płom ienia. O prócz tradycyjnych m etod coraz częściej stosuje się now oczesne m etody oparte na optycznej rejestracji zjaw isk zachodzących podczas procesu spalania. U zyskany obraz pozw ala na określenie szybkości i kierunków przesuw ania się frontu płom ienia.
Olbrzym i w kład w badania w noszą również szeroko stosow ane sym ulacje kom puterowe oparte na m odelach m atem atycznych. M odelow anie m atem atyczne pozw ala na uzupełnienie w yników badań dośw iadczalnych o następujące inform acje:
■ rozkład tem peratur w poszczególnych strefach,
■ analizę przem ian chem icznych na podstaw ie przebiegu tem peratury,
■ określenie przepływ u ciepła m iędzy ściankam i kom ory spalania a czynnikiem roboczym.
A naliza przem ian chem icznych obrazuje proces spalania ładunku. Podstawowym param etrem charakteryzującym te przem iany je st stopień w ypalenia m ieszanki x[-], a jego przebieg x(cp) w trakcie procesu spalania świadczy o charakterze zachodzących przem ian i o szybkości w yw iązyw ania się ciepła. Ponadto końcow a w artość tego param etru może odzw ierciedlać (np. w ujęciu procentow ym ), ja k a ilość św ieżego ładunku przeszła przez front spalania, co z kolei św iadczy o jak o ści samego procesu.
W przeprow adzonych badaniach stopień w ypalenia ładunku w yznaczono na podstawie obliczeń m odelow ych, które były poprzedzone badaniam i na ham ow ni silnikow ej.
2. OPIS STA N O W ISK A I PR ZEPR O W A D ZO N Y C H B A D A Ń [1]
2.1. A paratura k ontroln o-pom iarow a
B adania przeprow adzono n a stanow isku ham ow nianym typu H PS-75, wyposażonym w odpow iednio dobrany zestaw aparatury pom iarowej. Zestaw ten um ożliw iał zarówno określenie aktualnego stanu pracy silnika, ja k i sterow anie je g o zasilaniem . Do zasadniczych param etrów , które m ierzono w sposób ciągły, należały:
■ ciśnienie indykow ane,
■ m asow e zużycie paliwa,
■ m asa pow ietrza zasysanego przez silnik,
■ tem peratury i ciśnienia p aliw a gazowego, m ieszaniny pow ietrzno-gazow ej oraz spalin,
■ moc, m om ent i prędkość obrotow a silnika,
■ tem peratura cieczy chłodzącej silnik i oleju,
■ udziały składników toksycznych w spalinach.
2 .2 . P r o c e d u r y p o m ia r o w e
Poniew aż zasadniczym celem badań było zebranie ja k największej ilości danych określających param etry pracy silnika, w badaniach zastosow ano w ielokanałow ą kartę akwizycji danych firm y K eithley. Chw ilowe wartości m ierzonych param etrów grom adzono w
uporządkowanych m acierzach wielowym iarow ych. Przetw arzanie tych danych oraz ich analizę zapew niały procedury oprogram ow ania naukow ego ASYST. Za ich pom ocą, m iędzy innymi, określono przebieg zm ian ciśnienia indykow anego w funkcji kąta obrotu w ału korbowego silnika (rys 1).
Zakresy zm ian param etrów obciążenia i regulacji silnika przedstaw iono w tabeli 1.
Tabela 1 Z akres zm ienności wybranych param etrów
W ielkość Zakres zm ienności
Prędkość obrotow a 850...2 1 0 0 obr/m in Stopień otw arcia przepustnicy 5% 25% 50% 75% 100%
W spółczynnik nadm iaru pow ietrza 0,71... 1,51 K ąt w yprzedzenia zapłonu 5 ° ...17° przed GM P
Ciśn.[kPa]
Rys. 1. P rzebieg zm ian ciśnienia indykowanego Fig. 1. A n indicating pressure profile
3. GŁÓW N E ZA ŁO ŻEN IA D W U STR EFO W EG O M O D ELU SPALANIA
W prezentow anym m odelu przestrzeń kom ory spalania podzielona je st n a dw ie strefy oddzielone od siebie nieskończenie cienkim frontem płom ienia. W artości tem peratur w poszczególnych strefach są jednorodne, natom iast tem peratura frontu płom ienia je s t równa tem peraturze spalin [2]. Z akłada się, że dany je st w ykres indykatorowy, tzn. przebieg ciśnienia p=p(<p) i zm iany objętości Vj=Vi(q>) przestrzeni roboczej, w zależności od kąta obrotu walu korbowego.
Rys. 2. Składniki bilansu energii w poszczególnych strefach Fig. 2. The com ponents o f each zone balance o f energy
M odel stanow ią następujące rów nania dla elem entarnego k ąta dtp obrotu w ału korbowego:
> bilans energii strefy niespalonej (m ieszanki), d Q = d U u + d I u + p * d V u + d Q wu
(l)
> bilans energii frontu spalania,
d l u = d l b + dQ (2)
> bilans energii strefy spalonej (spalin), d l b = d U b + p * d V b + d Q wb
(3)
> term iczne rów nania stanu stref,
p * V u = G u * R u * Tu (4)
P * V b = G b * R b *Tb
(5)
> rów nania stanu ilości substancji i objętości, G = GU+ G b
(6)
y , = v „ + v b
(7)> sto p ie ń w y p a le n ia ła d u n k u ,
G b (8)
x = - G
> sto p ie ń w y z w o le n ia e n e rg ii c h e m ic z n e j z a w a rte j w p a liw ie ,
y = X * 1
.
W « j(9)
gdzie:
U u, Ub - energia w ew nętrzna (fizyczna i chem iczna) m ieszanki i spalin;
lu, h ~ entalpia (fizyczna i chem iczna) m ieszanki i spalin;
Tw Tb - tem peratura strefy m ieszanki i spalin;
Vu, Vb - objętość chw ilow a strefy m ieszanki i spalin;
Vi - objętość chw ilow a p rzestrzeni roboczej w cylindrze;
p - ciśnienie panujące w cylindrze;
Q - ciepło dopływ ające do strefy m ieszanki od frontu płom ienia;
Qwu, Qwb - ciepło dopływ ające do ścian kom ory spalania (głowica, tłok, tuleja) ze strefy m ieszanki i spalin;
Gw Gb - m asa substancji m ieszanki i spalin na cykl;
G - m asa ładunku n a cykl.
x - stopień w ypalenia ładunku,
y - stopień w yzw olenia energii chemicznej zawartej w paliw ie, Wdu, Wdb - w artość opałow a m ieszanki i spalin.
W obliczeniach m ieszankę i spaliny traktuje się ja k o gazy półdoskonałe. Energię chem iczną m ieszanki i spalin (niespalonych zupełnie) w yrażono za p o m o cą wartości opałowej.
4. O PR A C O W A N IE W Y N IK Ó W
A nalizy procesu spalania, w badanych stanach pracy silnika, dokonano w trakcie obliczeń modelowych. P odstaw ą obliczeń m odelow ych je s t zarejestrow any w trakcie badań na ham owni w ykres indykatorow y.
U zyskane podczas m odelow ania dane na tem at przebiegu spalania przedstaw iają kształt funkcji w ypalenia ładunku i m ożna na ich podstaw ie dokonać charakterystyki procesu spalania, określając m .in. m aksym alne wypalenie, czas trw ania i szybkość zachodzących przemian.
B i e ż ą c y k ą t s p a l a n i a [ ’ O W K ]
—■©— b .ja ło w y □ o b c.2 5 % — o b c . 5 0 % — o b c . 7 5 % —igr— o b c.1 0 0 % |
Rys. 3. W pływ obciążenia silnika na przebieg procesu spalania; kW z=9°, k a ł ,05 Fig. 3. An influence o f load on com bustion process in engine; kW z=9°, A.«l,05
‘C0>
'o.o
<0
Bieżący kąt spalania fOWK]
-1150 obr/min - -1320 obr/min - -1560 obr/min - -1720 obr/min - -1 8 6 0 obr/min
Rys. 4.
Fig. 4.
W pływ zm iany prędkości obrotowej na przebieg procesu spalania kW z=5°, A» 1,05, obc. 25%
An influence o f velocity on com bustion process in engine; kW z=5°, A «l,05, obc. 25%
b) Bieżący kąt spalania fOWK]
Warunki obciążenia:
a) 25%
b) 50%
c) 75%
c) Bieżący kąt spalania fOWK]
- k W z = 5 - k W z = ff — kWz=17-
Rys. 5. W pływ kąta w yprzedzenia zapłonu na przebieg procesu spalania w różnych w arunkach obciążenia silnika; A«l,05
Fig. 5. An influence o f ignition advanced angle on com bustion process in variable loading conditions o f engine; A,« 1,05
Rys. 6. W pływ regulacji składu m ieszanki na przebieg procesu spalania w różnych w arunkach obciążenia silnika: a) obc. 25% , b) obc. 50%
Fig. 6. A n influence o f A /F ratio on com bustion process in variable loading conditions o f engine: a) obc. 25% , b) obc. 50%
O pracow anie w yników w zakresie analizow anych zagadnień sprow adza się do przedstaw ienia zm ian ogólnego obrazu spalania na przykładzie stopnia w ypalenia ładunku.
Przedstaw ione poniżej przykłady prezentują zm iany w przebiegu stopnia w ypalenia ładunku w różnych w arunkach obciążenia (rys.3 i 4) i regulacji silnika (rys.5 i 6).
5. PO D SU M O W A N IE I W N IO SK I
A naliza procesu spalania polegała na obserw acji zm ian stopnia w ypalenia ładunku x w trakcie spalania. Zaobserw ow ano, że w zrost obciążenia (rys.3) p rzy ustalonych nastaw ach regulacyjnych w ydłuża proces spalania nie zm ieniając zasadniczo je g o przebiegu, ja k również m aksym alnego stopnia w ypalenia ładunku. W yjątkiem je s t tutaj praca na biegu jałow ym , gdzie ładunek w ypala się znacznie dokładniej i proces trw a znacznie dłużej.
Trzeba jednak zauw ażyć, że daw ka paliw a na biegu jałow ym je st znacznie m niejsza, niż w pozostałych przypadkach.
W zrost prędkości obrotow ej n (rys.4) pogarsza warunki spalania, szczególnie w górnej części zakresu (powyżej 1600 obr/min). K olejny w ykres (rys.5) przedstaw ia wpływ kąta w yprzedzenia zapłonu k W z na przebieg procesu spalania. Jednoznacznie w ynika z niego, że lepsze param etry spalania uzyskuje się przy wyższych w artościach k ąta (k W z = 12° i 17°).
N ajw iększe zm iany w przebiegu spalania wywołuje regulacja składu m ieszanki (rys.óa i
6b). Stopień w ypalenia ładunku x drastycznie spada po przekroczeniu składu stechiom etrycznego (X>1). Interesujący je st rów nież sam przebieg procesu i czas jego trwania.
Najkrócej trw a spalanie ładunku o proporcjach składników odpow iadających X =l,04+1,07.
D odatkow o obserw ując sam rozw ój procesu, w idać w yraźnie, że spalanie m ieszanek ubogich przebiega następująco: ładunek rozpala się do pew nego stopnia, a następnie nagle gaśnie.
N atom iast m ieszanki w zbogacone (A,<1) rozpalają się, następnie proces stabilizuje się i stopniowo wygasa.
Zaprezentow ane w yniki są efektem obliczeń m odelow ych, dlatego też w warunkach rzeczywistych, w niektórych przypadkach, m ożna spodziew ać się w yższych w artości stopnia w ypalenia m ieszanki, poniew aż m odelow anie nie uw zględnia ew entualnej fazy dopalania ładunku.
L ite ra tu r a
1. K ubica G., Flekiew icz B., W ilk K.: K oncepcja stanow iska i procedury badań silnika gazowego zasilanego układem wtryskowym . W ydaw nictw o P olitechniki K rakowskiej z.7- M /2000. K raków 2000.
2. M aćkowski J., W ilk K.: T he effect o f the m ixture and flam e front initial tem perature on the heat am ount flow ing beetw een zones in the com bustion engine. 1 2th international sym posium on com bustion processes. Bielsko Biała, Poland 1991.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Stefan Postrzednik
A b stra c t
The results o f investigations and analysis an influence o f regulation param eters on com bustion process o f air-gas m ixture in SI engine fuelled by L PG w ere counted in that research. The object o f investigation was PERK INS A D 3.152G . The m ain param eter showing the character o f com bustion process is the heat release ratio x, w hich w as counted w ith the support o f dual-zone m athem atical m odel o f internal com bustion. T he obtained results o f heat
release ratio give possibility to describe preciously this process by others, detailed parameters:
m axim um value o f heat release ratio x, duration o f com bustion period and speed o f com bustion.
A rtykuł stanow i spraw ozdanie z realizacji p ra cy BW -466/R M 10-2/2002.
