P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A W YDZIAŁ M ASZYN R OBOCZYCH I T RANSPORTU
mgr inż. Paweł STOBNICKI
BADAWCZA ANALIZA WTRYSKU PALIWA W ASPEKCIE WŁAŚCIWOŚCI EKOLOGICZNYCH SILNIKA
O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM
PRACA DOKTORSKA
Promotor:
prof. dr hab. inż. Marek IDZIOR
Poznań 2013
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
OŚWIADCZENIE DOTYCZĄCE PROMOCJI PROJEKTU
pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 PO KL realizowanego w latach 2012-2013
Oświadczam, że jestem stypendystą w ramach projektu pt.: „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
I declare that I am a scholarship holder within the project “Scholarship support for PH.D.
students specializing in majors strategic for Wielkopolska’s development”, Sub-measure
8.2.2 Human Capital Operational Programme, co-financed by European Union under the
European Social Fund.
3
Spis treści
Streszczenie ... 5
Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń ... 6
1. WPROWADZENIE I OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PRACY ... 8
2. PROBLEMATYKA TWORZENIA MIESZANKI I SPALANIA W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ... 12
2.1. Konstrukcja współczesnych rozpylaczy układów wtryskowych w silnikach o zapłonie samoczynnym ... 12
2.2. Analiza mechanizmu rozpylenia paliw w odniesieniu do wiedzy literaturowej ... 16
2.2.1. Wprowadzenie ... 16
2.2.2. Makrostruktura rozpylonej strugi paliwa ... 18
2.2.3. Mikrostruktura rozpylonej strugi paliwa ... 20
2.3. Wpływ parametrów wtrysku paliwa na wskaźniki rozpylenia w aspekcie współczesnych badań ... 23
2.4. Interakcje strugi paliwa i ścianki tłoka w silniku o zapłonie samoczynnym podczas wtrysku ... 28
2.5. Analiza procesu spalania paliw ... 32
2.6. Mechanizmy powstawania związków toksycznych ... 37
3. CEL I TEZA PRACY ... 46
4. METODYKA BADAŃ ... 48
4.1. Przedmiot i zakres badań ... 48
4.2. Metodyka badań pozasilnikowych (modelowych) ... 50
4.2.1. Opis stanowiska badawczego ... 50
4.2.2. Warunki badań ... 54
4.3. Metodyka badań silnikowych ... 55
4.3.1. Opis stanowiska badawczego ... 55
4.3.2. Warunki badań ... 61
4.4. Aparatura badawcza ... 62
5. MODELOWE BADANIA INTERAKCJI STRUGI PALIWA NA ŚCIANKĘ TŁOKA ... 67
5.1. Wprowadzenie... 67
5.2. Badania wizualizacyjne jakości rozpylenia paliwa ... 68
5.3. Analiza rozkładu paliwa w komorze spalania, ciśnienia wtrysku oraz przeciwciśnienia powietrza na rozpylenie paliwa ... 71
6. SYMULACYJNA ANALIZA ROZPYLENIA W ASPEKCIE KONTAKTU PALIWA ZE ŚCIANKĄ TŁOKA ... 79
6.1. Warunki przeprowadzenia symulacji (model) ... 79
6.2. Badania symulacyjne interakcji paliwa ze ściankami komory spalania ... 81
4 7. BADANIA SILNIKOWE WPŁYWU USYTUOWANIA WTRYSKIWACZA
NA PRZEBIEG PROCESU SPALANIA I EMISJĘ SKŁADNIKÓW
TOKSYCZNYCH SPALIN ... 96
7.1. Wpływ parametrów wtrysku na procesy cieplne silnika spalinowego ... 96
7.2. Wpływ zmiany warunków rozpylenia paliwa na emisję składników toksycznych spalin w silniku o zapłonie samoczynnym ... 105
8. WNIOSKI I KIERUNKI DALSZYCH PRAC BADAWCZYCH ... 110
Literatura ... 113
Summary ... 120
5
Streszczenie
Przedmiotem rozprawy jest analiza wtrysku paliwa w aspekcie właściwości ekologicznych silnika o zapłonie samoczynnym. Zagadnienie to postanowiono rozwiązać na drodze szczegółowej analizy rozpylenia oleju napędowego.
Przybliżono problematykę zagadnienia dotyczącego konstrukcji współczesnych rozpylaczy układów wtryskowych silników o zapłonie samoczynnym oraz teoretyczne podstawy procesów rozpylenia i spalania paliw. Skupiono się na analizie wpływu poszczególnych parametrów wtrysku na wskaźniki rozpylenia paliwa, jak również interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka w silniku o zapłonie samoczynnym. Omówiono mechanizmy powstawania związków toksycznych spalin.
Sformułowano tezę pracy, w której uznano, że istnieje zależność między parametrami strugi wtryskiwanego paliwa, a emisją związków toksycznych spalin silników o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa.
Weryfikację słuszności przyjętej tezy zrealizowano w trzech zasadniczych etapach badań. Pierwszym z nich były badania modelowe interakcji strugi paliwa na ściankę tłoka.
Analizowano wpływ ciśnienia wtrysku i przeciwciśnienia powietrza na rozpylenie paliwa, a także rozkład paliwa w komorze spalania. Na podstawie badań modelowych stwierdzono, że warunki wtrysku paliwa określone przez ciśnienie wtrysku i przeciwciśnienie powietrza nie wpływają znacząco na obszary komory spalania objęte strugą paliwa przy założeniu niezmienności początku wtrysku. Natomiast usytuowanie wtryskiwacza względem tłoka powoduje znaczne różnice w obszarach komory spalania obejmowanych przez strugę paliwa.
Druga część badań to symulacyjna analiza rozpylenia w aspekcie kontaktu paliwa ze ścianką tłoka. Badania symulacyjne pozwoliły na weryfikację badań modelowych i potwierdziły, że zmiana położenia tłoka, a tym samym początku wtrysku w stosunku do bieżącego położenia tłoka powoduje istotne zmiany w obszarach komory spalania.
Końcowym rezultatem etapu badań silnikowych było określenie wpływu zmiany warunków rozpylenia paliwa na emisję składników toksycznych spalin w silniku o zapłonie samoczynnym. Badania silnikowe zweryfikowały tezę o istnieniu zależności wpływu strugi wtryskiwanego paliwa i ścianki tłoka na procesy przygotowania ładunku i w konsekwencji poprawę warunków jego spalania.
Przedstawione w pracy rezultaty badań potwierdziły możliwość skutecznej poprawy
wskaźników emisyjnych i ukazują, że problem rozprzestrzeniania się paliwa w komorze
spalania w różnych warunkach termodynamicznych, przy zmiennym usytuowaniu
wtryskiwacza względem tłoka, a także wieloczęściowym wtrysku paliwa nie został jeszcze w
pełni rozpoznany i opisany.
6
Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń
Skróty
CAI ang. Controlled Auto Ignition – kontrolowany samozapłon w silniku o zapłonie iskrowym
CFD ang. Computational Fluid Dynamics – program do modelowania procesów zachodzących w silnikach spalinowych
CNG ang. Compressed Natural Gas – sprężony gaz ziemny
CO tlenek węgla
CO
2dwutlenek węgla
Control CR system sterowania pracą wtryskiwacza
CR ang. Common Rail – zasobnikowy system wtrysku do silników ZS FID ang. Flame Ionisator Detector – analizator płomieniowo-jonizacyjny Flex Fuel mieszanka benzyny i etanolu
GMP górne martwe położenie tłoka
GPS ang. Global Positioning System – globalny system lokalizacji
HCCI ang. Homogeneous Charge Compression Ignition – system spalania z zapłonem samoczynnym jednorodnej mieszaniny paliwowo-powietrznej H
2wodór cząsteczkowy
H
2O woda
k-zeta-f model turbulencji ładunku
LIGA ang. German Litographie Galwanoformung and Abformung – proces kształtowania mikrostruktur technik galwanotechnicznych, rentgenowskich oraz technik formownia
MEMS ang. Microelectromechanical System – miniaturowa technika elektromechaniczna
MPI ang. Multi Point Injection – wielopunktowy wtrysk paliwa do kolektora dolotowego
NDIR ang. Non-Dispersive Infrared – analizator działający na zasadzie niedyspersyjnego pochłaniania promieniowania podczerwonego NO tlenek azotu
NO
2dwutlenek azotu NO
Xtlenki azotu
OBD ang. On Board Diagnostic – pokładowy system diagnozowania
ON olej napędowy
PM ang. Particulate Matter – cząstka stała PPM ang. Parts Per Million – cząstki na milion
SMD ang. Sauter Mean Diameter – średnia średnica Sauter’a STPiW stanowisko do testowania pomp i wtryskiwaczy
TDI ang. Turbochaged Direct Injection Engine – turbodoładowany silnik ZS o wtrysku bezpośrednim
THC ang. Total Hydrocarbons – węglowodory całkowite ZI zapłon iskrowy
ZS zapłon samoczynny
7
Oznaczenia i symbole
dQ/dα szybkość wywiązywania ciepła d
ośrednica otworu rozpylającego g
ejednostkowe zużycie paliwa α kąt obrotu wału korbowego α
skąt rozpylenia strugi
λ współczynnik nadmiaru powietrza l
szasięg stożka strugi
α
skąt rozwarcia stożka strugi M
omoment obrotowy
n prędkość obrotowa OWK obrót wału korbowego p
cylciśnienie w cylindrze
p
iśrednie ciśnienie indykowane P
powprzeciwciśnienie powietrza P
wtrciśnienie wtrysku paliwa RH wilgotność powietrza T
ottemperatura otoczenia
t czas
t
wtrczas wtrysku
8
1. WPROWADZENIE I OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PRACY
Silnik spalinowy stanowi główne źródło napędu różnego rodzaju środków transportu, jak również maszyn roboczych. Najliczniejszą populację stanowią jednak środki transportu lądowego. Pojazdy samochodowe są jednymi z kluczowych środków transportu i stanowią bardzo istotny czynnik rozwoju społeczno-gospodarczego większości państw na świecie.
Globalny obszar zastosowania silników spalinowych w różnych obszarach gospodarki narodowej każdego z krajów, należy tłumaczyć licznymi zaletami, jakie silniki te posiadają.
Do najważniejszych z nich możemy zaliczyć wysoką sprawność ogólną, niewielkie rozmiary, łatwość uruchomienia, szybką gotowość do pracy, niezależność od obcych źródeł napędu, a także możliwość wszechstronnego wykorzystania ich do napędu różnych urządzeń. Z prognoz rynkowych wynika, że liczba produkowanych i sprzedawanych pojazdów wyposażonych w silniki spalinowe ciągle wzrasta, a więc należy przewidywać, że silniki te przez wiele lat będą podstawowym źródłem napędu różnego rodzaju środków transportu oraz maszyn [73, 106].
Pomimo wielu zalet, jakie posiada silnik spalinowy, należy jednak zwrócić szczególną uwagę na fakt, że jest on również źródłem niekorzystnego wpływu na środowisko. Związane jest to głównie z emisją związków szkodliwych zawartych w spalinach silników spalinowych [1, 16, 21, 23, 27, 48, 49, 77, 97]. Aktualny rozwój silników spalinowych przede wszystkim zdominowany jest ograniczeniem uciążliwości dla środowiska naturalnego [13, 17, 19, 65, 90]. Najważniejszymi celami w obecnym rozwoju konstrukcji silników spalinowych, jest minimalizacja emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach, zmniejszenie hałasu, jak również wysoka sprawność przekładająca się wprost proporcjonalnie na mniejsze zużycie paliwa [66, 68]. Wszelkie działania, które zmierzają do poprawy parametrów ekologicznych i eksploatacyjnych silników spalinowych uwarunkowane są obowiązującymi, a w szczególności planowanymi normami toksyczności spalin. Wprowadzenie bardziej rygorystycznych limitów zawartych w normach emisji spalin dla pojazdów silnikowych, jest silnym bodźcem rozwoju nie tylko samego silnika spalinowego, ale także całej konstrukcji pojazdu [73, 106].
Współczesne konstrukcje silników spalinowych o zapłonie samoczynnym znacząco różnią się od pierwszego silnika, który został zbudowany przez Rudolfa Diesla w 1897 roku.
Sprawność ogólna takiego silnika wynosiła 26% i była ponad dwukrotnie wyższa od sprawności uzyskiwanych z ówczesnych maszyn parowych [29, 73]. Od tego czasu, głównie dzięki znacznemu postępowi technicznemu, w tym także rozwoju materiałów i elektroniki znacząco poprawiono parametry eksploatacyjne silników o zapłonie samoczynnym oraz zastosowano na szeroką skalę w pojazdach, a w szczególności w pojazdach osobowych.
Nowoczesne konstrukcje silników spalinowych o ZS to moc z 1 dm
3pojemności
skokowej około 60 kW, przy momencie obrotowym niemal 200 Nm. Silniki tego typu są
bardziej ekonomiczne w porównaniu do wcześniejszych rozwiązań konstrukcyjnych, co
przekłada się na mniejsze zużycie paliwa oraz zmniejszenie emisji szkodliwych składników
spalin. Nadal istniejącymi problemami w silnikach o zapłonie samoczynnym w porównaniu
do silników o zapłonie iskrowym są hałas, a także mniejsza elastyczność oraz bardziej
skomplikowana i droższa budowa, co przekłada się na wyższy koszt zakupu [32]. Reasumując
wszystkie zalety oraz wady, należy stwierdzić, że udział tych silników w europejskim rynku
9 samochodowym obecnie stanowi najliczniejszą grupę i w najbliższym czasie sytuacja ta nie ulegnie znaczącej zmianie.
Rys. 1.1. Procentowy udział silników o zapłonie samoczynnym w pojazdach osobowych w Europie w latach 2005–2025 [71]
Z powyższej charakterystyki wynika (rys. 1.1), że udział samochodów z silnikami o zapłonie samoczynnym na świecie miał tendencję wzrostową do 2008 roku, w którym udział ww. pojazdów szacuje się na około 50% całkowitej liczby pojazdów osobowych [71, 106].
Analogiczną tendencję można zaobserwować w Europie, gdzie sprzedaż pojazdów z silnikami o zapłonie samoczynnym zwiększyła się o około 30% w latach od 1991 do 2004 roku.
Współcześnie stosowane są silniki o bezpośrednim wtrysku paliwa do cylindra. Prognozy przewidują, że do 2025 roku około 30% nowo sprzedawanych samochodów osobowych na świecie będą stanowiły pojazdy z konwencjonalnymi układami napędowymi, z silnikami o zapłonie samoczynnym, wyposażonymi w układ zasilania paliwem typu Common Rail.
Podobną tendencję około 30% będą stanowiły pojazdy osobowe z napędami konwencjonalnymi wyposażonymi w silniki o zapłonie iskrowym. Pozostałe 40% to pojazdy o napędach niekonwencjonalnych, w skład których można zaliczyć: pojazdy o napędach hybrydowych, układy napędowe wykorzystujące silniki zasilane paliwami alternatywnymi (CNG/FlexFuel), układy napędowe wykorzystujące silniki realizujące proces spalania ładunku paliwowo-powietrznego o strukturze homogenicznej (HCCI/CAI), a także pojazdy o napędzie elektrycznym [68, 73, 106].
Stosowanie zespołów napędowych pojazdów, które wykorzystują jako źródło napędu
silnik o zapłonie samoczynnym jest ściśle powiązane z ogólnie przyjętą polityką energetyczną
zmierzającą do optymalizacji energetycznej. Działania te prowadzą do zmniejszenia zużycia
paliwa, jak również ograniczenia emisji CO
2do atmosfery. Istotnym problemem silników o
zapłonie samoczynnym poza korzystnymi właściwościami energetycznymi, jest względnie
duża emisją tlenków azotu i cząstek stałych, co w konsekwencji wpływa negatywnie na
10 środowisko naturalne. Następstwem tego jest zaostrzenie obowiązujących norm emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach silnikowych. Sprostanie ustalonym w normach limitom dopuszczalnych wartości emisji dla poszczególnych związków, zmusza konstruktorów do stosowania nowoczesnych metod obniżania emisji. Istotna w aspekcie ekologicznym oraz energetycznym jest także bieżąca kontrola funkcjonowania danych zespołów, podzespołów i elementów silnika, tak aby pojazd spełniał aktualne normy emisji w całym okresie jego eksploatacji [21, 54, 68, 75].
Stale rosnące wymagania stawiane silnikom spalinowym, a przede wszystkim normy emisji spalin sprawiły, że rozwój układów zasilania silników na przełomie ostatnich kilkudziesięciu lat, głównie w zakresie materiałów oraz elektronizacji przyczynił się znacznie do optymalizacji procesu spalania. Aktualne charakterystyki eksploatacyjne osiągane przez silniki spalinowe odpowiadają zapotrzebowaniu użytkowników pojazdów oraz wymogom ekologicznym [29, 50, 52, 53]. Konstrukcja układu wtryskowego, która zapewnia prawidłowe rozpylenie paliwa jest ściśle powiązana z elementami wykonawczymi wchodzącymi w skład wtryskiwacza oraz z dużymi wartościami ciśnienia paliwa doprowadzanego do rozpylacza [20, 31, 40, 51, 55].
Obecnie produkowane układy wtryskowe typu Common Rail, pozwalają na sprostanie wymaganiom stawianym silnikom o zapłonie samoczynnym. Duże ciśnienie wtrysku, a także możliwość sterowania podziałem dawki paliwa w aspekcie modyfikacji przebiegu procesu spalania sprawiły, że układy tego typu zastąpiły konwencjonalne systemy zasilania silników spalinowych o zapłonie samoczynnym, które wykorzystywały tradycyjne rozdzielaczowe pompy wtryskowe, jak również układy z pompowtryskiwaczami. Możliwość kontrolowania sposobu doprowadzenia paliwa do komory spalania w celu optymalnego przebiegu procesu spalania, przy jednoczesnym zachowaniu małej emisji związków szkodliwych, a także zapewnienie wysokich parametrów eksploatacyjnych tj. moment obrotowy i moc, wiąże się z koniecznością bezawaryjnej pracy całego układu w jak najdłuższym okresie jego eksploatacji.
Elementy wchodzące w skład układu zasilania silnika o zapłonie samoczynnym należą do jednych z najbardziej wrażliwych i podatnych na uszkodzenia. Narażone są głównie na uszkodzenia pary precyzyjne, czyli sekcje tłoczące pompy wysokiego ciśnienia oraz rozpylacz. Mając na uwadze istotność pełnionych funkcji w układzie zasilania najważniejszym elementem układu jest rozpylacz. Od poprawności jego działania zależy proces przygotowania paliwa, a także przebieg procesu spalania w cylindrze [66, 88, 96, 110, 112, 118]. Pogorszenie stanu rozpylacza wpływa w negatywny sposób na proces spalania, a także powoduje pogorszenie parametrów eksploatacyjnych oraz ekologicznych silnika spalinowego. Zmniejsza to sprawność ogólną silnika, jak również powoduje zwiększenie emisji szkodliwych składników spalin [65, 75, 89, 90, 102, 108, 109, 111].
W związku z powyższym, przyjęto za przedmiot niniejszej rozprawy analizę wtrysku paliwa w aspekcie właściwości ekologicznych silnika o zapłonie samoczynnym. Zagadnienie to postanowiono rozwiązać na drodze szczegółowej analizy rozpylenia oleju napędowego.
Modelowe badania rozpylenia paliwa wykonane na stanowisku pozasilnikowym, skojarzono z
wynikami pomiarów emisyjnych związków toksycznych spalin silnika o zapłonie
samoczynnym. Uzyskano dzięki temu pewne zależności, które pozwalają na podstawie badań
optycznych rozpylenia paliwa, przewidywać zmiany emisji związków toksycznych spalin.
11 Kolejną zaletą przyjętej metodyki jest ograniczenie badań silnikowych, na rzecz relatywnie tańszych oraz prostszych do wykonania badań optycznych rozpylenia paliwa.
W celu przybliżenia treści rozprawy, poniżej zamieszczono krótką jej charakterystykę.
Praca składa się z ośmiu rozdziałów. W pierwszym przedstawiono genezę tematu pracy.
W rozdziale drugim przybliżono problematykę konstrukcji współczesnych rozpylaczy układów wtryskowych silników o zapłonie samoczynnym, przedstawiono teoretyczne podstawy procesów rozpylenia i spalania paliw. Opisano wpływ parametrów wtrysku na wskaźniki rozpylenia paliwa oraz interakcje strugi paliwa i ścianki tłoka w silniku o zapłonie samoczynnym podczas wtrysku. W rozdziale drugim zawarto ponadto opis mechanizmów powstawania związków toksycznych spalin.
Cel oraz tezę pracy przedstawiono w rozdziale trzecim. Poprzedza je krótkie podsumowanie przeprowadzonej wcześniej analizy literaturowej, która była podstawą do sformułowania celu głównego oraz tezy pracy.
W kolejnym (czwartym) rozdziale przybliżono metodykę badań. Opisano przedmiot i zakres badań, obiekt badawczy, a także wykorzystane stanowiska badawcze. Dodatkowo przedstawiono opis aparatury wykorzystanej podczas badań zarówno modelowych, jak i silnikowych.
Przeprowadzone modelowe badania interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka opisano w rozdziale piątym. Jest on podzielony na dwa główne podrozdziały obejmujące:
badania wizualizacyjne jakości rozpylenia paliwa,
analizę rozkładu paliwa w komorze spalania, ciśnienia wtrysku oraz przeciwciśnienia powietrza na rozpylenie paliwa.
Rozdział kolejny (szósty) obejmuje symulacyjną analizę rozpylenia w aspekcie kontaktu paliwa ze ścianką tłoka z wykorzystaniem oprogramowania AVL Fire 2010.1.
Rozdział siódmy zawiera analizę wyników badań emisyjnych wykonanych na stanowisku silnikowym. Składa się z dwóch zasadniczych podrozdziałów obejmujących badania:
wpływu parametrów wtrysku na procesy cieplne silnika spalinowego,
wpływu zmiany warunków rozpylenia paliwa na emisję składników toksycznych spalin w silniku o zapłonie samoczynnym.
W ostatnim ósmym rozdziale przedstawiono końcowe wnioski wynikające z
przeprowadzonej analizy. Wskazano ponadto kierunki dalszych prac badawczych związanych
z tematyką rozprawy.
12
2. PROBLEMATYKA TWORZENIA MIESZANKI I SPALANIA W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM
2.1. Konstrukcja współczesnych rozpylaczy układów wtryskowych w silnikach o zapłonie samoczynnym
Ciągłemu rozwojowi i wysileniu silników spalinowych o zapłonie samoczynnym towarzyszy rozwój w budowie nowoczesnych układów wtryskowych. Elementem końcowym układu wtryskowego silnika wysokoprężnego jest wtryskiwacz, wyposażony w rozpylacz z odpowiednio ukształtowanymi otworkami wylotowymi, które bezpośrednio wpływają na proces tworzenia strugi rozpylonego paliwa. Rozwój w tej dziedzinie podyktowany jest głównie zmniejszeniem emisji szkodliwych substancji toksycznych, minimalizacją zużycia paliwa, a także ograniczeniem hałasu emitowanego przez silnik spalinowy [32].
Najważniejsze z opisanych obszarów doskonalenia rozpylaczy zostały przedstawione na rysunku 2.1.
Rys. 2.1. Obszary doskonalenia rozpylaczy stosowanych w silnikach o ZS [32]
Dążenia konstruktorów do zwiększania ciśnienia wtrysku przy jednoczesnym wzroście
prędkości obrotowych osiąganych w nowoczesnych silnikach, wraz z koniecznością
zachowania żądanej charakterystyki podczas eksploatacji, skutkują także zwiększeniem
wymagań dotyczących wytrzymałości wtryskiwaczy. Poprawę wytrzymałości rozpylacza
otworowego uzyskuje się dzięki zmniejszeniu masy jego części ruchomych, głównie przez
wyeliminowanie długiego drążka napędzającego iglicę, zminimalizowanie wymiarów
rozpylaczy oraz zmniejszenie sprężyny wtryskiwacza. Korpus rozpylacza wielootworowego
charakteryzuje się grubszą ścianką w okolicy gniazda uszczelniającego w celu zapobiegnięcia
13 wibracji, zwiększenia wytrzymałości mechanicznej, a także odporności na działanie kawitacyjne i erozyjne paliwa. Zmniejszenie emisji węglowodorów uzyskuje się przez zwiększenie ciśnienia wtrysku, minimalizację wszelkich objętości szkodliwych w pompie wtryskowej, a także zaworze tłocznym oraz króćcu wylotowym pompy, jak również w samym wtryskiwaczu, w którym objętości szkodliwe to komora ciśnieniowa i studzienki mające znaczący wpływ na emisję węglowodorów. Jedną z najskuteczniejszych metod ograniczania emisji węglowodorów w postaci odparowującego paliwa pozostałego w studzienkach po wtrysku jest stosowanie rozpylaczy bezstudzienkowych [31].
Obecnie stosowane rozpylacze wielootworowe odznaczają się dużą ilością otworków (głównie 5 i więcej) o zmniejszonych średnicach, których długości wynoszą do 1 mm.
Rozpylacze tego typu charakteryzują się małą objętością studzienki bądź jej całkowitym brakiem, a także zmniejszonymi wymiarami. Przykładem może być silnik 1,9 firmy Volkswagen wyposażony w rozpylacze 5-otworkowe o średnicy 0,184 mm w wersji TDI. W nowych rozwiązaniach korektom poddano także kształt otworków rozpylaczy, zaokrąglając ich krawędzie bądź nadając im pewną stożkowość celem zwiększenia współczynnika natężenia przepływu. Trend do zmniejszania średnicy otworka rozpylacza wynika z potrzeby zachowania pierwotnej wielkości oraz czasu wtrysku dawki paliwa w warunkach coraz to wyższych ciśnień stosowanych w celu zmniejszenia średnicy kropel.
Tendencja do poprawy warunków wymieszania paliwa z powietrzem na drodze rozpylania kropel wtryskiwanego paliwa pod znacznym ciśnieniem wymusza rozwiązanie problemów związanych ze zwiększaniem obciążenia aparatury wtryskowej:
zwiększenie wytrzymałości układu tłoczącego pompy wtryskowej, jak również rozpylacza i zmniejszenie objętości szkodliwych,
zmniejszenie hydraulicznych oporów przepływu paliwa,
możliwość kształtowania przebiegu wtrysku paliwa, czasu jego trwania oraz tzw.
„ostrego” zakończenia wtrysku zapewniającego spadek ciśnienia w układzie większym niż 25 MPa/°OWK,
oraz uzyskanie większych prędkości tłoczenia paliwa przez zastosowanie krzywek o dużych prędkościach wzniosu popychacza.
Efektywne zmniejszenie emisji związków toksycznych wymaga również, poprawy warunków odparowania paliwa, a także zapewnienia odpowiedniego czasu na przygotowanie mieszanki paliwowo-powietrznej. Długość opóźnienia samozapłonu wymaga dostosowania kąta początku wtrysku. Taką możliwość dają aktualnie wszystkie, nowoczesne układy wtryskowe. Układy wtryskowe tego typu pozwalają na zintegrowanie kontroli zarówno nad dawką paliwa, jak również jej przebiegiem. W ostatnich latach zaobserwować można, że większość światowych instytutów, które zajmują się badaniami zjawisk towarzyszących procesom rozpylenia i spalania paliw, prowadzi intensywne badania nad opracowaniem i zastosowaniem w praktyce mikroskopowo obrobionych rozpylaczy wtryskiwaczy silników o zapłonie samoczynnym, pochodzących z produkowanych na skalę przemysłową, systemów wtrysku paliwa. Istotną cechą nowoczesnych rozpylaczy, jest ich zdolność do polepszania charakterystyki przepływowej w silnikach spalinowych o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim, a co za tym idzie minimalizacja emisji szkodliwych składników spalin.
Ciekawą koncepcją jest także idea wykonania miniaturowych rozpylaczy do
wtryskiwaczy silników o zapłonie samoczynnym. Umożliwia to technologia MEMS (Micro
14 Electro Mechanical Systems), która służy do tworzenia elementów o wielkościach 1-100 µm.
Efektem z zastosowania takich mikrowtryskiwaczy jest spadek emisji sadzy połączony z niewielkim wzrostem emisji tlenków azotu [38]. W pracy [7] przedstawiono badania nowo wytworzonej konstrukcji zarówno pod względem wytrzymałościowym, jak również pod względem zachowania się rozpylanej strugi paliwa i jej wpływu na emisję związków toksycznych.
Proces kształtowania mikrostruktur jest bezpośrednio związany z tzw. procesem LIGA (German Litographie Galwanoformung and Abformung), jest on kwintesencją szeroko rozwiniętych technik galwanotechnicznych, rentgenowskich oraz technik formownia.
Omawiany proces LIGA jest bardzo dobrze przystosowany do produkcji ciekłych mikrokomponentów, umożliwia wytwarzanie mikrostruktur z metali o wielkości rzędu kilkuset µm, których wymiary poprzeczne są wielkości zaledwie kilku µm.
Zainteresowanie technologią MEMS znalazło także odzwierciedlenie w problematyce silnikowej, przede wszystkim w badaniach procesu spalania. Japoński uczony Tseng wykładający na uniwersytecie Wisconsin [103] zaproponował wykorzystanie wykonanych przy użyciu tej technologii mikrowtryskiwaczy celem udoskonalenia mieszanki palnej i wzmożenia procesu spalania. Zasada działania tych wtryskiwaczy jest podobna do zasady działania, wykonanych na bazie technologii krzemowej, głowic drukarek atramentowych.
Wtryskiwane kropelki paliwa mogłyby zasadniczo poprawić charakterystykę przepływową danego wtryskiwacza, a także wpłynąć na zmniejszenie emisji związków toksycznych spalin.
Inny uczony Gardner, wykonał na tej podstawie krzemowe, mikroskopowo obrobione, złożone rozpylacze dla wtryskiwaczy silników o zapłonie samoczynnym. Wtryskiwacz tego typu składa się z dwóch płaskich, krzemowych płytek, z otworami służącymi do sterowania przepływem cieczy. Otwór w pierwszej płytce jest przesunięty względem otworu w płytce drugiej. Obszar pomiędzy obydwoma otworami ma zredukowaną grubość, tak aby utworzyć szczelinę dławiącą przepływ. Taki przepływ umożliwia turbulencję oraz dyspersję cieczy korzystną dla rozpylenia paliwa w komorze spalania. W rozwiązaniach tego typu dwa „ścięte”
przepływy są przeciwległe względem siebie, kolidując ze sobą celem zwiększenia dyspersji cieczy.
Synder [99] wykorzystując technologię LIGA opracował gazowe urządzenie do atomizacji cieczy (Gas Efficient Liquid Atomization Device). Jako przykład można przedstawić rozwiązanie rozpylacza o liczbie otworków 4000 przy siedmiomikrometrowej powierzchni, które wytwarzało krople o średnicy mniejszej niż 30 µm, dzięki wykorzystaniu systemu rozdrabniania filmu cieczy wspomaganego gazem. We wszystkich przypadkach testy spalania wykonano z zastosowaniem szybkiej maszyny sprężająco-rozprężającej, której komora spalania jest taka sama jak we współczesnych silnikach o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa.
Otrzymane wyniki doświadczenia przy wykorzystaniu rozpylaczy MEMS z wynikami badań dla rozpylacza konwencjonalnego wykazały, że opóźnienie zapłonu zostało skrócone do około 30%, a maksymalne ciśnienie spalania przy spalaniu kinetycznym oraz okres spalania dyfuzyjnego uległy znacznemu wydłużeniu. Następstwem tego był spadek emisji PM oraz wzrost emisji NO
x.
Wspomniany wcześniej proces LIGA, który zastosowano do wytwarzania rozpylaczy,
składa się z wielu procesów podrzędnych, które oparte są na zaawansowanej technologii
15 naświetlania promieniami rentgenowskimi, galwanotechnicznej technologii nakładania warstw, jak również technikach optycznych. Końcowy produkt składa się w 78% z niklu oraz 22% ze stali. Średnica zewnętrzna płytki wynosi 2,5 mm, a grubość około 300 µm. Otwory znajdujące się w płytkach mają zerowy kąt rozpylenia. Płytki mające pojedynczy otwór wykonano w celu przebadania wpływu średnicy otworu na charakterystykę rozpylania.
Przykład rozpylacza z pojedynczym otworem o wymiarze 40 µm pokazano na rysunku 2.2, natomiast płytkę z czterema otworami o wymiarach 260 µm na rysunku 2.3. Dzięki temu możliwe było porównanie jej charakterystyki ze stosowanymi obecnie rozpylaczami otworkowymi silników o zapłonie samoczynnym. Dodatkowo wykonano rozpylacz z 41 otworami, które miały taką samą powierzchnię przepływu jak rozpylacz z pojedynczym otworem o średnicy 40 µm (rys. 2.4).
Rys. 2.2. Płytka z pojedynczym Rys. 2.3. Płytka z 4 otworami Rys. 2.4. Płytka z 41 otworami otworem okrągłym φ = 40 µm [32] o wymiarze φ = 260 µm [32] o wymiarach φ = 40 µm [32]
Kolejnym nowatorskim rozwiązaniem są próby zastosowania obrotowych wtryskiwaczy w silnikach o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim, umożliwiające sterowanie rozkładem paliwa w komorze spalania (rys. 2.5). Rozwiązanie tego typu zostało opracowane w Internal Combustion Engines w Sztokholmie, a następnie wdrożone do nowoczesnego 4- zaworowego silnika o zapłonie samoczynnym [94, 95].
Rys. 2.5. Schemat wtryskiwacza obrotowego napędzanego silnikiem elektrycznym [94]
Obrotowy wtryskiwacz napędzany silnikiem elektrycznym o mocy około 50 W,
połączony jest z silnikiem za pomocą przekładni zębatej. Wtryskiwacz może obracać się w
obu kierunkach z prędkością około 10 000 obr/min. Rzędowa pompa wtryskowa dostarcza
paliwo do specjalnie skonstruowanego mechanizmu obrotowego, który połączono z wałkiem
umieszczonym bezpośrednio na wtryskiwaczu. Pozwala to na ciągły przepływ paliwa przez
wtryskiwacz. Pomysł ten ma na celu zintensyfikowanie procesu mieszania powietrza i paliwa
(ze znacznym wykorzystaniem powietrza) każdej ze strug podczas rozpylenia przez zmianę
16 kierunku wtrysku. Najważniejszą zaletą zastosowania obrotowych rozpylaczy jest uniknięcie dotrysku paliwa do stref bogatych już w paliwo. Dzieje się tak ze względu na możliwość zmiany kierunku wtrysku dla poszczególnych strug. Dzięki temu możliwa jest redukcja sadzy nawet o około 60%. Ponadto emisja tlenku węgla została zredukowana o około 40%, przy nieznacznym wzroście emisji tlenków azotu o około 10% [116].
Wciąż postępujący rozwój coraz bardziej wysilonych silników spalinowych narzuca konieczność ciągłego ulepszania wtryskiwaczy, których najistotniejszym elementem jest rozpylacz z odpowiednio ukształtowanymi otworkami wylotowymi. W najbliższej przyszłości przewiduje się dalszą intensyfikację badań nad nowoczesnymi rozwiązaniami wtryskiwaczy coraz lepiej spełniającymi ciągle zaostrzane normy emisji substancji szkodliwych spalin.
2.2. Analiza mechanizmu rozpylenia paliw w odniesieniu do wiedzy literaturowej 2.2.1. Wprowadzenie
W procesie spalania paliw w silnikach spalinowych niewątpliwie główne znaczenie wykazuje ich wtrysk i rozpylenie. Za prawidłowe doprowadzenie dawki paliwa do komory spalania odpowiedzialny jest proces wtrysku oraz bezpośrednio z nim powiązany proces migracji paliwa wewnątrz komory spalania, czyli rozpylenie. Rozpylenie jest procesem, który prowadzi do rozpadu cieczy na krople. Większość obecnie znanych teorii rozpylenia dotyczy wypływu cieczy z małymi prędkościami, brak jest natomiast jednoznacznych wyjaśnień na temat wypływu cieczy z dużymi prędkościami, a więc takimi, z jakimi mamy do czynienia podczas wtrysku paliwa w silnikach o zapłonie samoczynnym. Można zatem stwierdzić, że mechanizm rozpylenia paliwa nie został nadal jednoznacznie wyjaśniony. Przyczyną niejednoznacznego stanu wiedzy w tym aspekcie jest przede wszystkim złożoność procesu rozpylenia, na który oddziałuje wiele czynników.
W literaturze przedmiotu dotyczącej teorii rozpylenia istnieje kilka hipotez wyjaśniających mechanizm rozpadu strugi paliwa [78, 116]. Przyjmuje się, że rozpad strugi jest wywołany zaburzeniami występującymi na jej powierzchni, które prowadzą do powstania drgań na powierzchni cieczy wypływającej z rozpylacza. Jako pierwszy teorię tą ogłosił Rayleigh, a następnie została ona potwierdzona badaniami eksperymentalnymi. Źródłem wewnętrznym powstających zaburzeń cieczy są najczęściej zawirowanie cieczy oraz jej gwałtowne rozprężanie. Dodatkowo zaburzenia powstają również na krawędziach otworów wlotowych i wylotowych, a także na nierównościach powierzchniowych podczas przepływu przez otwór. Te czynniki powodują rozpad cieczy ogólnie nazywany pierwotnym. Przyczyny zewnętrzne, które powodują dalszy, wtórny rozpad kropel, wynikają głównie z oddziaływania ośrodka, do którego realizowany jest wtrysk, czyli oddziaływania sił aerodynamicznych.
Takie zjawisko ma miejsce, gdy krople znajdują się w obszarze, w którym panuje zwiększone
ciśnienie dynamiczne gazu. Ciśnienie dynamiczne wzrasta wraz ze wzrostem gęstości gazu
lub ze wzrostem względnej prędkości pomiędzy gazem, a poruszającą się kroplą. Na kroplę
oddziaływują dwie siły: siła aerodynamiczna, a także siła napięcia powierzchniowego. Kropla
traci stateczność i ulega podziałowi, gdy wypadkowa siła zewnętrznego ciśnienia przewyższy
siły napięcia powierzchniowego.
17 Przedstawione teorie dotyczą przede wszystkim stosunkowo małych prędkości wypływu cieczy z rozpylacza. Podczas pracy silnika spalinowego paliwo wypływa z rozpylacza ze znacznie większymi prędkościami, ponadto wypływy te są cykliczne. Istotną cechą charakterystyczną warunków wtrysku paliwa jest ciągła zmienność prędkości wypływu z rozpylacza podczas realizowania wtrysku. Różnorodność zjawisk, które występują w jednej chwili stwarza duże trudności w opisie mechanizmu rozpylenia. Dodatkowo jako czynnik wspomagający pierwotny rozpad strugi podaje się również drgania rozpylacza pochodzące od ruchu iglicy.
Inne teorie przedstawiają, że rozpad cieczy następuje wyłącznie na skutek turbulentnych pulsacji powstałych w rozpylaczu, kolejne że rozpad cieczy jest spowodowany kawitacją. W chwili wypływu paliwa z dużymi prędkościami ciśnienie spada do ciśnienia prężności pary, co w następstwie może wywołać jej parowanie [78].
Większość badaczy zjawiska rozpylenia paliwa przez rozpylacze silników o zapłonie samoczynnym zgodnie twierdzi, że rozpad strugi spowodowany jest głównie zawirowaniami powstającymi w otworze wylotowym rozpylacza. Zawirowania takie wywołane są przez burzliwe pulsacje paliwa z intensywnymi ruchami poprzecznymi jego cząstek. Ponadto rozpylenie jest wspomagane przez siły aerodynamiczne ośrodka, do którego jest realizowany wtrysk paliwa (rys. 2.6). Reasumując należy powiedzieć, że jest to forma rozpadu strugi zbliżona do modelu Rayleigha.
Rys. 2.6. Schemat ideowy mechanizmu rozpadu kropli paliwa pod wpływem oddziaływania aerodynamicznego ośrodka [78]
Oprócz rozpadu podczas wtrysku paliwa zachodzi również odwrotny proces, aglomeracja kropel, w efekcie której mamy do czynienia ze zwiększeniem ich masy oraz średnicy (rys. 2.7). Jest ona wynikiem zderzania się kropel, np. na skutek „doganiania” kropel mniejszych, które poruszają się z mniejszymi prędkościami, przez szybsze i większe krople.
Zjawisko to szczególnie intensywnie można zaobserwować w rdzeniu strugi, gdzie koncentracja paliwa jest największa.
Rys. 2.7. Schemat ideowy mechanizmu aglomeracji i ponownego rozpadu poruszających się kropel [78]
18 Efektem rozpylenia paliwa w komorze spalania silników tłokowych jest powstanie strugi, która swoim kształtem przypomina stożkowy wycinek kuli. Cechą charakterystyczną jest duża niejednorodność wielkości oraz prędkości kropel w strudze stanowiącej typowy zbiór polidyspersyjny. Parametry określające strugę paliwa podzielić można na dwie grupy.
Pierwszą z nich stanowią wielkości opisujące makrostrukturę strugi, tj. zewnętrzny kształt i wewnętrzną strukturę. Zalicza się do nich: kąt rozpylenia, zasięg oraz rozkład cieczy w strudze. Do drugiej grupy zaliczyć należy parametry związane z mikrostrukturą, czyli średnice kropel oraz ich przestrzenny rozkład.
Zasięg strugi oraz kąt rozpylenia są czynnikami decydującymi o rozprowadzeniu paliwa w komorze spalania. Niestety w celu prawidłowego przebiegu procesu spalania optymalizacja ograniczająca się do uwzględnienia tylko tych dwóch parametrów jest niewystarczająca. Dla zapewnienia odpowiedniego współczynnika nadmiaru powietrza uwzględnić należy także rozkład paliwa we wnętrzu strugi. Poza wymienionymi parametrami makrostrukturalnymi, należy również uwzględnić mikrostrukturę strugi, która ma bardzo istotne znaczenie dla przebiegu procesu spalania. Wielkość kropel decyduje o szybkości odparowania paliwa i wpływa na przebieg procesu spalania. Jednoczesne rozpatrywanie wszystkich wymienionych parametrów rozpylenia, a także wzięcie pod uwagę kształtu komory spalania oraz układu dolotowego, pozwala na prawidłowe zrealizowanie systemu spalania.
2.2.2. Makrostruktura rozpylonej strugi paliwa
Zasadniczym z parametrów makrostrukturalnych strugi jest jej zasięg l
s, który określany jest również mianem penetracji. Jest to długość strugi w kierunku osiowym, obejmująca odległość od rozpylacza do czoła strugi (rys. 2.8). Podczas rozpylania paliwa przez rozpylacze silników o zapłonie samoczynnym zasięg strugi zmienia się w czasie, staje się ona coraz dłuższa, co można zauważyć podczas wtrysku paliwa do nieruchomego ośrodka. W warunkach zbliżonych do panujących w cylindrze silnika spalinowego, trudno jednoznacznie ocenić całkowity zasięg strugi, ponieważ krople paliwa są porywane przez zawirowane powietrze.
l
sl
il
cl
dl
p
s’
rdzeń strugi
x v
gRys. 2.8. Schemat strugi paliwa wtryskiwanego do nieruchomego
otoczenia [26, 78] (szczegółowe wyjaśnienie w tekście)
19 Kolejnym parametrem określającym kształt rozpylanego paliwa jest kąt rozpylenia α
s. Kąt rozpylenia α
sjest to kąt wierzchołkowy stożka rozpylonej strugi paliwa, który określa zewnętrzny wymiar strugi kropel. Wyodrębnia się również kąt α', określający strugę w bliskiej odległości od rozpylacza na odcinku l
i. Jest on mniejszy od kąta α
si zmienia się w niewielkim zakresie podczas trwania wtrysku. W rzeczywistości częściej mierzony oraz poddawany analizie jest jednak kąt rozpylenia α
s.
Strukturę strugi paliwa podzielić można na dwa główne obszary. Pierwszy z nich to rdzeń strugi, w którym znajdują się krople o większych średnicach, większej energii kinetycznej oraz poruszające się z dużą prędkością. Obszar drugi, to obszar otaczający rdzeń strugi. Składa się z kropel o mniejszych średnicach, które poruszają się z mniejszymi prędkościami. Obszar ten ma bezpośredni kontakt z otoczeniem i głównie zachodzi w nim mieszanie paliwa i powietrza. W porównaniu z rdzeniem strugi, obszar ten odznacza się zdecydowanie mniejszym stężeniem paliwa.
Bardziej szczegółowy podział uwzględnia następujące obszary strugi (rys. 2.8) [26, 78]:
odcinek początkowy l
i, znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie otworu wylotowego rozpylacza, odznacza się wyraźnym zarysem o kącie rozpylenia α'. Jego długość według różnych źródeł jest szacowana na 10-30 mm,
odcinek mieszania l
c, leżący za odcinkiem początkowym (licząc od rozpylacza), odznacza się kątem rozpylenia α
s, w tym obszarze zachodzą procesy turbulentnego mieszania paliwa i powietrza,
odcinek penetracji l
p, na tym odcinku struga wykazuje podobieństwo do strugi wytwarzanej w sposób ciągły,
odcinek stagnacji l
d, obejmuje czoło strugi spłaszczone w rezultacie oporu aerodynamicznego, odznacza się brakiem stateczności.
Następną wielkością charakteryzującą makrostrukturę rozpylonej strugi paliwa jest przestrzenny rozkład cieczy. Określa się go za pomocą gęstości strumienia cieczy q
s, wyrażonej jako stosunek strumienia objętości cieczy do powierzchni prostopadłej względem osi rozpylacza, bądź jako stosunek strumienia masy do powierzchni. Nierównomierny rozkład paliwa w strudze powoduje, że trzeba rozpatrywać go w trzech kierunkach: promieniowym, osiowym lub obwodowym. Na rysunku 2.9 przedstawiono promieniowe rozkłady gęstości strumienia q
s, prędkości strugi v
soraz temperatury T
s. Przeważnie analizowane są promieniowe rozkłady w kilku przekrojach poprzecznych, natomiast rzadziej rozpatrywany jest rozkład obwodowy. Gdy nie występują zakłócenia rozkład paliwa jest symetryczny względem osi wzdłużnej strugi i przyjmuje kształt zbliżony do krzywej Gaussa [78, 109].
Koncentracja paliwa odznacza się tendencją malejącą w kierunku promieniowym ze
zwiększeniem odległości od osi strugi. W miarę przesuwania się w kierunku czoła strugi
rozkład paliwa staje się coraz bardziej wyrównany. Wyjaśnienie przedstawionego rozkładu
wynika z ogólnie przyjętej teorii rozpadu, według której burzliwość strugi powoduje istnienie,
również składowych prędkości prostopadłych do zasadniczego kierunku wtrysku. Różnice
rozkładu cieczy w strudze, jej prędkości oraz temperatury powiązane są w ścisły sposób
z wielkością kropel. Krople o mniejszych średnicach posiadają tym samym mniejsza masę, co
w konsekwencji skutkuje wytwarzaniem przez nie mniejszej energii kinetycznej. W wyniku
20 oddziaływania oporu aerodynamicznego zostają szybciej wyhamowane, w związku z tym łatwiej poddają się ruchom turbulentnym wynoszącym je na zewnątrz strugi.
v
sx q
s, v
sT
sRys. 2.9. Rozkład gęstości strugi q
srozpylonego paliwa, prędkości osiowej v
soraz temperatury wewnątrz strugi T
s, dla trzech różnych przekrojów promieniowych
strugi (różne odległości od rozpylacza) [78]
Krzywe opisujące zmiany rozkładu paliwa w przekrojach poprzecznych strugi mają charakter zbliżony do profilu osiowej prędkości w strudze. Stąd wynika, że energia kinetyczna strugi skupiona jest przede wszystkim w jej rdzeniu. Krople znajdujące się w czole strugi, rozdrobnione przez opór aerodynamiczny, zostają szybko wyhamowane, a ich miejsce zajmują szybsze oraz znacznie większe krople płynące dotąd z tyłu. Odwrotnie wygląda rozkład temperatury T
sw strudze paliwa. Temperatura osiąga wartości minimalne w rdzeniu, następnie wzrasta w kierunku promieniowym strugi, oczywiście pod warunkiem, że jest ona wtryskiwana do otoczenia o wyższej temperaturze.
Makrostruktura strugi rozpylonego paliwa zależy od szeregu parametrów konstrukcyjnych, jak również eksploatacyjnych układu wtryskowego oraz właściwości ośrodka, do którego realizowany jest wtrysk. Z wielu czynników konstrukcyjnych rozpylacza jednym z ważniejszych jest średnica otworu rozpylającego d
o, przeważnie rozpatrywana łącznie z jego długością l
o, jako stosunek l
o/d
o. Zmiana średnicy tj. zwiększenie otworu wylotowego powoduje zwiększenie kąta rozpylenia oraz zasięgu strugi paliwa [10, 102, 116].
Zasadniczy wpływ na parametry makrostrukturalne ma iloraz długości otworu rozpylającego i średnicy. W badaniach opisanych w pracach [5, 104] zauważono, że przy pewnej jego wartości, która wynosił około 4, kąt rozpylenia jest największy. Zwiększaniu kąta towarzyszy jednoczesne zmniejszenie zasięgu strugi. Za przyczynę takiego zachowania podaje się lepsze ukierunkowanie strugi w dłuższym otworze wylotowym, a tym samym zmniejszenie wewnętrznych zawirowań.
2.2.3. Mikrostruktura rozpylonej strugi paliwa
Wymiary kropel, którymi charakteryzuje się struga rozpylonego paliwa mają podczas
procesu spalania zasadnicze znaczenie. W procesach silnikowych dąży się przede wszystkim
do minimalizacji ich rozmiarów. Małe średnice kropel przyśpieszają odparowanie tworząc
mieszaninę gazową, która umożliwia spalanie kinetyczne, natomiast większe krople w strudze
21 utrudniają proces tworzenia mieszanki palnej. Skutkuje to znacznie wolniejszym w czasie spalaniem dyfuzyjnym. Krople bardzo duże palą się przewlekle jedynie na powierzchni powodując przy tym spalanie niecałkowite, które prowadzi do wzrostu zadymienia.
Zważywszy na niejednorodną postać strugi charakteryzujący się dużym rozrzutem średnic kropel opis jej mikrostruktury jest w dużym stopniu utrudniony. Kolejną przeszkodą może być także liczba kropel. Podczas procesu rozpylenia paliwa w silniku spalinowym przy średniej średnicy kropel wynoszącej 10 µm powstawać może nawet 10
8kropel [78]. Opis mikrostruktury zjawiska, które jest skomplikowane z punktu widzenia pomiaru wykonuje się w sposób opisowy wykorzystując pojęcia dokładności rozpylenia oraz jednorodności strugi.
Pojęcie dokładności rozpylenia informuje o wielkości średnic, przy czym większy stopień rozpylenia odznacza się mniejszymi średnicami kropel. Natomiast jednorodność rozpylenia oznacza odchylenie średnic kropel od przypadku idealnego tzn. większa jednorodność to mniejszy ich rozrzut. W momencie otwarcia iglicy rozpylacza formują się duże krople, które charakteryzują się równocześnie dużym rozrzutem średnic. Znaczna masa kropel zwiększa ich energię kinetyczną, co w konsekwencji prowadzi do wzrostu stopnia penetracji. Dodatkowo pod koniec wtrysku podczas zamykania się iglicy formują się duże krople [28]. Zjawisko to jest bardzo niekorzystne i powoduje niecałkowite spalanie.
W celu graficznego przedstawienia jakości rozpylenia sporządza się charakterystyki procentowego udziału kropel w danym przedziale ich średnic. Wykonanie charakterystyki w postaci statystycznej polega głównie na zmierzeniu średnic kropel w strudze oraz podzieleniu całego zbioru na mniejsze grupy, które odznaczają się określonym przedziałem średnic ∆D
i. Średnice mieszczące się w wyznaczonych granicach przydziela się następnie do grupy o określonym zakresie średnic. Efektem końcowym jest otrzymanie charakterystyki przedstawiającej zależność między liczbą kropel ∆n
iznajdujących się w przedziale ∆D
ioraz średnicę D
iodpowiadającą środkowi każdego i-tego przedziału. Im mniejsza szerokość przedziałów tym analiza jest bardziej dokładna. Każda z rzędnych przedstawionych na wykresie stanowi stosunek liczby kropel danego przedziału do całkowitej liczby kropel.
Przykład charakterystyki rozpylenia zwanej też charakterystyką gęstości prawdopodobieństwa średnic kropel przedstawiono na poniższym rysunku 2.10.
D [m]
[%]
n Δ i
D
Dmin Dmax
(D) fn
i=1 i=m
Rys. 2.10. Charakterystyka rozpylenia z zaznaczoną krzywą rozkładu ilościowego kropel [78]
22 Kolejnym sposobem umożliwiającym określenie jakości rozpylenia jest wykorzystanie w zastępstwie zbioru rzeczywistego teoretycznej strugi, która zawiera w sobie jednorodne krople paliwa. Taki zbiór opisuje się za pomocą wartości umownej – średniej średnicy kropel.
Powinien on posiadać cechy wspólne (liczba, średnica, powierzchnia i objętość kropel) ze zbiorem rzeczywistym. Niestety parametr ten nie pozwala na określenie całego zbioru kropel, co może być postrzegane głównie jako jego wada. Jednak mimo to jest to najbardziej poglądowa wielkość pozwalająca na ocenę jakości rozpylenia [74]. Wykorzystując średnie średnice dokonuje się wszelkich obliczeń związanych z ruchem kropel, wymianą ciepła oraz masy.
Najpopularniejszymi, wykorzystywanymi w badaniach oraz analizach silnikowych są średnica krytyczna kropli oraz średnia średnica Sautera. Średnica krytyczna d
krto maksymalna średnica kropel, które w określonych warunkach wypływu z rozpylacza mogą jeszcze istnieć, podczas gdy wszystkie większe krople powinny już ulec rozpadowi wtórnemu [100]. Posługiwanie się średnicą krytyczną ma uzasadnienie w tym, że czas potrzebny na odparowanie, a także spalanie nie zależy od średnich średnic kropel, lecz jest zdeterminowany obecnością kropel w określonych warunkach o największych średnicach.
Średnica objętościowo-powierzchniowa D
32inaczej określana jest jako średnica Sautera (SMD - Sauter Mean Diameter). Jej przydatność wynika głównie z podobieństwa powierzchni oraz objętości kropel ze strugą rzeczywistą – taka sama sumaryczna powierzchnia i objętość kropel zbioru zastępczego, a także rzeczywistego. SMD to średnica jednorodnego zbioru zastępczego, o tej samej sumarycznej powierzchni oraz objętości, co w zbiorze rzeczywistym.
Wykorzystanie tego parametru pozwala na ujmowanie wielu ważnych procesów, tj. zasięg kropel, wymiana ciepła i masy.
Zwiększenie różnicy pomiędzy ciśnieniem paliwa i przeciwciśnieniem ośrodka powoduje zmniejszenie SMD. Badania opisane w pracy [5] pokazują, że najlepsza jakość rozpylenia tj. najmniejsze średnice kropel uzyskuje się, gdy stosunek l
o/d
owynosi 4.
Przekłada się to także na parametry makrostrukturalne, opisane w poprzednim podrozdziale.
Na wielkość kropel oraz jakość rozpylenia, podobnie jak w przypadku parametrów makrostrukturalnych wpływa także szereg innych czynników [43]. Podzielić je można na dwie grupy: wielkości kontrolowane tj. konstrukcja rozpylacza, właściwości fizykochemiczne paliwa oraz niekontrolowane tj. turbulencja cieczy, drgania itp.
Kolejnym parametrem konstrukcyjnym rozpylacza wpływającym na średnice kropel jest rozmieszczenie otworków. Autorzy prac [24, 62] zajmowali się badaniami rozpylaczy z kanalikami wylotowymi na dwóch poziomach, nieleżących w jednej płaszczyźnie zawierającej oś iglicy. Rozpylacze takie charakteryzujące się mniejszymi średnicami otworków, w porównaniu do rozpylaczy standardowych, pozwalają na uzyskanie porównywalnego zasięgu strugi z mniejszymi SMD. Dodatkową korzyścią było zwiększenie całkowitego (po nałożeniu się strug) kąta rozpylenia.
Na wielkość średnic kropel istotny wpływ ma ciśnienie paliwa i przeciwciśnienie
ośrodka, których wzrost poprawia proces rozpylenia. Występowanie takiej sytuacji tłumaczy
się zwiększeniem burzliwości strugi i wzrostem sił aerodynamicznych ośrodka. Należy jednak
pamiętać, że poprawa rozpylenia następuje tylko do pewnych wartości ciśnienia wtrysku. Z
przeprowadzonych obliczeń autora pracy [47] dotyczących średnich średnic kropel, można
wnioskować, że oddziaływanie na strukturę rozpadu kropli przez wzrost ciśnienia ma
23 charakter asymptotyczny. Powyżej 200 MPa ciśnienie staje się mało skutecznym czynnikiem kształtowania struktury rozpylenia (rys. 2.11).
Rys. 2.11. Wpływ ciśnienia wtrysku na średnie średnice kropel SMD [47]
2.3. Wpływ parametrów wtrysku paliwa na wskaźniki rozpylenia w aspekcie współczesnych badań
Silniki o zapłonie samoczynnym są wiodącymi jednostkami napędowymi w sektorze pojazdów użytkowych oraz stanowią znaczącą część w sektorze pojazdów osobowych.
Analizując wszystkie rodzaje pojazdów, które poruszają się po drogach Unii Europejskiej, można łatwo zauważyć, że do ich napędu najczęściej wykorzystywany jest silnik o zapłonie samoczynnym. Aktualne prognozy przewidują dalszy wzrost udziału tych układów napędowych w nowo produkowanych pojazdach, głównie ze względu na mniejsze zużycie paliwa i przez to łatwiejsze spełnienie limitu emisji CO
2.
Rygorystyczne normy ograniczenia dotyczące emisji związków szkodliwych spalin determinują poszukiwania nowych sposobów ich spełnienia. Z punktu widzenia emisyjności, jednym z najistotniejszych aspektów jest proces tworzenia mieszaniny palnej, który to w bezpośredni sposób wpływa na przebieg spalania. Uzyskanie pożądanego rozpylenie paliwa, możliwe jest zatem dzięki odpowiedniemu sterowaniu parametrami wtrysku. Za główne parametry wtrysku należy przyjąć ciśnienie i dawkę paliwa oraz kąt wtrysku.
Zasadniczy wpływ na wskaźniki pracy silnika, jak również emisję spalin ma ciśnienie wtrysku i związana z tym prędkość wypływu paliwa. Zwiększanie ciśnienia wtrysku powoduje znaczne obniżenie emisji związków toksycznych, przede wszystkim cząstek stałych oraz tlenków azotu. Przy zachowaniu ograniczeń konstrukcyjnych i wytrzymałościowych zależność ta powoduje, że w aktualnie produkowanych silnikach spalinowych wyraźnie widać tendencje do zwiększania ciśnienia wtrysku. Coraz powszechniej stosowane są układy z maksymalnym ciśnieniem wtrysku rzędu 200 MPa i więcej. Są to głównie silniki z wtryskiem bezpośrednim, odznaczające się mniejszym zużyciem paliwa w porównaniu z silnikami z komorami dzielonymi [33].
Aparatura paliwowo-wtryskowa w przypadku silników z wtryskiem bezpośrednim
stawia wyższe wymagania technologiczne i eksploatacyjne, głównie z uwagi na odmienny
przebieg tworzenia mieszaniny palnej oraz związane z tym konsekwencje. Idea ograniczenia
24 poziomu hałasu, emisji tlenków azotu, tlenku węgla, węglowodorów, a także cząstek stałych prowadzi często do wzajemnie przeciwstawnych rozwiązań.
Ogólnie należy stwierdzić, że w określonych warunkach wtrysku paliwa oraz przy danej komorze spalania szybkość narastania ciśnienia ma tendencję spadkową wraz ze zmniejszaniem kąta wyprzedzenia wtrysku. Jednocześnie ulega zmniejszeniu maksymalne ciśnienie i temperatura, czego konsekwencją jest zmniejszona emisja tlenków azotu. Niestety krótszy czas spalania wiąże się przede wszystkim z podwyższoną emisją cząstek stałych. Aby tego uniknąć, należy stworzyć lepsze warunki do mieszania i spalania paliwa przez odpowiednie ukształtowanie komory spalania lub przez modyfikacje układu wtryskowego.
Takie warunki zapewnia zwiększone ciśnienie wtrysku paliwa. Jednocześnie umożliwia ono dalsze opóźnienie wtrysku (skrócony czas opóźnienia samozapłonu). Zwiększenie ciśnienia wtrysku pozwala na lepsze rozpylenie paliwa tylko na krawędzi strugi, powodując przy tym równocześnie głębszą penetrację strumienia, który dociera aż do ścianek komory spalania, wyraźnie zwiększając stopień dymienia, bądź też przy niezmiennej jego wartości obniża maksymalne średnie ciśnienie użyteczne.
Rys. 2.12. Przykładowy wpływ liczby otworków rozpylacza na emisję jednostkową tlenków azotu i zużycie paliwa (ge) [12]
Zmniejszenie średnicy otworków rozpylacza w połączeniu ze zwiększonym ciśnieniem wtrysku w znaczny sposób poprawia rozpylenie całej strugi paliwa, zmniejszając głębokość penetracji, nie powodując przy tym wzrostu dymienia. Dalsze zwiększenie ciśnienia wtrysku wymusza konieczność stosowania większej liczby otworków w badanym rozpylaczu o odpowiednio mniejszej średnicy.
Autor w pracy [33] przedstawia wpływ liczby otworków rozpylacza w danej komorze spalania na emisję tlenków azotu oraz jednostkowe zużycie paliwa (rys. 2.12). Komora była przystosowana do współpracy z rozpylaczem sześciootworkowym. Dla rozpylacza czterootworkowego uzyskano zbyt silne zawirowanie, co w następstwie odbiło się na gwałtownym wzroście emisji tlenków azotu. Stwierdza on zatem, że:
z punktu widzenia ograniczenia zużycia paliwa (g
e= g
emin) istnieje korzystne ciśnienie
wtrysku, które zależy od dawki wtryskiwanego paliwa oraz prędkości obrotowej, ciśnienie
to wynosi dla obecnie produkowanych pojazdów 90-200 MPa,
25
dalsze zwiększenie ciśnienia wtrysku jest możliwe, przy jednoczesnym zachowaniu stałej wartości emisji tlenków azotu, obniżenie emisji cząstek stałych (wiąże się to jednak ze zwiększonym dp/dα),
istnieje wzajemny ścisły związek między emisją cząstek stałych, tlenków azotu oraz jednostkowym zużyciem paliwa i nie jest możliwa równoczesna poprawa wszystkich tych parametrów przez zwiększanie ciśnienia wtrysku (rys. 2.13).
Rys. 2.13. Zależność emisji cząstek stałych oraz tlenków azotu od wybranych wskaźników [12]
Na poniższym rysunku 2.14 autorzy prezentują przykładowe wyniki badań zmiany zasięgu strugi dwóch rozpatrywanych paliw tj. oleju rzepakowego oraz oleju napędowego w funkcji czasu, dla ciśnień wtrysku 40 i 70 MPa.
Rys. 2.14. Zasięg strugi oleju rzepakowego i oleju napędowego w funkcji czasu wtrysku dla ciśnień wtrysku wynoszących odpowiednio 40 i 70 MPa [87]
Z interpretacji krzywych wynika, że wpływ zwiększenia ciśnienia wtrysku na czas osiągnięcia ścianki komory spalania w przypadku oleju napędowego jest niezauważalny. Odwrotną sytuację zaobserwowano podczas wtrysku oleju rzepakowego, gdzie zwiększenie ciśnienia wtrysku z 40 do 70 MPa, skutkowało zmniejszeniem czasu wymaganego do osiągnięcia ścianki komory spalania z około 0,8 ms do około 0,5 ms, czyli o 38%.
Wpływ czasu i ciśnienia wtrysku na zasięg oraz pole powierzchni strugi wtryskiwanego
paliwa przedstawiono na rysunku 2.15. Według autorów artykułu [113] dla obu
26 analizowanych ciśnień wtrysku oraz dla czasu wtrysku 0,5 ms, zasięg strugi w początkowej fazie wtrysku jest taki sam, a różnica może osiągać wartość na poziomie około 40%.
Powierzchnia strugi jest tym większa, im większy jest czas wtrysku oraz ciśnienie.
Rys. 2.15. Wpływ czasu wtrysku i ciśnienia wtrysku na zasięg i pole powierzchni strugi paliwa [113]
Kolejnym istotnym parametrem, który służy do oceny jakości rozpylenia paliwa jest kąt wierzchołkowy strugi wtryskiwanego paliwa (rys. 2.16).
Rys. 2.16. Kąt wierzchołkowy strugi oleju rzepakowego i oleju napędowego w funkcji czasu wtrysku dla ciśnień wtrysku wynoszących odpowiednio 40 i 70 MPa [87]
Na powyższym rysunku przedstawiono zmiany kąta wierzchołkowego strugi oleju rzepakowego i oleju napędowego dla ciśnień wtrysku 40 i 70 MPa. Dla pierwszego paliwa tj.
oleju napędowego, podczas zwiększenia ciśnienia wtrysku nie odnotowano zauważalnego zwiększenia kąta wierzchołkowego strugi. Natomiast odwrotna sytuacja została odnotowana dla drugiego paliwa tj. oleju rzepakowego, gdzie zwiększenie ciśnienia wtrysku spowodowało wyraźne zwiększenie kąta wierzchołkowego strugi.
-50 25 100 175 250
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 500 1000 1500 2000 2500
Pole powierzchni strugi [mm2]
Zasięg strugi [mm]
Czas wtrysku [ms]
CR-diesel oil; Pinj=50 MPa; Pback=3.0 MPa; t-inj=0.5 ms CR-diesel oil; Pinj=50 MPa; Pback=3.0 MPa; t-inj=0.3 ms CR-diesel oil; Pinj=80 MPa; Pback=3.0 MPa; t-inj=0.3 ms CR-diesel oil; Pinj=80 MPa; Pback=3.0 MPa; t-inj=0.5 ms
Zasięg strugi Pole powierzchni strugi
