Mgr in. Marcin Noga Politechnika Krakowska Wydzia Mechaniczny Instytut Pojazdw Samochodowych i Silnikw Spalinowych

ROZPRAWA DOKTORSKA

WPYW ZASTOSOWANIA DWUWTRYSKIWACZOWEGO UKADU ZASILANIA NA PARAMETRY ROBOCZE SILNIKA SPALINOWEGO

Promotor: Prof. dr hab. in. Bronisaw Sendyka

Krakw 2010

Serdecznie dzikuj Panu Prof. dr hab. in. Bronisawowi Sendyce, Promotorowi mojej pracy doktorskiej, za umoliwienie mi realizacji podjtego tematu i nieocenion pomoc w tworzeniu niniejszego opracowania. Autor

Spis treci:Zestawienie uytych w tekcie skrtw i oznacze............................................................ 4

Rozdzia 1. Wprowadzenie............................................................................................................... 71.1. Ukady wtrysku benzyny.............................................................................................. 7 1.2. Rys historyczny zastosowania ukadw wtrysku paliwa do zasilania silnikw o zaponie iskrowym.................................................................. 9 1.3. Bezporedni wtrysk benzyny w silnikach wspczesnych........................................... 13 1.4. Dwuwtryskiwaczowy ukad zasilania paliwem oparty na systemie wtrysku bezporedniego i do kanau dolotowego..................................... 16

Rozdzia 2. Zaoenia pracy doktorskiej..................................................................................... 252.1. Cel pracy....................................................................................................................... 25 2.2. Teza naukowa pracy..................................................................................................... 25 2.3. Zakres pracy..................................................................................................................25 2.3. Nowo i oryginalno pracy........................................................................................26

Rozdzia 3. Stanowisko badawcze.................................................................................................. 273.1. Obiekt bada i uyta aparatura pomiarowa.................................................................. 27 3.2. System sterowania ukadem paliwowym silnika.......................................................... 35

Rozdzia 4. Badania symulacyjne...................................................................................................394.1. Symulacja pracy silnika badawczego przy uyciu programu KIVA-3V......................39 4.2. Obiekt bada symulacyjnych........................................................................................ 43 4.3. Warunki pocztkowe oblicze......................................................................................45 4.4. Porwnanie wybranych rezultatw symulacji uzyskanych dla dwch systemw zasilania...................................................................................... 46 4.5. Podsumowanie efektw prac symulacyjnych............................................................... 56

2

Rozdzia 5. Badania stanowiskowe................................................................................................ 575.1. Wstp............................................................................................................................ 57 5.2. Wpyw zastosowania zasilania dwuwtryskiwaczowego na osigi i zuycie paliwa............................................................................................ 60 5.3. Skad spalin przy zasilaniu dwuwtryskiwaczowym..................................................... 69 5.4. Wpyw zastosowania zasilania dwuwtryskiwaczowego na proces spalania adunku........................................................................................... 81 5.4.1. Wpyw rodzaju zasilania paliwem na przebieg wykresu indykatorowego silnika oraz na wskaniki pracy bezporednio z nim zwizane.. 82 5.4.2. Wpyw zastosowanego sposobu zasilania paliwem na szybko spalania adunku 88

Rozdzia 6. Analiza bdw pomiarw......................................................................................... 936.1. Bdy pomiarw............................................................................................................93 6.2. Metoda rniczki zupenej............................................................................................95 6.3. Oszacowanie bdu wyznaczania sprawnoci oglnej................................................. 96

Rozdzia 7. Wnioski z pracy............................................................................................................. 98 Rozdzia 8. Dalsze prace zwizane z tematyk pracy............................................................. 99 Rozdzia 9. Literatura .......................................................................................................................100

3

Zestawienie uytych w tekcie skrtw i oznacze 10% 90% ign thr o r s psp psp pV pc o pinj y o c p ot pal pal A B ang., z Cd CO CO2 kt obrotu wau korbowego, [] kt osignicia 10% udziau masowego adunku spalonego, [OWK] kt osignicia 90% udziau masowego adunku spalonego, [OWK] kt zaponu, [OWK] stopie otwarcia przepustnicy, [%] kt cakowitego spalania, [OWK] kt rozwoju pomienia, [OWK] kt szybkiego spalania, [OWK] przyrost cinienia zwizany z procesem spalania, [MPa] skorygowany przyrost cinienia zwizany z procesem spalania, [MPa] zmiana cinienia wynikajca ze zmiany objtoci przestrzeni roboczej, [MPa] przyrost cinienia indykowanego, [MPa] zmiana sprawnoci oglnej przy zasilaniu dwuwtryskiwaczowym, [%] bd wyznaczenia sprawnoci oglnej, [-] rnica cinie paliwa i orodka, do ktrego jest ono wtryskiwane, [Pa] bd bezwzgldny pomiaru, [-] sprawno oglna silnika, [-] sprawno cieplna silnika, [-] amplituda fali cinienia w momencie rozpadu kropli, [m] amplituda fali cinienia przed rozpadem kropli, [m] wspczynnik nadmiaru powietrza, [-] gsto otaczajcego gazu, [kg/m3] gsto paliwa, [kg/m3] wspczynnik lepkoci kinematycznej paliwa, [Pas] wzgldna prdko pomidzy gazem i strumieniem cieczy, [m/s] napicie powierzchniowe paliwa, [N/m] staa odniesiona do geometrii wtryskiwacza staa zalena od cech uytego wtryskiwacza z jzyka angielskiego wspczynnik wypywu wtryskiwacza, [-] objtociowy udzia tlenku wgla w spalinach, [%] objtociowy udzia dwutlenku wgla w spalinach, [%] 4

DI+MPI

dc dpc/d dxb/d D-4 D-4S DC DI DMP FSI FT ge Ge GeDI GDI GMP h HC HP k K Kc l LOB LOM LP n max min minj Mo MPI Ni Nc

rednica cylindra, [mm] szybko przyrostu cinienia, [MPa/OWK] szybko spalania adunku w cylindrze, [%masy/ OWK] ukad bezporedniego wtrysku benzyny firmy Toyota ukad wtrysku paliwa firmy Toyota z dwoma wtryskiwaczami na cylinder z ang. Direct Current prd stay z ang. Direct Injection wtrysk bezporedni dolne martwe pooenie toka z ang. Fuel Stratified Injection wtrysk paliwa z uwarstwieniem adunku zbiornik paliwa jednostkowe zuycie paliwa, [g/kWh] cakowite godzinowe zuycie paliwa, [kg/h] godzinowe zuycie paliwa przez ukad wtrysku do cylindrw, [kg/h] z ang. Gasoline Direct Injection bezporedni wtrysk benzyny grne martwe pooenie toka grubo strumienia paliwa wypywajcego z dyszy wtryskiwacza, [m] objtociowy udzia nieopalonych wglowodorw w spalinach, [ppm] z niem. Hochdruck Einspritzventil - wtryskiwacz wysokocinieniowy wysokocinieniowa pompa paliwa wykadnik politropy, [-] krt (moment pdu) adunku wzgldem danej osi ukadu, [gcm2/s] cakowity krt adunku, [gcm2/s] dugo korbowodu, [mm] liczba oktanowa paliwa okrelona metod badawcz, [-] liczba oktanowa paliwa okrelona metod motorow. [-] pompa paliwa niskocinieniowa prdko obrotowa wau korbowego silnika, [obr/min] maksymalny minimalny masa dawki paliwa, [mg] moment obrotowy, [Nm] z ang. Multi-point Injection wtrysk do przewodw dolotowych moc indykowana, [kW] strumie ciepa dostarczonego do silnika wraz z paliwem, [kW] 5

HDEV

NDIR NO OWK pc pdol pe pi pot PFI r rdr s SPI

z ang. Non-Dispersive Infrared nie rozproszony strumie podczerwieni objtociowy udzia tlenku azotu w spalinach, [ppm] z jzyka niemieckiego obrotu wau korbowego cinienie w przestrzeni roboczej cylindra silnika, [MPa] cinienie bezwzgldne w kolektorze dolotowym, [MPa] rednie cinienie efektywne, [MPa] rednie cinienie indykowane, [MPa] cinienie otoczenia (bezwzgldne), [MPa] z ang. Port Fuel Injection wtrysk do przewodw dolotowych promie wykorbienia, [mm] promie kropli paliwa przed rozpadem, [m] skok toka, [mm] z ang. Single Point Injection jednopunktowy wtrysk paliwa z ang. Super Ultra Low Emission Vehicle - pojazd o szczeglnie niskiej emisji szkodliwych skadnikw spalin czas, [s] czas wtrysku, [ms] temperatura otoczenia, [K] temperatura w cylindrze silnika, [K] temperatura spalin, [C] z ang. Throttle Body Injection wtrysk paliwa przed przepustnic napicie wyjciowe kontrolera sondy lambda, [V] prdko strumienia paliwa wypywajcego z dyszy wtryskiwacza, [m/s] objto komory spalania, [cm3] objto skokowa silnika, [dm3] objto przestrzeni roboczej cylindra, [cm3] warto opaowa paliwa, [kJ/kg] udzia masowy adunku spalonego (spalin), [-] udzia dawki paliwa wtrysku bezporedniego w caej dawce paliwa, [-] wynik pomiaru, [-] odksztacenie kropli paliwa (w odniesieniu do promienia kropli), [-] rzeczywista warto wielkoci mierzonej, [-] wielko poszukiwana, [-] 6

niem., z

SULEV t tinj Tot Tc tspal TBI UA vinj Vks Vss Vc Wd xb xDI y ydr y0 z

Rozdzia 1. Wprowadzenie1.1. Ukady wtrysku benzyny Rozwj systemw wtrysku paliwa jako ukadw zasilania silnikw o zaponie iskrowym rozpocz si niemale rwnolegle z wynalezieniem i opatentowaniem wspomnianego rda napdu w drugiej poowie XIX wieku. Przez dugie lata w systemach zasilania paliwem dominowa ganik, jako urzdzenie prostsze, tasze, pewniejsze w dziaaniu i pozbawione swoistych problemw natury technologicznej i materiaowej w porwnaniu z pierwszymi ukadami wtrysku benzyny. Ganiki, nawet w najbardziej rozwinitych formach, odznaczay si cechami, ktre ograniczay w pewnym stopniu osigi silnikw. Dynamiczny rozkwit przemysowy, w tym i motoryzacji, spowodowa, e z czasem niebagatelnego, wrcz priorytetowego, znaczenia nabra aspekt Spowodowao to, w poczeniu emisji szkodliwych skadnikw spalin i dwutlenku wgla przez pojazdy napdzane silnikami spalinowymi. rozwojem i spadkiem cen elektronicznych ukadw sterowania, wyparcie ganika jako podstawowego elementu ukadu zasilania silnikw o zaponie iskrowym na rzecz ukadw wtrysku benzyny. Pocztkowo byy to systemy prostsze, oparte na dostpnej wczenie elektronice analogowej lub ze sterowaniem mechanicznym, czy mechaniczno-hydraulicznym. W nastpnych latach zaczto stosowa coraz bardziej zaawansowane ukady sterowania wtryskiem paliwa oparte na technice cyfrowej, zintegrowane z ukadami zaponowymi oraz innymi pomocniczymi, jak np. ukad recyrkulacji spalin, czy te zmiennych faz rozrzdu. Obecnie kompleksowy ukad zarzdzajcy prac silnika jest poczony sieci komputerow ze sterownikami innych urzdze obecnych w samochodzie takich, jak ukad zapobiegajcy blokowaniu k przy hamowaniu, ukad kontroli trakcji, system stabilizacji toru jazdy. Umoliwia to niezbdn wrcz korelacj dziaania wspomnianych urzdze. Niezalenie od stopnia zaawansowania ukadu sterowania wtryskiem paliwa, ze wzgldu na miejsce podawania paliwa wyrni mona nastpujce systemy: przed przepustnic powietrza, jednomiejscowo, wsplnie dla wszystkich cylindrw tzw. wtrysk jednopunktowy, z ang. TBI Throttle Body Injection lub SPI Single Point Injection (Rys. 1.1 a) do indywidualnych przewodw dolotowych kadego cylindra tzw. wtrysk wielopunktowy, z ang. PFI Port Fuel Injection lub MPI Multipoint Injection (Rys 1.1 b) 7

bezporednio do przestrzeni roboczej kadego cylindra, tzw. wtrysk bezporedni, najbardziej rozpowszechniony w literaturze skrt GDI pochodzi od anglojzycznego terminu Gasoline Direct Injection (Rys. 1.1 c).

Rys. 1.1. Podzia ukadw wtrysku benzyny ze wzgldu na miejsce dawkowania paliwa[42]: a) wtrysk jednopunktowy, b) wtrysk wielopunktowy, c) wtrysk bezporedni; 1 Dopyw paliwa, 2 Dopyw powietrza, 3 Przepustnica, 4 Kolektor dolotowy, 5 Wtryskiwacz (lub wtryskiwacze) paliwa, 6 Silnik Znany jest rwnie system czcy w sobie cechy ukadw typu MPI i GDI. Ukad zasilania paliwem D-4S zaprezentowany w 2005 roku przez koncern Toyota odznacza si tym, e na kady cylinder silnika przypadaj dwa wtryskiwacze. Jeden z nich dawkuje paliwo do przestrzeni roboczej cylindra, a drugi przed zawory dolotowe. Zastosowanie tak rozbudowanego ukadu zasilania owocuje wzrostem osigw silnika i ograniczeniem jego zapotrzebowania na paliwo w porwnaniu do podobnej jednostki z wtryskiem paliwa tylko przed zawory dolotowe.

8

1.2. Rys historyczny zastosowania ukadw wtrysku paliwa do zasilania silnikw o zaponie iskrowym Historia zastosowania wtrysku paliwa w silnikach o zaponie iskrowym jako alternatywy dla bardzo niedoskonaego wtedy ganika ma pocztek ju na przeomie XIX i XX stulecia. Za pierwsz prb uycia wtryskowego ukadu zasilania w silniku ZI uznaje si rok 1898, kiedy to firma Deutz zastosowaa suwakow pomp wtryskow do swojej stacjonarnej jednostki napdowej zasilanej naft. Ganika nie mia te przedstawiony na Rys. 1.2 silnik pierwszego w dziejach ludzkoci samolotu [33]. System zasilania silnika samolotu braci Orvillea i Wilbura Wright z 1903 roku mona uzna za prosty, bezpompowy ukad wtrysku paliwa lekkiego [43].

Rys. 1.2. Przekrj anatomiczny silnika samolotu Orvillea i Wilbura Wright z 1903 roku Implementacja zwki Venturiego do ganika w nastpnych latach oraz trudnoci materiaowe i technologiczne ograniczyy na okoo dwie dekady rozwj wtryskowych ukadw zasilania w silnikach o zaponie iskrowym. Ch uzyskania lepszego objtociowego wskanika mocy, ni w przypadku zasilania za pomoc ganika spowodowaa, e powrcono do idei wtrysku paliwa. Sprawio to, i pierwsze silniki z wtryskiem benzyny zastosowano do napdu pojazdw jeszcze przed wybuchem II Wojny wiatowej. Jak wiadomo zastosowanie takiego rozwizania wpywa m.in. na popraw wspczynnika napenienia cylindra w porwnaniu z zasilaniem ganikowym, co ma bezporednie przeoenie na osigi silnika. 9

W 1930 roku system wtrysku paliwa otrzyma wycigowy motocykl Guzi, natomiast w latach odpowiednio 1937 i 1938, samochody Lancia i DKW [36]. adna z tych konstrukcji nie doczekaa si jednak produkcji seryjnej. W przemyle lotniczym rozwj systemw wtrysku paliwa lekkiego nastpi tu przed i w czasie II Wojny wiatowej, gwnie za spraw firmy Bosch, ktra od 1912 roku prowadzia prace badawcze nad pomp ukadu wtrysku benzyny [15]. W lotnictwie bardzo istotne znaczenie nabierao zjawisko oblodzenia ganika oraz problemy z zapewnieniem przez ganik odpowiedniej jakoci mieszanki podczas wykonywania ewolucji powietrznych z duymi przecieniami. Wad tych pozbawione byy w duej mierze silniki z wtryskiem paliwa do cylindra. Za pierwszy na wiecie taki silnik uznaje si jednostk Junkers Jumo 210G opracowan w poowie lat 30 ubiegego stulecia i zastosowan w 1937 roku w jednej z wersji rozwojowych samolotu myliwskiego Messerschmitt Bf-109[62]. Innymi przykadami silnikw lotniczych z bezporednim wtryskiem paliwa z okresu II Wojny wiatowej s niemiecki Daimler-Benz DB 601 oraz radziecki Szwiecow ASz-82FN (stosowano rwnie oznaczenie M-82FN), ktry stanowi rozwinicie konstrukcji amerykaskiego Wright R-1820 Cyclone [19]. Aparatura wtryskowa tego silnika zostaa skopiowana ze zdobytego przez Rosjan w 1942 r. niemieckiego silnika BMW-801. Po wojnie czyniono prby zastosowania wtrysku paliwa do cylindra silnikw dwusuwowych celem ograniczenia strat paliwa w procesie przepukiwania cylindra. Dwusuwowe silniki o zaponie iskrowym z mechanicznym systemem wtrysku paliwa do cylindra zastosowano w produkowanych w latach 50 XX wieku maych niemieckich samochodach Borgward Goliath GP700 i Gutbrod Superior 600, jednak bez wikszego powodzenia [36]. Co prawda samochd Goliath GP700 z silnikiem o bezporednim wtrysku paliwa zuywa o okoo 20 do 30% mniej paliwa i mia o 18% wiksz moc maksymaln, ni wersja pojazdu z silnikiem zasilanym za pomoc ganika, jednak komponenty ukadu wtryskowego byy do drogie w produkcji i nie cechoway si odpowiedni niezawodnoci. Uznaje si natomiast, e wspomniane samochody byy pierwszymi w historii seryjnie produkowanymi, w ktrych zastosowano silniki o bezporednim wtrysku benzyny. W przemyle samochodowym czterosuwowe silniki z wtryskiem benzyny zastosowano po raz pierwszy seryjnie w sportowym samochodzie Mercedes-Benz 300 SL w roku 1955 [45]. Na Rys. 1.3 przedstawiono przekrj komory spalania ww. samochodu. Na rysunku widoczne jest umiejscowienie wtryskiwacza oraz wiecy zaponowej.

10

Rys. 1.3. Przekrj komory spalania silnika M198 stosowanego w Mercedesie 300SL [81] W ukadzie wtrysku paliwa silnika M198 zastosowano rzdow pomp wtryskow firmy Bosch, podobn do stosowanych w silnikach o zaponie samoczynnym. Rozwizanie to byo jednak na wczesne czasy zbyt kosztowne, nawet do tak drogich samochodw, i Mercedes zaprzesta produkcji silnikw z bezporednim wtryskiem benzyny w pierwszej poowie lat szedziesitych. W nastpnych czterech dekadach rozwojowi podlegay gwnie mniej kosztowne ukady wtrysku poredniego. W roku 1956 Stanach Zjednoczonych firma Bendix opracowaa pierwszy elektronicznie sterowany ukad wtrysku paliwa przed przepustnic o nazwie Ejectrojector [20]. W nastpnym roku znalaz on zastosowanie w samochodzie Rambler Rebels. Opracowanie koncernu Bendix rozwijano w Niemczech od 1958 roku, co doprowadzio do stworzenia elektronicznego systemu wtrysku okresowego przed zawr dolotowy Bosch D-Jetronic, ktry w seryjnej produkcji stosowano w samochodach marki Volkswagen od 1967 roku[50]. Lata siedemdziesite zeszego stulecia to rozwj systemw wtrysku benzyny, zarwno okresowego sterowanego elektronicznie, jak i cigego ze sterowaniem mechanicznohydraulicznym. W latach osiemdziesitych, gdy coraz wikszego znaczenia nabiera aspekt emisji szkodliwych skadnikw spalin przez silniki samochodowe, a cena systemw sterowania elektronicznego systematycznie spadaa, proste ukady wtrysku jednopunktowego zaczy by stosowane rwnie w maych, tanich samochodach. Nie wytrzyma te prby czasu tzw. ganik elektroniczny, jako urzdzenie kosztowniejsze, bardziej zawodne i zdecydowanie trudniejsze w obsudze od ukadw wtrysku benzyny.

11

Badania nad elektronicznymi ukadami wtrysku benzyny dla silnikw z zaponem iskrowym prowadzono w tym czasie rwnie w Polsce. Pod koniec lat osiemdziesitych elektronicznie sterowany ukad wtrysku przed przepustnic do samochodu Polonez opracowano w Instytucie Pojazdw Samochodowych i Silnikw Spalinowych Politechniki Krakowskiej [38]. Niestety, na pocztku nastpnej dekady do seryjnej produkcji wdroono w warszawskiej Fabryce Samochodw Osobowych licencyjne rozwizanie holenderskiej firmy Abimex adaptowane z ukadu wtrysku General Motors Multec TBI-700. Ostatni dekad ubiegego stulecia mona uzna ju za ostateczny zmierzch ganika, jako urzdzenia, ktre dominowao przez ok. 100 lat w ukadach zasilania silnikw o zaponie iskrowym. Obecnie ganik spotka mona jedynie w motorowerach, motocyklach, w silnikach uywanych do napdu sprztu ogrodniczego, w maych silnikach odziowych, czy mniejszych maszynach budowlanych i drogowych. Zaprzestano te produkcji ukadw cigego wtrysku paliwa sterowanego mechaniczno-hydraulicznie. Ze wzgldu na sukcesywne wprowadzanie coraz to ostrzejszych przepisw dotyczcych czystoci spalin, systemy wtrysku centralnego musiay ustpi miejsca ukadom wielopunktowego wtrysku poredniego nawet w jednostkach napdowych najmniejszych samochodw. Taki stan rzeczy obowizuje w zasadzie od koca 2000 roku, kiedy to zaczy w Unii Europejskiej obowizywa przepisy normy EURO III bdcej regulacj prawn emisji poszczeglnych skadnikw toksycznych spalin przez samochody. W drugiej poowie lat 90 za spraw firmy Mitsubishi w sprzeday pojawiy si ponownie samochody, ktrych silniki zasilane byy za pomoc wtrysku bezporedniego i temu zagadnieniu powicony zosta podrozdzia 1.3.

12

1.3. Bezporedni wtrysk benzyny w silnikach wspczesnych W przypadku ukadw bezporedniego wtrysku benzyny mona zaryzykowa stwierdzenie, e ich renesans rozpocz si w roku 1996, kiedy to japoski koncern Mitsubishi wprowadzi do sprzeday model Carisma z silnikiem 4G93 GDI o objtoci skokowej 1.8 dm3. Silnik ten naley uzna za pierwsz seryjnie produkowan jednostk napdow o zaponie iskrowym z elektronicznie sterowanym bezporednim wtryskiem paliwa. Innowacyjno tego rozwizania sprawia, e dysponowana moc i moment maksymalny wzrosy o 10%, a przebiegowe zuycie paliwa zmalao o 20% w odniesieniu do wczeniej stosowanego silnika z zasilaniem paliwem za pomoc wtrysku do przewodw dolotowych. Wspomniana wyej redukcja zuycia paliwa moliwa bya dziki zastosowaniu systemu spalania uwarstwionych mieszanek ubogich powietrza z paliwem w zakresie czciowych obcie i niskich oraz rednich prdkoci obrotowych silnika. adunek uwarstwiony tworzony by wedug modelu wall-guided, co na jzyk polski mona tumaczy jako powierzchniowe prowadzenie mieszanki [49]. Oznacza to, e struga paliwa wtrynitego w odpowiedniej chwili suwu sprania odbija si od specjalnego wgbienia w denku toka. Dziki temu w okolice elektrod wiecy zaponowej trafia mieszanka lekko wzbogacona w stosunku do skadu stechiometrycznego, o wspczynniku 0,9, pozwalajca na skuteczny zapon i szybkie rozprzestrzenianie si pomienia w pozostaej czci komory spalania. adunek jest tam zdecydowanie uboszy, ma skad daleko przekraczajcy granice zapalnoci w klasycznym systemie spalania [45] tak, e np. praca silnika na biegu luzem zachodzi przy spalaniu mieszanek o globalnym wspczynniku nadmiaru powietrza = ok. 2.5. Wraz ze zwikszaniem obcienia mieszanka jest globalnie wzbogacana. Regulacja mocy w trybie pracy z adunkiem uwarstwionym ma wic charakter jakociowy [47]. Praca silnika z duymi obcieniami i przy duej prdkoci obrotowej cechuje si tym, e paliwo dawkowane jest ju podczas suwu dolotu, co pozwala na wytworzenie homogenicznej mieszanki palnej, podobnie jak to ma miejsce w silniku zasilanym za pomoc wtrysku paliwa przed zawr dolotowy. Zaleta, w przypadku zasilania wtryskiem bezporednim, polega na tym, e odparowanie paliwa odbywa si dopiero w przestrzeni roboczej cylindra skutkujc schodzeniem adunku i, w efekcie, zwikszeniem wspczynnika napenienia cylindra. Na Rys. 1.4 zaprezentowano pogldowy przekrj cylindra silnika GDI z pionowo usytuowanym przewodem dolotowym oraz widok toka z denkiem o charakterystycznym ksztacie. 13

Rys. 1.4. Charakterystyczne elementy budowy silnika Mitsubishi GDI 4G93 [28]: a) przekrj cylindra z widocznym pionowo poprowadzonym przewodem dolotowym b) widok denka toka bdcego jednym z podstawowych elementw ukadu zapewniajcego tworzenie mieszanek uwarstwionych W nastpnych latach rwnie inne koncerny wprowadziy na rynek samochody z silnikami o zaponie iskrowym zasilanymi bezporednim wtryskiem paliwa. Wymieni tu naley silniki D4 Toyoty, FSI grupy Volkswagena, HPi Citrona, SCi Forda, CGI Mercedesa, jednostki JTS stosowane przez Alf Romeo, czy wreszcie IDE koncernu Renault. Rnice w tworzeniu mieszanki homogenicznej i adunku uwarstwionego w silniku z ukadem zasilania typu FSI przedstawiono na Rys. 1.5.

Rys. 1.5. Ilustracja procesu napeniania w silniku FSI pracujcego w trybie mieszanki homogenicznej oraz uwarstwionej (Audi AG) Intensyfikacj zawirowania typu beczkowego (ang. tumble) konieczn do uzyskania stratyfikacji mieszanki wedug metody wall-guided uzyskuje si w tych jednostkach 14

napdowych

na

drodze

przymykania

specjaln

kierownic

dolnej

czci

kanau

dolotowego [12]. Ze wzgldu na rnego rodzaju niedogodnoci zwizane ze stosowaniem tego typu ukadw zasilania paliwem cz producentw samochodw, jak np. Ford, Renault i Citron, wycofaa si ze stosowania silnikw z wtryskiem bezporednim benzyny w swoich pojazdach, wikszo jednak rozwija te systemy. W 2004 roku w samochodach marki Audi pojawiy si pierwsze turbodoadowane silniki o bezporednim wtrysku benzyny. W dwa lata pniej Mercedes zaprezentowa model CLS 350 CGI, w ktrego silniku tworzenie uwarstwionego adunku nastpuje za pomoc strugi paliwa (ang. spray-guided). Przekrj gowicy silnika M272 DE 35 samochodu Mercedes-Benz CLS 350 CGI z zaznaczonymi wtryskiwaczem oraz wiec zaponow zaprezentowano na Rys. 1.6.

Rys. 1.6 Przekrj gowicy silnika M272 DE 35 samochodu CLS 350 CGI [23] W podobny sposb adunek palny jest formowany w silnikach HPI (od ang. High Precision Injection) samochodw marki BMW. Zarwno w silnikach Mercedesa, jak te i BMW uyto wtryskiwaczy piezoelektrycznych, ktre cechuj si zdecydowanie wiksz precyzj dawkowania paliwa od dotychczas stosowanych wtryskiwaczy elektromagnetycznych. Wczeniej wedug wspomnianego modelu spray-guided tworzenie mieszanki odbywao si w nie produkowanych ju silnikach F5R IDE Renaulta, ale nie pracoway one z zastosowaniem adunku uwarstwionego.

15

1.4. Dwuwtryskiwaczowy ukad zasilania paliwem oparty na systemie wtrysku bezporedniego i do kanau dolotowego W sierpniu 2005 roku Toyota zastosowaa innowacyjny ukad zasilania. w wolnosscym silniku 2GR-FSE uywanym m.in. do napdu usportowionych samochodw Lexus IS350 [96]. Silnik ten cechuje si bardzo wysokimi osigami (pemax = 1,24 MPa) przy zachowaniu umiarkowanego zuycia paliwa i ograniczonego poziomu emisji toksycznych skadnikw spalin pozwalajcego na zakwalifikowanie wspomnianego pojazdu na rynku amerykaskim do grupy SULEV (z ang. super ultra low emission vehicle pojazd o szczeglnie niskiej emisji spalin) [106]. Specyficzn cech tej jednostki napdowej jest zastosowanie w ukadzie zasilania dwch wtryskiwaczy paliwa na kady cylinder. Jeden z nich dawkuje paliwo do przewodu dolotowego, natomiast drugi wtryskuje benzyn bezporednio do komory spalania. Rozmieszczenie wtryskiwaczy w gowicy silnika pokazuje Rys. 1.7.

Rys. 1.7. Przekrj gowicy silnika 2GR-FSE [57]; 1- Wtryskiwacz ukadu wtrysku do przewodw dolotowych, 2 Wtryskiwacz systemu wtrysku paliwa do cylindra. 16

Relacja iloci paliwa dawkowanego porednio i wprost do przestrzeni roboczej silnika jest zmienna w zalenoci od obranego punktu pola pracy silnika. W zakresie obcie czciowych silnika dawka paliwa jest podzielona pomidzy dwa ukady w taki sposb, e przynajmniej 30% masy paliwa wtryskiwane jest wprost do cylindra. Takie ograniczenie ma uchroni wtryskiwacz przed przekroczeniem temperatury rozpylacza 150 C mogcej w duszej perspektywie spowodowa jego uszkodzenie. Na podstawie analizy procesu spalania stwierdzono, e w zakresie niepenych obcie podzia dawki paliwa pomidzy dwa ukady wtrysku powoduje, i adunek ma bardziej korzystny rozkad wspczynnika nadmiaru powietrza w przestrzeni roboczej cylindra, ni ma to miejsce w przypadku dostarczenia caej masy paliwa do przewodu dolotowego, czy te wprost do cylindra [80]. Mieszank cechuje wikszy stopie jednorodnoci. Jedynie w obrbie elektrod wiecy jest ona lekko wzbogacona w odniesieniu do skadu stechiometrycznego, co skraca okres indukcji wpywajc pozytywnie na proces spalania. Na Rys 1.8 przedstawiono wyniki pomiarw propagacji frontu pomienia w komorze spalania za pomoc ukadu 21 sond jonizujcych przy zasilaniu wtryskiem porednim (xDI = 0), bezporednim (xDI = 1) oraz dla zasilania dwuwtryskiwaczowego z 30% udziaem dawki wtrysku bezporedniego (xDI = 0,3).

Rys. 1.8 Rozprzestrzenianie si frontu pomienia w komorze spalania dla rnych udziaw dawki wtrysku bezporedniego xDI [96] Widoczne jest, e w przedstawionym punkcie pracy (pe = 0,65 MPa, n = 1200 obr/min) front pomienia rozprzestrzenia si najszybciej przy dawkowaniu paliwa z 30% udziaem masy paliwa wtryskiwanego bezporednio do cylindra. Pozwala to na zwikszenie 17

generowanego przez silnik momentu obrotowego w danych warunkach pracy [80]. Przykadowy przebieg krzywej redniego cinienia efektywnego w zalenoci od relacji dawki paliwa podawanego bezporednio do cylindra w stosunku do caej masy przypadajcej na jeden cykl roboczy przedstawiono na Rys. 1.9 [106].

silnik 2GR-FSE; thr = const; n=1200 [obr/min]0,8 0,78 0,76 0,74 0,72 0,7 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 udzia paliwa dawkowanego do cy lindra x DI [-]

Rys. 1.9. Zaleno redniego cinienia efektywnego od udziau dawki paliwa wtryskiwanej bezporednio do cylindra dla silnika 2GR-FSE Toyota W punkcie pola pracy z Rys. 1.9 silnik uzyskuje maksymalny moment obrotowy dla okoo 30% udziau dawki paliwa wtrysku bezporedniego. W innych punktach charakterystyki uniwersalnej silnika udzia paliwa wtryskiwanego bezporednio do cylindra przyjmuje wartoci od 30% a do 100%. Wtedy to nie pracuje wtryskiwacz systemu wtrysku do przewodw dolotowych, a caa porcja paliwa jest dawkowana wprost do przestrzeni roboczej cylindra. Na Rys. 1.10 przedstawiono wykres obrazujcy podzia dawki paliwa pomidzy ukad wtrysku bezporedniego i do przewodw dolotowych w zalenoci od prdkoci obrotowej i redniego cinienia efektywnego generowanego przez silnik.

pe [MPa]

18

Rys. 1.10. Udzia dawki paliwa wtrysku bezporedniego z funkcji prdkoci obrotowej i redniego cinienia efektywnego dla silnika 2GR-FSE Toyota[96] Silnik pracuje w caym zakresie prdkoci obrotowych z zasilaniem tylko wtryskiem bezporednim przy niewielkich obcieniach, tj. do ok. pe = 0,28 MPa oraz dla prdkoci obrotowych wikszych od 2800 obr/min niezalenie od obcienia. W pozostaej czci pola pracy silnika, jak wspomniano wczeniej, dawka paliwa dzielona jest pomidzy dwa systemy wtrysku. Przy duych obcieniach i prdkociach obrotowych odparowanie caej masy paliwa w cylindrze umoliwia osignicie wikszego napeniania cylindra i ograniczenia skonnoci do spalania stukowego, a co za tym idzie, zwikszenie generowanej przez silnik mocy efektywnej. Zastosowanie dwch wtryskiwaczy na cylinder umoliwio ponadto rezygnacj z stosowanych w systemie wtrysku bezporedniego D-4 [32] dodatkowych przepustnic zamykajcych podczas pracy silnika w zakresie niskich prdkoci obrotowych jeden z kanaw dolotowych kadego cylindra. Zamknicie jednego z kanaw dolotowych miao na celu tworzenie intensywnego wiru obwodowego w cylindrze w zakresie niskich prdkoci obrotowych silnika i, przez to, popraw warunkw tworzenia mieszanki. Usunicie systemu klap dodatkowo pozytywnie wpywa na popraw wspczynnika napenienia silnika z dwuwtryskiwaczowym dawkowaniem paliwa, zwaszcza w zakresie wyszych prdkoci obrotowych przy penym otwarciu przepustnicy 19

Uycie

innowacyjnego

systemu

zasilania

benzyn

D-4S,

poza

popraw

charakterystyki momentu obrotowego, miao te wpyw na uzyskanie ograniczonego zuycia paliwa. Charakterystyk uniwersaln silnika 2GR-FSE z zaznaczonym punktem o najniszym jednostkowym zuyciu paliwa ge ilustruje Rys. 1.11.

Rys. 1.11. Charakterystyka uniwersalna silnika Toyota 2GR-FSE z zaznaczonym kolorem zielonym punktem, gdzie uzyskano najnisze jednostkowe zuycie paliwa ge [96] Analizujc Rys. 1.10 oraz 1.11 mona zaobserwowa, e obszar charakterystyki uniwersalnej silnika z najniszym jednostkowym zuyciem paliwa, tj. 230 g/kWh uzyskano przy dwuwtryskiwaczowym dawkowaniu paliwa. Wyej wymieniona warto jednostkowego zuycia paliwa odpowiada sprawnoci oglnej o = 0,356. Wynik taki w obecnym stanie rozwoju silnikw spalinowych mona uzna za bardzo dobry, tym bardziej, e uzyskano go przy zasilaniu mieszank o skadzie stechiometrycznym, bez waciwego dla silnikw pracujcych na mieszankach ubogich uwarstwienia. W omawianym silniku zasilanie mieszank lekko uwarstwion (weak stratified charge combustion [106]) ma miejsce jedynie tu po uruchomieniu zimnego silnika w celu skrcenia czasu aktywacji reaktorw katalitycznych. Globalny wspczynnik nadmiaru powietrza osiga wtedy warto ok. 1.03, jednak jego odpowiedni rozkad w komorze spalania w poczeniu z zaponem ju w suwie 20

pracy, powoduj, e gazy spalinowe maj wysz temperatur i mog w krtszym czasie ogrza rdzenie konwerterw katalitycznych. Przykadow charakterystyk regulacyjn udziau dawki wtrysku bezporedniego xDI przedstawia Rys. 1.12. Przebiegi zmian jednostkowego zuycia paliwa ge oraz uzyskanego na podstawie analizy wykresu indykatorowego kta cakowitego spalania o uzyskano przy prdkoci obrotowej n=1200 obr/min i obcieniu reprezentowanym przez rednie cinienie efektywne pe rwne 0,65 MPa. Kt cakowitego spalania o zdefiniowany zosta jako, cz kta OWK od chwili wystpienia iskry na elektrodach wiecy zaponowej (ign) do momentu, gdy 90% masy paliwa w cylindrze ulegnie spaleniu (90%).

Rys. 1.12. Przebieg zmian jednostkowego zuycia paliwa ge oraz kta cakowitego spalania o silnika 2GR-FSE w zalenoci od udziau dawki wtrysku bezporedniego xDI uzyskane dla prdkoci obrotowej n=1200 obr/min i przy obcieniu pe=0,65 MPa[96] Zauwaalne jest, e zarwno krzywa jednostkowego zuycia paliwa ge, jak i wykres kta cakowitego spalania o osigaj swoje minimum w przypadku zasilania mieszanego. Zmniejszenie kta cakowitego spalania o 8 OWK dla tego punktu pracy w przypadku 30% udziau dawki wtrysku bezporedniego w porwnaniu z wynikami uzyskanymi dla zasilania wtryskiem bezporednim miao niewtpliwy wpyw na redukcj jednostkowego zuycia paliwa o 6,8%. 21

W dolnej czci Rys. 1.13 przedstawiono przykadowy przebieg ustalonego w procesie optymalizacji udziau dawki paliwa wtrysku bezporedniego xDI w zalenoci od stopnia obcienia silnika wyraanego za pomoc redniego cinienia efektywnego pe dla prdkoci obrotowej n = 1200 obr/min. W grnym i rodkowym fragmencie Rys. 1.13 przedstawiono odpowiednio przebiegi jednostkowego zuycia paliwa gg oraz fluktuacji momentu obrotowego przy zasilaniu wtryskiem do przewodw dolotowych, wtryskiem bezporednim oraz przy zasilaniu mieszanym z udziaem xDI zmiennym wedug linii z dolnej czci rysunku.

Rys. 1.13. Przebieg zmian udziau dawki wtrysku bezporedniego xDI, jednostkowego zuycia paliwa ge oraz fluktuacji momentu obrotowego w zalenoci od redniego cinienia efektywnego pe [96] Efektem przeprowadzonej optymalizacji jest obnienie jednostkowego zuycia paliwa ge oraz redukcja zmian momentu obrotowego silnika wok ustalonej wartoci, zwaszcza w porwnaniu bezporednio do cylindra. z wynikiem uzyskanym przy dawkowaniu paliwa tylko

22

Jednym z elementw systemu wtrysku benzyny D-4S, ktry mia duy wpyw na popraw tworzenia mieszanki palnej w cylindrze by opracowany specjalnie dla silnika 2GR-FSE wtryskiwacz ukadu wtrysku bezporedniego ksztatujcy strug paliwa w formie podwjnego wachlarza (ang. dual fan-shaped)[39]. Wtryskiwacz ma rozpylacz w postaci dwch prostoktnych szczelin o wymiarach: 0,52x0,13 mm. Pracuje przy cinieniu wtrysku zmiennym od 4 do 13 MPa. Wydatek paliwa dla cinienia roboczego 12 MPa wynosi 948 cm3/min. Natomiast w ukadzie wtrysku do przewodw dolotowych uyto wtryskiwaczy wielootworowych ( 12 otworw o rednicy 0,19 mm kady), pracujcy przy cinieniu 0,4 MPa. Wtryskiwacz taki cechuje si wydatkiem paliwa o wartoci 295 cm3/min dla cinienia roboczego. Porwnanie zarejestrowanych technik fotografii smugowej obrazw strug paliwa wtryskiwaczy ukadu D-4 oraz D-4S (wtryskiwacz ukadu wtrysku do cylindra) przedstawiono na Rys. 1.14.

Rys. 1.14 . Widok strugi paliwa wtryskiwacza wysokocinieniowego[80]; a) stosowanego w ukadzie D-4, b) opracowanego na potrzeby systemu wtrysku D-4S Zmiana ksztatu rozpylacza wtryskiwacza uytego w silniku 2GR-FSE miaa wpyw na zwikszenie stopnia jednorodnoci mieszanki w cylindrze. Ilustrujc ten fakt przykadow wizualizacj rozkadu wspczynnika nadmiaru powietrza w przekroju komory spalania wykonan w programie symulacyjnym Star-CD v.3.150A przedstawiono na Rys. 1.15. 23

Rys. 1.15. Porwnanie rozkadu wspczynnika nadmiaru powietrza w komorze spalania mieszanki tworzonej przy uyciu konwencjonalnego wtryskiwacza wysokocinieniowego oraz wtryskiwacza uytego w silniku 2GR-FSE [96] Rozkad wspczynnika nadmiaru powietrza w komorze spalania dla mieszanki formowanej przy uyciu wtryskiwacza nowego typu przybiera zdecydowanie bardziej korzystny charakter. adunek cylindra wykazuje w tym przypadku pewn niejednorodno kompozycji jedynie na obrzeach komory spalania. Nie ma natomiast stosunkowo niekorzystnej, m.in. ze wzgldu na inicjacj procesu spalania, skokowej wrcz zmiany skadu mieszanki w okolicach elektrod wiecy zaponowej. Reasumujc, problematyka zasilania silnika o zaponie iskrowym za pomoc dwuwtryskiwaczowego ukadu paliwowego wydaje si by zagadnieniem wysoce interesujcym i, co rwnie wane, bardzo aktualnym. Dzieje si tak zwaszcza ze wzgldu na potencjalne moliwoci ograniczenia emisji CO2 i toksycznych skadnikw spalin do atmosfery wynikajce z zastosowania dwuwtryskiwaczowych systemw paliwowych. Sprawio to, e autor zaj si okreleniem wpywu zastosowania podobnie skompletowanego do opisanego ukadu zasilania na parametry robocze silnika o daleko mniejszej objtoci skokowej, ni ma to miejsce w przypadku jednostki produkowanej seryjnie. Opis dziaa przeprowadzonych w tym celu, obejmujcych m.in. prace symulacyjne w programie komputerowym KIVA-3V, budow stanowiska badawczego oraz szereg bada eksperymentalnych rzeczywistego silnika, zosta przedstawiony w nastpnych rozdziaach tej pracy. 24

Rozdzia 2. Zaoenia pracy doktorskiej2.1. Cel pracy Celem pracy jest ocena wpywu podziau dawki paliwa w dwuwtryskiwaczowym systemie zasilania na parametry robocze i toksyczno spalin dla okrelonych obszarw w polu pracy silnika. 2.2. Teza naukowa pracy: Istniej miejsca pola pracy silnika, w ktrych, przy zachowaniu niezmienionego skadu mieszanki, zastosowanie dwuwtryskiwaczowego ukadu zasilania umoliwia popraw parametrw roboczych silnika w porwnaniu z uzyskanymi dla jednego miejsca dawkowania paliwa. 2.3. Zakres pracy Zakres pracy obejmuje: 1. Analiz obecnego stanu wiedzy o przedmiotowym zagadnieniu. 2. Komputerow symulacj pracy silnika ZI z dwuwtryskiwaczowym ukadem zasilania paliwem. Na podstawie wynikw symulacji przeprowadzonej w programie KIVA-3V moliwe byo wytypowanie punktw pola pracy silnika, w ktrych naley si spodziewa najwikszych korzyci z zastosowania dwumiejscowego systemu dawkowania paliwa. 3. Budow hamownianego stanowiska badawczego silnika spalinowego ZI w celu wykorzystania go do przeprowadzenia przewidzianych bada eksperymentalnych. Dziaania zostay skupione gwnie na powizaniu dziaania systemw wtrysku bezporedniego i do przewodw dolotowych tak, aby moliwy by dowolny podzia dawki paliwa pomidzy wspomniane wyej ukady z zachowaniem staej sumarycznej dawki paliwa przypadajcej na cykl roboczy silnika. 4. Przeprowadzenie bada eksperymentalnych silnika spalinowego z ukadem zasilania paliwem za pomoc wtrysku bezporedniego i do przewodw dolotowych. Uzyskane wyniki pozwoliy na sporzdzenie stosownych charakterystyk regulacyjnych silnika. W drugim etapie bada eksperymentalnych zostay przeprowadzone pomiary cinienia indykowanego w przestrzeni roboczej silnika dla wybranych parametrw jego pracy i ukadw wtryskowych. Na tej podstawie mona byo przeprowadzi analiz 25

termodynamiczn cyklu roboczego silnika. W szczeglnoci porwnana zostaa szybko spalania mieszaniny paliwowo - powietrznej przy rnych proporcjach masy paliwa wtryskiwanej bezporednio i do kolektora dolotowego. 5. Analiz otrzymanych rezultatw ze szczeglnym uwzgldnieniem wpywu zmiany relacji masy paliwa dawkowanego bezporednio do cylindra i do przewodw dolotowych na parametry robocze silnika i toksyczno spalin. Zostaa te wyznaczona zmiana sprawnoci oglnej silnika przy dwuwtryskiwaczowym dawkowaniu paliwa w odniesieniu do wynikw uzyskanych dla wtrysku do przewodw dolotowych. 6. Przeprowadzenie analizy bdw pomiarowych. 7. Postawienie wnioskw z pracy. 8. Okrelenie kierunkw dalszych prac naukowych zwizanych z przedmiotow problematyk. 2.4. Nowo i oryginalno pracy Na podstawie analizy literatury dotyczcej problematyki bezporedniego wtrysku benzyny w silniku z zaponem iskrowym autor stwierdzi, e aden orodek naukowobadawczy w Europie nie prowadzi bada nad podobnym do opisywanego systemem zasilania paliwem. Nie ma na ten temat adnych dostpnych publikacji. Jak wspomniano we wprowadzeniu, dwuwtryskiwaczowy ukad zasilania zastosowa w silniku 2GR-FSE koncern Toyota w 2005 roku, jednake jest to jednostka napdowa o duej objtoci skokowej 3,5 dm3, uywana do napdu samochodw dostpnych jedynie na rynku japoskim i amerykaskim. Brak te jest szerszych informacji na temat teoretycznego opisu zjawisk zachodzcych w silniku z dwuwtryskiwaczowym ukadem zasilania. Sprawio to, e autor zaj si analiz naukowo - badawcz zagadnienia zastosowania podobnego do opisanego ukadu zasilania do silnika o daleko mniejszej objtoci skokowej, ni ma to miejsce w przypadku jednostki produkowanej seryjnie. W dobie downsizingu rozpowszechnionego rwnie w dziedzinie silnikw spalinowych zagadnienie to moe nabra szczeglnie wanego znaczenia.

26

Rozdzia 3 Stanowisko badawcze3.1. Obiekt bada i zastosowana aparatura pomiarowa Podstawowym elementem stanowiska badawczego jest czterosuwowy, silnik spalinowy z zaponem iskrowym o oznaczeniu producenta 2SZ-FE wyprodukowany przez koncern Toyota z przeznaczeniem gwnie do samochodu osobowego Yaris. Podstawowe dane techniczne tego silnika zostay ujte w tabeli 3.1. Typ silnika Liczba cylindrw i ich ukad Mechanizm rozrzdu 2SZ-FE cztery , rzdowy cztery zawory na kady cylinder, dwa waki rozrzdu w gowicy cylindrw napdzane za pomoc acucha, ukad zmiennych faz rozrzdu waka zaworw dolotowych daszkowa z indywidualnymi cewkami zaponowymi kadego cylindra 1,298

Typ komory spalania Ukad zaponowy Objto skokowa Vss [dm3]

rednica cylindra dc x skok toka s 72,0 x 79,7 [mm] Promie wykorbienia r [mm] Dugo korbowodu l [mm] Stopie sprania Moc maksymalna [kW] prdkoci obrotowej [obr/min] 39,85 129,5 10,0 przy 64, 6000

Moment obrotowy maksymalny [Nm] 122, 4200 przy prdkoci obrotowej [obr/min] Kolejno pracy cylindrw Badawcza liczba oktanowa paliwa 1-3-4-2 95 lub wicej

Tab. 3.1. Dane techniczne silnika spalinowego 2SZ-FE [107] Silnik zosta zainstalowany na stanowisku badawczym z hamulcem elektrowirowym Automex AMX 200 o mocy nominalnej 100 kW z urzdzeniem sterujco pomiarowym tej samej firmy. Ma ono moliwo sterowania poziomem obcienia silnika, pomiaru prdkoci obrotowej, momentu obrotowego, zuycia paliwa. Sterownik hamulca ma te blok pomiaru temperatur: cieczy chodzcej silnik, powietrza dolotowego oraz spalin w kolektorze 27

wylotowym. Moliwe jest take poczenie sterownika hamulca z komputerem osobistym za pomoc zcza RS 232. Dziki temu dane z systemu sterowania hamulcem mog by odczytywane i rejestrowane na komputerze przy uyciu programu do wspomagania bada hamownianych o nazwie PARM opracowanego rwnie przez producenta hamulca. Widok oglny stanowiska badawczego z zaznaczonymi gwnymi elementami zosta przedstawiony na Rys. 3.1.

Rys. 3.1. Widok oglny stanowiska badawczego; 1 Silnik badawczy, 2 Komputer PC do nadzorowania pracy ukadu wtryskowego, 3 Sterownik ukadu wtryskowo zaponowego, 4 Oscyloskop cyfrowy, 5 Komputer PC wykorzystywany w pomiarach przebiegu zmian cinienia w cylindrze silnika, 6 Nastawnik przepustnicy silnika, 7 Przepywomierz paliwa dla ukadu wtrysku bezporedniego (uywany w pierwszym etapie bada) 8 Analizator spalin Arcon Oliver K-4500, 9 Pompa paliwa ukadu wtrysku bezporedniego z regulatorem cinienia paliwa, 10 Hamulec elektrowirowy AMX-200 W porwnaniu z wykonaniem fabrycznym, silnik ma istotn zmian konstrukcyjn polegajc na umieszczeniu wysokocinieniowych wtryskiwaczy paliwa w komorach spalania kadego z cylindrw. Zastosowane wtryskiwacze zostay wyprodukowane przez firm Bosch, a montowane s m.in. w samochodach osobowych grupy Volkswagen wyposaonych w silniki z bezporednim wtryskiem benzyny FSI. Taki wybr podyktowany zosta korzystnymi warunkami zabudowy wtryskiwaczy w gowicy posiadanego silnika i dostpnoci wtryskiwaczy o takich samych wymiarach zewntrznych, a charakteryzujcych

28

si rnymi parametrami roboczymi. Przekrj anatomiczny zastosowanego wtryskiwacza typu HDEV 1.1 przedstawiono na Rys. 3.2.

Rys. 3.2. Przekrj wtryskiwacza wysokocinieniowego Bosch HDEV 1.1; 1 Wlot paliwa z filtrem, 2 Zcze elektryczne, 3- Spryna, 4 Cewka elektromagnesu, 5 Kadub wtryskiwacza, 6 Iglica, 7 Gniazdo iglicy, 8 Wylot rozpylacza, [17] Uzyskanie podanego skadu mieszanki palnej w rnych warunkach pracy silnika wymagao przeprowadzenie pomiarw majcych na celu poznanie charakterystyki dawkowania wtryskiwacza [73]. Zostao w tym celu zbudowane specjalne bezpompowe stanowisko badawcze, ktrego schemat przedstawiono na Rys. 3.3.

Rys. 3.3. Schemat stanowiska badawczego do sporzdzania charakterystyki dawkowania elektromagnetycznie sterowanych wtryskiwaczy wysokocinieniowych [85]; 1- Akumulator 12V 55Ah, 2 Tester wtryskiwacza, 3 Waga laboratoryjna, 4 Rama stanowiska, 5 Komora do gromadzenia paliwa rozpylanego przez wtryskiwacz, 6- Wtryskiwacz, 7 Komora paliwowa, 8 Zawr do napeniania komory paliwem, 9 Butla ze spronym azotem, 10 Nastawny reduktor cinienia. 29

Uzyskan na podstawie wynikw bada graficzn ilustracj zalenoci masy minj [mg] dawki paliwa od czasu tinj [ms] wtrysku przy cinieniach wtrysku zmiennych od 2 do 6 MPa dla zastosowanego do silnika badawczego wtryskiwacza Nr 0 261 500 014 przedstawiono na Rys. 3.4.wtryskiwacz Bosch, Nr 0 261 500 01470delta p=20 [bar]

masa dawki paliwa m inj [mg]

60 50 40 30 20 10 0 0

delta p=30 [bar] delta p=40 [bar] delta p=50 [bar] delta p=60 [bar]

1

2

3 4 czas wtrysku tinj [ms]

5

6

Rys. 3.4. Charakterystyka dawkowania wtryskiwacza Bosch 0 261 500 014 Zauwaalne jest, e zastosowany wtryskiwacz nie wykazuje duych odchyle od liniowej charakterystyki dawkowania. Z innych istotnych informacji o zastosowanych wtryskiwaczach naley przytoczy fakt, e o strumienia wtryskiwanego paliwa pokrywa si z osi podun wtryskiwacza, natomiast stoek strugi ma kt wierzchokowy 67. Wicej informacji na temat zagadnie zwizanych z doborem wtryskiwacza do silnika znajduje si w [85]. Zabudowa wtryskiwaczy do silnika wymagaa opracowania specjalnej zbiorczej szyny paliwowej i pyty dystansowej kolektora dolotowego, ktra jednoczenie jest elementem utrzymujcym wtryskiwacze w zaoonej pozycji (Rys. 3.5). Wtryskiwacze zamontowano pod ktem 68 wzgldem osi pionowej cylindrw, tj. rwnolegle do osi przewodw dolotowych w miejscu montau kolektora dolotowego. W tym celu przez paszcz wodny a do komr spalania w gowicy silnika wykonano otwory o stopniowanej rednicy, w ktre wtoczono tulejki z otworami montaowymi wtryskiwaczy. Poczenie wciskowe tulejek z otworami w gowicy zostao dodatkowo uszczelnione specjalnym utwardzanym anaerobowo klejem do zcz wsposiowych, ktry w wysokich temperaturach pozostaje odporny na 30

dziaanie cieczy chodzcej oraz

gazw spalinowych pod wysokim cinieniem [58].

Ze wzgldu na fakt wnikania do wntrza komr spalania kocwek tulejek uytych do montau wtryskiwaczy, musiay zosta wykonane odpowiednie wybrania rwnie w czci wyciskajcej denek kadego z tokw.

Rys. 3.5. Zabudowa do gowicy wtryskiwaczy ukadu wtrysku bezporedniego; 1 Szyna paliwowa, 2 Wysokocinieniowy wtryskiwacz paliwa, 3 Gowica silnika, 4 Pyta dystansowa kolektora dolotowego, 5 Kolektor dolotowy Rozmieszczenie wtryskiwaczy ukadu wtrysku bezporedniego i wtrysku paliwa do przewodw dolotowych zilustrowano pogldowo na Rys. 3.6. Na rysunku zaznaczone zostay rwnie charakterystyczne kty istotne dla budowy obiektu bada. Zarwno zawory dolotowe, jak i wylotowe s odchylone o 15 od paszczyzny zawierajcej osie cylindrw. Wtryskiwacze dawkujce paliwo do przewodw dolotowych s typu wielootworowego (10 otworw) o wzgldnie maym kcie rozpylenia paliwa [107] i zamontowano je pod ktem 38 wzgldem osi pionowej cylindrw tj. 30 w odniesieniu do osi kanau dolotowego przed rozwidleniem na indywidualne przewody kadego z zaworw dolotowych

31

Rys. 3.6. Rozmieszczenie wtryskiwaczy ukadu wtrysku bezporedniego oraz wtrysku do przewodw dolotowych w silniku badawczym; 1 Tok, 2 Kana wylotowy, 3 Elektrody wiecy zaponowej, 4 Zawr wylotowy, 5 Zawr dolotowy, 6 Wtryskiwacz ukadu wtrysku do przewodw dolotowych, 7 Kana dolotowy, 8 Wtryskiwacz ukadu wtrysku bezporedniego Zasilanie paliwem odbywa si za porednictwem wysokocinieniowej trjsekcyjnej pompy paliwa stosowanej powszechnie w ukadach wtrysku oleju napdowego typu common rail. Cinienie paliwa w ukadzie wtrysku bezporedniego ustalane jest za pomoc regulowanego zaworu upustowego produkowanego przez Ponar - Wadowice. Kolektor paliwowy poczony jest z manometrem, ktry umoliwia biec kontrol cinienia wtrysku. Ukad paliwowy wyposaony jest ponadto w dwie elektryczne pompy paliwa. Jedna z nich zasila pomp wysokiego cinienia obwodu wtrysku bezporedniego, natomiast druga pracuje w tradycyjnie skompletowanym bezpowrotowym ukadzie wtrysku wielopunktowego przed zawr dolotowy. Pomiar zuycia paliwa odbywa si za pomoc paliwomierza grawimetrycznego zblokowanego z ukadem sterujcym hamulca silnikowego. Zastosowanie odpowiedniego ukadu elektrozaworw paliwa umoliwia w zalenoci od potrzeb pomiar cakowitego zuycia paliwa przez silnik lub tylko strumienia masy benzyny dawkowanej przez ukad wtrysku bezporedniego. W pocztkowym etapie prb hamownianych do

32

pomiaru wydatku paliwa ukadu wtrysku bezporedniego stosowany by przepywomierz objtociowy Flowtronic 215, jednak nie zapewnia on wymaganej dokadnoci wskaza. Schemat systemu paliwowego silnika badawczego z wyodrbnieniem ukadu wtrysku do przewodw dolotowych oraz ukadu wtrysku bezporedniego zosta przedstawiony na Rys.3.7.

Rys. 3.7. Schemat ukadu paliwowego silnika badawczego. 1 Zbiornik paliwa, 2 Zawr odcinajcy, 3 Filtr paliwa, 4 Pompa zasilajca ukadu DI, 5 Elektrozawory umoliwiajce pomiar zuycia tylko w ukadzie DI, 6 Regulator niskiego cinienia obwodu DI, 7 Pompa wysokiego cinienia, 8 Nastawny regulator cinienia DI, 9 Silnik badawczy, 10 Wtryskiwacz ukadu DI, 11 Kolektor paliwowy wtryskiwaczy ukadu DI, 12 Wtryskiwacz ukadu MPI, 13 Przewd dolotowy silnika, 14 Zbiorcza szyna paliwowa ukadu MPI, 15 Manometr do kontroli cinienia DI, 16 Pompa paliwa ukadu MPI, 17 Regulator cinienia MPI, 18 Paliwomierz grawimetryczny; Kolor zielony elementy wsplne obu ukadw, kolor czerwony ukad wtrysku bezporedniego, kolor niebieski system wtrysku do przewodw dolotowych

33

Paliwem uytym w badaniach bya benzyna silnikowa bezoowiowa zgodna z norm PN-EN 228:2006 o liczbach oktanowych nie mniejszych od odpowiednio: i 85 LOM. Skad spalin by mierzony za pomoc analizatora Arcon Oliver K-4500. Urzdzenie to pozwala na pomiar stenia objtociowego w spalinach substancji, takich jak: tlenek wgla, dwutlenek wgla, tlen, wglowodory sumarycznie (w przeliczeniu na heksan) oraz tlenek azotu. Analizator posiada komor pomiarow CO, CO2, i HC typu AMB II amerykaskiej firmy Sensors, Inc. dziaajc w technologii NDIR (z ang. Non-Dispersive Infrared nie rozproszony strumie podczerwieni). Zawarto tlenu i tlenku azotu jest mierzona przy uyciu stosownych ogniw elektrochemicznych produkowanych przez International Technologies Dr Gambert GmbH [68], [69]. Na potrzeby pomiarw cinienia indykowanego w przestrzeni roboczej cylindra silnik wyposaono w sprzony z waem korbowym enkoder inkrementalny Omron E6B2-CWZ3E o rozdzielczoci 360 impulsw na obrt z wyjciem o typu napiciowego [72]. Sam pomiar cinienia indykowanego przeprowadzono z uyciem optoelektroniczego czujnika C82255-SP firmy Optrand [10]. Jest to czujnik typu wiecowego. Czujnik cinienia wraz ze stosownie adaptowan wiec zaponow przedstawiono na Rys. 3.8. 95 - LOB

Rys. 3.8. wieca zaponowa z zamontowanym optoelektronicznym czujnikiem cinienia firmy Optrand Zastosowany czujnik cinienia cechuje si maymi wymiarami zewntrznymi (rednica membrany czujnika 2,8 mm) i pozwala na bezinwazyjny, tj. bez ingerencji w materia gowicy, pomiar cinienia w komorze spalania. Miao to w przypadku badanego silnika o tyle due znaczenie, e po zamontowaniu wtryskiwaczy dawkujcych paliwo do komr spalania wykonanie dodatkowego otworu w gowicy do zamontowania czujnika innego typu byoby w praktyce stosunkowo trudne do zrealizowania. 34

3.2. System sterowania ukadem paliwowym silnika Ze wzgldu na zastosowanie w ukadzie paliwowym dodatkowego kompletu wtryskiwaczy wysokocinieniowych oryginalny sterownik silnika zosta zastpiony ukadem sterowania typu 1010-0269 amerykaskiej firmy AEM. Jest to sterownik swobodnego programowania o bardzo szerokich moliwociach konfigurowania map czasu otwarcia dla dwch kompletw wtryskiwaczy w funkcji prdkoci obrotowej silnika i jego obcienia [3]. Ustalenie podanego skadu mieszanki i kta wyprzedzenia zaponu odbywa si w oparciu o pomiar prdkoci obrotowej silnika i masowego natenia przepywu powietrza dolotowego. Dodatkowymi wielkociami korekcyjnymi s temperatura cieczy chodzcej silnik, temperatura powietrza dolotowego i stopie otwarcia przepustnicy. Ponadto sterownik silnika wsppracuje z szerokopasmowym czujnikiem tlenu w spalinach typu LSU 4.2. W porwnaniu z sond lambda o dziaaniu skokowym urzdzenie to umoliwia prac w ptli zamknitej dla mieszanek o skadzie innym ni stechiometryczny. Do wsppracy sondy szerokopasmowej ze sterownikiem silnika wymagany jest odpowiedni kontroler [53], za porednictwem ktrego sonda jest zasilana i formowany jest jej sygna wyjciowy. Przebieg napicia wyjciowego UA kontrolera sondy LSU4.2 w zalenoci od wartoci wspczynnika nadmiaru powietrza przedstawiono na Rys. 3.9.szerokopasmowa sonda lambda Bosch LSU 4.2 3,5 3 napicie wyjciowe kontrolera sondy UA [V] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 wspczynnik nadmiaru powietrza [-]

Rys. 3.9. Charakterystyka szerokopasmowej sondy lambda typu Bosch LSU 4.2, opracowano na podst. [52]

35

Zastosowana sonda lambda charakteryzuje si dokadnoci wskaza wspczynnika nadmiaru powietrza 0,007 dla gazw wylotowych bdcych produktami spalania mieszanki o skadzie =1,016 [52]. Zapewnienie waciwej jakoci i powtarzalnoci tworzenia mieszaniny palnej przez ukad wtrysku bezporedniego przy cinieniu roboczym rzdu od kilku do kilkunastu MPa wymagao dodatkowo opracowania i zbudowania elektronicznego ukadu sterujcego pracujcych przy napiciu zasilania zastosowanych do silnika otwarciem wtryskiwaczy elektromagnetycznych

dochodzcym do ok. 60V. Zaoone przez producenta

wtryskiwaczy (Bosch) przebiegi prdu i napicia zasilania przedstawiono na Rys. 3.10.

Rys. 3.10. Teoretyczne przebiegi zmian prdu i napicia w trakcie otwarcia wtryskiwacza. Zasilanie wyszym napiciem w pocztkowej fazie procesu wtrysku pozwala przyspieszy wydatnie osignicie penego otwarcia wtryskiwacza, co ma niewtpliwy wpyw na precyzj i powtarzalno odmierzania zaoonej dawki paliwa [97]. Zauwaalne jest, e po osigniciu penego otwarcia wtryskiwacza, prd i napicie ograniczane s elektronicznie do poziomu wymaganego do podtrzymania iglicy w pozycji penego otwarcia. Fakt ten powoduje, e niepotrzebnemu obcieniu termicznemu nie jest poddawana cewka wtryskiwacza. Dodatkowo ograniczenie prdu i napicia wtryskiwacza zapewnia oszczdno pewnej porcji energii, szczeglnie dla wikszych czasw realizowanego wtrysku, co ma miejsce dla duych obcie silnika. Ukad sterowania wtryskiwaczami systemu wtrysku bezporedniego ma moliwo niezalenej od podstawowego sterownika silnika regulacji czasu otwarcia wtryskiwacza. 36

Sterowanie czasem wtrysku bezporedniego uzyskano z wykorzystaniem aplikacji stworzonej w rodowisku LabView i wielofunkcyjnej karty pomiarowej obsugiwanych przy uyciu przenonego komputera PC. Wprowadzenie opisywanej modyfikacji byo konieczne ze wzgldu na fakt, i minimalny czas otwarcia wtryskiwacza generowany przez sterownik silnika wynosi 0,7 ms. Przekada si on na stosunkowo du ilo paliwa dostarczon przez wtryskiwacz wysokocinieniowy o tzw. stromej charakterystyce dawkowania [92]. Minimalny czas wtrysku realizowany przez zmodyfikowany ukad sterowania, ktry nie powoduje wystpienia istotnej nierwnomiernoci w wielkoci dawki paliwa poszczeglnych wtryskiwaczy wynosi okoo 0,3 ms. Zastosowanie systemu sterowania wtryskiwaczami ukadu wtrysku bezporedniego bez moliwoci zmniejszenia czasu otwarcia poniej wspomnianej wartoci uniemoliwioby uzyskanie niskich udziaw masy paliwa dawkowanego wprost do przestrzeni roboczej cylindra. Schemat ideowy opisywanego ukadu sterowania silnikiem badawczym wraz z interakcjami w nim wystpujcymi przedstawiono na Rys. 3.11.

Rys. 3.11. Schemat ideowy ukadu sterowania silnikiem 37

Zmiana ustawie sterownika, takich jak kt wyprzedzenia zaponu, kt wyprzedzenia wtrysku, czy te czas trwania wtrysku odbywa si w czasie rzeczywistym, tj. podczas pracy silnika. Ingerencja w nastawy sterownika jest prowadzona przy uyciu komputera PC. Komunikacja pomidzy komputerem a sterownikiem silnika odbywa si za pomoc szeregowej magistrali komunikacyjnej RS232C. Interfejs uytkownika programu do zmiany nastaw sterownika silnika w czasie rzeczywistym oraz aplikacji do autonomicznego sterowania czasem wtrysku bezporedniego przedstawiono na rysunku 3.12.

Rys. 3.12. Interfejs uytkownika systemu sterowania silnikiem Wielkoci, takie jak kt wyprzedzenia zaponu i wtrysku, czy czas wtrysku s przedstawione na Rys. 3.12 w postaci tabeli, moliwa jest te ich wizualizacja w formie trjwymiarowych wykresw, tzw. map.

38

Rozdzia 4. Badania symulacyjne4.1. Symulacja pracy silnika badawczego przy uyciu programu KIVA-3V W celu okrelenia efektw zastosowania dwuwtryskiwaczowego systemu zasilania w silniku badawczym przeprowadzono symulacj jego pracy w programie KIVA-3V dziaajcym w 64-bitowym systemie operacyjnym Linux. Sucy do trjwymiarowego modelowania procesw zachodzcych w silniku spalinowym program KIVA-3V uwzgldnia zjawiska fizyczne i chemiczne zachodzce przy tworzeniu adunku i w trakcie jego spalania [6], [7], [8], [64]. Program uwzgldnia zwizki ruchu kropel i ich rozpad w powietrzu. Przy zastosowaniu stochastycznego modelu wtrysku, zakada si, e wtryskiwacz formuje stokowy strumie paliwa o okrelonej dugoci i gruboci. Model tworzenia strugi paliwa i jej rozdrobnienia przedstawiono schematycznie na Rys 4.1.

Rys. 4.1. Schemat formowania i rozdrobnienia strugi paliwa wypywajcego z rozpylacza (opis poniej) Krople przed rozpadem oznaczono jako pene. Kolor czarny oznacza krople widoczne w przekroju wzdunym strugi. Podstawowymi parametrami strumienia paliwa wypywajcego z rozpylacza wtryskiwacza s: dugo L, grubo h oraz kt wierzchokowy stoka 2. Dystans L od dyszy wtryskiwacza, przy ktrym zaczyna si rozpad kropel benzyny

39

wyznacza si na podstawie zalenoci Clarka i Dombrowskiego [64] opisanej rwnaniem (4.1). pal ln ( / p ) h cos L = B 2 ot 2 gdzie: B staa (zakada si B=3 [64]) pal gsto paliwa, [kg/m3] napicie powierzchniowe paliwa, [N/m] h grubo strumienia cieczy, [m] ot gsto otaczajcego gazu, [kg/m3] wzgldna prdko pomidzy gazem i strumieniem cieczy, [m/s] amplituda fali cinienia w momencie rozpadu kropli, [m] p amplituda fali cinienia przed rozpadem kropli, [m] Grubo h strumienia paliwa wypywajcego z dyszy wtryskiwacza okreli mona na podstawie wzoru (4.2). 12 pal m pal (1 + X ) h = A 2 d 0 pal pinj (1 X ) 1 2 1 2

(4.1)

(4.2)

gdzie: h grubo strumienia paliwa wypywajcego z dyszy wtryskiwacza, [m] A staa odniesiona do geometrii wtryskiwacza, zakada si redni warto 400 [64] pal wspczynnik lepkoci kinematycznej paliwa, [Pas] m pal natenie przepywu masy paliwa, [kg/s] pinj rnica cinie paliwa i orodka, do ktrego jest ono wtryskiwane, [Pa] X parametr zaleny od cech konstrukcyjnych uytego wtryskiwacza, [-] pal gsto paliwa, [kg/m3] Prdko strumienia wtryskiwanego paliwa opisuje formua (4.3) wynikajca z rwnania Bernoulliego oraz rwnania cigoci.

vinj = C d gdzie:

2 pinj

pal

(4.3)

vinj prdko strumienia paliwa wypywajcego z dyszy wtryskiwacza, [m/s]40

Cd wspczynnik wypywu wtryskiwacza, [-] pinj rnica cinie paliwa i orodka, do ktrego jest ono wtryskiwane, [Pa] pal gsto paliwa, [kg/m3] Kt jest zaleny od konstrukcji dyszy wylotowej wtryskiwacza. Dla wtryskiwaczy uywanych w systemach wtrysku bezporedniego najczciej przyjmuje on wartoci od 30 do 37. W dalszej kolejnoci brany pod uwag jest rozpad kropel paliwa zgodnie z bilansem si dziaajcych na kropl opisanym rwnaniem rniczkowym (4.4).2 5 pal dy dr d 2 y dr 8 2 pal y dr =0 + + 2 3 2 dt 2 pal rdr dt pal rdr 3 ot rdr

(4.4)

gdzie: rdr promie kropli paliwa przed rozpadem, [m] ydr odksztacenie kropli paliwa (w odniesieniu do promienia kropli), [-] t czas, [s] Reszta oznacze jw. Rozpad kropli moliwy jest tylko wtedy, gdy ydr>1 [64]. W takiej sytuacji wielko kropel wyznaczona jest na podstawie bilansu energii przed i po rozpadzie kropli (4.5).rdr1 7 1 pal rdr1 dy dr1 = + rdr 2 3 8 dt 3 2

(4.5)

gdzie: 1,2 indeksy oznaczajce stan kropli przed rozpadem i po rozpadzie Pozostae oznaczenia jak poprzednio. W nastpnym kroku program KIVA-3V uwzgldnia odparowanie kropel paliwa, stosownie do zaoe modelu Spaldinga [89] w odniesieniu do odparowania niskocinieniowego, gdzie okrela si szybko parowania kropli opisan podstawowym rwnaniem (4.6).

dmdr = 2 rdr ot D BM Sh dt gdzie: mdr masa kropli, [kg] D dyfuzja masy par paliwa do gazu, [m2/s] BM liczba Spaldinga przepywu masy z kropli do gazu, [-] Sh liczba Sherwooda przepywu masowego, [-]41

(4.6)

Inne oznaczenia jw. KIVA-3V ma moliwo przeprowadzenia symulacji pracy silnika przy zastosowaniu rnych paliw. W opisywanych pracach jako paliwo zastosowano wglowodr o wzorze chemicznym C8H17. Widoczne jest podobiestwo do oktanu (C8H18), jednak substancja ta ma bardziej zblione do rzeczywistej benzyny silnikowej udziay masowe wgla i wodoru w czsteczce. Z tego wzgldu mona j wic uzna za swoisty rodzaj jednokomponentowej benzyny. Paliwo C8H17 jest utleniane zgodnie z reakcj (4.7). 4 C8H17 + 49 O2 32 CO2 + 34 H2O (4.7)

Spalanie paliwa opisane rwnaniem chemicznym (4.7) jest podstawow reakcj chemiczn zachodzc w trakcie symulacji w programie KIVA-3V. Inne bardzo istotne dla przebiegu symulacji procesy zachodz wedug formu od (4.8) do (4.10). N2 + O N + NO N + O2 O + NO N + OH H + NO (4.8) (4.9) (4.10)

Zestaw reakcji (4.8) (4.10) opisuje tzw. termiczny mechanizm powstawania tlenku azotu, do ktrego dochodzi w wysokich temperaturach, czyli np. w warunkach panujcych w komorze spalania silnika. Od nazwiska rosyjskiego uczonego Jakowa Borysowicza Zeldowicza, ktry go poda, w literaturze czsto okrelany jest jako rozszerzony mechanizm Zeldowicza. Przeprowadzone prace symulacyjne skupiono na wykryciu i porwnaniu rnic w przebiegu procesu spalania w jednym z cylindrw silnika dla zasilania wtryskiem porednim oraz przy dwumiejscowym dawkowaniu paliwa. Przygotowania do przeprowadzenia bada symulacyjnych objy m.in. opracowanie siatki przestrzennej modelu jednego z cylindrw silnika badawczego oraz modyfikacj programu rdowego KIVA-3V tak, aby moliwa bya symulacja pracy z uyciem obu wtryskiwaczy paliwa jednoczenie, co w podstawowej wersji programu nie jest moliwe.

42

4.2. Obiekt bada symulacyjnych

Wykorzystywany w badaniach model silnika zosta opracowany na podstawie dostpnych danych technicznych silnika 2SZ-FE, ktre ujto w Tab. 3.1. Potrzebne do sporzdzenia siatki obliczeniowej dane geometryczne, gwnie gowicy i charakterystyki wzniosu zaworw, uzyskano na drodze pomiarw elementw posiadanego zmodyfikowanego silnika. Do symulacji zaoono ustawienie waka rozrzdu zaworw dolotowych takie, aby otwarcie zaworw rozpoczynao si przy pooeniu toka 4 OWK przed GMP, a zamknicie koczyo si dla 46 OWK po DMP. Odpowiada to pracy rzeczywistego silnika badawczego z dezaktywowanym systemem zmiennych faz rozrzdu. Stworzona za pomoc preprocesora programu KIVA-3V siatka obliczeniowa skada si z 35 warstw poziomych zagszczonych w jej grnej czci w celu uzyskania zwikszonej dokadnoci oblicze . Na Rys. 4.2 zaprezentowano przekrj wzdu osi zaworw siatki obliczeniowej silnika dla pooenia toka 156 OWK po GMP, tj. w okresie trwania suwu dolotu.

Rys. 4.2. Przekrj przez o zaworw siatki obliczeniowej silnika dla pooenia toka 156 OWK po GMP Na powyszym rysunku dobrze widoczny jest zarys daszkowej komory spalania oraz czciowo otwarty zawr dolotowy. 43

Widok oglny siatki od strony przewodu dolotowego przy pooeniu toka 66 OWK po GMP zosta zaprezentowany na Rys. 4.3.

Rys. 4.3. Widok oglny siatki obliczeniowej silnika przy pooeniu toka 66 OWK po GMP W programie KIVA-3V cz parametrw symulacji ustalanych jest oddzielnie dla tzw. regionw. Pierwszym z nich jest przestrze robocza cylindra, drugim kana dolotowy a trzecim kana wylotowy. Rozmieszczenie regionw w obiekcie opisywanych bada przedstawiono schematycznie na Rys. 4.4.

Rys. 4.4. Schemat rozmieszczenia regionw w siatce obliczeniowej obiektu bada[7]; 1- Przestrze robocza cylindra, 2 Kana dolotowy, 3 Kana wylotowy Zawory okrelone s jako tzw. ghost block, czyli elementy zewntrzne majce moliwo ruchu wzgldem przestrzeni obliczeniowej. 44

4.3. Warunki pocztkowe oblicze

Zarwno podczas symulacji pracy przy zasilaniu silnika wtryskiem porednim, jak i dla dwumiejscowego dozowania paliwa nie ulega zmianie stechiometryczna kompozycja mieszanki. W obu przypadkach zaoono takie same cinienie bezwzgldne w kanale dolotowym rwne 0,079 MPa, symulujc tym samym jednakowe w badaniach stanowiskowych otwarcie przepustnicy. Dawka paliwa wynosia w przypadku wtrysku do przewodw dolotowych 0,01610 g na jeden cykl pracy. W przypadku symulacji pracy silnika zasilanego dwuwtryskiwaczowo caa dawka zostaa podzielona pomidzy ukady wtrysku poredniego i bezporedniego tak, e udzia dawki wtrysku bezporedniego wynis 0,63. Odpowiadao to odpowiednio 0,0060 g paliwa dawkowanego przez wtryskiwacz do przewodu dolotowego i 0,0101 g paliwa wtryskiwanego wprost do komory spalania. Sumaryczna dawka w tej sytuacji wyniosa 0,01661 g/cykl, czyli nieco wicej ni w przypadku wtrysku do przewodw dolotowych. Pocztek wtrysku paliwa do przewodw dolotowych ustalono w obu symulacjach w GMP, czyli tu po rozpoczciu otwarcia zaworw dolotowych, natomiast za pocztek wtrysku do przestrzeni roboczej silnika przyjto pooenie toka odpowiadajce 79 OWK po GMP. Obie symulacje realizowano dla prdkoci obrotowej wau korbowego wynoszcej 2000 obr/min i kta wyprzedzenia zaponu rwnego 14 OWK. Przyjto cakowity czas wyadowania iskrowego (faza przebicia, ukowa, jarzeniowa [46]) rwny 1,33 ms, co dla podanej prdkoci obrotowej przekada si na ok. 16 OWK. Cinienie w kanale wylotowym przyjto rwne 0,11 MPa. Zaoono cinienie otoczenia o wartoci 0,097 MPa. W przeprowadzonych symulacjach temperatury poszczeglnych elementw silnika zostay urednione i ustalone jako niezmienne. Temperatura tulei cylindra wynosia 450 K, cianek gowicy 500K, natomiast denka toka 530 K. Takie uproszczenie nie ma znaczcego wpywu na dokadno otrzymanych wynikw, natomiast wydatnie skraca czas trwania oblicze symulacyjnych. W trakcie symulacji rozpatrywanych byo 12 substancji chemicznych. Naley te w tym miejscu wspomnie, e program KIVA-3V uywa modelu turbulencji typu k- ( k energia kinetyczna turbulencji, dyssypacja teje energii) [6].

45

4.4. Porwnanie wybranych wynikw symulacji dla dwch systemw zasilania

Na Rys. 4.5 przedstawiono porwnanie przebiegw cinienia w przestrzeni roboczej cylindra w funkcji kta obrotu wau korbowego dla obu systemw zasilania paliwem tj. wtryskiem benzyny do przewodw dolotowych (MPI) oraz wtryskiem paliwa do kolektora dolotowego i do przestrzeni roboczej (DI+MPI). Uwidacznia si rnica w wartoci maksymalnej cinienia oraz nieco wiksze pole powierzchni pod krzyw dla przebiegu cinienia w cylindrze silnika zasilanego benzyn za pomoc dwch systemw wtryskowych.n=2000 obr/min; pdol=0,079 MPa; =1,00

6cinienie w cylindrze pc [MPa] DI+MPI MPI

5 4 3 2 1 0 120

180

240

300

360

420

480

540

kt obrotu wau korbowego [deg]

Rys. 4.5. Przebieg zmian cinienia pc w przestrzeni roboczej cylindra w funkcji kta obrotu wau korbowego dla obu rozpatrywanych przypadkw zasilania paliwem Na Rys. 4.6 przedstawiono zamknite wykresy indykatorowe opracowane w oparciu przebiegi zaprezentowane na poprzednim rysunku.

46

n=2000 obr/min; pdol=0,079 MPa; =1,00

6cinienie w cylindrze pc [MPa] DI+MPI MPI

5 4 3 2 1 0 0 60 120 180 240 300 360objto przestrzeni roboczej cylindra Vc [cm3]

Rys. 4.6. Przebiegi cinienia w cylindrze pc w funkcji objtoci przestrzeni roboczej Vc uzyskane w toku symulacji dla zasilania wtryskiem do przewodw dolotowych i przy zasilaniu dwuwtryskiwaczowym Dla lepszego zobrazowania rnicy w przebiegach cinie dla obu systemw zasilania na Rys. 4.7 przedstawiono powikszone fragmenty zamknitych wykresw indykatorowych przedstawionych na Rys. 4.6.n=2000 obr/min; pdol=0,079 MPa; =1,00

6cinienie w cylindrze pc [MPa]

5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 20 40 60

DI+MPI

MPI

80

100

objto przestrzeni roboczej cylindra Vc [cm3]

Rys. 4.7. Powikszony fragment zamknitego wykresu indykatorowego obrazujcy rnice w przebiegu procesu dostarczania ciepa przy zasilaniu dwuwtryskiwaczowym oraz za pomoc wtrysku poredniego 47

Przebiegi zmian temperatury adunku cylindra dla obu przypadkw zasilania paliwem zilustrowano na Rys. 4.8.n=2000 obr/min; pdol=0,079 MPa; =1,00

3000temperatura w cylindrze Tc [K] DI+MPI MPI

2500 2000 1500 1000 500 0 120

180

240

300

360

420

480

540

kt obrotu wau korbowego [deg]

Rys. 4.8. Przebieg zmian temperatury w cylindrze przy zasilaniu dwuwtryskiwaczowym oraz dla zasilania wtryskiem porednim Widoczne rnice pomidzy wykresami z Rys. 4.8 uzyskanymi na drodze symulacji dla obu typw ukadw zasilania paliwem maj charakter podobny do otrzymanych dla przebiegw cinienia w przestrzeni roboczej cylindra. Rys. 4.9 przedstawia zmian mas paliwa w funkcji kta obrotu wau korbowego dla obu rozpatrywanych systemw zasilania.

48

n=2000 obr/min; pdol=0,079 MPa; =1,00

0,018 0,016 0,014masa paliwa [g]

DI+MPI - cieke paliwo DI+MPI - pary paliwa MPI - pary paliwa

0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540kt obrotu wau korbowego [deg]

Rys. 4.9. Zmiana masy paliwa w cylindrze przy zasilaniu dwuwtryskiwaczowym oraz dla zasilania tylko wtryskiem porednim W przypadku dawkowania paliwa tylko do przewodw dolotowych w rozpatrywanym okresie czasu w cylindrze znajduj si ju wycznie pary paliwa. Przy zastosowaniu dwumiejscowego systemu dozowania benzyny wtrynita bezporednio do cylindra cz dawki odparowuje zupenie jeszcze przed chwil zaponu. Zdarzenie to reprezentowane jest na wykresie przez osignicie poziomu zerowego przez krzyw zielon (masa ciekego paliwa) oraz maksimum przez krzyw niebiesk (masa par paliwa), co ma miejsce okoo 120 OWK przed GMP, podczas gdy kt wyprzedzenia zaponu w symulacji wynosi 14 OWK. Krt adunku jest czn miar nasilenia ruchu wirowego obwodowego (ang. swirl) oraz beczkowego (ang. tumble), ktre maj wpyw na intensywno odparowania paliwa, jego rozprzestrzenianie si w objtoci przestrzeni roboczej cylindra, a w efekcie na prdko rozprzestrzeniania si pomienia. Program KIVA oblicza krty adunku wzgldem trzech osi ukadu wsprzdnych. Wykresy zmian krtw adunku w cylindrze wzgldem poszczeglnych osi przyjtego ukadu wsprzdnych przedstawiono dla przypadku wtrysku do przewodw dolotowych na Rys. 4.10.

49

n=2000 obr/min; pdol=0,079 MPa; =1,00, zasilanie MPI

700 600krt adunku K [g cm2/s]

500 400 300 200 100 0 -100 -200kt obrotu wau korbowego [deg]

wzgldem OX wzgldem OY wzgldem OZ

60

120

180

240

300

360

420

480

540

Rys. 4.10. Krtu adunku K wzgldem poszczeglnych osi ukadu wsprzdnych w funkcji kta obrotu wau korbowego dla zasilania wtryskiem porednim Przebiegi zmiennoci krtu adunku cylindra K w funkcji kata obrotu wau korbowego silnika dla zasilania mieszanego zaprezentowano na Rys. 4.11.n=2000 obr/min; pdol=0,079 MPa; =1,00, zasilanie DI+MPI

700 600krt adunku K [g cm2/s]

500 400 300 200 100 0 -100 -200kt obrotu wau korbowego [deg]

wzgldem OX wzgldem OY wzgldem OZ

60

120

180

240

300

360

420

480

540

Rys. 4.11. Wykres krtu adunku K wzgldem poszczeglnych osi ukadu wsprzdnych w funkcji kta obrotu wau korbowego przy zasilaniu dwuwtryskiwaczowym

50

Zauwaalne jest oddziaywanie na adunek strugi paliwa dawkowanego wprost do cylindra. W przypadku zasilania mieszanego krt K wzgldem osi z (o cylindra) i osi y (o rwnolega do osi wau korbowego) osiga w procesie napeniania i sprania wartoci wiksze, ni ma to miejsce przy dawkowaniu paliwa tylko do przewodw dolotowych. Zwikszenie krtu wzgldem osi y mona interpretowa jako intensyfikacj zawirowania typu tumble beczkowego, natomiast przyrost krtu wzgldem osi pionowej cylindra z, jako wzmocnienie zawirowania obwodowego swirl [46]. Obliczony na podstawie przedstawionych na Rys. 4.10 i 4.11 przebiegw krtw adunku wzgldem poszczeglnych osi ukadu wsprzdnych przebieg zmian cakowitego krtu adunku cylindra w funkcji kta obrotu wau korbowego przedstawiono na Rys. 4.12.n=2000 obr/min; pdol=0,079 MPa; =1,00

700cakowity krt adunku Kc [g cm2/s]

600 500 400 300 200 100 0 60 120 180 240 300 360

DI+MPI

MPI

420

480

540

kt obrotu wau korbowego [deg]

Rys. 4.12. Cakowity krt adunku w cylindrze Kc w funkcji kta obrotu wau korbowego dla obu systemw zasilania paliwem Intensyfikacja turbulencji adunku cylindra przedstawiona na Rys. 4.10 4.12 ma niewtpliwie istotny wpyw na popraw przebiegu zaponu i procesu spalania, a przez to, na zwikszenie momentu obrotowego generowanego przez silnik. Przebiegi zilustrowane na kolejnych rysunkach reprezentuj masowy udzia wglowodorw HC, tlenku wgla CO i tlenku azotu NO w cylindrze w funkcji kta obrotu wau korbowego odpowiednio dla zasilania wtryskiem porednim Rys. 4.13 oraz dla zasilania mieszanego Rys. 4.14.

51

n=2000 obr/min; pdol=0,079 MPa; =1,00, zasilanie MPI

25000udzia masowy w cylindrze [ppm]

HC

CO

NO

20000 15000 10000 5000 0 120

180

240

300

360

420

480

540

600

kt obrotu wau korbowego [deg]

Rys. 4.13. Masowe udziay HC, CO i NO w cylindrze w funkcji kta obrotu wau korbowego przy zasilaniu paliwem wtryskiem porednimn=2000 obr/min; pdol=0,079 MPa; =1,00, zasilanie DI+MPI

25000udzia masowy w cylindrze [ppm] HC CO NO

20000 15000 10000 5000 0 120

180

240

300

360

420

480

540

600

kt obrotu wau korbowego [deg]

Rys. 4.14. Udziay masowe HC, CO i NO w cylindrze w funkcji kta obrotu wau korbowego uzyskane przy zasilaniu dwuwtryskiwaczowym Na podstawie analizy wykresw zamieszczonych na dwch wspomnianych wczeniej rysunkach mona stwierdzi, e wystpuj pewne rnice w przebiegach stenia tlenku wgla CO, wglowodorw HC i tlenku azotu NO w zalenoci rozpatrywanego systemu zasilania. Po zakoczeniu procesu spalania w cylindrze silnika z wtryskiem tylko do 52

przewodw dolotowych pozostaje nieco wicej CO i NO, ni ma to miejsce w przypadku zasilania z podziaem dawki pomidzy dwa wtryskiwacze. Przy dwuwtryskiwaczowym dawkowaniu paliwa udzia niespalonych wglowodorw jest natomiast wikszy, ni przy zasilaniu wtryskiem porednim. Rnica wynosi okoo 80 ppm, nie jest to wic warto dua. Rys. 4.15 przedstawia rozkad udziau masowego paliwa w przekroju wzdunym przestrzeni roboczej cylindra w suwie dolotu w przypadku zasilania wtryskiem porednim

Rys. 4.15. Udzia masowy paliwa w cylindrze silnika zasilanego wycznie za pomoc wtrysku do kolektora dolotowego, pooenie toka 250 OWK przed GMP Podobn wizualizacj wykonan dla przypadku z dwumiejscowym dawkowaniem paliwa przedstawiono na Rys. 4.16.

Rys. 4.16. Udzia masowy paliwa w cylindrze silnika przy dwuwtryskiwaczowym dawkowaniu paliwa, tok w pooeniu 250 OWK przed GMP 53

Na Rys. 4.16 dobrze widoczna jest struga paliwa wtryskiwanego bezporednio do cylindra silnika. Rozkad udziau masowego rodnikw OH dla pooenia toka 5 OWK przed GMP w analogicznym, jak poprzednio, przekroju cylindra uzyskany na podstawie symulacji przeprowadzonej dla zasilania wtryskiem porednim przedstawiono na Rys. 4.17.

Rys. 4.17. Rozkad udziau masowego rodnikw OH w przekroju cylindra przy pooeniu toka odpowiadajcemu 5 OWK przed GMP uzyskany dla zasilania wtryskiem porednim Rozkad udziau masowego rodnikw OH dla takich samych, jak na poprzednim rysunku, warunkw otrzymany na podstawie wynikw symulacji pracy silnika z wtryskiem paliwa do przewodw dolotowych i bezporednio do cylindra przedstawiono na Rys. 4.18.

Rys. 4.18. Rozkad udziau masowego rodnikw OH w przekroju cylindra przy pooeniu toka odpowiadajcemu 5 OWK przed GMP otrzymany przy zasilaniu dwuwtryskiwaczowym 54

Na podstawie analizy obrazw z Rys. 4.17 i 4.18 mona postawi stwierdzenie, e spalanie rozwija si w pocztkowym okresie nieco szybciej, gdy silnik zasilany jest mieszank tworzon przy uyciu dwch wtryskiwaczy na cylinder. Rozkad temperatury w cylindrze silnika zasilanego wtryskiem do przewodw dolotowych przy pooeniu toka dla 24 OWK po GMP zaprezentowano na Rys. 4.19. Dla przypadku z zasilaniem dwoma wtryskiwaczami stosowny obraz przedstawiono na Rys. 4.20.

Rys. 4.19. Rozkad temperatury w przekroju wzdunym cylindra przy pooeniu toka odpowiadajcemu 24 OWK po GMP uzyskany przy zasilaniu wtryskiem porednim

Rys. 4.20. Rozkad temperatury w przekroju wzdunym cylindra przy pooeniu toka odpowiadajcemu 24 OWK po GMP uzyskany dla pracy silnika z dwuwtryskiwaczowym dawkowaniem paliwa Widoczne jest, e pod koniec procesu spalania nieznacznie wysze temperatury obserwuje si w przestrzeni roboczej cylindra silnika zasilanego dwuwtryskiwaczowo. 55

4.5. Podsumowanie efektw prac symulacyjnych

Przeprowadzone symulacje pracy silnika zasilanego za pomoc wtrysku paliwa tylko do kolektora dolotowego oraz z dwumiejscowym dawkowaniem paliwa umoliwiy postawienie nastpujcych wnioskw: Uzyskanie w przypadku zasilania mieszanego tej samej, co przy zasilaniu wtryskiem porednim, wartoci wspczynnika nadmiaru powietrza wymaga nieco wikszej dawki paliwa. Fakt ten wskazuje na popraw wspczynnika napenienia cylindra dla zasilania mieszanego w rozpatrywanych warunkach symulacji. Wtrysk paliwa do przestrzeni roboczej cylindra w suwie dolotu powoduje intensyfikacj zawirowania adunku. Miar tego procesu jest zwikszenie cakowitego krtu adunku w suwie dolotu. Jest to zjawisko korzystne, majce pozytywny wpyw na tworzenie mieszaniny palnej i, w efekcie, na pniej nastpujcy proces jej spalania. Jak wiadomo, jednym z podstawowych problemw wicych si z zastosowaniem

wtrysku bezporedniego benzyny jest zagadnienie szybkiego odparowania paliwa tak, aby adunek cylindra cechowa si podanym stopniem jednorodnoci. Zaobserwowano, e przy dwumiejscowym dawkowaniu paliwa caa masa paliwa odparowuje ponad 100 OWK przed chwil zaponu. Czas potrzebny na utworzenie moliwie jednorodnej w tym przypadku mieszanki jest wic stosunkowo dugi. Dla silnika zasilanego za pomoc dwch systemw wtrysku szczytowe cinienie spalania jest wysze o okoo 6% w porwnaniu do cinienia uzyskanego dla zasilania paliwem jedynie za pomoc wtrysku do kolektora. rednia szybko przyrostu cinienia dpc/d od chwili zaponu do osignicia cinienia szczytowego wynoszca przy zasilaniu dwuwtryskiwaczowym 0,16 MPa/OWK jest nieznacznie wiksza, anieli ma to miejsce dla dawkowania paliwa wycznie do przewodw dolotowych. W tym przypadku przyjmuje ona warto 0,15 MPa/ OWK. Cykl roboczy silnika zasilanego za pomoc wtrysku bezporedniego i do przewodw dolotowych charakteryzuje si wiksz o okoo 3% wartoci redniego cinienia indykowanego, ni dla silnika z systemem wtrysku paliwa tylko do kolektora dolotowego. W podsumowaniu naley stwierdzi, e uzyskane w toku prac symulacyjnych rezultaty zastosowania dwumiejscowego dawkowania paliwa w silniku z zaponem iskrowym wskazay na celowo przeprowadzenia bada eksperymentalnych silnika badawczego z takim ukadem zasilania paliwem. 56

Rozdzia 5. Badania stanowiskowe5.1. Wstp

Program bada, ktre s przedmiotem niniejszego opracowania, obejmowa sporzdzenie charakterystyk regulacyjnych w wybranych omiu punktach pola pracy silnika, gdzie wielkoci zmienn bya wzajemna relacja dawek paliwa wtryskiwanych porednio i bezporednio do cylindra. Wyboru obszaru prac badawczych dokonano na podstawie analizy dostpnej literatury [80], [96], [106]. W opracowaniach tych wskazano obszar niepenych obcie i niskich oraz rednich prdkoci obrotowych, jako cz pola pracy silnika, gdzie potencjalne korzyci z zastosowania dwuwtryskiwaczowego ukadu zasilania powinny by najwiksze. W Tab. 5.1 zestawiono punkty pola pracy silnika wytypowane do sporzdzenia charakterystyk regulacyjnych udziau dawki wtrysku bezporedniego xDI w caej masie paliwa przypadajcej na jeden cykl roboczy silnika. Lp. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Stopie otwarcia przepustnicy, thr[%] 13 20 20 25 30 30 30 30 Prdko obrotowa, n [obr/min] 2000 1800 2000 2500 2000 2250 2500 3000 rednie cinienie efektywne przy zasilaniu typu MPI, pe [MPa] 0,51 0,79 0,75 0,71 0,91 0,85 0,84 0,83

Tab. 5.1. Punkty pola pracy silnika badawczego wybrane do sporzdzenia charakterystyk regulacyjnych udziau dawki wtrysku bezporedniego xDI Najmniejsze obcienie, reprezentowane przez rednie cinienie efektywne pe, moliwe do uzyskania w obecnej konfiguracji stanowiska badawczego przy zasilaniu mieszanym wynosio 0,51 MPa. Poniej tej wartoci wystpoway problemy ze stabiln prac silnika. Fakt ten spowodowany by wystpowaniem nierwnomiernoci dawkowania poszczeglnych wtryskiwaczy ukadu wtrysku bezporedniego przy krtkich czasach

57

otwarcia. Skrcenie czasu wtrysku poniej ok. 0,3 ms, konieczne do realizacji niszych udziaw xDI przy niskich obcieniach, powoduje wystpienie wspomnianego zjawiska. Na Rys. 5.1 przedstawiono cz pola pracy silnika z zaznaczonymi wybranymi punktami pomiarowymi i ograniczonego krzyw charakterystyki zewntrznej redniego cinienia efektywnego pe.rednie cinienie efektywne (charakterystyka zewntrzna) wybrane punkty pola pracy

rednie cinienie efektywne pe [MPa]

1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 1000

1500

2000 2500 prdko obrotowa n [obr/min]

3000

3500

Rys. 5.1. Pole pracy silnika badawczego z zaznaczonymi punktami wybranymi do sporzdzenia charakterystyk regulacyjnych udziau dawki wtrysku bezporedniego Krzyw opisujc przebieg redniego cinienia efektywnego przy zasilaniu wtryskiem do przewodw dolotowych. opracowano w oparciu o charakterystyk zewntrzn momentu obrotowego badanego silnika zamieszczon w [87]. Pomiarom w badaniach podlegay przede wszystkim wielkoci, takie jak: prdko obrotowa wau korbowego silnika, moment obrotowy, zuycie paliwa, stenia objtociowe poszczeglnych skadnikw spalin, czy te ich temperatura. Podczas bada hamownianych mierzone byy Podczas rwnie cinienie pot i temperatura otoczenia Tot w celu sprowadzenia kadej z prb utrzymywano sta prdko obrotow silnika, otrzymanych rezultatw do warunkw normalnych. stechiometryczny skad mieszanki (z dokadnoci rwn 0,007) oraz stae otwarcie przepustnicy. Ustalenie zaoonego skadu mieszanki po zmianie dawki wtrysku bezporedniego byo realizowane automatycznie poprzez sterownik silnika pracujcy w ptli sprzenia zwrotnego z szerokopasmow sond lambda. Na podstawie odczytu sygnau sondy lambda ukad sterowania silnikiem, stosownie do potrzeb, skraca lub wydua czas otwarcia 58

wtryskiwaczy ukadu wtrysku do przewodw dolotowych tak, aby skad mieszanki by stechiometryczny. Nieaktywny podczas prowadzonych bada stanowiskowych by ukad zmiennych faz waka rozrzdu zaworw dolotowych, w ktry jest wyposaony silnik badawczy. Takie dziaanie podyktowane byo chci uniezalenienia si od wpywu ustawienia rozrzdu na badane wielkoci. Nie podlega zmianie take kt wyprzedzenia pocztku wtrysku bezporedniego wzgldem GMP. Jego warto zostaa okrelona podczas wstpnych prb na poziomie 281 OWK przed GMP, co oznacza wtrysk bezporedni paliwa w czasie suwu dolotu. Rwnie podczas wstpnych bada silnika ustalono na poziome 8 MPa cinienie bezporedniego wtrysku benzyny. W drugiej czci bada stanowiskowych zostay zarejestrowane przebiegi cinienia indykowanego dla prdkoci obrotowej n = 2000 obr/min i otwarcia przepustnicy thr = 20%. Prby przeprowadzono w celu okrelenia rnic w przebiegu procesu spalania adunku w silniku przy zasilaniu za pomoc wtrysku do przewodw dolotowych i dla okrelonego w pierwszej czci bada podziau dawki paliwa na ukad wtrysku bezporedniego i poredniego zapewniajcego minimalne w tym punkcie pola pracy jednostkowe zuycie paliwa.

59

5.2. Wpyw zastosowania zasilania dwuwtryskiwaczowego na osigi i zuycie paliwa

Na podstawie wynikw pomiarw opisanych we wstpie wyznaczono przebiegi momentu obrotowego Mo i jednostkowego zuycia paliwa ge w zalenoci od udziau xDI dawki paliwa wtryskiwanego do przestrzeni roboczej cylindra w caej masie paliwa przypadajcej na jeden cykl roboczy silnika. Stosunek xDI definiuje wzr (5.1).x DI = GeDI Ge

(5.1)

gdzie: xDI - udzia dawki paliwa wtryskiwanego bezporednio do cylindra w caej dawce paliwa, [-] GeDI godzinowe zuycie paliwa dawkowanego przez ukad wtrysku bezporedniego, [kg/h] Ge cakowite godzinowe zuycie paliwa, [kg/h] Na kolejnych rysunkach przedstawiono graficzne ilustracje omiu charakterystyk regulacyjnych, gdzie wielkoci zmienn by udzia dawki paliwa wtrysku bezporedniego. Wyniki pomiarw we wszystkich przypadkach aproksymowano wielomianami drugiego stopnia. Rys. 5.2 przedstawia przebiegi momentu obrotowego i jednostkowego zuycia paliwa dla stopnia otwarcia przepustnicy 13% i prdkoci obrotowej 2000 obr/min.n=2000 obr/min; thr=13%, =1,00moment obrotowy jednostkowe zuycie paliwa

66 64 62 60 Mo [Nm] 58 56 54 52 50 48 0 0,2 0,4 xDI [-] 0,6 0,8 1

280 276 272 264 260 256 252 248 244 ge [g/kWh] 268

Rys. 5.2. Moment obrotowy Mo i jednostkowe zuycie paliwa ge w zalenoci od udziau dawki paliwa wtryskiwanego bezporednio w caej dawce paliwa dla stopnia otwarcia przepustnicy 13 % i prdkoci obrotowej 2000 obr/min 60

Dla przypadku z powyszego rysunku widoczne jest, e maksimum momentu obrotowego i minimum jednostkowego zuycia paliwa uzyskano dla udziau dawki wtrysku bezporedniego xDI rwnego niespena 0,4. Wyniki otrzymane dla takiego podziau masy paliwa pomidzy system wtrysku bezporedniego i do przewodw dolotowych wykazuj istotne rnice zwaszcza w zestawieniu z rezultatami bada uzyskanymi w sytuacji, gdy caa dawka paliwa wtryskiwana jest bezporednio do cylindra. Rys. 5.3 obrazuje wyniki bada przeprowadzonych przy prdkoci obrotowej 1800 obr/min i z 20% stopniem uchylenia przepustnicy.n=1800 obr/min; thr=20%, =1,00moment obrotowy jednostkowe zuycie paliwa

96 94 92 90

268 266 264 260 258 256 254 252 250 0 0,2 0,4 xDI [-] 0,6 0,8 1 262

88 86 84 82 80 78

Rys. 5.3. Zaleno momentu obrotowego Mo i jednostkowego zuycia paliwa ge od udziau dawki paliwa wtryskiwanego bezporednio w caej dawce paliwa dla stopnia otwarcia przepustnicy 20 % i prdkoci obrotowej 1800 obr/min Dla mniejszej, ni poprzednio, prdkoci obrotowej silnika i wikszego stopnia otwarcia przepustnicy najwiksz warto momentu obrotowego oraz minimalne jednostkowe zuycie paliwa zarejestrowano dla udziau dawki wtrysku bezporedniego xDI rwnego 0,58. Naley wspomnie, e rnice pomidzy wynikami otrzymanymi dla kolejnych proporcji podziau dawki pomidzy dwa systemy wtrysku s w tym przypadku nieco mniejsze, ni obserwowano na obrazie pierwszej z otrzymanych charakterystyk. Przebieg momentu obrotowego i jednostkowego zuycia paliwa w funkcji udziau dawki paliwa wtryskiwanej do cylindra zarejestrowane przy prdkoci obrotowej 2000 obr/min i stopniu otwarcia przepustnicy 20% przedstawia Rys. 5.4.

61

ge [g/kWh]

Mo [Nm]

n=2000 obr/min; thr=20%, =1,00moment obrotowy jednostkowe zuycie paliwa

92 90 88 86 Mo [Nm] 84 82 80 78 76 74 0 0,2 0,4 xDI [-] 0,6 0,8 1

264 260 256 248 244 240 236 232 228 ge [g/kWh] 252

Rys. 5.4. Moment obrotowy Mo i jednostkowe zuycie paliwa ge w zalenoci od udziau dawki paliwa wtryskiwanego bezporednio w caej dawce paliwa dla stopnia otwarcia przepustnicy 20% i prdkoci obrotowej 2000 obr/min Dla stopnia otwarcia przepustnicy thr rwnego 20% i prdkoci obrotowej 2000 obr/min najkorzystniejsze wyniki jednostkowego zuycia paliwa i momentu obrotowego zaobserwowano dla udziau dawki paliwa wtrysku bezporedniego wynoszcego 0,62. W opisywanej sytuacji wspomniane parametry robocze silnika wykazay istotn popraw w odniesieniu do sytuacji, gdy caa porcja paliwa dawkowana jest poprzez wtryskiwacze paliwa ukadu wtrysku do przewodw dolotowych. Na Rys. 5.5 przedstawiono charakterystyk regulacyjn udziau dawki paliwa wtrysku bezporedniego otrzyman na podstawie wynikw pomiarw wykonanych dla 25% stopnia otwarcia przepustnicy i prdkoci obrotowej 2500 obr/min. W powyszych warunkach prb najlepsze rezultaty dla momentu obrotowego i jednostkowego zuycia paliwa uzyskano przy udziale dawki paliwa wtryskiwanego bezporednio do cylindra rwnym 0,72. Otrzymane dla kolejnych proporcji podziau masy paliwa rnice pomidzy wynikami nie s w tym przypadku szczeglnie wyranie. Zarwno moment obrotowy, jak i jednostkowe zuycie paliwa odznaczaj si stosunkowo paskimi, zwaszcza w porwnaniu z poprzednimi , przebiegami zmiennoci.

62

n=2500 obr/min; thr=25%, =1,00moment obrotowy jednostkowe zuycie paliwa

88 86 84 82

264 260 256 248 244 240 236 232 228 0 0,2 0,4 xDI [-] 0,6 0,8 1 252

80 78 76 74 72 70

Rys. 5.5. Przebiegi momentu obrotowego Mo i jednostkowego zuycia paliwa ge w funkcji udziau dawki wtrysku bezporedniego xDI zarejestrowane przy prdkoci obrotowej 2500 obr/min i stopniu otwarcia przepustnicy 25% Otrzymane dla prdkoci obrotowej 2000 obr/min i przy stopniu otwarcia przepustnicy 30% przebiegi momentu obrotowego i jednostkowego zuycia paliwa w zalenoci od udziau benzyny dawkowanej za pomoc ukadu wtrysku bezporedniego zaprezentowano w formie graficzn