Show publication content!

Transkrypt

POLITECHNIKA POZNAŃSKA
Wydział Maszyn Roboczych
i Transportu
Krzysztof LEW
OPRACOWANIE KRYTERIÓW DOBORU PALIW
DO SPECYFIKI NAPĘDÓW WYKORZYSTYWANYCH
W KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ
Rozprawa doktorska
Promotor:
Prof. dr hab. inż. Kazimierz LEJDA
POZNAŃ 2014
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
SPIS TREŚCI
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ, SKRÓTÓW
I AKRONIMÓW ................................................................................................. 4
1. WPROWADZENIE ...................................................................................... 7
2. RODZAJE NAPĘDU I PALIWA STOSOWANE W ŚRODKACH
KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ .................................................................... 9
2.1. JEDNOSTKI NAPĘDOWE WYKORZYSTYWANE W AUTOBUSACH
KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ ......................................................................... 9
2.2. SPECYFIKA NAPĘDÓW WYKORZYSTYWANYCH W AUTOBUSACH
KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ ....................................................................... 11
2.3. PALIWA STOSOWANE W KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ ................................. 14
2.3.1. OLEJ NAPĘDOWY ............................................................................... 15
2.3.2. PALIWA ZASTĘPCZE ........................................................................... 18
2.3.2.1.
2.3.2.2.
2.3.2.3.
2.3.2.4.
2.3.2.5.
CNG/LNG.................................................................................... 19
LPG .............................................................................................. 21
WODÓR......................................................................................... 22
BIOPALIWA I GENERACJI ............................................................... 23
BIOPALIWA II I III GENERACJI ....................................................... 24
3. ANALIZA PROCESU ROZPYLANIA PALIW ..................................... 26
3.1. MAKROSTRUKTURA STRUGI ROZPYLONEGO PALIWA ............................ 28
3.2. MIKROSTRUKTURA STRUGI ROZPYLONEGO PALIWA ............................. 30
3.3. METODY OCENY PROCESU ROZPYLANIA PALIW .................................... 32
3.3.1. METODY WIZYJNE ....................................................................... 32
3.3.2. METODY LASEROWE ................................................................... 34
4. WYMAGANIA DLA PALIW DO SPALINOWYCH ŚRODKÓW
NAPĘDU AUTOBUSÓW MIEJSKICH................................................... 38
4.1. WYMAGANIA ZWIĄZANE Z PRAWIDŁOWYM FUNKCJONOWANIEM
SYSTEMU ZASILANIA PALIWEM ............................................................. 39
4.2. WYMAGANIA ZWIĄZANE Z PRAWIDŁOWYM ROZPYLENIEM,
ODPAROWANIEM I SPALANIEM PALIWA W SILNIKU .............................. 41
4.3. WYMAGANIA ZWIĄZANE Z ODDZIAŁYWANIEM NA ŚRODOWISKO
NATURALNE ......................................................................................... 42
4.4. WYMAGANIA DOTYCZĄCE WŁAŚCIWEGO PRZECHOWYWANIA
I DYSTRYBUCJI PALIWA ........................................................................ 44
5. CEL I ZAKRES PRACY ........................................................................... 46
5.1. PROBLEMATYKA ROZPRAWY, JEJ CELE I ZAKRES .................................. 46
5.2. UZASADNIENIE WYBORU TEMATYKI PRACY ......................................... 47
5.3. TEZY ROZPRAWY .................................................................................. 47
5.4. ZAŁOŻENIA PRAKTYCZNE ..................................................................... 48
2
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
6. BADANIA WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNYCH PALIW ...... 49
6.1. CEL I ZAKRES BADAŃ ........................................................................... 49
6.2. CHARAKTERYSTYKA PRZEBIEGU BADAŃ .............................................. 50
6.2.1. APARATURA BADAWCZA ................................................................... 50
6.2.2. PRZEBIEG BADAŃ............................................................................... 55
6.3. PREZENTACJA I ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ ......................................... 60
7. BADANIA SILNIKOWE PALIW WYBRANYCH DO ANALIZY
NA STANOWISKU BADAWCZYM ....................................................... 72
7.2.1. OBIEKT BADAŃ .................................................................................. 72
7.2.2. STANOWISKO BADAWCZE .................................................................. 74
7.2.3. PRZEBIEG BADAŃ............................................................................... 76
7.3. PREZENTACJA I ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ ......................................... 78
8. BADANIA WIZUALIZACYJNE PROCESU WTRYSKU PALIW
WYBRANYCH DO ANALIZY NA STANOWISKU BADAWCZYM..... 94
8.2.1. STANOWISKO BADAWCZE .................................................................. 94
8.2.2. PRZEBIEG BADAŃ............................................................................... 99
8.3. PREZENTACJA I ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ ....................................... 100
9. KRYTERIA DOBORU PALIW DO SPALINOWYCH ŚRODKÓW
NAPĘDU AUTOBUSÓW MIEJSKICH................................................. 121
9.1. KRYTERIA DOTYCZĄCE WYMAGAŃ ODNOŚNIE WŁAŚCIWOŚCI
FIZYKOCHEMICZNYCH I JAKOŚCIOWYCH ............................................ 121
9.2. KRYTERIA ZWIĄZANE Z GEOMETRIĄ STRUGI ROZPYLONEGO
PALIWA............................................................................................... 123
9.3. KRYTERIA DOTYCZĄCE EMISYJNOŚCI ................................................. 124
9.4. KRYTERIA ZWIĄZANE Z PARAMETRAMI OPERACYJNYMI SILNIKA ....... 128
10. WNIOSKI KOŃCOWE ........................................................................... 132
10.1. WNIOSKI O CHARAKTERZE POZNAWCZYM .......................................... 132
10.2. WNIOSKI O CHARAKTERZE UTYLITARNYM ......................................... 134
10.3. WNIOSKI O CHARAKTERZE ROZWOJOWYM ......................................... 134
LITERATURA ................................................................................................ 135
STRESZCZENIE ..................................................................................................... 141
SUMMARY ............................................................................................................. 142
ZAŁĄCZNIK 1 – WYBRANE WYNIKI PRZEBIEGÓW SZYBKOZMIENNYCH
ZAREJESTROWANYCH NA SILNIKU BADAWCZYM ....................... 143
ZAŁĄCZNIK 2 - MATERIAŁ ZDJĘCIOWY Z BADAŃ WIZUALIZACYJNYCH .............. 158
3
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH SKRÓTÓW, OZNACZEŃ I AKRONIMÓW
B100 - Biodiesel zawierający 100% estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju
rzepakowego,
BTL
- (Biomass to Liquid) – produkty przeróbki biomasy na paliwa syntetyczne,
CD
- (Combustion Delay) – opóźnienie spalania; jest to czas jaki upłynął od pojawienia
się sygnału sterującego wtryskiwaczem do momentu, gdy ciśnienie w komorze
uzyskało wartość równą połowie sumy ciśnienia początkowego i maksymalnego,
CNG - (Compressed Natural Gas) – sprężony gaz ziemny,
CO
- tlenek węgla,
CR
- (Common Rail) – typ układu zasilania,
D
- średnica kropli [μm],
D10
- średnia średnica arytmetyczna kropel [μm],
D32
- średnia średnica objętościowo-powierzchniowa kropel (średnica Sautera) [μm],
DCN - (Derived Cetane Number) – pochodna liczba cetanowa,
DME - dimetyloeter,
DMP - dolny martwy punkt,
dk
- średnica otworka rozpylającego [mm],
F
- siła na ramieniu hamulca [N],
FAEE - (Fatty Acid Ethyl Esters) - estry etylowe kwasów tłuszczowych,
FAME - (Fatty Acid Methyl Esters) - estry metylowe kwasów tłuszczowych,
Ge
- godzinowe zużycie paliwa [kg/h],
ge
- jednostkowe zużycie paliwa [g/kWh],
GMP - górny martwy punkt,
GTL - (Gas to Liquid) - otrzymywanie paliwa ciekłego z gazu,
HC
- węglowodory,
Ha
- zawartość wodoru w paliwie [%],
Iw
- prąd płynący w cewce wtryskiwacza [A],
ID
- (Ignition Delay) – opóźnienie samozapłonu; jest to czas jaki upłynął od pojawienia
się sygnału sterującego wtryskiwaczem do momentu, gdy ciśnienie w komorze
wzrosło o 0,02 MPa powyżej ciśnienia początkowego,
LC
- liczba cetanowa,
LDA - (Laser Doppler Anenometer) - dopplerowska anemometria laserowa,
LNG - (Liquified Natural Gas) - skroplony gaz ziemny,
4
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
LPG
- (Liquified Petroleum Gas) – ciekły gaz propan-butan (w USA: ciekły propan),
lr
- długość otworka rozpylającego [mm],
Mo
- moment obrotowy silnika [Nm],
MT
- moment tarcia [Nm],
n
- prędkość obrotowa silnika [obr/min],
Ne
- moc użyteczna (oddawana na wale korbowym silnika) [kW],
NOx
- tlenki azotu,
ON
- olej napędowy,
ONH - olej napędowy handlowy,
OR
- olej rzepakowy,
°OWK - stopień obrotu wału korbowego [°],
°OWP - stopień obrotu wałka krzywkowego pompy wysokociśnieniowej [°],
P
- obciążenie [N],
Poz
- graniczne obciążenie zatarcia [N],
PT
- obciążenie zacierające [N],
PM
- (Particulate Matter) – cząstki stałe,
PN
- (Particle Numer) - liczba cząstek,
PVO - (Pure Vegetable Oils) – olej roślinny otrzymywany z procesów tłoczenia na zimno
i ekstrakcji ziaren spożywczych roślin oleistych,
pa
- ciśnienie atmosferyczne [Pa],
pc
- ciśnienie w komorze spalania [kPa],
pd
- ciśnienie dynamiczne ośrodka [kPa],
psz
- ciśnienie paliwa w zasobniku ciśnienia (szynie paliwowej) [MPa],
pudc
- ciśnienie w układzie dolotowym przy przepływomierzu [kPa],
puds
- ciśnienie w układzie dolotowym przy silniku [kPa],
pwtr
- ciśnienie w przewodzie wysokiego ciśnienia przed wtryskiwaczem [MPa],
Qs
- ciepło spalania (górna wartość opałowa) [MJ/kg],
RME - (Rapeseed Oil Methyl Ester) - estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju
rzepakowego,
SMD - (Sauter Mean Diameter) – średnica Sautera [μm],
tis
- czas impulsu sterującego wtryskiwacza (w pracy utożsamiany z czasem wtrysku)
[μs],
Tcd
- temperatura cieczy chłodzącej dopływającej do silnika [°C],
5
Krzysztof Lew
Tck
- temperatura cieczy chłodzącej w korpusie silnika [°C],
Tco
- temperatura cieczy chłodzącej odpływającej z silnika [°C],
To
- temperatura otoczenia [ºC],
Tpp
-
Ts
- temperatura spalin [°C],
Tz
- temperatura zapłonu [°C],
Rozprawa doktorska
temperatura powietrza na wlocie do przepływomierza [°C],
TZZF - temperatura zablokowania zimnego filtra [°C],
twtr
- czas wtrysku [μs],
Uw
- napięcie na stykach cewki wtryskiwacza [V],
w
- początkowa prędkość względna paliwa i otaczającego gazu [m/s],
W189 - wtryskiwacz typu Bosch 0445110189,
W219 - wtryskiwacz typu Bosch 0445120219,
Wa
- zawartość wilgoci w paliwie [%],
Wd
- wartość opałowa [MJ/kg],
We
- liczba Webera,
Z
- zasięg czoła strugi [mm],
ZI
- silnik spalinowy o zapłonie iskrowym,
ZS
- silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym,
Δp
- różnica ciśnienia paliwa u wylotu z otworu rozpylacza i ciśnienia ośrodka, do
którego paliwo jest wtryskiwane [MPa],
α
-
kąt od początku wtrysku [º OWK],
Θs
- kąt wierzchołkowy strugi [º],
ρc
- gęstość paliwa [kg/m³],
ρg
- gęstość ośrodka gazowego, do którego odbywa się wtrysk paliwa [k/m³],
σ
- napięcie powierzchniowe paliwa [N/m],
ηe
- sprawność efektywna (ogólna) silnika [%],
μ
- współczynnik przepływu,
ν
- lepkość kinematyczna [mm2/s].
6
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
1. WPROWADZENIE
Rozwój cywilizacyjny aglomeracji miejskich jest zdeterminowany m.in. właściwym
funkcjonowaniem komunikacji zbiorowej. Aby zachować efektywność komunikacji, a tym
samym zapewnić miastu sprawne funkcjonowanie, transport zbiorowy musi się stale rozwijać
i modernizować tak, aby nadążać za postępem technicznym, urbanizacją, procesami
społecznymi, a także rosnącymi wymaganiami klientów. Właściwy rozwój komunikacji
miejskiej zaczyna się na poziomie administracji centralnej i samorządowej, a kończy na
producentach taboru i przewoźnikach [55]. Aktualnie, podstawowym środkiem transportu
zbiorowego są autobusy miejskie, w których źródłem napędu jest głównie olej napędowy,
a jak wiadomo, jest to paliwo będące produktem przeróbki ropy naftowej, która z kolei jest
surowcem nieodnawialnym. Coraz większe zapotrzebowanie na tego typu paliwo sprawia, że
jego zasoby w dość szybkim tempie są wyczerpywane. Szacuje się, że ilość dostępnych
zasobów ropy naftowej to niewiele ponad 1000 mld baryłek, gdzie przy rocznym światowym
jej zużyciu na poziomie ok. 27 mld baryłek, daje to zapas na niespełna 38 lat [115]. Niemniej
jednak, bardziej optymistyczne źródła podają okres nawet 125 lat [7,23,92]. W związku z tym
podejmowane są różnego typu działania, które koncentrują się m.in. na zmianach
konstrukcyjnych silników o ZS i aparatury wtryskowej w celu zmniejszenia zużycia paliwa,
jak również na poszukiwaniu innych paliw pochodzących ze źródeł odnawialnych, które
zastąpiłyby częściowo lub całkowicie tradycyjne paliwa pochodzące z przeróbki ropy
naftowej. Paliwa te powinny zapewniać niewielkie zagrożenie dla środowiska naturalnego,
gdyż jak powszechnie wiadomo, miasta należą do obszarów najbardziej narażonych na
kumulację zanieczyszczeń. Coraz powszechniejsze staje się w miastach zjawisko smogu
fotochemicznego, ściśle związanego ze spalaniem paliw ciekłych przez spalinowe środki
transportu. Paliwa pochodzące z innych źródeł nazywa się niekonwencjonalnymi,
zastępczymi lub alternatywnymi [3,26,47,55].
W silnikach o ZS przebieg procesu wtrysku ma istotny wpływ na przebieg procesu
spalania i co za tym idzie, na wszystkie parametry silnika, zarówno operacyjne jak
i ekologiczne [40,82,87]. Na te parametry ma wpływ wiele czynników, począwszy od
konstrukcji i precyzji wykonania samego wtryskiwacza, który jest w głównej mierze
odpowiedzialny za proces wtrysku paliwa, a skończywszy na właściwościach
fizykochemicznych paliwa, które mogą być zmienne, nawet w krótkim czasie, ze względu na
zmiany temperatury prowadzące do zmiany gęstości i lepkości [26,40,41,59].
Do zasilania taboru komunikacji miejskiej paliwami alternatywnymi są najczęściej
stosowane produkty ciekłe pochodzenia roślinnego, zwane biopaliwami lub biodieslem, jak
również z innych źródeł, np. powstałe w wyniku przetworzenia różnego typu odpadów,
a także paliwa gazowe. Właściwości każdego paliwa zastępczego, jego zastosowanie
i porównanie odnoszą się zawsze do oleju napędowego w prowadzonych badaniach
i analizach.
Jednym z założeń zastosowania paliw zastępczych w komunikacji miejskiej jest
wykorzystanie istniejącej konstrukcji jednostki napędowej i dokonanie jedynie ewentualnych
zmian jej parametrów regulacyjnych [50]. W tym celu ważnym aspektem jest znajomość
właściwości fizykochemicznych rozpatrywanych paliw, następnie porównanie ich
z właściwościami klasycznego paliwa i na tej podstawie opracowanie algorytmu sterowania
pracą układu wtryskowego.
Niniejsza rozprawa podejmuje jeden z ważnych tematów prac rozwojowych, jakim
jest opracowanie kryteriów doboru paliw możliwych do zastosowania w napędach pojazdów
komunikacji miejskiej.
7
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rozprawa została napisana z podziałem na dziesięć rozdziałów, w których zawarto
odpowiednie do ich tytułów treści. W bieżącym rozdziale, stanowiącym wprowadzenie do
tematu pracy, zasygnalizowano problematykę związaną z możliwością zastosowania paliw
alternatywnych do napędów wykorzystywanych w transporcie miejskim. W drugim rozdziale
zostały przedstawione środki napędu i stosowane paliwa w autobusach komunikacji miejskiej,
ponadto zwrócono uwagę na specyfikę napędów wykorzystywanych w tych pojazdach.
Przedmiotem rozdziału trzeciego jest analiza podstawowych zagadnień dotyczących
rozpylenia paliwa. Przedstawiono w nim najważniejsze informacje na temat mikroi makrostruktury strugi rozpylanego paliwa. Zebrano również informacje na temat metod
oceny procesu rozpylania paliw. W rozdziale czwartym przedstawiono wymagania, jakie
stawiane są paliwom do spalinowych środków napędu autobusów miejskich. Wśród nich
opisano wymagania związane z prawidłowym funkcjonowaniem systemu zasilania paliwem,
rozpyleniem, odparowaniem i spalaniem paliwa w silniku, jak również związane
z oddziaływaniem na środowisko naturalne oraz wymagania dotyczące właściwego
przechowywania i dystrybucji paliw. Rozdział piąty zawiera sformułowane cele i zakres
rozprawy, uzasadnienie podjęcia jej tematu oraz tezy wraz z założeniami praktycznymi.
W rozdziale szóstym opisano badania doświadczalne dotyczące wyznaczenia właściwości
fizykochemicznych paliw wykorzystanych podczas badań oraz zaprezentowano wyniki i ich
analizę. Rozdział siódmy został poświęcony badaniom silnikowym paliw wybranych do
analizy na stanowisku badawczym. W rozdziale tym scharakteryzowano obiekt badań, którym
był jednocylindrowy silnik spalinowy SB-3.1, stanowisko badawcze, plan oraz przebieg
badań, jak również przedstawiono wyniki i ich analizę. Badania wizualizacyjne procesu
wtrysku paliw wybranych do analizy na stanowisku badawczym stanowią treść rozdziału
ósmego. Opisano w nim stanowisko badawcze, plan badań oraz ich przebieg. Rozdział ten
zawiera również prezentację i analizę wyników badań. Tematem dziewiątego rozdziału są
opracowane kryteria doboru paliw do spalinowych środków napędu autobusów miejskich.
W ostatnim, dziesiątym rozdziale, przedstawiono wnioski końcowe, z podziałem na wnioski
poznawcze, utylitarne i rozwojowe. Wykaz literatury, którą wykorzystano jako materiał
źródłowy w rozprawie oraz streszczenie pracy w językach polskim i angielskim kończą
całość opracowania.
8
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
2. RODZAJE NAPĘDU I PALIWA STOSOWANE W ŚRODKACH
KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ
Głównym źródłem napędu współczesnych autobusów komunikacji miejskiej jest olej
napędowy oraz coraz częściej gaz ziemny sprężony (CNG) lub w postaci ciekłej (LNG), jak
również, choć jeszcze w małym zakresie, paliwa alternatywne.
Aktualnie w autobusach miejskich podstawową jednostką napędową są silniki o zapłonie
samoczynnym, które w dominującej większości są zasilane olejem napędowym pochodzącym
z przeróbki ropy naftowej, która jest surowcem nieodnawialnym, staje się coraz droższa i istnieje
zagrożenie ograniczenia jej wydobycia oraz sprzedaży z różnych względów (politycznych,
ekologicznych, ekonomicznych itp.). W związku z tym podejmowane są różnego typu działania,
które koncentrują się m.in. na zmianach konstrukcyjnych silników o ZS i aparatury wtryskowej
w celu zmniejszenia zużycia paliwa, jak również poszukiwania innych paliw pochodzących ze
źródeł odnawialnych (wodór, biomasa, biogaz), które zastąpiłyby częściowo lub całkowicie
klasyczne paliwa pochodzące z przeróbki ropy naftowej oraz stwarzały niewielkie zagrożenie dla
środowiska naturalnego [3,26,47].
Ponadto, innymi rodzajami napędów, które mogą być wykorzystywane w środkach
komunikacji miejskiej są m.in.: ogniwa paliwowe, napędy turbinowe, hybrydowe i elektryczne.
2.1. JEDNOSTKI NAPĘDOWE WYKORZYSTYWANE W KOMUNIKACJI
MIEJSKIEJ
Podstawową jednostką napędową autobusów komunikacji miejskiej są silniki
o zapłonie samoczynnym, co wynika z większej sprawności, mniejszego zużycia paliwa oraz
mniejszej emisji dwutlenku węgla niż w przypadku silników o zapłonie iskrowym [3].
W tabeli 2.1 został przedstawiony wykaz wybranych jednostek napędowych
występujących aktualnie w autobusach miejskich, produkowanych przez różnych wytwórców.
Tabela 2.1. Wykaz wybranych silników występujących we współczesnych autobusach miejskich [115]
Marka
Typ silnika
System wtrysku
Pojemność
silnika dm3
MAN
D0826LOH17
MAN
D0836LOH70
MAN
D0826LOH02
Wtrysk
bezpośredni
6.9
Common Rail
6,9
SOLARIS
MAN E2876LUH02
Cummins ISB6.7EV
225B
Cummins ISB6.7E5
250B
Cummins ISBe4
250B
Cummins ISB6.7E5
285B
Cummins ISLG 320
DAF PR183
Wtrysk
bezpośredni
Bezpośredni
wtrysk gazu
6.9
12,8
Common Rail
6,7
Common Rail
6,7
Common Rail
6,7
Common Rail
6,7
Bezpośredni
wtrysk gazu
Jednocylindrowe
pompy wtryskowe
SMART
8,9
9.2
Moc
kW
(KM)
162
(220)
213
(290)
192
(260)
228
(310)
165
(225)
180,5
(245)
184
(250)
209
(284)
234,8
(319)
183
(249)
Moment
obrotowy
Nm
Rodzaj
paliwa
920
ON
1100
ON
1050
ON
1250
CNG
930
ON
950
ON
951
ON
1100
ON
1350
CNG/
LNG
1050
ON
9
Krzysztof Lew
Tabela 2.1.
Rozprawa doktorska
cd.
SOLARIS
DAF PR228
DAF PR265
Iveco F2BE0642A
MERCEDES-BENZ
MBOM 906 hLA
MBOM 457 hLA
MBM 447 hLAG
MAN Lion’s City
AUTOSAN
MBOM 926 hLA
Cummins
ISB4,5E5 207B
Cummins
ISB6,7E5 250B
Iveco Cursor 78
ENT EEV
MAN D0836 LUH
40
MAN E0836 DUH
03
MAN D2066 LUH
46 EEV OBD2
MAN D2866 LUH
26
MAN E2876
DUH03
MAN D0826 LOH
03
SCANIA
Scania DSC9.GO2
Scania DC9.01
Scania DC9 17
CN270UB
Jednocylindrowe
pompy
wtryskowe
SMART
Jednocylindrowe
pompy
wtryskowe
SMART
Bezpośredni
wtrysk gazu
Układ wtryskowy
PLD (PompaPrzewódWtryskiwacz)
Układ wtryskowy
Bezpośredni
wtrysk gazu
Układ wtryskowy
9,2
228
(310)
1275
ON
9,2
265
(360)
1450
ON
7,8
200
(272)
1100
CNG
6,4
205
(279)
1100
ON
12
260
(354)
1600
ON
12
240
(326)
1250
CNG
7,2
235
(320)
1120
ON
850
ON
951
ON
1300
ON
925
ON
850
CNG
1600
ON
1200
ON
1250
CNG
1050
ON
1100
ON
1100
ON
1250
ON
1100
CNG
Common Rail
4,5
Common Rail
6,7
Common Rail
7,8
Common Rail
6,9
Bezpośredni
wtrysk gazu
6,9
Common Rail
10,5
Wtrysk
bezpośredni
Bezpośredni
wtrysk gazu
Wtrysk
bezpośredni
Pompowtryskiwa
cz PDE
Pompowtryskiwa
cz PDE
Pompowtryskiwa
cz PDE
Bezpośredni
wtrysk gazu
12
12,8
6,9
9,3
9,3
8,9
9,3
152
(207)
184
(250)
243
(330)
176
(240)
184
(250)
235
(320)
228
(310)
228
(310)
191
(260)
191
(260)
191
(260)
198,5
(270)
198,5
(270)
10
Krzysztof Lew
SOLBUS FA
VOLVO
Tabela 2.1.
Rozprawa doktorska
cd.
D9B260
Common Rail
9,4
191
(260)
1100
ON
D9B310
Common Rail
9,4
228
(310)
1400
ON
Common Rail
6,7
1050
ON
Common Rail
8,9
1020
ON
Bezpośredni
wtrysk gazu
8,9
1250
LNG
Common Rail
8,9
1350
ON
Iveco F4AE3682E
Common Rail
5,9
1100
ON
Iveco Cursor C78
ENT G
Bezpośredni
wtrysk gazu
7,8
1100
CNG
Cummins ISB6.7E5
285B
Cummins ISL8.9EV
280B
Cummins ISLGeEV
320
Cummins
ISL8.9EEV 340B
209
(285)
206
(280)
234,8
(320)
250
(340)
194
(265)
200
(272)
2.2. SPECYFIKA NAPĘDÓW WYKORZYSTYWANYCH W AUTOBUSACH
KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ
W komunikacji miejskiej zbiorowej stosowane są autobusy jednoczłonowe,
przegubowe lub piętrowe oraz trolejbusy. Najczęściej wykorzystuje się autobusy
jednopokładowe, a mianowicie (rys. 2.1):
dwuosiowe autobusy jednoczłonowe o długości do 12 m, przewożące do 100
pasażerów,
trzyosiowe autobusy jednoczłonowe o długości do 15 m, z kierowaną osią wleczoną,
przewożące do 150 pasażerów,
autobusy przegubowe o długości do 18 m, przewożące do 180 pasażerów.
Autobusy miejskie mają dużą przestrzeń pasażerską, która jest jednak ograniczona
dopuszczalnymi wymiarami, masą oraz wartością nacisków na osie. Ze względu na warunki
ruchu miejskiego powinny one mieć dużą zwrotność i zdolność do przyspieszania, natomiast
ich prędkość maksymalna nie jest zwykle duża. Autobusy miejskie powinny cechować się
małą emisją hałasu, która nie może przekraczać 85 dB(A) wewnątrz autobusu, natomiast na
zewnątrz od 78 dB(A) do 83 dB(A) w zależności od typu autobusu [62,83,94,95,115]. Silnik
stanowiący źródło napędu autobusu powinien emitować ograniczoną ilość substancji
szkodliwych zawartych w spalinach do środowiska (tabela 2.2).
Współczesne autobusy miejskie są budowane powszechnie jako autobusy
niskopodłogowe, z silnikiem umieszczonym z tyłu, który coraz częściej ustawiany jest
pionowo z osprzętem umieszczonym nad nim, tzw. układ wieżowy [83]. Przedział silnikowy
powinien być odizolowany termicznie i akustycznie.
Ważnym wskaźnikiem charakteryzującym właściwości dynamiczne pojazdu jest
masowy wskaźnik mocy, czyli tzw. moc jednostkowa pojazdu. W przypadku autobusów
wskaźnik ten zawiera się w zakresie 8 13 kW/t [83].
Najczęściej wykorzystywanym w autobusach miejskich jest silnik spalinowy o ZS.
Silniki o ZI są niekiedy stosowane w mikrobusach. Większe autobusy zwykle mają silniki
o ZS, sześciocylindrowe rzędowe (rzadziej ośmiocylindrowe widlaste), doładowane
i z chłodzeniem powietrza doładowującego, o mocy rzędu 100 300 kW. Moc maksymalną
11
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
silnika dobiera się najczęściej na podstawie rezultatów obliczeń mocy oporów ruchu w kilku
charakterystycznych sytuacjach:
uzyskanie zadanej prędkości lub przyspieszenia,
pokonywanie wzniesień lub określonych przeszkód terenowych.
a)
b)
Rys. 2.1. Widok autobusów wykorzystywanych w komunikacji miejskiej firmy SOLARIS:
a) autobus jednoczłonowy, b) autobus przegubowy
W układzie napędowym stosuje się mechaniczne, półautomatyczne lub automatyczne
skrzynie biegów, które zblokowane z silnikiem połączone są z przekładnią główną mostu
napędowego za pomocą wału napędowego. W autobusach niskopodłogowych stosowane są
mosty portalowe, z nisko i asymetrycznie położoną przekładnią główną (rys. 2.2).
Charakterystyczne parametry, opisujące właściwości silnika, to: moc użyteczna Ne,
moment obrotowy Ms, jednostkowe zużycie paliwa ge i prędkość obrotowa wału
korbowego silnika ns. Silniki autobusów komunikacji miejskiej maksymalną moc osiągają
w zakresie ns=1800 2400 [obr/min], natomiast maksymalny moment obrotowy przy
ns=1000 1600 [obr/min].
12
Krzysztof Lew
Tabela 2.2.
NORMA
Rozprawa doktorska
Dopuszczalne wartości emisji substancji szkodliwych w spalinach silników
samochodów ciężarowych i autobusów [115]
ROK
WPROWADZENIA
TEST
NOx
CO
HC
PM
g/kWh
1992.07 (≤ 85 kW)
PN
ZADYMIENIE
1/kWh
1/m
8,0
4,5
1,10
0.612
8,0
4,5
1,10
0,36
7,0
4,0
1,10
0,25
1998.10
7,0
4,0
1,10
0,15
1999.10 (EEV*)
2,0
1,5
0,25
0,02
0,15
5,0
2,1
0,66
0,10
0,80
3,5
1,5
0,46
0,02
0,50
2,0
1,5
0,46
0,02
0,50
0,4
1,5
0,13
0,01
Euro I
1992.07 (> 85 kW)
1996.10
ECE
R-49
Euro II
Euro III
2000.10
Euro IV
2005.10
Euro V
2008.10
Euro VI
2013.01
ESC&
ELR
WHSC
8,0·1011
* EEV – (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle) – pojazd bardziej przyjazny dla środowiska
Na efektywność pracy jednostki napędowej wpływa znaczna liczba czynników. Dwa
silniki o takiej samej mocy nominalnej i maksymalnym momencie obrotowym mogą mieć
znacznie różniące się właściwości eksploatacyjne. Przykładowo, nie wszystkie silniki
jednakowo reagują na zmianę ich obciążenia. Wrażliwość na zmianę obciążenia jest
nazywana elastycznością silnika. Im bardziej silnik jest elastyczny, tym większą wykazuje
zdolność do przyspieszania i pokonywania wzniesień. Elastyczność silnika jest związana
z przebiegiem zmian momentu obrotowego w zależności od prędkości obrotowej wału
korbowego.
Rys. 2.2. Portalowy most napędowy autobusu miejskiego SCANIA [62]: 1-zębnik
przekładni głównej, 2-koło talerzowe, 3-obudowa mechanizmu różnicowego, 4,5półosie napędowe, 6-koło napędzające zwolnicy, 7-koła pośrednie, 8-koło
napędzane zwolnicy
13
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Podstawowe parametry silnika można odczytać z przebiegu charakterystyki
eksploatacyjnej, na której najczęściej podawany jest przebieg mocy użytecznej, momentu
obrotowego oraz jednostkowego zużycia paliwa w zależności od prędkości obrotowej wału
korbowego. Jednostki napędowe występujące w autobusach komunikacji miejskiej cechują
się płaskim przebiegiem momentu obrotowego w szerokim zakresie zmian prędkości
obrotowej, co jest uzyskiwane głównie dzięki doładowaniu; taki przebieg zapewnia dużą
elastyczność silnika (rys. 2.3). Aby silnik zapewniał dużą siłę napędową przy możliwie
małym zużyciu paliwa, powinien pracować w zakresie prędkości obrotowej wału korbowego
odpowiadającej maksymalnemu momentowi obrotowemu (ten zakres nazywa się zakresem
prędkości użytecznej).
Reasumując, specyfika napędu w autobusach komunikacji miejskiej charakteryzuje
się koniecznością zapewnienia momentu napędowego o wartościach niezbędnych do
pokonania oporów ruchu w warunkach eksploatacji danej aglomeracji. Standardem staje się
stosowanie automatycznych skrzyń biegów z przekładniami hydrokinetycznymi, które
w połączeniu z silnikiem, zwiększają elastyczność całego układu napędowego.
Rys. 2.3. Przykładowa charakterystyka eksploatacyjna typowej jednostki napędowej
autobusu miejskiego [62]
2.3. PALIWA STOSOWANE W KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ
Paliwa stosowane do zasilania silników spalinowych powinny charakteryzować się
określonymi parametrami, które determinują właściwą pracę silnika. Wartości tych
parametrów podaje się w odpowiednich aktach normatywnych: specyfikacjach, warunkach
technicznych, normach branżowych odnośnie zgodności z normami danego kraju, normach
wspólnych dla państw zrzeszonych (np. UE), dyrektywach organizacji międzynarodowych
(np. Światowa Karta Paliw).
W Polsce, według ustawy z dnia 25 sierpnia 2006 r. o systemie monitorowania
i kontrolowania jakości paliw, paliwami nazywamy: paliwa ciekłe, biopaliwa ciekłe, gaz
skroplony (LPG), sprężony gaz ziemny (CNG), lekki olej opałowy, ciężki olej opałowy oraz
14
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
olej do silników statków żeglugi śródlądowej. Do tej ustawy zostały wprowadzone pewne
zmiany dotyczące paliw ciekłych, które zostały przedstawione w ustawie z dnia 27 maja
2011r. o zmianie ustawy o systemie monitorowania i kontrolowania jakości paliw oraz
niektórych innych ustaw. Według tej ustawy paliwa ciekłe to:
benzyny silnikowe zawierające do 5,0% objętościowo bioetanolu lub do 15,0%
objętościowo eteru etylo-tert-butylowego lub eteru etylo-tert-amylowego, stosowane
w pojazdach wyposażonych w silniki o zapłonie iskrowym,
olej napędowy zawierający do 7,0% objętościowo estrów metylowych kwasów
tłuszczowych, stosowany w pojazdach, ciągnikach rolniczych, a także maszynach
nieporuszających się po drogach, wyposażonych w silniki o zapłonie samoczynnym.
2.3.1. OLEJ NAPĘDOWY
Oleje napędowe są to frakcje naftowe, stanowiące mieszaninę ciekłych
węglowodorów parafinowych, olefinowych, naftenowych i aromatycznych o temperaturze
wrzenia w zakresie 180-380°C. Uzyskiwane są poprzez destylację ropy naftowej lub
wytwarzane z olejów ciężkich i pozostałości w rafineryjnych procesach rozkładowych, takich
jak krakowanie katalityczne i hydrokrakowanie [8,13].
Właściwości odnośnie wymaganych cech fizykochemicznych oleju napędowego
(rys. 2.4) decydują o charakterystyce eksploatacyjnej, zarówno pod względem efektywności
pracy silnika jak również toksyczności emitowanych przez silnik produktów spalania.
Podstawowymi parametrami użytkowymi charakteryzującymi olej napędowy są [3]:
gęstość w temperaturze 15°C,
liczba cetanowa,
indeks cetanowy,
lepkość kinematyczna,
skład frakcyjny,
temperatura mętnienia,
temperatura zablokowania zimnego filtru,
temperatura zapłonu,
zawartość wody,
zawartość siarki,
zawartość zanieczyszczeń mechanicznych,
smarność,
działanie korodujące na płytce miedzi,
pozostałość po koksowaniu,
pozostałość po spopieleniu,
zawartość węglowodorów aromatycznych,
zawartość: FAME, etanolu, metanolu i mikroorganizmów,
zawartość metali (Zn, Cu, Mn, Ca, Na i in.).
W odróżnieniu od innych paliw węglowodorowych (benzyna, nafta) olej napędowy ma
tendencję do utraty klarowności i płynności w niskich temperaturach (poniżej 0°C). Powoduje
to powstawanie kryształków parafiny w paliwie, co może doprowadzić do zatkania układu
paliwowego i w konsekwencji unieruchomienia silnika. Z tego też powodu bardzo istotną
kwestią jest ścisłe przestrzeganie składu oleju napędowego wg określonych norm. Na podstawie
15
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Kopolimery na bazie octanu winylu
Właściwości
reologiczne
Kopolimery sterynowo-butadienowe
Kopolimery akrylanowe
CECHY ON I ODPOWIADAJĄCE IM MODYFIKATORY
Tworzenie
osadów na
elementach
układu
Właściwości
smarnościowe
Alkenylobursztynoimidy
Alkenylobursztynoamidy
Substancje z grupami funkcyjnymi
typu –CO-OH, -OH, -NHx
Estry alkoholi alifatycznych
Właściwości
samozapłonowe
Estry kwasu azotowego
Azotan 2-etyloheksylu
Oddziaływanie
korodujące na
metale
Kwasy karboksylowe
Aminy, amidy, imidy
Pienienie
Sole amoniowe
Związki krzemoorganiczne
Rozwój
mikroorganizmów
Eter monometylenowy glikolu
etylenowego
Eter monometylenowy glikolu
dietylenowego
Starzenie
Pochodne fenoli lub fenyloaminy
Rys. 2.4. Rodzaje właściwości ON i niektóre dodatki używane do ich poprawy
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 9 grudnia 2008 r. w sprawie wymagań jakościowych
dla paliw ciekłych, olej napędowy powinien spełniać wymagania przedstawione w tabeli 2.3.
16
Krzysztof Lew
Tabela 2.3.
Rozprawa doktorska
Wymagania jakościowe dla oleju napędowego [91,104]
Parametr
Liczba cetanowa
Indeks cetanowy
Gęstość w temperaturze
15°C
Zawartość
wielopierścieniowych
węglowodorów
aromatycznych
Zawartość siarki
Temperatura zapłonu
Pozostałość po koksowaniu
(z 10% pozostałości
destylacyjnej)
Pozostałość po spopieleniu
Zawartość wody
Zawartość zanieczyszczeń
Badanie działania
korodującego na miedź (3 h
w temperaturze 50°C)
Odporność na utlenianie
Smarność; skorygowana
średnica śladu zużycia (WS
1,4) w temperaturze 60°C
Lepkość w temperaturze
40°C
Skład frakcyjny:
- do temperatury 250°C
destyluje
destyluje
- 95% (V/V) destyluje do
temperatury
destyluje
destyluje
Zawartość estru
metylowego kwasów
tłuszczowych (FAME)
Temperatura zablokowania
zimnego filtru, CFPP
Temperatura mętnienia
Jednostka
Olej napędowy "o
polepszonych właściwościach
niskotemperaturowych"
zakresy
min.
max.
51,0
46,0
-
Olej napędowy
"standardowy"
zakresy
min.
max.
51,0
46,0
-
kg/m3
820,0
845,0
800,0
840,0
% (m/m)
-
8,0
-
8,0
mg/kg
powyżej
55
10,0
-
10,0
-
powyżej 55
-
% (m/m)
-
0,30
-
0,30
% (m/m)
mg/kg
mg/kg
-
0,01
200
24
-
0,01
200
24
°C
klasa
klasa 1
klasa 1
g/m3
h
20
25
-
20
25
-
μm
-
460
-
460
mm2/s
2,00
4,50
1,50
4,00
% (V/V)
-
< 65
-
-
% (V/V)
85
-
-
-
°C
-
360
-
-
% (V/V)
-
-
-
10
% (V/V)
-
-
95
-
% (V/V)
-
7,0
-
7,0
°C
-
O -10
-
- 32
°C
-
-
-
- 22
-20
17
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
2.3.2. PALIWA ZASTĘPCZE
Rozwój cywilizacyjny wiąże ze sobą m.in. szybki wzrost liczby pojazdów, których
jednostki napędowe w dominującej większości są silnikami spalinowymi zasilanymi benzyną
lub olejem napędowym. Powoduje to ciągły wzrost zapotrzebowania na tego typu paliwa,
które są paliwami pochodzącymi ze źródeł nieodnawialnych, w związku z tym zwrócono
uwagę na następujące problemy:
możliwość ograniczenia dostępu do tych paliw ze względu na wyczerpywanie
sukcesywne zasobów ropy naftowej na świecie,
ograniczenie wydobycia ropy naftowej,
zagrożenie dla środowiska, które stwarza wydobycie, transport i przeróbka ropy naftowej.
Dlatego też prowadzi się intensywne prace badawcze nad stworzeniem innych
rodzajów źródeł napędu pojazdów, w tym również paliw pochodzących ze źródeł
odnawialnych, nazywanych niekonwencjonalnymi, zastępczymi lub alternatywnymi [3,8]. Do
tych paliw zalicza się wszystkie paliwa, które nie pochodzą z przeróbki ropy naftowej, a ich
właściwości są zbliżone lub różne od właściwości powszechnie stosowanych paliw
tradycyjnych. W Stanach Zjednoczonych za paliwa alternatywne („Alternative fuels” wg The
U.S. Department of Energy) uważa się wszystkie rodzaje energii, które dają możliwość
uniezależnienia kraju od importu ropy naftowej i poprawę czystości powietrza [3,93].
Aktualnie, wiele ośrodków naukowo-badawczych zajmuje się tematyką paliw
alternatywnych, polegającą na opracowywaniu nowych technologii w pozyskiwaniu tych
źródeł energii, ukierunkowanych na możliwość ich zastosowania do zasilania silników
spalinowych. Na rys. 2.5 przedstawiono paliwa niekonwencjonalne, które mogą być
przeznaczone do zasilania jednostek napędowych wykorzystywanych w komunikacji
miejskiej. Paliwa te, ze względu na pochodzenie, zostały podzielone na dwie grupy [3,71,97]:
pochodzące ze źródeł kopalnych, stosowane w postaci pierwotnej jako naturalne lub
przekształconej chemicznie jako syntetyczne,
pochodzące ze źródeł odnawialnych jako biopaliwa.
Wśród paliw pochodzących ze źródeł kopalnych można wyróżnić:
gaz ziemny naturalny, którego głównym składnikiem jest metan (CH4); może być
stosowany w postaci sprężonej (CNG - Compressed Natural Gas) lub ciekłej (LNG Liquified Natural Gas),
mieszaninę propanu i butanu, stosowaną najczęściej w postaci ciekłej (LPG - Liquified
Petroleum Gas); otrzymuje się bezpośrednio z odwiertów ropy naftowej lub przeróbki
gazów rafineryjnych pochodzących z procesów przetwórczych ropy naftowej,
paliwa syntetyczne, otrzymywane z gazu ziemnego metodą GTL lub z węgla (CTL);
paliwa te otrzymuje się z gazu syntezowego, będącego mieszaniną tlenku węgla
i wodoru; gaz syntezowy można uzyskiwać w procesie konwersji metanu z parą
wodną w obecności katalizatora lub w procesie półspalania metanu albo w procesie
zgazowania węgla; z gazu syntezowego w specjalnym procesie (metodą FischeraTropscha) otrzymuje się paliwa płynne (benzynę silnikową i olej napędowy) oraz inne
produkty; z gazu syntezowego można także wytwarzać metanol,
dimetyloeter (DME), otrzymywany z gazu syntezowego uzyskiwanego z gazu
ziemnego lub ze zgazowania węgla; DME może być otrzymywany również z gazu
syntezowego bezpośrednio lub poprzez najpierw otrzymywany metanol, z którego
następnie uzyskuje się DME (w procesie katalitycznej dehydratacji).
18
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Ważną grupę wśród paliw możliwych do zastosowania w komunikacji miejskiej
stanowią biopaliwa, które mogą występować w postaci ciekłej i gazowej, uzyskane
z przetworzenia biomasy w procesach biologicznych lub termochemicznych. Biomasa jest to
substancja powstająca w naturalnych procesach biologicznych, która zawiera w swoim
składzie pierwiastki energetyczne, jakimi są węgiel i wodór.
Podstawowy podział biopaliw to:
pierwszej generacji - biopaliwa pozyskiwane z biomasy stosowanej również do
produkcji żywności,
drugiej i trzeciej generacji - biopaliwa uzyskiwane z biomasy pochodzącej z odpadów
i pozostałości z produkcji rolniczej i leśnej.
Aktualnie, najbardziej rozpowszechnione biopaliwa do zasilania silników o ZS to:
oleje roślinne,
estry alkilowe kwasów tłuszczowych (FAME, FAEE),
bioetanol.
Rys. 2.5. Podział paliw niekonwencjonalnych przeznaczonych do zasilania silników o ZS
2.3.2.1. CNG/LNG
Naturalny gaz ziemny (NG), stosowany w postaci sprężonej (CNG) lub skroplonej
(LNG), stanowi mieszaninę lekkich węglowodorów znajdujących się w ziemi w postaci
19
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
gazowej, występujący najczęściej przy złożach ropy naftowej. Główny składnik gazu
ziemnego to metan w ilości ok. 83-98%, pozostałe składniki to wyższe węglowodory, azot
oraz woda [3,15].
Gaz ziemny w zależności od źródła pozyskania ma różny skład chemiczny, w związku
z tym do ustalenia jego charakterystyki energetycznej bierze się pod uwagę parametry
mierzalne, do których zaliczamy: gęstość, liczbę Wobbego, liczbę metanową, ciepło spalania,
wartość opałową. Jakość gazu ziemnego określa odpowiednia norma [109,115]. W tabeli 2.4
przedstawiono, jakie wymagania według normy PN-EN ISO 15403 powinien spełniać gaz
ziemny odnośnie zawartości określonych związków.
Tabela 2.4.
Wybrane parametry jakie powinien spełniać gaz ziemny jako paliwo
PARAMETR
WARTOŚĆ
Zawartość wody w gazie sprężonym
do ciśnienia 20 MPa i temperaturze nie
niższej niż -20oC
max 30 mg/m3
Zawartość siarki
max 40 mg/m3
Zawartość siarkowodoru
max 7 mg/m3
Zawartość ciekłych wyższych
węglowodorów
propanu max 5,8%
butanu max 1,8%
Zawartość wolnego tlenu
max 0,2%
Zawartość glikolu i metanolu
brak
Zawartość oleju
70-200 ppm
Stosunkowo wysoka temperatura samozapłonu CNG oraz duża odporność na spalanie
stukowe umożliwia zasilanie tym paliwem silników o dużych wartościach stopnia sprężania.
Mała gęstość gazu ziemnego sprawia, że dobrze miesza się z powietrzem, a tym samym
uzyskuje się bardziej jednorodną mieszankę, co implikuje brak zjawiska wykraplania się
paliwa na zimnych ściankach komory spalania.
Możliwe jest także zasilanie silnika skroplonym gazem (LNG). Gaz ten
przechowywany jest w specjalnych zbiornikach kriogenicznych w temperaturze -161°C przy
ciśnieniu 0,5-0,8 MPa [105]. W ten sposób uzyskuje się prawie trzykrotnie większą gęstość
magazynowania niż w przypadku CNG, a to oznacza większy zasięg pojazdu. Zbiornik
kriogeniczny na LNG składa się z metalowego zbiornika wewnętrznego, warstwy izolacyjnej
i zbiornika zewnętrznego. Warstwę izolacyjną stanowi próżnia, proszki, materiały ceramiczne
lub spienione tworzywa sztuczne. Zbiornik zewnętrzny jest wykonany z metalu lub
kompozytu. W układach zasilania LNG ciśnienie w zbiorniku pozwala po odparowaniu
paliwa na zasilanie silnika bez konieczności stosowania pompy zasilającej [15].
Na rys. 2.6. podano prognozę udziału liczby pojazdów zasilanych CNG w zależności
od kraju użytkowania w 2020 roku.
20
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
58,7
60,0
55,5
50,0
40,0
29,4
[%] 30,0
21,9
16,4
20,0
16,1
10,8
10,0
7,8
6,5
4,3
2,0
0,0
Rys. 2.6. Prognoza udziału liczby pojazdów zasilanych CNG w zależności od kraju użytkowania
w roku 2020 (opracowanie własne na podstawie [115])
2.3.2.2. LPG
Gaz płynny LPG (Liquified Petroleum Gas) jest mieszaniną głównie propanu i butanu
oraz niewielkiej ilości innych węglowodorów. Występuje w stanie ciekłym w temperaturze
otoczenia i ciśnieniu ok. 1,4 MPa. Średni skład chemiczny i wybrane parametry składników
LPG zawarte są w tabeli 2.5.
Według normy PN EN-589:2006: „Paliwa do pojazdów samochodowych – LPG,
Wymagania i metody badań”, LPG powinno zapewniać określone wartości parametrów, które
przedstawiono w tabeli 2.6.
Tabela 2.5.
Średni skład chemiczny i główne parametry składników gazu płynnego LPG [3,103]
Gęstość
względem
Wartość
Skład węglo- Zawartość,
powietrza, opałowa,
wodorowy
% masy
T=20°C, p=
MJ/kg
101,325 kPa
Granice zapalności
mieszanin z
Liczba oktanowa
powietrzem, % w
powietrzu
dolna
górna
badawcza motorowa
Metan
0,1 - 0,3
0,5548
50,00
5,0
15,0
150
140
Etan
0,5 - 2,6
1,046
47,49
3,2
12,5
107
104
Propan
32 - 48
1,562
46,36
1,9
9,5
108 - 110
96 - 97
Izobutan
12 - 15
2,064
45,72
1,8
8,5
>100
97 - 98
n-Butan
28 - 46
2,091
45,57
1,9
8,5
>100
92 - 95
Propen
2,5 - 4,5
-
-
-
-
-
-
1-Buten
0,2 - 0,6
-
-
-
-
-
-
2-Buten
1,2 - 2,1
-
-
-
-
96,5
86,5
Izobuten
2,5 - 8,0
-
-
-
-
-
-
Wartość dla
próbki LPG
-
1,55 - 2,00
45,2 - 46,5
-
-
do 105
do 98
21
Krzysztof Lew
Tabela 2.6.
Rozprawa doktorska
Wybrane parametry wymagane do spełnienia przez paliwo LPG [103]
PARAMETR
WARTOŚĆ
Temperatura, w której względna prężność
par nie jest mniejsza niż 150 kPa
od -10 do +10°C
Liczba oktanowa motorowa
min. 89,0
Korozja na miedzi (l h, 40°C)
nie gorzej niż 1 klasa korozji
Zawartość metanolu
maks. 2 g/kg
Zawartość siarki
maks. 50 mg/kg
Pozostałość po odparowaniu
maks. 100 mg/kg
Zastosowanie LPG do zasilania jednostek napędowych występujących w autobusach
komunikacji miejskiej implikuje pewne problemy, z których najistotniejsze to [23,63]:
różny skład chemiczny oraz zanieczyszczenie LPG wpływają na zróżnicowanie
zawartości toksycznych składników spalin,
brak ujednolicenia wymagań odnośnie udziału propanu i butanu w LPG; norma PN
EN-589:2006 wyróżnia cztery rodzaje paliwa LPG (różny udział propanu i butanu
w mieszaninie), co sprawia duże trudności z ustaleniem współczynnika nadmiaru
powietrza,
duże zmiany ciśnienia w zbiornikach przy różnych temperaturach zewnętrznych
(ciśnienie w zbiorniku może się wahać w granicach 0,2 – 2 MPa).
Udział propanu w składzie LPG waha się z reguły w przedziale od 30-80%
w zależności od norm przyjętych przez dany kraj. W niektórych krajach, np. w Stanach
Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii czy Niemczech, w LPG występuje jako główny składnik
tylko propan.
2.3.2.3. WODÓR
Paliwa wodorowe, z punktu widzenia zawartości energii oraz emisji składników
toksycznych spalin, są wartościowymi paliwami. Cząsteczka wodoru jest najmniej złożona
i podczas utleniania tworzy wodę, a więc nietoksyczny składnik spalin, w związku z czym
wydaje się być wartościowym paliwem w szczególności do środków komunikacji miejskiej.
Wodór może służyć do zasilania ogniw paliwowych, jak również stanowić samoistne
paliwo do silników spalinowych. Prace z tego zakresu prowadzi wiele ośrodków naukowobadawczych na całym świecie, w tym również w Polsce [12,64,69]. Niemniej jednak,
największy potencjał zastosowania wodoru jako paliwa w komunikacji powinny mieć ogniwa
paliwowe, w których wodór w połączeniu z tlenem wytwarza energię elektryczną, która
z kolei może służyć do napędzania pojazdów.
22
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
W odniesieniu do benzyny wodór ma prawie trzy razy większą dolną wartość
opałową, która wynosi 120 MJ/kg, w związku z czym silniki napędzane wodorem mają
wyższą sprawność niż silniki o ZI czy o ZS. Głównym problemem w zastosowaniu paliwa
wodorowego do zasilania jednostek napędowych jest dostępność, przechowywanie oraz
bezpieczeństwo w eksploatacji. Wodór można uzyskiwać w wyniku elektrolizy wody, ale
potrzeba do tego dużo energii. Można go też otrzymywać z biomasy, zgazyfikowania węgla,
częściowego utleniania paliw węglowodorowych oraz stosując inne technologie. Koszty
takiego otrzymywania wodoru są od 2-10 razy wyższe niż przy otrzymywaniu gazu ziemnego
w przeliczeniu na jednostkę energii [69].
Wodór jest bardzo łatwopalny i jego możliwość magazynowania w pojazdach jest
ciągle dyskusyjna. Może on być magazynowany w stanie płynnym, gazowym i jako związki
wodoru z metalami. Wodór gazowy w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym
zajmuje ok. 3000 razy większą objętość niż benzyna o ekwiwalentnej ilości energii.
W praktyce spotyka się dwa rodzaje form magazynowania wodoru: fizyczna, w formie gazu
sprężonego lub cieczy, albo chemiczna, w formie wodorków metali (rys. 2.7) [52,66,69].
Rys. 2.7. Metody magazynowania wodoru [30,52]: t-czas rozładowania pełnego zbiornika
określony jako stosunek pojemności energii pełnego zbiornika w kWh do mocy
rozładowania w kW, R-zasięg pojazdu
2.3.2.4. BIOPALIWA I GENERACJI
Biopaliwa pierwszej generacji są to paliwa uzyskiwane w sposób pośredni lub
bezpośredni z przetworzenia surowców żywnościowych za pomocą procesów
fermentacyjnych lub transestryfikacyjnych. Wśród tych paliw możemy wyróżnić [3,23]:
oleje roślinne (ang. PVO - Pure Vegetable Oils), otrzymywane z procesów tłoczenia
na zimno i ekstrakcji ziaren spożywczych roślin oleistych,
biodiesel, stanowiący estry metylowe oleju rzepakowego (RME) lub estry metylowe
(FAME) i etylowe (FAEE) wyższych kwasów tłuszczowych oraz innych spożywczych
roślin oleistych, otrzymywane w wyniku procesów tłoczenia na zimno, ekstrakcji
i transestryfikacji,
bioetanol (jako odwodniony, konwencjonalny etanol gorzelniany), otrzymywany
w procesie hydrolizy i fermentacji beztlenowej z cukrów zawartych w trzcinie
cukrowej, burakach cukrowych oraz innych produktach, w tym ze skrobi zawartej
w ziarnach zbóż i z celulozy,
23
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
biogaz, stanowiący oczyszczony gaz z zawilgoconego biogazu składowiskowego bądź
rolniczego,
bio-ETBE, bio-TAEE jako bioetery otrzymane z przeróbki chemicznej etanolu
gorzelnianego.
W poszczególnych krajach stosuje się różne nazwy handlowe paliwa rzepakowego:
biodiesel, raps-diesel (Niemcy), ekodiesel i biodiesel (Austria), diester (Francja), bionafta,
ekonafta, ekoester (Czechy i Słowacja) [23].
2.3.2.5. BIOPALIWA II I III GENERACJI
Biopaliwa drugiej generacji to paliwa uzyskane z surowców, które nie są
wykorzystywane do produkcji żywności (drewno, słoma zbóż, trawy oraz produkty uboczne
przetwórstwa spożywczego) oraz biomasy pochodzącej z odpadów, pozostałości w produkcji
rolniczej i leśnej. Do tej grupy paliw należą [3,6,14,23,29,81]:
bioetanol, otrzymywany z biomasy (odpady drzewne, różne rośliny niespożywcze itp.)
poddanej zaawansowanym procesom hydrolizy i fermentacji lignocelulozy,
biopaliwa syntetyczne, będące produktem przetwarzania biomasy poprzez zgazowanie
i odpowiednią syntezę na ciekłe komponenty paliwowe (BTL),
paliwa do silników o ZS, które pochodzą z przetwarzania lignocelulozy z biomasy
w procesach Fischera-Tropscha,
biodiesel syntetyczny, otrzymywany z kompozycji produktów lignocelulozowych,
biodiesel, jako biopaliwo lub komponent paliwowy do silników o ZS, otrzymywany
w wyniku rafinacji wodorem (hydrogenizacji) odpadowych olejów roślinnych
i tłuszczów zwierzęcych,
bioDMF (dimetylofuran), jako perspektywiczne paliwo do silników o ZI,
otrzymywane z procesów katalitycznego przetwarzania cukrów (np. celulozy, skrobi),
pochodne metanolu i etanolu oraz mieszaniny wyższych alkoholi,
dimetyloeter (bio-DME), otrzymywany pośrednio lub bezpośrednio z biomasy jako
paliwo gazowe do silników o ZS,
biogaz, jako syntetycznie otrzymywany gaz o właściwościach gazu ziemnego (SNG),
pozyskiwany w wyniku procesów zgazowania lignocelulozy i odpowiedniej syntezy
(także z procesów WtG - „Wastes to Gas”).
Spośród wielu rodzajów paliw zastępczych, możliwych do zastosowania w zasilaniu
jednostek napędowych występujących w autobusach komunikacji miejskiej, najbardziej
rozpowszechnione są oleje roślinne i estry alkilowe kwasów tłuszczowych (FAME, FAEE
oraz bioetanol). Jednakże należy pamiętać, że w większości przypadków czyste oleje roślinne
nie nadają się do zasilania seryjnych jednostek napędowych. Dlatego też, aby paliwa te mogły
być wykorzystane, należałoby odpowiednio przystosować jednostkę napędową lub:
komponować mieszanki, np. z ON,
stosować w postaci mikroemulsji,
poddać procesom chemicznym, takim jak piroliza czy transestryfikacja.
Departament Transportu i Energetyki Komisji Europejskiej zaproponował
wyodrębnienie biopaliw trzeciej generacji jako paliw, których technologia produkcji zostanie
wdrożona po roku 2030 [6,23]. Ważniejsze parametry wybranych olejów roślinnych zawarto
24
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
w tabeli 2.7. Korzyści w postaci różnego rodzaju zachęt, na jakie mogą liczyć mieszkańcy
niektórych krajów UE w aspekcie stosowania biopaliw, wyszczególniono w tabeli 2.8.
Tabela 2.7.
Parametry wybranych olejów roślinnych [3]
OLEJ ROŚLINNY
PARAMETR
JEDNOSTKA
RZEPAKOWY
SOJOWY
SŁONECZNIKOWY
Gęstość, t=15°C
kg/m3
911-920
899-913
908-916
Lepkość
kinematyczna,
t=40°C
mm2/s
35,0-43,0
32,0-33,1
33,9-34,4
37,0-38,0
37,8-38,2
36,5-37,0
Liczba cetanowa
Wartość opałowa
MJ/kg
38,1-39,8
39,5-39,8
39,4-39,8
Stosunek C/H/O
% masy
77/12/11
77/12/11
74/12/14
Zawartość siarki
Temperatura
zapłonu
mg/kg
100
100
100
°C
246-280
254
174-230
Tabela 2.8.
Zachęty podatkowe i finansowe stosowane w niektórych państwach UE odnośnie
produkcji biopaliw
KRAJ
ZACHĘTY PODATKOWE I FINANSOWE W ODNIESIENIU DO BIOPALIW
Austria
Ulga podatkowa (95%) dla estru metylowego oleju roślinnego (RME)
stosowanego w 100% jako paliwo silnikowe.
Belgia
Ulga podatkowa (100%) dla eksperymentalnej produkcji biopaliw, dla instalacji o
mocach produkcyjnych poniżej 5 000 ton/rok (ulga ta obowiązywała w latach
1994-1996).
Finlandia
Ulga podatkowa dla reformułowanego oleju napędowego (0,025 ECU/litr) oraz
dla reformułowanej benzyny (0,008 ECU/litr).
Francja
Ulga podatkowa dla estru oleju roślinnego dodawanego do oleju napędowego
(0,35 ECU/litr) oraz dla ETBE dodawanego do benzyn (0,22 ECU/litr).
Niemcy
Całkowite zwolnienie z podatku akcyzowego dla estrów olejów roślinnych
zastępujących olej napędowy; zwolnienie obowiązuje zarówno w przypadku
stosowania 100% estru jak i mieszania z olejem napędowym.
Włochy
Zwolnienie podatkowe do 125 000 ton estrów olejów roślinnych rocznie;
(obowiązywało do 30 czerwca 1995 roku).
Hiszpania
Zwolnienie podatkowe dla estrów olejów roślinnych stosowanych
eksperymentalnie.
25
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
3. ANALIZA PROCESU ROZPYLANIA PALIW
Jednym z podstawowych czynników decydujących o jakości przygotowania ładunku
w komorze spalania silnika o ZS jest wtrysk rozpylonego paliwa. Optymalne wykorzystanie
właściwie ukształtowanej strugi paliwa przyczynia się nie tylko do wzrostu mocy silnika,
zmniejszenia jednostkowego zużycia paliwa, ale także do obniżenia emisji substancji
szkodliwych [22,42,44,45].
Proces rozpylenia w sposób istotny jest determinowany właściwościami paliw.
W dysertacji podjęto próbę analizy procesu rozpylenia paliw ciekłych o zróżnicowanych
właściwościach z przeznaczeniem do miejskiego taboru autobusowego.
Proces rozpylania paliwa zależy od wielu czynników związanych z parametrami
wtrysku paliwa, warunkami otoczenia i konstrukcją samego rozpylacza. Czynniki te, poza
konstrukcją rozpylacza, ulegają zmianom w czasie procesu wtrysku. Ogólnie, można
wyróżnić dwa zasadnicze zadania jakie powinien spełnić proces rozpylania [22,42,45,59]:
zwiększenie powierzchni dawki paliwa przez rozbicie jej na dużą ilość kropli w celu
intensyfikacji odparowania oraz wymieszania z powietrzem (zapewnienie
odpowiedniej mikrostruktury mieszaniny),
równomierne rozprowadzenie paliwa w komorze spalania stosownie do wymagań
określonych jej wymiarami (zapewnienie odpowiedniej makrostruktury mieszaniny).
Do rozpylenia paliwa w silniku o ZS wykorzystuje się jego energię kinetyczną, która
powstaje w wyniku generowanego ciśnienia. Wypływające paliwo z rozpylacza z dużą
prędkością, rozpada się na krople pod wpływem sił aerodynamicznych ośrodka, co określa się
jako rozpad pierwotny strugi. Następnie krople te ulegają wtórnemu rozpadowi [42,45].
Schemat takiego rozpadu został przedstawiony na rys. 3.1. Dzieje się tak dlatego, że krople
dostają się do ośrodka o dużym ciśnieniu dynamicznym, którego wzrost warunkowany jest
gęstością powietrza, a przede wszystkim względną prędkością powietrza i kropel. Przedstawia
to zależność:
pd
w2
g
2
(3.1)
gdzie:
pd - ciśnienie dynamiczne ośrodka,
ρg - gęstość ośrodka gazowego,
w - względna prędkość gazu i kropel.
Rys. 3.1. Różne fazy wtórnego rozpadu kropli [42,59]
26
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Prędkość początkową strumienia paliwa w0, mającą zasadnicze znaczenie w procesie
tworzenia mieszaniny paliwowo-powietrznej, której wartość warunkowana jest
nadciśnieniem paliwa w rozpylaczu, można wyznaczyć z zależności [38,42,59]:
w0
2
p
(3.2)
c
gdzie:
w0 - prędkość początkowa strumienia paliwa,
Δp - różnica ciśnienia paliwa u wylotu z otworu rozpylacza i ciśnienia ośrodka, do którego
paliwo jest wtryskiwane,
ρc - gęstość paliwa,
μ - współczynnik przepływu.
Rozpad wtórny kropel charakteryzowany jest przez liczbę Webera We, która wyraża
stosunek dwóch sił działających na kroplę w czasie rozpadu, tj. siły aerodynamicznej i siły
napięcia powierzchniowego [42,58,59]:
We
w2 D
g
(3.3)
gdzie:
We ρg w D σ -
liczba Webera,
gęstość ośrodka gazowego,
względna prędkość gazu i kropel,
średnica kropli,
napięcie powierzchniowe paliwa.
Do rozpadu kropli dochodzi wówczas, gdy wartość siły aerodynamicznej jest
większa od siły napięcia powierzchniowego, a zatem można ustanowić krytyczną liczbę
Webera Wekr, która prowadzi do wtórnego rozpadu kropli:
We ≥ Wekr
(3.4)
Wartość krytyczną Wekr wyznacza się doświadczalnie. Znając krytyczną liczbę
Webera Wekr możemy wyznaczyć krytyczną średnicę kropel Dkr w danych warunkach
[42,58,59]:
Dkr
We kr
2
g w
(3.5)
gdzie:
Dkr - krytyczna średnica kropel,
Wekr - krytyczna liczba Webera,
- pozostałe oznaczenia jak w równaniu (3.3).
Wszystkie krople o średnicy większej od Dkr powinny ulec rozpadowi.
Paliwo wypływając z rozpylacza ulega rozpadowi na krople o różnych średnicach.
Spowodowane jest to oddziaływaniem w strudze sił związanych z burzliwością przepływu
oraz napięciem powierzchniowym rozpylanej cieczy. Krople te poruszają się w ośrodku
gazowym wewnątrz cylindra i dlatego na ich powierzchniach powstaje rozkład ciśnień
27
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
związany z oporami przepływu. Gdy wypadkowa siła zewnętrznego ciśnienia przewyższy siły
napięcia powierzchniowego, krople tracą stateczność i ulegają wtórnemu rozpadowi. Dlatego
struga paliwa utworzona wewnątrz cylindra silnika składa się ze zbioru kropel
o zróżnicowanych średnicach [35,38,42,82]. Na rysunku 3.2 przedstawiono schemat
struktury strugi wtryskiwanego paliwa.
Rys. 3.2. Schemat struktury strugi wtryskiwanego paliwa [31,44]: 1 - rdzeń strugi, 2 prędkość kropli, 3 - koncentracja paliwa, 4 - powłoka strugi; Θs - kąt
wierzchołkowy stożka paliwa, Z - zasięg strugi
Struga rozpylanego paliwa jest zwykle charakteryzowana za pomocą trzech grup
parametrów [42,44]:
strumienia objętości i masy paliwa,
makrostruktury rozpylonego paliwa,
mikrostruktury rozpylonego paliwa.
Strumień objętości i masy paliwa charakteryzuje rozpylanie w ujęciu ilościowym,
a pozostałe obrazują jakość rozpylenia.
3.1. MAKROSTRUKTURA STRUGI ROZPYLONEGO PALIWA
Makrostruktura rozpylanego paliwa obejmuje zewnętrzny kształt oraz wewnętrzną
strukturę strugi. Do parametrów makrostruktury strugi zalicza się [35,38]:
zasięg strugi ( prędkość i droga czoła),
kąt wierzchołkowy strugi,
rozkład paliwa w strudze kropel.
Zasięg strugi jest to chwilowa długość strugi w kierunku osiowym. Zasięg czoła
strugi ma zasadniczy wpływ na nasycenie paliwem powietrza dostępnego do spalania. Droga
czoła strugi, a tym samym prędkość i maksymalny jej zasięg, zależy głównie od ciśnienia
wtrysku paliwa [82]. Zwiększenie ciśnienia wtrysku powoduje wzrost prędkości czoła,
a zatem wydłuża się droga przebyta przez czoło strugi w jednostce czasu, jak również zasięg
(rys.3.3). Przy stałej różnicy ciśnień, pod wpływem której paliwo wypływa z rozpylacza, ruch
czoła strugi zależy w znacznym stopniu od przeciwciśnienia ośrodka, do którego następuje
wtrysk paliwa [22,35,82]. Większe ciśnienie powietrza w cylindrze zmniejsza prędkość czoła
strugi i jej zasięg. Również wskutek zjawiska odchylania strugi w wirującym powietrzu,
wzrost prędkości kątowej ruchu obrotowego powietrza w komorze spalania powoduje
zmniejszenie zasięgu i prędkości przemieszczania się czoła strugi [34,82].
Temperatura ośrodka, do którego następuje wtrysk paliwa, wpływa również na
makrostrukturę strugi. W ośrodku o niższej temperaturze struga charakteryzuje się większym
zasięgiem i większą prędkością jej czoła. Można to uzasadnić większą długością ciekłej fazy
28
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
strugi wskutek mniej intensywnego parowania paliwa. Zasięg strugi rośnie wraz ze wzrostem
lepkości paliwa i jego napięcia powierzchniowego [9,35,82].
Na makrostrukturę strugi wpływa również konstrukcja rozpylacza. Przy niezmiennych
innych parametrach konstrukcyjnych, wzrost stosunku lr/dk (lr i dk - długość i średnica
otworka rozpylającego) zwiększa zasięg i prędkość czoła strugi. Przy stałym l r/dk zwiększenie
średnicy otworka rozpylającego powiększa zasięg strugi i prędkość jej czoła [21,35].
Rys. 3.3. Wpływ ciśnienia wtrysku na zasięg czoła strugi [35]: o – dane eksperymentalne
dotyczące fazy ciekłej, linia ciągła – obliczenia dla fazy ciekłej, linia przerywana –
obliczenia dla fazy odparowanej
Drugim parametrem określającym makrostrukturę strugi rozpylanego paliwa jest kąt
wierzchołkowy strugi, który podobnie jak zasięg czoła strugi, wpływa na rozprowadzenie
paliwa w komorze spalania. Kąt ten jest zdeterminowany stosunkiem osiowej składowej
prędkości strugi do prędkości promieniowej. Wzrost burzliwości strugi wypływającej
z rozpylacza powoduje zwiększenie prędkości składowej promieniowej i w efekcie
zwiększenie kąta rozwarcia utworzonej strugi [82]. Gęstość ośrodka, do którego następuje
wtrysk paliwa ma również wpływ na kąt rozwarcia strugi. Przy stałej gęstości ośrodka, wzrost
różnicy ciśnień, pod wpływem której odbywa się wtrysk paliwa do komory spalania, przy
mniejszym stosunku lr/dk , powoduje zwiększenie kąta wierzchołkowego strugi, natomiast
przy większym, zmniejszenie tego kąta, co przedstawiono na rysunku 3.4 [35].
Lepkość paliwa ma również decydujący wpływ na kąt strugi (im większa lepkość tym
mniejszy kąt), jak również temperatura. Wraz ze wzrostem temperatury paliwa zwiększa się
kąt strugi, co prawdopodobnie należy powiązać ze zmniejszeniem jego lepkości
i wytwarzaniem kropel o mniejszej średnicy [80].
Kolejny parametr określający makrostrukturę strugi to rozkład paliwa w strudze
kropel, określany za pomocą jednostkowych strumieni paliwa w różnych miejscach strugi.
Jednostkowy strumień paliwa definiowany jest jako stosunek masowego natężenia przepływu
paliwa przez element powierzchni prostopadłej do osi strugi, do wielkości tej powierzchni
[35,59,82]:
q
Q
f
(3.6)
gdzie:
q
- jednostkowy strumień paliwa,
Q - natężenie przepływu paliwa,
Δf - wielkość powierzchni.
29
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 3.4. Wpływ ciśnienia wtrysku pw , stosunku lr/dk i gęstości ośrodka gazowego ρg na kąt
wierzchołkowy strugi rozpylonego paliwa Θs [35]
3.2. MIKROSTRUKTURA STRUGI ROZPYLONEGO PALIWA
Mikrostrukturę strugi paliwa, która powiązana jest z jakością rozpylania,
charakteryzują przede wszystkim krople zawarte w strudze. Parametry mikrostruktury
determinują m.in. rozkład paliwa w poprzecznym przekroju strugi. Jakość rozpylania paliwa
charakteryzuje się dokładnością i jednorodnością rozpylenia. Dokładność rozpylania
związana jest z wielkością powstałych kropel, natomiast jednorodność charakteryzuje ilości
kropel o jednakowej średnicy. Ogólnie, mikrostrukturę strugi charakteryzuje się za pomocą
[35]:
średnic kropel,
widma rozpylenia,
prędkości kropel.
Najbardziej adekwatnym parametrem określającym wielkość kropli jest jej średnica.
Wielkość kropli ma podstawowe znaczenie w procesie odparowywania paliwa, a więc
wpływa bezpośrednio na okres opóźnienia samozapłonu. Ocena jakości rozpylenia
dokonywana jest na podstawie strugi teoretycznej, złożonej z kropel o jednakowych
średnicach. Są to średnie średnice zastępcze kropel, które definiuje się różnie, w zależności od
tego, czy określają one liczbę, średnicę, powierzchnię czy objętość kropel [35,42,82].
Najpowszechniej wykorzystywaną w obliczeniach jest średnia średnica według definicji
Sautera (SMD - Sauter Mean Diameter), gdyż ma bezpośredni związek z parowaniem
i spalaniem kropli. Średnica SMD zakłada równość powierzchni: objętości rzeczywistej
i teoretycznej strugi [80]. W tabeli 3.1 zestawiono przykłady wykorzystywanych w praktyce
obliczeń wraz z formułami średnich średnic kropel.
Jak pokazują wyniki wielu badań, duży wpływ na średnicę SMD wywierają
właściwości fizyczne paliwa. I tak, wzrost lepkości i napięcia powierzchniowego paliwa łączy
się ze zwiększeniem średnicy SMD. Natomiast wzrost ciśnienia wtrysku powoduje
30
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
zmniejszenie tej średnicy [35]. Wpływ ciśnienia wtrysku i lepkości paliwa na średnicę SMD
przedstawiono na rysunku 3.5.
Tabela 3.1.
Średnie średnice zastępcze kropel w strudze [35,59,82]
Oznaczenie
Nazwa średnicy
D10
arytmetyczna (liniowa)
D 20
powierzchniowa
D 21
względna powierzchniowa
D30
objętościowa
D32 (SMD)
objętościowo-powierzchniowa
(Sautera)
D 43
masowa (Herdana)
gdzie: D - średnica kropli,
Wzór
DΔn
Δn
D2 n
n
D2 n
D n
D3Δn
3
Δn
D3 n
D2 n
D4 n
D3 n
n - ilość kropel o średnicy D
Rys. 3.5. Wpływ ciśnienia wtrysku pw na średnicę SMD (D32) dla różnych lepkości
kinematycznych paliwa ν [21]
Kolejny parametr, który określa mikrostrukturę strugi paliwa to widmo rozpylenia.
Parametr ten umożliwia dokładniejszą ocenę jakości rozdrobnienia paliwa w porównaniu ze
średnią średnicą zastępczą. Jest to zależność funkcyjna ilości Δn kropel o średnicach
będących w przedziale (D-D/2; D+D/2) od średnicy D. Według statystyki matematycznej jest
to rozkład średnic kropel [80]. Na podstawie pomiaru średnic i ilości kropel można dobrać
jedno z teoretycznych widm, co umożliwia dokładniejsze porównanie jakości rozpylenia
uzyskiwanych w różnych warunkach. Wśród najczęściej wykorzystywanych rozkładów
teoretycznych widm rozpylenia wyróżniamy [32,35]:
rozkład Nukiyamy-Tanasawy,
31
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
rozkład logarytmiczno-normalny,
rozkład Roisna-Rammlera.
Znajomość widma rozpylenia umożliwia wnioskowanie o warunkach tworzenia
mieszaniny palnej, samozapłonu i spalania. Należy jednak pamiętać, że widmo rozpylenia
w warunkach pracy silnika ulega ciągłej zmianie. Jest to spowodowane m.in. występowaniem
ruchu powietrza w komorze spalania, wskutek czego następuje ciągła segregacja kropel
według rozmiarów. Tory kropel większych są mniej odchylone od kierunku wtrysku,
mniejszych - więcej. Większy udział kropel większych stwarza lepsze warunki penetracji
paliwa w obszar komory spalania, a więc i lepsze wymieszanie paliwa z powietrzem. Większy
udział kropel mniejszych stwarza natomiast lepsze warunki odparowania i zapłonu [34,35,76].
Prędkość kropel decyduje o wtórnym rozpadzie i związana jest z ich masą. Krople
o większej masie mają większą prędkość, a więc większą energię kinetyczną. Ponieważ
struga składa się z kropel o różnej średnicy, a zatem różnej masie, dlatego wartości i kierunki
prędkości kropel w różnych miejscach strugi są różne. Prędkości te w przestrzeni pomiarowej
określonej w wybranym miejscu strugi rozpylanego paliwa ulegają zmianom w czasie.
Rozkłady prędkości kropel na promieniu strugi w różnych odległościach od rozpylacza są
różne. Ponieważ zwykle w osi strugi prędkość jest większa niż na zewnątrz, to wskazuje, że
rdzeń strugi składa się z większych kropel. Prędkości kropel w strudze maleją wraz ze
zwiększaniem odległości od rozpylacza. Stwierdza się, że prędkość kropel w danym miejscu
strugi zależy zarówno od warunków rozpylania jak i od właściwości paliwa, a więc od tych
samych czynników, które bezpośrednio wpływają na rozmiar kropel [35,76,82].
3.3. METODY OCENY PROCESU ROZPYLANIA PALIW
Ze względu na bardzo złożony przebieg procesów rozpylania paliw trudno oczekiwać,
że w najbliższym czasie nastąpi znaczący postęp w rozwoju teorii rozpylenia, w związku
z tym wydaje się, że w dalszym ciągu będzie stosowana analiza wymiarowa.
Na chwilę obecną szerokie możliwości oceny procesu rozpylania paliw dają badania
optyczne, polegające na bezpośredniej obserwacji tych procesów. W badaniach optycznych
często wprowadza się podział na metody wizyjne (fotograficzne) i laserowe. W każdej z nich
wyodrębnia się różne techniki rejestracji, charakteryzujące się różnym stopniem
skomplikowania oraz możliwościami łączenia kilku metod w jedną [60,61,77].
3.3.1. METODY WIZYJNE
Metoda wizyjna, a właściwie metoda mikrofotograficzna, ciągle ma duże znaczenie
w analizie rozpylenia cieczy zwłaszcza, jeśli szuka się informacji na temat formowania się
strugi kropel i jej rozpadu. Zaletą tej metody jest prostota pomiaru, stosunkowo niski koszt
aparatury fotograficznej i względna nieczułość na optyczne właściwości kropel.
Rozróżnia się następujące metody fotograficzne:
metoda fotografii sylwetkowej,
metoda fotografii szybkiej,
metoda fluorescencyjna,
metoda optycznej separacji kropel.
Metoda fotografii sylwetkowej (cieniowej) jest bardzo prosta, można ją stosować do
badania rozkładu gęstości i obserwacji struktury strugi wtryskiwanego paliwa [60,77].
Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 3.6. Układ ten składa się z dwóch
zasadniczych zespołów: oświetlającego i rejestrującego.
32
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 3.6. Schemat układu pomiarowego do metody fotografii sylwetkowej [60]
Metoda fotografii szybkiej charakteryzuje się krótkimi czasami ekspozycji uzyskiwanymi
albo przez skrócenie czasu trwania błysku świetlnego, albo przez użycie kamery do szybkich
zdjęć przy ciągłym oświetleniu. Często wykorzystuje się obie te możliwości jednocześnie.
Kamery do szybkich zdjęć mają rozmaitą budowę, w zależności od wymaganej częstości
wykonywania zdjęć. Ciągła rejestracja strugi kropel z dużą prędkością umożliwia poznanie
wewnętrznej struktury w czasie i przestrzeni. Uzyskuje się w ten sposób dynamiczną
charakterystykę, na którą składają się takie procesy, jak: rozwój strumienia cieczy na wylocie
rozpylacza, rozpad paliwa na krople, powstawanie niejednorodności struktury strugi, wydzielanie
się mniejszych kropel w dużych strukturach wirów, ruch pojedynczych kropel itp. [60,61].
Metoda fluorescencyjna wykorzystuje własności fluorescencyjne odpowiednich
substancji rozpuszczonych w rozpylanej cieczy, które umożliwiają znaczne zwiększenie
promieniowania kropel w porównaniu ze zwykłym odbiciem światła od ich powierzchni [77].
Uzyskuje się w ten sposób jasny obraz kropel o wyraźnym kształcie. Warunkiem otrzymania
takich obrazów kropel jest odpowiedni dobór substancji fluoryzującej, źródła światła i aparatu
fotograficznego. Pasmo absorpcji substancji fluoryzującej powinno odpowiadać pasmu
promieniowania światła, źródło światła powinno wytwarzać błysk o czasie trwania ok. 10-7 s,
a głębia ostrości aparatu powinna być taka sama jak grubość oświetlonej warstwy. Na rys. 3.7
pokazano schemat układu pomiarowego stosowanego w metodzie fluorescencyjnej. Oświetlenie
szczelinowe jest skierowane prostopadle do osi optycznej aparatu fotograficznego. Źródło
światła stanowi lampa rtęciowa zasilana za pośrednictwem zespołu kondensatorów. Błąd
pomiarowy szacuje się na ok. 10% przy pomiarze cząstek o wielkości 10 μm [60,77].
Rys. 3.7. Schemat układu pomiarowego do metody fluorescencyjnej [60]
33
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Metoda optycznej separacji kropel powstała w Politechnice Łódzkiej, jako
udoskonalona wersja metody sylwetkowej. Struga kropel jest oświetlona światłem z tyłu, jak
w metodzie sylwetkowej, a ponadto szczelinowym światłem bocznym. Światło to wydziela
w obrazie pewną objętość strugi o znanej głębokości, przy czym wszystkie krople znajdujące
się w tej objętości dają charakterystyczne odblaski pochodzące od światła bocznego. Tylko te
krople podlegają pomiarowi na zdjęciu [60,77].
3.3.2. METODY LASEROWE
Metody laserowe są podobne do fotografii bezpośredniej, różnica polega na tym, że do
oświetlenia stosuje się światło laserowe o określonej długości fali. Wyróżniamy następujące
metody laserowe:
metoda holografii,
metoda rozpraszania światła,
laserowa anemometria Dopplera,
metoda natężenia światła,
metoda zmiany fazy Dopplera,
metoda dyfrakcji światła.
Metoda holografii, w porównaniu z tradycyjnymi technikami zdjęciowymi, które
odwzorowują badany obiekt w postaci płaskiej, daje możliwość odtworzenie
zarejestrowanego na płycie holograficznej obrazu w postaci trójwymiarowej. Osiąga się to
poprzez układ rozszczepiający wiązkę światła na wiązkę oświetlającą badany obiekt i na
wiązkę odniesienia, która dociera z opóźnieniem na płytę holograficzną w stosunku do wiązki
podstawowej [77].
Pomiar składa się z dwóch etapów przesuniętych w czasie. W pierwszym następuje
rejestracja pola świetlnego w postaci hologramu, który stanowi swoistą siatkę dyfrakcyjną,
w wyniku czego następuje magazynowanie danych w celu późniejszego ich odtworzenia.
W drugim etapie następuje odtworzenie obrazu przez skierowanie na hologram odpowiednio
ukształtowanej wiązki światła. Rekonstrukcja obrazu może być wykonywana w różnych
płaszczyznach, gdyż holografia „zamraża" trójwymiarowy obraz kropel w strudze. Jakość
obrazu holograficznego jest nieco gorsza niż obrazu fotograficznego [60,77].
Rys. 3.8. Dwuwiązkowy układ zapisu holograficznego [60]
Układy holograficzne dzielą się na jedno- i dwuwiązkowe. Podział ten uwzględnia
wzajemne położenie w przestrzeni wiązek światła: przedmiotowej i odniesienia. Schemat
dwuwiązkowego układu zapisu holograficznego przedstawiono na rys. 3.8.
34
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Metoda rozpraszania światła obejmuje całą grupę metod pomiarowych, gdzie cechą
wspólną jest zjawisko rozpraszania światła, które zachodzi podczas stykania się wiązki
światła z kroplami, w wyniku czego następuje zmiana kierunku rozchodzenia się światła
(rys.3.9). Towarzyszy temu interferencja (nakładanie się) fal świetlnych [60].
Wszystkie metody rozpraszania światła charakteryzują się bardzo krótkim czasem
i pełnym zautomatyzowaniem pomiaru. Nie wszystkie z tych metod wymagają wzorcowania,
co stanowi ich istotną zaletę. Bardzo ważną cechą tych metod jest możliwość pomiaru dużego
zakresu średnic kropel, a przede wszystkim możliwość pomiaru bardzo małych kropel, w tym
kropel o rozdrobnieniu koloidalnym.
Ogólną postać rozwiązania równań Maxwella (które opisują rozpraszanie światła) dla
fali elektromagnetycznej rozpraszanej przez kulistą cząstkę podał G. Mie w 1908r. [60].
Ponieważ w objętości pomiarowej, w której następuje rozpraszanie światła, znajduje się nie
jedna lecz n kropel, dlatego też efekt rozpraszania jest tyle razy zwielokrotniony. Ten
warunek jest słuszny, jeżeli krople są przypadkowo rozmieszczone w przestrzeni a ich
koncentracja nie jest zbyt duża. Sumowanie się natężenia jest sprawą oczywistą w przypadku
kropel jednorodnych, natomiast w przypadku kropel o różnych rozmiarach w grę wchodzą
udziały objętościowe poszczególnych frakcji kropel.
Rys. 3.9. Schemat układu rozpraszania światła [60]
Rozpraszanie światła stanowi podstawę kilku coraz powszechniej stosowanych
technik do pomiaru wielkości cząstek stałych i ich prędkości w ośrodkach wielofazowych.
Laserowa anemometria Dopplera (ang. Laser Doppler Anemometry - LDA) umożliwia
jednoczesny pomiar średnic, prędkości i koncentracji kropel. Można dzięki temu otrzymać również
informacje o lokalnej prędkości gazu, gdyż jest ona równa średniej prędkości najmniejszych kropel
unoszonych przez gaz [52,68,84]. Wyróżnia się trzy metody LDA:
metodę natężenia światła (Intensity Method),
metodę widzialności sygnału (Visibility Method),
metodę zmiany fazy Dopplera (Phase Doppler Method).
Jak wskazuje nazwa LDA, metoda ta jest oparta na zjawisku Dopplera, w myśl której,
częstotliwość rozpraszanego światła ulega zmianie pod wpływem ruchu kropli. W danym
przypadku wiązka lasera, przechodząc przez strugę kropel, jest rozpraszana w sposób zależny
od ruchu kropel w gazie oraz ulega zmianie częstotliwość. Mierząc tę zmianę, określa się
prędkość kropli.
Obecnie najczęściej jest stosowana różnicowa technika Dopplera (Differential
Doppler Technique). Wiązka światła lasera zostaje rozdzielona na dwie równoległe wiązki
o tym samym natężeniu (rys. 3.10a). Wiązki te, po skupieniu się i przecięciu, tworzą objętość
pomiarową, wewnątrz której powstaje układ prążków uzyskany wskutek optycznej
interferencji dwóch wiązek (rys. 3.10b).
35
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 3.10. Schemat dwuwiązkowego układu LDA [60]: a) układ optyczny, b) prążki
interferencyjne, c) modulacja sygnałów
Metoda natężenia światła wywodzi się z teorii Mie'go [60], zgodnie z którą natężenie
rozpraszanego światła zależy od średnicy kropli. W praktyce pomiary natężenia są trudne,
ponieważ zależą od takich czynników, jak: moc lasera, czułość detektora, przepuszczalność
okien wziernikowych, a przede wszystkim od trajektorii kropel w objętości pomiarowej.
Metoda zmiany fazy Dopplera jest jedną z najbardziej przydatnych metod, gdyż
dotyczy dużego zakresu średnic kropel. W praktyce można mierzyć krople o średnicach od
1 μm do 100 μm, a nawet do 1 mm. Metoda ta opiera się na zjawisku zmiany fazy sygnału
laserowego Dopplera, zgodnie z kątową pozycją detektora. Dodatkowo wykorzystuje się fakt,
że różnica fazy między dwoma zarejestrowanymi sygnałami z danych kierunków jest
proporcjonalna do średnicy kropli. W metodzie tej wykorzystuje się przynajmniej dwa
fotopowielacze, które umieszcza się symetrycznie względem osi optycznej (rys. 3.11a).
Średnica kropli jest określona na podstawie różnicy fazy między sygnałami impulsów
zarejestrowanymi przez oba powielacze (rys. 3.11b).
Metoda dyfrakcji (ugięcia) światła występuje podczas rozchodzenia się światła
w ośrodkach optycznie niejednorodnych. Metoda pomiaru jest oparta na dyfrakcji
równoległej wiązki światła laserowego przechodzącego przez poruszające się krople. Podczas
zetknięcia się z kroplą światło ugina się zależnie od jej średnicy, przy czym średnica
pierścienia dyfrakcyjnego jest odwrotnie proporcjonalna do średnicy kropli (rys. 3.12a).
Energia świetlna koncentruje się w środku pierścieni dyfrakcyjnych, bowiem pierwszy kąt
ugięcia Θ powoduje zgromadzenie 84% energii, lecz szybko maleje, gdy promień pierścieni
rośnie. To jest słuszne tylko dla kropli o średnicach większych od długości fali światła lasera.
W wyniku obecności kropel o różnych średnicach powstaje na wieloelementowym
fotodetektorze seria zogniskowanych pierścieni o różnych promieniach (rys. 3.12b). Każdy
z tych pierścieni odpowiada innej średnicy kropli. Analizy zmierzonego rozkładu energii
świetlnej i zamiany na rozkład średnic kropel dokonuje program komputerowy. Za podstawę
selekcji przyjmuje się rozkład Rosina-Rammlera i oblicza się rozkład średnic ze zmierzonego
rozkładu energii świetlnej metodą najmniejszych kwadratów [60].
Szczególną cechą tej metody pomiarowej jest to, że obraz dyfrakcji generowany przez
krople jest niezależny od pozycji kropli w strudze. Wynika to stąd, że światło ugięte przy
kącie Θ powoduje takie samo promieniowe przemieszczenie w płaszczyźnie ogniskowej.
W związku z tym można wykonywać pomiary kropel podczas ich ruchu z dowolną
prędkością.
36
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 3.11. Schemat metody zmiany fazy Dopplera [60]: a) układ optyczny, b) zależność
między sygnałami dwóch fotopowielaczy, e-poziom progowy, δ-różnica fazy
Rys. 3.12. Metoda dyfrakcji światła [60]: a) schemat działania, b) układ optyczny
37
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
4. WYMAGANIA DLA PALIW DO SPALINOWYCH ŚRODKÓW
NAPĘDU AUTOBUSÓW MIEJSKICH
W usystematyzowany sposób na rysunku 4.1 przedstawiono główne wymagania, które
brane są pod uwagę w doborze paliw do spalinowych środków napędu.
WYMAGANE KRYTERIA I WŁAŚCIWOŚCI PALIW DO SPALINOWYCH
ŚRODKÓW NAPĘDU
Zapewnienie
prawidłowego
działania układu
zasilania
Prawidłowe
rozpylenie,
odparowanie i
spalanie
Oddziaływanie
na środowisko
naturalne
Przechowywanie,
dystrybucja
gęstość
lepkość
gęstość
lepkość
napięcie
powierzchniowe
stabilność
chemiczna
właściwości
niskotemperaturowe
smarność
zawartość
zanieczyszczeń
skład frakcyjny
właściwości
samozapłonowe
toksyczne oddziaływanie
na ekosystemy
toksyczne oddziaływanie
na organizmy
skłonność do
biodegradacji
skłonność do
korozji
wartość opałowa
odporność na
skażenie
mikroorganizmami
właściwości
myjące
Bezpośrednie
właściwości
niskotemperaturowe
Pośrednie
skłonność do
elektryzacji
tworzenie toksycznych
składników w procesie
spalania w silniku
skłonność do
pienienia
zagrożenie
pożarowe
Rys. 4.1. Główne wymagane kryteria i właściwości paliw do spalinowych środków napędu
38
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Paliwo przeznaczone do zasilania spalinowych środków napędu powinno spełniać
szereg wymagań, z których do najważniejszych zaliczamy [3]:
wymagania zapewniające prawidłowe funkcjonowanie układu zasilania i jego podzespołów,
wymagania zapewniające prawidłowy przebieg rozpylenia, odparowania i spalania
paliwa w silniku,
wymagania związane z oddziaływaniem na środowisko naturalne,
wymagania dotyczące właściwego przechowywania i dystrybucji.
4.1. WYMAGANIA ZWIĄZANE Z PRAWIDŁOWYM FUNKCJONOWANIEM
SYSTEMU ZASILANIA PALIWEM
Systemy zasilania paliwem jednostek napędowych mają za zadanie zmagazynowanie
odpowiedniej ilości paliwa oraz jego przetransportowanie ze zbiornika do układu
wtryskowego, zapewniając odpowiednie ciśnienie, natężenie przepływu i czystość paliwa
wtryskiwanego do komory spalania [3].
Spełnienie tych zadań jest zdeterminowane głównie przez odpowiednie właściwości
fizykochemiczne paliwa, do których zaliczamy:
gęstość,
lepkość,
parametry reologiczne w niskiej temperaturze,
smarność,
zawartość zanieczyszczeń.
Gęstość jest jednym z najważniejszych parametrów, który cechuje każdą grupę paliw.
We współczesnych systemach wtryskowych wielkość dawki paliwa wtryśniętej do komory
spalania określana jest objętościowo lub czasowo. Zmniejszenie gęstości powoduje
zmniejszenie mocy silnika, jak również zmianę wielkości emisji związków toksycznych
w spalinach. W związku z tym, aby uzyskać optymalne charakterystyki silnika i minimalną
wielkość emisji, wartość gęstości paliwa powinna zawierać się w wąskim przedziale.
W przypadku oleju napędowego zakres ten wynosi 0,820-0,850 kg/dm3 w temperaturze 15°C.
Oznaczanie gęstości paliwa umożliwia m.in. aparat DMA 4500 M, wykorzystujący metodę
oscylacyjną z U-rurką.
Lepkość jest parametrem, który decyduje o wartości oporów przepływu paliwa przez
przewody, filtry, kalibrowane otworki rozpylacza, jak również o przebiegu procesu tłoczenia
i dawkowania paliwa oraz o smarowaniu ruchomych elementów układu wtryskowego. Im
większa jest lepkość paliwa, tym większe są straty energii na jego przetłaczanie przez
poszczególne elementy w układzie zasilania paliwem. Idealne paliwo pod względem lepkości
kinematycznej do silników o ZS powinno mieć możliwie stałą lepkość w dużym zakresie zmian
temperatury (-40°C do 130oC).
Lepkość kinematyczną paliwa oznacza się metodą kapilarną, mierząc czas przepływu
określonej objętości badanego paliwa przez wzorcowaną kapilarę lepkościomierza, pod
wpływem sił grawitacji i w ściśle określonej temperaturze [111].
Parametry reologiczne w niskiej temperaturze decydują o przydatności paliwa do
eksploatacji. Parametry te zależą od składu frakcyjnego paliwa i są tym lepsze, im mniej zawiera
ono węglowodorów parafinowych. Stan skupienia tych paliw zależy od liczby atomów węgla
w cząsteczce. Jeśli liczba atomów węgla wynosi 1 4 to węglowodory te są w stanie gazowym,
jeżeli 5-16 to są w stanie ciekłym, natomiast powyżej 16 w stanie stałym przy temperaturze
otoczenia. Gdy temperatura obniża się, to część tych węglowodorów przechodzi ze stanu ciekłego
w stan stały. W przypadku oleju napędowego wydzielają się drobne i twarde kryształy
węglowodorów parafinowych, co powoduje zmętnienie paliwa. Temperatura, w której to
39
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
następuje, nazywa się temperaturą mętnienia [3].
Zachowanie się paliwa w niskiej temperaturze jest charakteryzowane przez wielkości,
które mierzy się w znormalizowanych warunkach [2,98]. Najczęściej są to:
temperatura mętnienia,
temperatura zablokowania zimnego filtru,
temperatura płynięcia.
Bardzo istotnym parametrem niskotemperaturowym paliwa jest temperatura
zablokowania zimnego filtra. Jest to temperatura, w której określona objętość paliwa,
schłodzona w sposób znormalizowany, nie przepływa w określonym czasie przez układ
filtrujący określony normą. Temperatura płynięcia jest to najniższa temperatura, w której
paliwo zachowuje płynność podczas schładzania go w znormalizowanych warunkach;
stanowi również parametr określający najniższą temperaturę, w której możliwe są operacje
transportowo-dystrybucyjne paliwa.
Smarność jest kolejnym ważnym parametrem określającym przydatność paliwa do
zastosowania w spalinowych środkach napędu, ponieważ właściwości smarnościowe paliwa
mają zasadniczy wpływ na trwałość poszczególnych elementów całego systemu zasilającego.
Istnieje wiele metod określających smarność paliwa, z których najważniejsze to [3]:
HFRR; w metodzie tej elementem roboczym jest drgająca pod określonym
obciążeniem kulka stalowa na nieruchomej płytce stalowej zanurzonej w badanym
paliwie, a miarą smarności paliwa jest średnica śladu zużycia powstałego na kulce,
BOCLE; w metodzie tej obciążona kulka współpracuje z obracającym się
pierścieniem, częściowo zanurzonym w badanym paliwie, a miarą smarności paliwa
jest średnica śladu zużycia powstałego na kulce,
BOTS; metoda ta jest modyfikacją testu w aparacie czterokulowym, gdzie zamiast
trzech nieruchomych kulek stosuje się specjalne sferyczne wkładki,
BOTD; metoda ta jest modyfikacją poprzedniego testu, w którym zamiast wkładek
sferycznych są płaskie płytki.
Do porównywania smarności może być wykorzystywana również metoda
czterokulowa, którą zastosowano do oceny badanych paliw. Polega ona na rejestracji
przebiegu momentu tarcia, siły liniowo narastającego obciążenia węzła tarcia oraz dodatkowo
przebiegu współczynnika tarcia. Szczegółowy opis metodyki badania smarności paliw
z wykorzystaniem aparatu czterokulowego przedstawiono w rozdziale 6.
Najczęściej stosowaną metodą badania smarności paliwa jest metoda HFRR, której
sposób przeprowadzenia testu określa norma [106].
Zawartość zanieczyszczeń stałych i wody w paliwie ma również decydujący wpływ
na przydatność tego paliwa w eksploatacji. Zanieczyszczenia te powstają w czasie produkcji,
magazynowania, transportowania, dystrybucji i użytkowania. Cząstki stałe zawarte w paliwie
powodują zużywanie ścierne precyzyjnych elementów aparatury wtryskowej. Aby temu
zapobiec, stosuje się różnego typu metody oczyszczania, np. poprzez filtrację.
Podstawową charakterystyką zanieczyszczeń stałych jest ich stężenie w paliwie.
Obecnie wymagana jest także znajomość udziału ilościowego lub masowego (ponadto składu
granulometrycznego) cząstek o danym zakresie wymiarów. Stężenie zanieczyszczeń oznacza
się normatywnie metodą sączenia lub wirowania [99]. Na podstawie składu
granulometrycznego są opracowywane kryteria czystości paliw eksploatacyjnych [114].
Do oznaczania zawartości wody w paliwie najczęściej stosowana jest metoda K.
Fischera [108].
Zawartość wody w paliwie może powodować między innymi:
40
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
korozję elementów precyzyjnych aparatury wtryskowej,
zużycie rozpylaczy w wyniku korozji elektrochemicznej,
pogorszenie właściwości smarnościowych paliwa.
4.2. WYMAGANIA ZWIĄZANE Z PRAWIDŁOWYM ROZPYLENIEM,
ODPAROWANIEM I SPALANIEM PALIWA W SILNIKU
Paliwo za pomocą układu doprowadzającego, poprzez wtryskiwacz, zostaje
dostarczane do komory spalania, gdzie ulega rozpyleniu. Rozpylenie paliwa ma na celu
zwiększenie powierzchni odparowania, szczególnie, gdy paliwo posiada małą lotność. Można
przyjąć, że im mniejsza jest lotność paliwa, tym lepsze powinno być rozpylenie.
Strumień paliwa, wypływający z otworka rozpylacza z dużą prędkością, po zderzeniu
z cząsteczkami sprężonego powietrza, rozpada się najpierw na drobniejsze strugi,
a następnie na krople o zróżnicowanych średnicach. Krople pierwotne rozpadają się
następnie na mniejsze krople (tzw. rozpad wtórny), te zaś ewentualnie na jeszcze mniejsze.
Aby zapewnić prawidłowy przebieg procesu spalania rozpylone paliwo powinno
zawierać krople o zbliżonej średnicy. Im większy jest stopień i jednorodność rozpylenia, tym
łatwiej przebiega odparowanie i spalanie. Można przyjąć, że krople o średnicy większej niż
20 μm nie ulegają całkowitemu odparowaniu i spalaniu, lecz przedostają się do gazów
spalinowych w postaci węglowodorów lub czystego węgla [3].
Proces rozpylenia paliwa zależy od parametrów konstrukcyjnych komory spalania,
systemu wtryskowego oraz parametrów paliwa, a szczególnie jego lepkości i napięcia
powierzchniowego. Średnica kropel rozpylonego paliwa jest tym większa, im większe jest
napięcie powierzchniowe i lepkość paliwa. Lepkość ma decydujący wpływ na kształt strugi
rozpylonego paliwa, który opisywany jest kątem wierzchołkowym oraz zasięgiem strugi. Im
większa jest lepkość paliwa, tym struga jest bardziej zwarta, czyli ma mały kąt
wierzchołkowy i zasięg strugi jest większy. Natomiast przy małej lepkości stopień rozpylenia
jest większy. Bardzo małe krople, o małej masie, mają utrudnione przenikanie w głąb komory
spalania, gdyż ich przemieszczanie jest hamowane przez sprężone powietrze (nawet do
ciśnienia 4 MPa). Przy zbyt małym zasięgu paliwo będzie spalało się niecałkowicie i to tylko
w pobliżu rozpylacza. Z kolei, przy zbyt dużym zasięgu strugi, paliwo będzie się osadzało na
ściankach komory spalania i denku tłoka i także nie spali się całkowicie.
W przebiegu procesu wtrysku, rozpylania i odparowania paliwa ważną rolę odgrywa
również jego napięcie powierzchniowe, które zależy od składu chemicznego paliwa. Napięcie
powierzchniowe zmniejsza się liniowo wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia, natomiast
zwiększa ze wzrostem lepkości i gęstości [3,104].
Największe napięcie powierzchniowe wśród węglowodorów mają aromaty, następnie
nafteny, a najmniejsze węglowodory parafinowe, co zostało przedstawione na rysunku 4.2.
W silnikach o ZS paliwo ciekłe, aby mogło ulec samozapłonowi, musi wcześniej
odparować, dlatego ważną cechą tego paliwa jest jego lotność. W odparowaniu kropel paliwa
również wiodącą rolę ma temperatura i ciśnienie powietrza. Przy stałej temperaturze prężność
par węglowodorów zmniejsza się ze wzrostem liczby atomów węgla i masy cząsteczkowej.
Wśród węglowodorów o tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce, prężność par maleje
w następującej kolejności: olefiny, parafiny, nafteny, aromaty [3].
Skład frakcyjny paliwa węglowodorowego jest to procentowy udział destylatu
w zależności od temperatury wrzenia. Określa się go za pomocą destylacji normalnej, podczas
której paliwo zostaje rozdzielone na kilka frakcji, różniących się od siebie temperaturą
wrzenia. Destylację przeprowadza się w specjalnych urządzeniach, w których paliwo jest
stopniowo ogrzewane a powstałe pary schładzane, aby przeszły w stan cieczy. Aparat służący
do określania składu frakcyjnego paliwa, w którym są zaimplementowane następujące
41
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
procedury: ASTM D86 (grupy 0,1,2,3,4), D1078, D850, IP195, IP123, DIN51751, NFM07002, EN ISO3405, JIS K2254, ISO918; ASTM D189, D524, D4530, EN ISO 10370 [86,113],
przedstawia rys. 6.7. σ
Rys. 4.2. Charakterystyka zmian napięcia powierzchniowego w funkcji gęstości ρ20 ciekłych
węglowodorów [19]
Wśród różnych kryteriów w doborze paliw do silników o ZS są również właściwości
samozapłonowe, na które wpływa skład chemiczny paliwa. Najbardziej pożądane w tym
składzie są węglowodory parafinowe prostołańcuchowe, a najmniej węglowodory
aromatyczne, z tym, że węglowodory parafinowe mają gorsze właściwości
niskotemperaturowe. W produkcji tych paliw należy zatem zachować pewien kompromis.
Właściwości samozapłonowe paliwa powinno określać się za pomocą parametrów
mierzalnych, w związku z tym skłonności samozapłonowe oznacza się w sposób względny za
pomocą umownego wskaźnika, jakim jest liczba cetanowa. Im paliwo ma większą liczbę
cetanową, tym cechuje go krótszy okres opóźnienia zapłonu, a więc ma lepszą skłonność do
samozapłonu. Należy pamiętać, że liczba cetanowa (LC) jest parametrem porównawczym,
a nie parametrem fizycznym paliwa, mimo że zależy od jego składu chemicznego, jak
również od jego lepkości, gęstości, lotności itp. Parametry te z kolei są funkcją temperatury,
w związku z tym nie ma prostej zależności między liczbą cetanową a właściwościami paliwa.
Do pomiaru właściwości samozapłonowych paliw stosuje się specjalne silniki testowe,
jak również metody laboratoryjne, gdzie przykładem może być automatyczny aparat Cetane
ID 510. Metoda laboratoryjna została znormalizowana: ASTM D 7668 - „Standard Test
Method for Determination Ignition Delay and Derived Cetane Num-ber (DCN) of Diesel Fuel
Oils by Combustion in Constant Volume Chamber" [3,36,115]. Zgodnie z tą normą określa się
pochodną liczbę cetanową.
4.3. WYMAGANIA ZWIĄZANE Z ODDZIAŁYWANIEM PALIWA NA
ŚRODOWISKO NATURALNE
Opracowując kryteria doboru paliw do napędów występujących w komunikacji
zbiorowej należy wziąć również pod uwagę aspekty ekologiczne, które w znaczącym stopniu
powinny decydować o przydatności danego paliwa w eksploatacji.
Do niedawna toksyczność paliw rozpatrywano tylko w aspekcie zagrożenia zdrowia
i życia ludzi. Aktualnie odnosi się to do całej przyrody. Informacja o toksyczności danego
42
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
paliwa musi być podana w Karcie Charakterystyki Bezpieczeństwa Produktu zgodnie
z Dyrektywą UE 91/155/EEC [3].
Szkodliwe oddziaływanie paliw stosowanych w transporcie na środowisko naturalne
może być bezpośrednie lub pośrednie. W przypadku bezpośredniego wpływu na środowisko
możemy wyróżnić [3]:
zanieczyszczenie ekosystemów,
działanie toksyczne na organizmy żywe,
trwałość czasowa w środowisku.
Pośrednie oddziaływanie na środowisko to przede wszystkim toksyczne produkty
spalania źródeł napędu, do których według obowiązujących uwarunkowań normatywnych
należą: tlenek węgla, tlenki azotu, węglowodory oraz cząstki stałe. Oprócz tego, w spalinach
występuje wiele różnych związków toksycznych, które nie są limitowane. W przypadku np.
oleju napędowego zidentyfikowanych zostało 65 związków chemicznych (14 z nich to
mutagenne związki poliaromatyczne, a wśród nich 9 uznawanych jest za kancerogenne) [3,75].
Paliwa, które zawierają frakcje o wysokiej temperaturze wrzenia, wywołują
zwiększoną emisję cząstek stałych oraz wzrost zadymienia spalin, natomiast obniża się
zawartość tlenków azotu. Obecność ciężkich frakcji w paliwie wpływa na emisję pośrednio,
poprzez zwiększenie skłonności do powstawania nagaru na końcówkach rozpylaczy
i w komorze spalania, co powoduje zakłócenia przebiegu procesu spalania, a to prowadzi do
pogorszenia jego efektywności, wzrostu emisji niespalonych węglowodorów, tlenku węgla
i cząstek stałych. Aby temu zapobiec, wprowadza się do paliwa odpowiednie detergenty
myjące.
Lepkość i gęstość paliwa również wpływają na toksyczność spalin, gdyż od tych
parametrów zależy ilość wtryśniętej dawki paliwa do komory spalania i jakość rozpylenia,
a to decyduje o przebiegu spalania. Wraz ze wzrostem gęstości zwiększa się emisja
cząstek stałych, szczególnie w warunkach nieustalonych pracy silnika spalinowego (rys.4.3) [3].
Rys. 4.3. Zależność emisji cząstek stałych od gęstości oleju napędowego (silnik o ZS
14,6 dm3 z wtryskiem bezpośrednim, doładowany, z chłodzeniem powietrza): a –
warunki ustalone, b – warunki nieustalone [3]
Szkodliwym składnikiem w paliwie jest siarka, która wpływa na emisję do atmosfery
tlenków siarki, cząstek stałych i tlenków azotu wraz ze spalinami. Siarka zawarta w paliwie,
w procesie spalania w silniku zostaje utleniona do SO2, który utleniony do SO3 może łączyć się
z wodą powstającą w tym samym procesie spalania i tworzyć kwas siarkowy. Dwutlenek
43
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
i trójtlenek siarki emitowane wraz ze spalinami do atmosfery powodują powstawanie tzw.
kwaśnych deszczów, a kwas siarkowy jest ponadto przyczyną korozji elementów silnika [3,78].
Paliwa zawierające w swoim składzie węglowodory aromatyczne również negatywnie
wpływają na czystość spalin. Większa ilość tych węglowodorów w paliwie wpływa na wzrost
tlenków azotu i cząstek stałych [78].
4.4. WYMAGANIA DOTYCZĄCE WŁAŚCIWEGO PRZECHOWYWANIA
I DYSTRYBUCJI PALIWA
Paliwo w czasie przechowywania i dystrybucji powinno:
nie stwarzać zagrożenia pożarowego,
nie zmieniać swoich właściwości fizykochemicznych,
nie ulegać elektryzacji,
nie stwarzać zagrożenia dla środowiska w przypadku wydostania się z urządzeń
przeznaczonych do przechowywania i dystrybucji,
umożliwiać przetłaczanie w niskiej temperaturze otoczenia,
nie oddziaływać korozyjnie,
nie „pienić się” w czasie operacji dystrybucyjnych.
W procesie przechowywania i dystrybucji ważna jest znajomość gęstości paliw oraz jej
zmian w funkcji temperatury. Wynika to z faktu, że przy rozliczeniach finansowych na etapie
obrotów paliwem w obszarze: producent-baza paliw-stacja paliw, stosuje się jednostki masy.
Natomiast rozliczanie stacji paliw z klientem prowadzi się w jednostkach objętości.
Do przeliczeń jednostek objętości na jednostki masy wykorzystuje się zależność [3]:
m = ρT·VT
(4.1)
gdzie:
m - masa paliwa,
ρT - gęstość paliwa w temperaturze T,
VT - objętość paliwa w temperaturze T.
Wraz ze wzrostem temperatury gęstość paliw maleje, dlatego też często przy symbolu
gęstości ρ podaje się indeks T, który oznacza temperaturę jej pomiaru wyrażoną w stopniach
Celsjusza. W Polsce i Europie, według oznaczeń normatywnych, temperatura ta wynosi 15°C
[107]. Przy tej temperaturze prowadzone są praktycznie wszystkie procesy ewidencji,
obliczania i rozliczania ubytków naturalnych w procesach przechowywania, transportowania
i dystrybucji paliw.
Na bezpieczeństwo użytkowania w warunkach przechowywania, transportowania oraz
dystrybucji wpływają następujące cechy paliwa:
łatwopalność (temperatura zapłonu oraz samozapłonu),
wybuchowość (granice wybuchowości oraz przedział prężności par, przy którym może
nastąpić wybuch),
łatwość parowania w normalnych warunkach,
zdolność do elektryzowania się w czasie przelewania, przetłaczania i transportowania,
toksyczność oraz szkodliwość dla środowiska naturalnego.
44
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Wartość temperatury zapłonu paliwa stanowi podstawę zakwalifikowania go do
odpowiedniej klasy niebezpieczeństwa pożarowego.
Dla właściwego magazynowania, transportowania oraz dystrybucji paliwa
przewidziany jest cały zestaw procedur, rozwiązań konstrukcyjnych i organizacyjnych, które
uniemożliwiają przedostawanie się paliwa do środowiska naturalnego. Wśród nich możemy
wyróżnić [3]:
stosowanie zbiorników z podwójną ścianą w bazach i stacjach paliw,
hermetyzacja operacji zlewczo-nalewczych,
wyposażanie zbiorników w urządzenia zapobiegające przepełnieniu w czasie operacji
ich napełniania,
szczelne skanalizowanie i utwardzenie terenu przy obiektach technicznych baz i stacji
paliw,
wyposażenie zbiorników magazynowych i instalacji baz i stacji paliw w urządzenia do
ciągłego monitorowania ich szczelności,
instalowanie urządzeń do ciągłego automatycznego monitorowania gruntu i wód
podziemnych w bazach i stacjach paliw,
odpowiednie wyposażenie w osprzęt monitorująco-kontrolny cystern samochodowych
do przewozu paliw,
wyposażenie stacji i baz paliw w odpowiednie systemy oczyszczania ścieków.
W czasie magazynowania paliwo ulega tzw. procesowi starzenia, co jest rzeczą
nieuniknioną, ale mimo to powinno cechować się odpowiednią odpornością na starzenie, które
nazywane jest często stabilnością chemiczną.
W procesie dystrybucji, w tym również podczas napełniania zbiorników cystern
i zbiorników pojazdów, paliwo ulega napowietrzaniu. W rezultacie, wraz z paliwem do
zbiornika, wprowadzane jest powietrze w postaci drobnych pęcherzyków. Wówczas paliwo
ulega „spienianiu”, któremu sprzyja duża prędkość wypływu paliwa, zmiana ciśnienia oraz
wartości napięcia powierzchniowego na granicy faz powietrza i paliwa. Im napięcie
powierzchniowe paliwa jest mniejsze, tym ma ono większą skłonność do tworzenia piany.
Skłonność paliwa do „pienienia” zmniejsza się poprzez wprowadzanie do niego
dodatków przeciwpiennych, którymi są najczęściej związki silikonowe. Dodatki
przeciwpienne nie powinny pogarszać stabilności chemicznej paliwa oraz sprawności
urządzeń do obniżania i kontroli emisji toksycznych składników w spalinach silnika.
Skłonność paliwa do „pienienia” bada się mierząc objętość piany, która powstaje
w warunkach normatywnych oraz czas jej zaniku.
45
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
5. CEL I ZAKRES PRACY
5.1. PROBLEMATYKA ROZPRAWY, JEJ CELE I ZAKRES
Podstawowym surowcem do produkcji paliw silnikowych jest ropa naftowa, której
zużycie sukcesywnie wzrasta w ciągu ostatnich lat. Wzrost zapotrzebowania na paliwa płynne
przy ograniczonych zasobach, wzrastających cenach ropy naftowej i zaostrzających się
przepisach w zakresie ochrony środowiska, spowodował konieczność poszukiwania nowych,
alternatywnych źródeł energii. Spośród alternatywnych paliw służących do zasilania silników
spalinowych największe znaczenie obecnie mają paliwa gazowe oraz paliwa pochodzenia
roślinnego. Do paliw pochodzących z surowców roślinnych zaliczamy alkohole oraz
naturalne oleje roślinne, zwane biopaliwami. Oleje roślinne są bardzo atrakcyjnym paliwem
alternatywnym z uwagi na ich odnawialność oraz zamknięty obieg dwutlenku węgla
w atmosferze, co prowadzi do ograniczenia efektu cieplarnianego.
W układach napędowych wykorzystywanych w autobusach komunikacji miejskiej
najczęściej spotykaną jednostką napędową jest silnik spalinowy zasilany olejem napędowym,
dlatego też w niniejszej dysertacji główną uwagę zwrócono na paliwa płynne możliwe do
zastosowania w silnikach o ZS. W silnikach tych istnieje możliwość zastosowania paliw
alternatywnych jak również mieszanek tych paliw z olejem napędowym, skomponowanych na
bazie olejów roślinnych: rzepakowego, słonecznikowego, palmowego, sojowego i innych.
SFORMUŁOWANIE PROBLEMU
• analiza studialna zagadnienia
• określenie celu, zakresu oraz tez rozprawy
BADANIA DOŚWIADCZALNE
•
•
•
•
opracowanie metodyki badań
ocena właściwości fizykochemicznych paliw wybranych do analizy
przeprowadzenie badań eksperymentalnych na stanowisku silnikowym
badania wizualizacyjne procesu wtrysku paliw wybranych do analizy na
stanowisku badawczym
OPRACOWANIE KRYTERIÓW DOBORU PALIW
NA PODSTAWIE PRZEPROWADZONYCH BADAŃ
SFORMUŁOWANIE WNIOSKÓW
• poznawczych
• utylitarnych
• rozwojowych
Rys. 5.1. Schemat zadań do wykonania dla zrealizowania celu rozprawy
46
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Temat niniejszej dysertacji obejmuje zagadnienia, które wpisują się w aktualność
problematyki dotyczącej rozwoju drogowych środków transportu odnośnie poszukiwania
sprawniejszych układów napędowych i alternatywnych źródeł zasilania.
Celem podstawowym rozprawy było opracowanie kryteriów doboru paliw do
specyfiki napędów wykorzystywanych w komunikacji miejskiej. Jako kryteria w doborze
paliw przyjęto: wymagania normatywne dla paliw, geometrię strugi rozpylanego paliwa,
emisyjność oraz parametry operacyjne silnika. Aby uzyskać zamierzony cel został przyjęty
następujący zakres badań (rys. 5.1):
określenie właściwości fizykochemicznych paliw przyjętych do badań,
przeprowadzenie badań silnikowych dla paliw poddanych analizie na stanowisku
badawczym,
badania wizualizacyjne procesu wtrysku rozpatrywanych paliw na stanowisku
badawczym, których celem było określenie geometrii strugi rozpylanego paliwa
(zasięgu oraz kąta wierzchołkowego), badania te prowadzono według założeń oraz
punktów pomiarowych zrealizowanych wcześniej na stanowisku silnikowym,
weryfikacja porównawcza parametrów operacyjnych silnika dla wybranych paliw
i skomponowanych mieszanek,
opracowanie kryteriów doboru paliw na podstawie przeprowadzonych badań.
5.2. UZASADNIENIE WYBORU TEMATYKI PRACY
Coraz większa popularność stosowania paliw alternatywnych w miejskim transporcie
publicznym wynika z dużego zainteresowania władz samorządowych wdrażaniem
ekologicznych rozwiązań, aby poprawić wizerunek miast i jakość życia mieszkańców,
a ponadto zwiększyć szansę na otrzymanie wsparcia finansowego z różnych źródeł.
Głównym celem działalności badawczo-rozwojowej związanej z paliwami
alternatywnymi, przeznaczonymi do drogowych środków transportu, jest ograniczenie
uzależnienia od paliw kopalnych poprzez wykorzystanie źródeł energii, które są odnawialne,
bezpieczne i bardziej przyjazne dla środowiska naturalnego. W krótkiej perspektywie oznacza
to tworzenie większej liczby energooszczędnych pojazdów wykorzystujących paliwa
o niższej zawartości węgla niż paliwa kopalne. W średnim i długim okresie jest
przewidywana produkcja czystych paliw, które nie będą pochodziły ze źródeł kopalnych.
Potencjalne paliwa alternatywne to szeroka gama paliw uzyskiwanych z surowców
odnawialnych (biogaz, hydrorafinowane oleje roślinne, paliwo BTL, biodiesel, wodór itp.)
[6,46,85,96,115].
Tematyka pracy w aspekcie technicznym dotyczy rozwoju pojazdów samochodowych
w zakresie poszukiwania sprawniejszych układów napędowych i zastępczych źródeł zasilania
energią. Czynnik społeczny realizacji rozprawy doktorskiej jest również znaczący, gdyż
dotyczy publicznej komunikacji miejskiej, gdzie problematyka oszczędności kosztów
eksploatacji i ochrony środowiska posiada priorytetowe znaczenie. Praca stanowi syntezę
wieloletnich prac teoretycznych i eksperymentalnych autora i wynika z zainteresowania
paliwami alternatywnymi oraz możliwością ich wykorzystania do zasilania jednostek
napędowych autobusów miejskich [26,37,42 47].
5.3. TEZY ROZPRAWY
Pojawienie się technologicznych możliwości wytwarzania różnych paliw zastępczych,
przy zachowaniu konkurencyjnej ceny wobec oleju napędowego, daje istotną przesłankę do
47
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
prowadzenia badań naukowych celem zbadania właściwości fizykochemicznych takich paliw
w aspekcie zasilania silników spalinowych.
Biorąc pod uwagę dotychczasowy stan wiedzy odnośnie specyfiki napędów
autobusów miejskich oraz dokonując analizy zagadnień związanych z tematem niniejszej
pracy, wzięto pod uwagę zasadnicze wskaźniki, które mają decydujący wpływ na
wyznaczenie kryteriów w doborze paliw do tych środków transportu.
Wobec powyższego, mając na uwadze uwarunkowania dotyczące procesów spalania
różnych paliw, a także generowanych parametrów operacyjnych oraz emisję toksycznych
składników spalin, tezy dysertacji sformułowano w sposób następujący:
dobór paliw do specyfiki napędów wykorzystywanych w komunikacji miejskiej
w wystarczającym stopniu może być prowadzony w oparciu o następujące
kryteria: wymagania normatywne dla paliw, geometrię strugi rozpylonego
paliwa, emisyjność i parametry operacyjne silnika,
dobór paliw do silników o ZS, uwzględniający kryterium emisyjności, może być
realizowany na podstawie ich właściwości samozapłonowych i wartości
pochodnej liczby cetanowej.
5.4. ZAŁOŻENIA PRAKTYCZNE
Realizacja przyjętych celów pracy w zakresie badań eksperymentalnych powinna
pozwolić na opracowanie kryteriów, które należy uwzględnić, aby móc dokonać doboru
paliwa do specyfiki napędów wykorzystywanych w autobusach miejskich.
Celem sprawdzenia, czy dane paliwo spełnia wymagania dla paliw, postanowiono
przeprowadzić analizę właściwości fizykochemicznych na dedykowanej aparaturze,
spełniającej kryteria umożliwiające wykonywanie badań zgodnie z procedurami
normatywnymi. Wpływ danego paliwa na emisyjność oraz parametry operacyjne silnika
przyjęto określić na stanowisku silnikowym, natomiast geometrię strugi rozpylonego paliwa na stanowisku z komorą wizualizacyjną, gdzie możliwym jest rejestracja przebiegu procesu
rozpylenia. Uzyskane wyniki z badań silnikowych oraz pozasilnikowych analizowanych
paliw należy odnieść do wyników otrzymanych dla oleju napędowego, który traktowany jest
w pracy jako paliwo bazowe. Należy zwrócić uwagę, że wszystkie badania mają charakter
poznawczy i nie są ukierunkowane na optymalizację nowego rozwiązania.
Wyniki badań i wnioski mogą stanowić podstawę do wykorzystania odpowiednich
paliw lub właściwie skonfigurowanych mieszanek do zasilania środków napędu nie tylko
w przedsiębiorstwach komunikacji autobusowej, ale również w przedsiębiorstwach transportu
towarowego, usług komunalnych (posiadających samochody specjalne i specjalizowane),
transportu płodów i artykułów rolnych itp. Jesteśmy zobligowani, jako kraj członkowski Unii
Europejskiej do wprowadzenia 20 % alternatywnych paliw w sektorze transportu do roku
2020 [85,86]. Badania, będące treścią tej dysertacji, są spójne z wymaganą unijną strategią
w tym zakresie.
48
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
6. BADANIA WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNYCH PALIW
Dokładne poznanie właściwości fizykochemicznych paliw stanowi podstawowy etap
w opracowaniu kryteriów doboru paliw do specyfiki spalinowych środków napędów
wykorzystywanych w komunikacji miejskiej. Właściwości fizykochemiczne paliwa mają
decydujący wpływ na prawidłową pracę silnika spalinowego, parametry operacyjne oraz
czystość emitowanych do otoczenia spalin. Wiedza o parametrach rozpatrywanego paliwa
stanowi podstawę do organizacji następnych etapów badań przyjętych w zakresie pracy, jak
też implikuje potencjalną konieczność użycia w ich trakcie odpowiedniej aparatury oraz
dodatkowego osprzętu.
6.1. CEL I ZAKRES BADAŃ
Celem badań właściwości fizykochemicznych paliw było poznanie jak największej
liczby parametrów warunkujących zachowanie się danego medium w różnych warunkach.
Zakres przeprowadzonych badań parametrów paliw obejmował:
wyznaczenie gęstości ρ w temp 15ºC i 40ºC,
wyznaczenie temperatury zapłonu Tz,
wyznaczenie temperatury zablokowania zimnego filtra TZZF,
wyznaczenie ciepła spalania oraz dolnej wartości opałowej,
wyznaczenie lepkości kinematycznej ν w temp. 40ºC,
określenie pochodnej liczby cetanowej DCN,
określenie składu frakcyjnego (w tym wyznaczenie krzywej destylacji),
badanie smarności.
Paliwa poddane analizie przedstawiono w tabeli 6.1. Wyznaczenie w/w parametrów
badanych paliw odbyło się wyłącznie na drodze doświadczalnej, co jest istotne dla ich
wiarygodności.
Tabela 6.1.
Lp.
1.
2.
3. 
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Wykaz paliw przyjętych do analizy
Udziały [% obj.]
ON
ON
Olej
Benzyna
NAZWA
Biodiesel
bez bio- handlowy
rzepakowy kl. lotności Etanol
(FAME)
dodatków
gat.F
rafinowany
D/D1
100
0
0
0
0
0
ON 100
0
100
0
0
0
0
ONH
0
80
15
0
0
5
ONHB15E5
0
0
100
0
0
0
B100
80
0
20
0
0
0
B20
50
0
50
0
0
0
B50
20
0
80
0
0
0
B80
0
0
0
100
0
0
OR
0
80
0
20
0
0
OR20
0
60
0
40
0
0
OR40
0
40
0
60
0
0
OR60
0
20
0
80
0
0
OR80
0
0
0
85
15
0
ORG15
O doborze paliw jednorodnych oraz ich mieszanin zadecydowały przede wszystkim
informacje zaczerpnięte ze źródeł literaturowych dotyczących oceny ich przydatności do
zasilania silników o ZS [3,8,10,39,50,51,67,71,115]. Dodatkowo, dobierając mieszaniny
49
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
paliw zawierające 20 % biododatków, kierowano się wymogami Unii Europejskiej odnośnie
wprowadzenia przez kraje członkowskie 20 % alternatywnych paliw w sektorze transportu
do roku 2020 [85].
6.2. CHARAKTERYSTYKA PRZEBIEGU BADAŃ
6.2.1. APARATURA BADAWCZA

Właściwości fizykochemiczne paliw przyjętych do badań zostały określone
przy wykorzystaniu aparatury badawczej, stanowiącej wyposażenie Laboratorium Materiałów
Eksploatacyjnych Katedry Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Rzeszowskiej.

Badanie gęstości paliwa zostało przeprowadzone na aparacie DMA 4500 M
(rys. 6.1), który charakteryzuje się następującymi parametrami:
zakres pomiarowy; gęstość od 0 do 3 g/cm3, temperatura od 0 do 90 °C,
dokładność; 5 10-5 g/cm3, 0,03°C,
objętość próbki; min. 1 ml.
Rys. 6.1. Aparat DMA 4500 M do oznaczania gęstości
Oznaczenie temperatury zapłonu dokonano metodą tygla zamkniętego Martensa
Pensky’ego na aparacie HFP 339 (rys. 6.2) o następujących parametrach:
zakres pomiarowy temperatury próbki; 0 do 400°C, rozdzielczość 0,1°C,
prędkość grzania; od 0,5 do 14°C/min – zależnie od przyjętej w programie metody
badań (znormalizowanej lub utworzonej przez użytkownika),
zapłonnik; wykorzystano zapłonnik elektryczny (częstotliwość zanurzania zapłonnika,
zależnie od przyjętej metody, w odstępach 0,5°C do 5°C).
Temperaturę zablokowania zimnego filtra paliwa wyznaczono na aparacie FPP 5Gs
(rys. 6.3), charakteryzującym się następującymi parametrami:
zakres pomiarowy temperatury próbki; -69°C do +35°C,
chłodzenie aparatu; krokowe, zgodnie z EN 116: -34, -51 i -67°C (wielkość kroków
może być zaprogramowana przez użytkownika lub przebiegać liniowo, gdzie prędkość
50
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
chłodzenia może być programowalna),
objętość próbki 45 ml,
możliwość programowania podciśnienia zasysania próbki.
Rys. 6.2. Aparat HFP 339 do oznaczania temperatury zapłonu
Rys. 6.3. Aparat FPP 5Gs do oznaczania temperatury zablokowania zimnego filtra paliwa
51
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Badanie ciepła spalania, na podstawie którego obliczano wartości opałowe paliw,
przeprowadzono przy użyciu systemu pomiarowego z kalorymetrem IKA C200, którego
widok przedstawiono na rys. 6.4. Kalorymetr ten cechuje się następującymi parametrami [90]:
zakres pomiaru; max. 40 000 J/g (odpowiada wzrostowi temperatury naczynia
kalorymetrycznego o ok. 4 °K),
dokładność pomiaru temperatury; +/- 0,0001 K,
czas analizy; metoda izoperiboliczna ok. 17 min., dynamiczna ok. 8 min., manualna
ok. 17 min. oraz czasowa ok. 14 min.
Oznaczanie ciepła spalania i wartości opałowej należy przeprowadzać zgodnie
z normami: DIN 51 900, ISO 1928, ASTM 240D, BSI oraz PN-81/G-04513.
Rys. 6.4. Widok systemu pomiarowego z kalorymetrem IKA C200, służącego do pomiaru ciepła
spalania
Do pomiarów lepkości kinematycznej wybranych paliw wykorzystano automatyczny
aparat HVU 482 firmy Herzog, skonstruowany w oparciu o lepkościomierz Ubbelohde’a
(rys. 6.5). Aparat ten charakteryzuje się następującymi podstawowymi parametrami:
zakres temperatury do oznaczeń; od -40 do +100°C,
zakres pomiarowy; w zależności od zastosowanej kapilary 1 50 000 mm2/s,
układ termostatyczny; zewnętrzny o zakresie regulacji temperatury od -80 do +20°C,
dokładność stabilizacji temperatury; ±0,01°C.
Na tym aparacie istnieje możliwość realizacji pomiarów według norm: PN-EN ISO
3104, ASTM D 445, ASTM D 2270 oraz DIN 51 562.
52
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 6.5. Aparat HVU 482 do wyznaczania lepkości kinematycznej
Wyznaczenie pochodnej liczby cetanowej (DCN – Derived Cetane Number)
przeprowadzono wykorzystując aparat CID 510 firmy Walter Herzog (rys. 6.6), który
umożliwia prowadzenie badań według normy ASTM D7668 – 12. W urządzeniu tym
zastosowano system wtryskowy typu Common Rail. Elektrycznie sterowany wtryskiwacz CR
z rozpylaczem wielootworkowym może wtryskiwać do komory spalania paliwo pod
ciśnieniem do 150 MPa [36,102,115].
Do określenia składu frakcyjnego badanych paliw użyto aparatu OptiDist, którego
widok przedstawia rys. 6.7. Aparat ten cechuje się następującym podstawowymi parametrami:
objętość badanej próbki; zakres początkowej objętości 0 103% (rozdzielczość 0,03
ml, dokładność ±0,1 ml, automatyczne wyliczanie pozostałości po destylacji),
temperatura oparów; zakres od 0 do 450°C (czujnik Pt 100 IEC 751 klasy A,
wbudowana pamięć kalibracji z 10 punktami kalibracyjnymi, automatyczne
rozpoznawanie czujnika Pt 100, pamięć historii kalibracji),
komora odbieralnika; zakres temperatur od 0 do 40°C (system odporny na korozję,
temperatura programowalna lub ustawiana automatycznie w zależności od
temperatury początkowej próbki, możliwość stosowania cylindrów o pojemności 100
i 200 ml).
Aparat OptiDist umożliwia realizację procedur pomiarowych według norm: ASTM
D86 (grupy 0,1,2,3,4), D1078, D850, IP195, IP123, DIN51751, NFM07-002, EN ISO3405,
JIS K2254, ISO918; ASTM D189, D524, D4530, EN ISO 10370.
53
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 6.6. Automatyczny aparat Cetane ID 510 do wyznaczania pochodnej liczby cetanowej
Rys. 6.7. Aparat OptiDist do określania składu frakcyjnego paliw
Do oceny smarności rozpatrywanych paliw wykorzystano aparat czterokulowy T-02U
(rys. 6.8), który składa się z maszyny badawczej oraz systemu pomiarowo-sterującego. Część
mechaniczna aparatu zbudowana jest z korpusu, zespołu napędowego, zespołu obciążającego
54
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
węzeł tarcia, zespołu mocującego kulki oraz podstawy. Węzeł tarcia stanowią trzy
unieruchomione w uchwycie kulki dolne, dociskane z odpowiednią siłą do kulki górnej,
zamocowanej we wrzecionie obracającym się z określoną prędkością. Elementami testowymi
są znormalizowane kulki łożyskowe o średnicy nominalnej 1/2", wykonane ze stali
łożyskowej ŁH15. Ich twardość wynosi 60÷65 HRC. Układ mechaniczny umożliwia liniowy
wzrost obciążenia węzła tarcia podczas trwania testu badawczego. Sterowanie urządzeniem
odbywa się za pomocą dedykowanego sterownika mikroprocesorowego, sterownika silników
asynchronicznych oraz komputera ze specjalnym programem sterującym.
Rys. 6.8. Widok stanowiska do badania smarności z aparatem czterokulowym T-02U
6.2.2. PRZEBIEG BADAŃ
Parametry badanych paliw przedstawionych w tabeli 6.1 w zakresie wymaganych
pomiarów, zostały wyznaczone zgodnie z procedurami określonymi w odpowiednich
normach.
Gęstość paliw przyjętych do badań oznaczono według normy PN-EN ISO 12185:2002
pt. „Ropa naftowa i przetwory naftowe – Oznaczanie gęstości – Metoda oscylacyjna z Ururką” [107]. Widok ekranu aparatu DMA 4500 M przedstawiającego przykład wyznaczania
gęstości dla paliwa ONHB15E5 zaprezentowano na rys. 6.9.
Określenie temperatury zapłonu zostało przeprowadzone zgodnie z normą PN-EN ISO
2719:2007 pt. „Oznaczanie temperatury zapłonu. Metoda zamkniętego tygla Pensky’egoMartensa” [110]. Metoda ta polega na umieszczeniu badanej próbki w tyglu aparatu HFP 339
i ciągle mieszając, podgrzewa się ją tak, aby wzrost temperatury był stały. Źródło zapłonu
wprowadza się przez okno w pokrywie tygla (co przedstawiono na rysunku 6.10)
w regularnych odstępach temperatury, z jednoczesnym przerywaniem mieszania. Najniższa
temperatura, w której przyłożenie rozgrzanej spirali spowoduje zapłon par badanej próbki,
traktowana jest jako temperatura zapłonu paliwa.
55
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 6.9. Widok ekranu aparatu DMA 4500 M do oznaczania gęstości cieczy
Rys. 6.10. Widok wprowadzania zapłonnika do tygla aparatu HFP 339
Wyznaczenie temperatur zablokowania zimnego filtra dla poszczególnych paliw
przeprowadzono według wytycznych zawartych w normie PN-EN 116:2001 pt. „Oleje
napędowe i oleje opałowe lekkie. Oznaczanie temperatury zablokowania zimnego filtru”.
Przebieg tego badania polega na chłodzeniu próbki paliwa w ściśle określonych warunkach,
gdzie próbka ta jest zasysana do pipety w warunkach kontrolowanego podciśnienia przez
znormalizowany filtr. Ta procedura jest powtarzana po każdym obniżeniu temperatury paliwa
o 1°C, poczynając od temperatury pierwszego badania. Czynność ta jest prowadzona do
momentu, aż ilość wydzielających się z roztworu kryształów parafiny spowoduje zatrzymanie
lub spowolnienie przepływu paliwa tak, że czas napełniania pipety przekroczy 60 s lub paliwo
nie spływa całkowicie z powrotem do naczynia pomiarowego przed kolejnym obniżeniem
temperatury paliwa o 1°C.
Wartość opałowa paliw została określona na podstawie ciepła spalania, które z kolei
wyznaczono metodą izoperiboliczną wykorzystując kalorymetr IKA C200. Kalorymetr
mierzy temperaturę wody otaczającej bombę z próbką paliwa w sposób ciągły. Konwerter
analogowo-cyfrowy przetwarza dane wejściowe, które są następnie zapisywane w pamięci
[89]. Wynik ciepła spalania uzyskiwany jest na podstawie przetworzenia przez komputer
różnicy temperatur wody pomiędzy początkiem i końcem pomiaru (rys. 6.11).
56
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 6.11. Okno programu CalWin z wynikiem badania ciepła spalania
Wartość opałowa badanego paliwa Wd została wyznaczona z równania [28,58]:
Wd
Qsa
24,42 8,94 H a Wa
(6.1)
gdzie:
Wd Qsa Ha Wa -
wartość opałowa badanego paliwa [kJ/kg],
ciepło spalania badanego paliwa [kJ/kg],
zawartość wodoru w badanym paliwie [%],
zawartość wilgoci w badanym paliwie [%].
Zawartość wodoru Ha dla benzyn i olejów napędowych w % określono z wzoru [4]:
Ha
0,001195 Qsa
41,4
(6.2)
Udział w % wodoru dla paliwa biodiesel oraz oleju rzepakowego przyjęto na
podstawie danych literaturowych [8,28,71].
Procedura wyznaczania lepkości kinematycznej została określona w normie PN-EN
ISO 3104:2004 pt. „Przetwory naftowe. Ciecze przezroczyste i nieprzezroczyste. Oznaczanie
lepkości kinematycznej i obliczanie lepkości dynamicznej”. Zgodnie z przytoczoną normą,
lepkość kinematyczną ciekłych produktów naftowych, zarówno przezroczystych jak
i nieprzezroczystych, oznacza się na podstawie pomiaru czasu przepływu określonej objętości
cieczy, pod wpływem sił grawitacyjnych, przez wzorcowany przyrząd kapilarny.
Ponieważ lepkość kinematyczna uzależniona jest od temperatury, dlatego w czasie jej
określania niezwykle ważne jest jej precyzyjne utrzymywanie w miejscu, gdzie umieszczone
są kapilary. Zgodnie z normami PN-EN 590+A1 oraz PN-EN 14214+A1 temperatura podczas
określania lepkości została ustalona na wartość 40 C [101,104].
Urządzenie określające lepkość było sterowane za pomocą dedykowanego
oprogramowania komputerowego HLIS 32. Przykładowe okna interfejsu oprogramowania
HLIS 32 zostały pokazane na rys. 6.12 i 6.13.
57
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 6.12. Widok okna programu HLIS 32 z identyfikacją kapilar oraz statusem urządzenia
Rys. 6.13. Widok okna programu HLIS 32 z prezentacją wyniku pomiaru oraz charakterystyką
użytej kapilary
Wyznaczenie okresu opóźnienia samozapłonu oraz pochodnej liczby cetanowej DCN
dla analizowanych paliw zostało przeprowadzone według procedury zawartej
w amerykańskiej normie ASTM D7668 – 12 pt. „Standard Test Method for Determination of
Derived Cetane Number (DCN) of Diesel Fuel Oils – Ignition Delay and Combustion Delay
Using a Constant Volume Combustion Chamber Method”. Metoda bazuje na spalaniu paliwa
w komorze o stałej objętości, z bezpośrednim wtryskiem paliwa do sprężonego
i podgrzewanego powietrza syntetycznego. Sekwencja testowa składa się z pięciu wstępnych
cykli spalania. Ich celem jest m.in. oczyszczenie układu z paliwa wcześniej badanego.
Następnie kolejno realizowanych jest 15 cykli testowych w celu określenia okresu opóźnienia
samozapłonu. Określona na podstawie 15 cykli średnia wartość opóźnienia samozapłonu ID
(Ignition Delay) oraz czas przyrostu ciśnienia do wartości równej połowie przyrostu ciśnienia do
wartości maksymalnej CD (Combustion Delay) w komorze, określanego jako okres opóźnienia
spalania, stanowią podstawę wyznaczenia pochodnej liczby cetanowej DCN (rys. 6.14).
58
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 6.14. Parametry służące określeniu pochodnej liczby cetanowej DCN [36,115]: ID – czas jaki
upłynął od pojawienia się sygnału sterującego wtryskiwaczem do momentu, gdy
ciśnienie w komorze wzrosło o 0,02 MPa powyżej ciśnienia początkowego p0, CD –
czas jaki upłynął od pojawienia się sygnału sterującego wtryskiwaczem do momentu,
gdy ciśnienie w komorze uzyskało wartość równą połowie sumy ciśnienia
początkowego p0 i ciśnienia maksymalnego pmax w komorze
Określenie składu frakcyjnego dokonano zgodnie z wymaganiami normy PN-EN ISO
3405:2011 pt. „Przetwory naftowe. Oznaczanie składu frakcyjnego metodą destylacji pod
ciśnieniem atmosferycznym”. Według tej normy, metoda wyznaczania składu frakcyjnego
polega na przyporządkowaniu badanej próbki paliwa do jednej z pięciu grup (0 4)
o zdefiniowanym sposobie nastawienia aparatu i zmiennych operacyjnych. Podstawą
przypisania paliwa do jednej z grup jest jego skład oraz przewidywana charakterystyka
lotności. W badaniach konfiguracja aparatu została dostosowana do 4 grupy, odpowiadającej
typowemu olejowi napędowemu. Główne parametry konfiguracji aparatu podczas destylacji
każdego z badanych paliw były więc takie same. Dzięki takim nastawom aparatu badania
miały charakter porównawczy, umożliwiając tym samym ocenę zachowania się badanych
mieszanin w warunkach identycznie prowadzonej destylacji atmosferycznej. Na rys. 6.15
przedstawiono przykładowy widok okien dialogowych z przebiegu badania składu
frakcyjnego na aparacie OptiDist.
Rys. 6.15. Widoki ekranu aparatu OptiDist do określania składu frakcyjnego paliw
59
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Wyznaczanie smarności dla paliw wytypowanych do analizy prowadzono
w warunkach ciągłego narastania obciążenia. Prędkość obrotowa wrzeciona w czasie testu
badawczego wynosiła 500 obr/min, natomiast prędkość narastania obciążenia wynosiła 409
N/s. Przyjęta temperatura początkowa próbek paliwa, tj. na początku testu, wynosiła 60°C.
W zastosowanej metodzie badań, zatarciem węzła tarcia nazywa się przekroczenie granicznej
wartości momentu tarcia MT, która wynosi 10 Nm. Wartość ta determinowana jest trwałością
uchwytu górnej kulki w węźle tarcia. Podczas badań rejestracji podlegał przebieg momentu
tarcia MT oraz przebieg narastającego liniowo obciążenia węzła tarcia P.
Sposób wyznaczania obciążenia zacierającego oraz granicznego obciążenia zatarcia
przedstawiono na rys. 6.16. Obciążenie P w punkcie 1, w którym wartość momentu tarcia
zaczyna gwałtownie przyrastać, nazwane jest obciążeniem zacierającym i oznaczone zostało
jako PT. Punkt 2 odpowiada zatarciu węzła; w tym punkcie następuje przekroczenie
granicznej wartości momentu tarcia MT = 10 Nm. Obciążenie P odpowiadające punktowi 2
nazywane jest granicznym obciążeniem zatarcia Poz. Przedstawiona metoda została
opracowana przez Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu i jest stosowana przy ocenie
właściwości smarujących olejów smarowych [70].
Za paliwo odznaczające się najlepszymi właściwościami smarującymi uznano to, dla
którego warstwa graniczna wykazuje największą odporność na przerwanie, tj. takie, dla
którego wartość obciążenia zacierającego ma największą wartość.
Rys. 6.16. Sposób wyznaczania obciążenia zacierającego PT oraz granicznego obciążenia zatarcia
Poz [37,70]: 1-punkt odpowiadający inicjacji zacierania, 2-punkt odpowiadający zatarciu
6.3. PREZENTACJA I ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
W wyniku zrealizowanych badań obejmujących pomiary właściwości
fizykochemicznych paliw przyjętych do oceny, uzyskano bardzo dużą ilość wyników, które
wymagały usystematyzowania i odpowiedniej prezentacji. W celu zapewnienia maksymalnej
czytelności uzyskanych wyników, przedstawiono je w postaci tabelarycznej (tabela 6.2) oraz
w formie wykresów na rys. 6.17 6.39.
60
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
0,94
0,92005
0,93 ρ [g/cm³]
Gęstość w temp. 15°C
0,92
0,90263
0,91
0,89528
0,90
0,88544
0,88343
0,89
0,87376
0,88
0,86849
0,87
0,85822
0,85229
0,86
0,84373
0,85
0,83782
0,84 0,82599 0,83411
0,83
0,82
0,81
0,80
Rys. 6.17. Gęstość badanych paliw w temp. 15°C
0,93
0,92 ρ [g/cm³]
Gęstość w temp. 40°C
0,90851
0,91
0,90
0,89
0,87856
0,87292
0,88
0,86711
0,86510
0,87
0,85543
0,86
0,85033
0,84371
0,85
0,83705
0,84
0,82296
0,83
0,82115
0,81848
0,81343
0,82
0,81
0,80
Rys. 6.18. Gęstość badanych paliw w temp. 40°C
240
220
227,5
Tz [°C]
200
180
149,5
160
140
120
90,5
100
80
60
58
59
ON100
ONH
63,5
70,5
62
66,5
OR20
OR40
75
84,5
40
B100
OR
B20
B50
B80
OR60
OR80
Rys. 6.19. Temperatura zapłonu badanych paliw
61
Krzysztof Lew
15
10
Rozprawa doktorska
10
TZZF [°C]
7
5
2
-20
-12
-18
-19
-25
-30
-22
-29
ONHB15E5
OR80
OR60
OR40
OR20
B80
B50
B20
OR
B100
-15
ORG15
-10
ONH
-5
ON100
0
-17
-24
-29
-28
-31
-35
Rys. 6.20. Temperatura zablokowania zimnego filtra
47000
46008
46000
46000
45000
44852
Qs [kJ/kg]
44000
43232
42780
43000
44492
44299
41940
42000
41012
41000
40059
40000
40816
39999
39727
39000
38000
Rys. 6.21. Ciepło spalania badanych paliw
44000
43000
42000
41000
43043
43037
41956
40516
39981
40000
39340
39000
38000
41581
41466
Wd [kJ/kg]
38310
37417
37347
38328
37617
37000
36000
Rys. 6.22. Wartość opałowa badanych paliw
62
Krzysztof Lew
Tabela 6.2.
Wyniki badania składu frakcyjnego paliw
do 250 ºC
do 350 ºC
95 %
destyluje
do temp.
do 180ºC
do 340ºC
% (V/V)
% (V/V)
°C
% (V/V)
% (V/V)
ON100
40
95
345
1
93
ONH
40
96
345
2
93
B100
0
90
354
0
74
B20
30
96
346
0
91
B50
15
94
350
0
87
B80
3
92
355
0
80
OR20
32
95
349
2
93
OR40
24
93
-
0
92
OR60
15
93
-
0
87
ONHB15E5
37
95
347
5
92
Temperatura
destylacji
400
Rozprawa doktorska
Temp. [ C]
350
300
ON100
250
ONH
B100
200
B20
B50
B80
150
OR20
OR60
100
ONHB15E5
OR40
% V/V
50
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Rys. 6.23. Krzywe destylacji badanych paliw
63
Krzysztof Lew
40
36
Rozprawa doktorska
ν [mm²/s]
35,0530
32
28
24
18,9200
15,2300
12,2000
20
16
12
8
4
7,8408
4,6447
2,8529 3,3894 4,0377
4,3288
2,6129 2,9491
2,4954
0
Rys. 6.24. Lepkość kinematyczna paliw w temp. 40°C
3,9
3,8
3,7
3,6
3,5
3,4
3,3
3,2
3,1
3,0
2,9
2,8
3,7700
3,7478
ID [ms]
3,4541
3,3798
3,2452
3,2959
3,3426
3,2799
3,1778
3,2356
3,2361
3,0296 3,0268
Rys. 6.25. Okres opóźnienia samozapłonu ID
5,7
5,6
5,5
5,4
5,3
5,2
5,1
5
4,9
4,8
4,7
4,6
4,5
4,4
4,3
5,5272
CD [ms]
5,3700
4,9255 4,8846
4,6939
4,5662 4,5442
4,7716
4,6795 4,6506 4,6602
4,7022
4,7630
Rys. 6.26. Okres opóźnienia spalania CD
64
Krzysztof Lew
55
54
53
52
51
50
49
48
47
46
45
44
52,82
Rozprawa doktorska
53,1
52,27
51,92
DCN
52,4
52,5
50,56
51,06
50,56
49,25 49,57
46,6
45,59
Rys. 6.27. Pochodna liczba cetanowa DCN badanych paliw
Rys. 6.28. Przebieg siły obciążenia węzła tarcia P, momentu tarcia MT i współczynnika tarcia
μ w funkcji czasu testu badawczego t dla paliwa ONH100: PT - siła obciążenia
zacierającego, Poz - siła obciążenia zatarcia
μ w funkcji czasu testu badawczego t dla paliwa B100: PT - siła obciążenia
65
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
μ w funkcji czasu testu badawczego t dla paliwa OR: PT - siła obciążenia zacierającego,
Poz - siła obciążenia zatarcia
66
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
μ w funkcji czasu testu badawczego t dla paliwa OR20: PT - siła obciążenia
μ w funkcji czasu biegu badawczego t dla paliwa OR40: PT - siła obciążenia
67
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
μ w funkcji czasu testu badawczego t dla paliwa ONHB15E5: PT - siła obciążenia
68
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
μ w funkcji czasu testu badawczego t dla paliwa ORG15: PT - siła obciążenia
Przeprowadzony cały szereg badań właściwości fizykochemicznych paliw,
zestawionych w tabeli 6.1, przyniósł dużą ilość informacji, które mają istotną wartość
poznawczą.
Pomiar gęstości został przeprowadzony dla dwóch temperatur (15 i 40 °C), m.in.
w celu określenia wpływu zmiany temperatury na gęstość paliwa. Uzyskane wyniki, które
przedstawiono na rys. 6.17 i 6.18 wskazują, że gęstość dla wszystkich przebadanych paliw
w temperaturze 40 °C jest niższa średnio o ok. 3% w odniesieniu do gęstości w temperaturze
15 °C. Najniższą gęstością charakteryzuje się czysty olej napędowy bez biokomponentów
ON100, a najwyższą olej rzepakowy OR. Nieco niższą gęstość w odniesieniu do OR
posiadają estry oleju rzepakowego, oznaczone jako B100. W przypadku mieszanin, wzrost
udziału estrów oraz oleju rzepakowego w oleju napędowym powodował odpowiednio wzrost
gęstości tych paliw. Mieszanina oleju napędowego z udziałem 15% estrów oraz 5% etanolu,
oznaczona jako ONHB15E5, posiada gęstość zbliżoną do handlowego oleju napędowego.
Na rys. 6.19 zaprezentowano wyniki temperatury zapłonu dla testowanych paliw.
Najniższą temperaturą zapłonu cechowało się paliwo ON100, dla którego temperatura wynosi
58 °C, natomiast najwyższą posiada OR i wynosi 227,5 °C. Paliwo ORG15, zawierające 15%
benzyny silnikowej w oleju rzepakowym oraz paliwo ONHB15E5, palą się w temperaturze
otoczenia, stąd też nie zostały ujęte na tym wykresie.
Temperatura zablokowania zimnego filtra jest to najwyższa temperatura, w której
określona objętość paliwa, schłodzona w znormalizowanych warunkach, nie przepływa
w określonym czasie przez określony układ filtracyjny. W badaniach jako paliwo bazowe
wykorzystano zimowy olej napędowy ONH. Przeprowadzone badania zgodnie z normą [97],
których wyniki ujęto na rys. 6.20 wykazały, że dla handlowego oleju napędowego ONH
temperatura ta wynosi -29 °C. W przypadku paliwa ONHB15E5, zawierającym 5% etanolu,
odnotowano najniższą spośród wszystkich badanych paliw temperaturę zablokowania
zimnego filtra, która wyniosła -31 °C. Natomiast najwyższą temperaturę, wynoszącą +10 °C,
zarejestrowano dla oleju rzepakowego OR.
Wyniki przeprowadzonych badań ciepła spalania oraz obliczone wartości opałowe dla
paliw poddanych analizie przedstawiono graficznie na rys. 6.21 oraz 6.22. Najwyższą
wartością opałową, wynoszącą 43043 kJ/kg, charakteryzował się czysty olej napędowy bez
biokomponentów ON100. W miarę wzrostu udziału estrów w mieszaninach z olejem
napędowym parametry energetyczne maleją. Dla paliwa B20 wartość opałowa wyniosła
41956 kJ/kg. Podobnie dla mieszanin oleju napędowego i rzepakowego (OR20 do OR80),
69
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
gdzie wzrost udziału oleju rzepakowego powoduje spadek ciepła spalania i wartości
opałowej. W przypadku mieszaniny oleju napędowego z 20% udziałem oleju rzepakowego
(OR20) ciepło spalania wynosi 44299 kJ/kg, z kolei dla mieszaniny zawierającej 80 % oleju
rzepakowego (OR80) ciepło spalania wynosi 40816 kJ/kg. Najniższą wartością opałową
z przebadanych paliw cechuje się olej rzepakowy (OR), dla którego wynosi ona 37347 kJ/kg
oraz ester oleju rzepakowego (B100), gdzie uzyskano wartość 37417 kJ/kg.
Oznaczenie składu frakcyjnego przeprowadzono zgodnie z normą [110]. Uzyskane
wyniki z przebiegu krzywej destylacji wykazują, iż do temperatury 180 °C oddestylowano
5% paliwa ONHB15E5, 2% ONH oraz OR20, 1% ON100. Do temperatury 250 °C
oddestylowano 40% paliwa ON100 i ONH, nieco mniej, bo 37% uzyskano dla paliwa
ONHB15E5. Najwyższą temperaturę początku destylacji zarejestrowano dla paliwa B100
wynoszącą 313,6 °C, natomiast najniższą dla ONHB15E5, która wyniosła 78,1 °C.
Wymaganego normą [89,96,99,103] wyniku oddestylowania 95% frakcji paliwa do
temperatury 360 °C, spośród przebadanych paliw, nie odnotowano dla mieszaniny OR40 oraz
OR60. Nietypowy przebieg krzywych destylacji dla mieszanin oleju napędowego z olejem
rzepakowym wynika z przyjętej procedury pomiarowej, która dostosowana jest zgodnie
z normą do produktów naftowych (tzw. średnich destylatów). Z tego powodu pełna ocena
tych paliw na podstawie przebiegu krzywych destylacji jest utrudniona i w przyjętej metodyce
badań może być pomocna w zakresie określenia temperatury początku destylacji. Aby
uzyskać pełny przebieg krzywej destylacji dla tych paliw, należałoby wykonać pomiar
w warunkach destylacji prowadzonej przy obniżonym ciśnieniu, co wymagałoby
zastosowania innej aparatury badawczej. Z tych powodów nie przeprowadzono wyznaczenia
składu frakcyjnego i krzywych destylacji dla paliw OR80, ORG15 oraz OR stąd ich brak
w tabeli 6.2 i na rys. 6.23.
Wyniki pomiaru lepkości kinematycznej przedstawione na rys. 6.24 wykazują, iż
najmniejszą lepkością charakteryzuje się paliwo ONHB15E5, nieco większą paliwo ON100
B20 oraz ONH, natomiast największą, wykraczającą znacznie poza normę, zarejestrowano dla
OR oraz odpowiednio dla jego mieszanin z olejem napędowym. Spośród mieszanek
przyrządzonych z olejem rzepakowym jedynie mieszanka OR20 cechowała się lepkością
kinematyczną zawartą w zakresie określonym normą [100,103]. Zwiększanie udziału
objętościowego paliwa B100 w mieszaninie z ON100 skutkowało przyrostem lepkości.
Wyniki pomiarów okresu opóźnienia samozapłonu ID, opóźnienia spalania CD oraz
pochodnej liczby cetanowej DCN przedstawiono na rys. 6.25 6.27. Jak wynika
z zaprezentowanych wyników, dodatek estrów oraz oleju rzepakowego do oleju napędowego
skutkował wydłużeniem okresu opóźnienia samozapłonu w odniesieniu do oleju napędowego.
Mimo to, niezależnie od udziału objętościowego oleju rzepakowego oraz estrów, uzyskane
wartości DCN były zbliżone. Dla mieszaniny OR20 zarejestrowano prawie o 5%
zmniejszenie wartości DCN w stosunku do ONH, z kolei dla paliwa OR80 odnotowano
spadek o ponad 7%. Wartość DCN dla zbadanych paliw była najniższa dla oleju rzepakowego
i stanowiła ok. 14% różnicy w odniesieniu do handlowego oleju napędowego.
Zgodnie z przyjętą metodą badawczą, parametry ID i CD stanowiły podstawę
wyznaczenia pochodnej liczby cetanowej DCN. Na podstawie uzyskanych wyników
badanych paliw widać, że skrócenie okresu opóźnienia samozapłonu ID skutkowało wzrostem
wartości DCN. Tendencja zmian wartości parametru CD jest taka sama jak w przypadku
parametru ID.
Na rys. 6.28 6.39 przedstawiono zarejestrowane w czasie badań przebiegi momentu
tarcia, siły obciążającej węzeł tarcia oraz dodatkowo przebiegi współczynnika tarcia. Na
rysunkach zaznaczono wartość siły obciążenia zacierającego PT, która w przyjętej metodyce
badań stanowi kryterium oceny smarności paliw. Zaznaczono także wartość siły obciążenia
zatarcia Poz.
70
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Z zaprezentowanych wyników należy wnioskować, że trwałość granicznej warstwy
smarowej w przypadku ONHB15E5 oraz ONH100 jest najmniejsza w odniesieniu do
pozostałych analizowanych paliw. Zarejestrowane dla tych paliw obciążenie zacierające P T
wyniosło odpowiednio ok. 300 i 500 N. Mieszaniny paliw OR20 oraz B20 uzyskały zbliżone
do siebie wyniki, dla których obciążenie zacierające P T wyniosło odpowiednio 800 i 900 N.
Również zbliżone do siebie wartości uzyskało paliwo OR40 oraz B50, w których obciążenie
osiągnęło wartość odpowiednio 1000 i 1050 N. Najlepsze właściwości smarujące wykazał
olej rzepakowy OR, dla którego obciążenie zacierające wyniosło ok. 2500 N. Dla estru
metylowego oleju rzepakowego B100 odnotowano obciążenie zacierające na poziomie
1200 N, natomiast nieco większą wartość uzyskano dla mieszaniny OR60, która wyniosła
1350 N. Dodatek 15% benzyny handlowej do oleju rzepakowego (ORG15) spowodował
obniżenie obciążenia zacierającego w odniesieniu do OR o ponad 1000 N.
71
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
7. BADANIA SILNIKOWE PALIW WYBRANYCH DO ANALIZY NA
STANOWISKU BADAWCZYM
Podstawowym celem przeprowadzenia badań silnikowych, bezpośrednio po
identyfikacji właściwości fizykochemicznych paliw poddanych analizie, było zebranie
niezbędnych danych do opracowania kryteriów związanych z emisyjnością i parametrami
operacyjnymi silnika. W tym celu, po przeprowadzeniu badań wstępnych, przyjęto punkty
pomiarowe, które w następnym etapie badań na stanowisku z komorą wizualizacyjną zostały
odwzorowane podczas rejestracji procesu rozpylenia paliw.
Według założonego programu poddano badaniom silnikowym siedem rodzajów paliw
i ich mieszanin, a mianowicie; ONH, B20, B50, B100, OR20, OR40 oraz ONHB15E5.
Dobierając te paliwa kierowano się przede wszystkim następującymi kryteriami: ONH
przyjęto jako paliwo bazowe, B100 jako paliwo zastępcze dostępne na stacjach paliw,
natomiast paliwa zawierające 20% biokomponentów (B20, OR20, ONHB15E5) warunkowo,
które mogłyby spełniać ewentualne wymogi unijne po roku 2020 [85,86]. Natomiast paliwa
OR40 i B50, o znacznym udziale biododatków (odpowiednio 40 i 50%), uwzględniono
w badaniach dla celów poznawczych, biorąc pod uwagę perspektywę ich zastosowania
w dalszej przyszłości. Pozostałe paliwa, które były testowane ze względu na właściwości
fizykochemiczne (rozdział 6), z uwagi na uzyskane parametry i koszty badań pominięto,
ponieważ możliwość ich zastosowania wydaje się problematyczna.
7.2.1. OBIEKT BADAŃ
Obiektem badań był jednocylindrowy silnik badawczy o zapłonie samoczynnym typu
SB3.1/CR, wyposażony w opracowany w Katedrze Silników Spalinowych i Transportu
Politechniki Rzeszowskiej zasobnikowy układ wtryskowy typu Common Rail, umożliwiający
wtrysk pięciu dawek paliwa na cykl roboczy silnika przy różnych ciśnieniach wtrysku. Silnik
ten jest zmodyfikowaną wersją silnika badawczego SB3.1 wyprodukowanego przez Ośrodek
Badawczo-Rozwojowy Sprzętu Komunikacyjnego w Mielcu. Dane techniczne silnika SB3.1
zostały przedstawione w tabeli 7.1.
Układ Common Rail przystosowany do pracy na silniku SB3.1 składa się z:
elektrycznej pompy niskociśnieniowej zapewniającej doprowadzenie paliwa ze
zbiornika, poprzez filtr wyposażony w odstojnik paliwa, do pompy wysokiego
ciśnienia,
filtra paliwa wyposażonego w zawór regulujący ciśnienie w układzie niskiego
ciśnienia,
przewodów niskiego ciśnienia,
wysokociśnieniowej pompy wyposażonej w regulator ciśnienia i zawór umożliwiający
wyłączenie jednej z trzech sekcji pompy,
przewodów wysokiego ciśnienia doprowadzających paliwo z pompy wysokiego
ciśnienia do zasobnika ciśnienia oraz z zasobnika do wtryskiwaczy,
zasobnika ciśnieniowego,
czujnika ciśnienia paliwa umieszczonego w zasobniku paliwa,
72
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
elektromagnetycznego wtryskiwacza paliwa,
elektronicznego układu sterującego układem CR,
czujnika prędkości obrotowej silnika,
czujnika położenia wałka rozrządu silnika (czujnik fazy).
Tabela 7.1.
L.P.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Dane techniczne silnika SB3.1 z oryginalnym układem zasilania [5]
RODZAJ PARAMETRU
Ilość cylindrów
Liczba suwów
Rodzaj chłodzenia
Skok tłoka
Średnica cylindra
Objętość skokowa
Stopień sprężania
Moc silnika nominalna
Obroty nominalne
Max. moment obrotowy
Prędkość obrotowa momentu max.
Kierunek obrotu silnika patrząc od strony
koła zamachowego
System olejenia
Luzy zaworów przy zimnym silniku
Statyczne ciśnienie otwarcia wtryskiwacza
WARTOŚĆ PARAMETRU
1
4
cieczowe
146 mm
127 mm
1850 cm3
15,75
23 kW
2200 obr/min
110 Nm
1600 obr/min
lewy
obiegowe pod ciśnieniem
0,5 mm
16,67+0,49 MPa
Parametry układu wtryskowego można zmieniać za pomocą komputera PC
wyposażonego w złącze RS 232. Główne okno programu zostało przedstawione na rys. 7.1.
Rys. 7.1. Główne okno programu sterującego układem wtryskowym silnika SB3.1/CR
Informacje o położeniu wałka rozrządu i prędkości obrotowej silnika są przekazywane
z dwóch czujników indukcyjnych, które współpracują z tarczą umieszczoną na wałku
rozrządu silnika. Tarcza ta posiada na swoim obwodzie 60 zębów, za pomocą których
73
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
określana jest aktualna prędkość obrotowa silnika oraz jeden ząb określający położenie wałka
rozrządu (umieszczony 108 OWK przed GMP silnika w suwie sprężania). Na podstawie tych
sygnałów określane są kąty początku wtrysku. Sterownik wysyła sygnały elektryczne
konieczne do sterowania cewką zaworu elektromagnetycznego pompy wysokiego ciśnienia
i wtryskiwacza. Potrzebnych obliczeń i odbioru danych z komputera PC, za pośrednictwem
układu wzmacniającego sygnały komunikacyjne MAX 232, dokonuje mikrokontroler
AtMega 8535 firmy Atmel. Ten sam procesor określa i wysyła sygnał sterujący do
wzmacniacza mocy zaworu pompy wysokiego ciśnienia oraz sygnał sterowania do
wtryskiwacza, który jest modulowany w drugim mikrokontrolerze AtMega 8515. Modulacja
ta jest konieczna ze względu na ograniczenie prądu podtrzymania zaworu
elektromagnetycznego wtryskiwacza [5].
7.2.2. STANOWISKO BADAWCZE
Do przeprowadzenia badań doświadczalnych pozwalających na określenie, w jakim
stopniu analizowane paliwa wpływają na emisyjność oraz parametry energetyczne silnika,
zostało wykorzystane stanowisko doświadczalne widoczne na rys. 7.2. Schemat stanowiska
pomiarowego został przedstawiony na rys. 7.4 [5,23,79].
Rys. 7.2. Obiekt badań – jednocylindrowy silnik badawczy SB-3.1wyposażonego w układ
zasilania typu CR
Rys. 7.3. System pomiaru stężenia sadzy w spalinach – AVL Micro Soot Sensor
74
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Stanowisko badawcze jest wyposażone w następujące urządzenia i systemy:
silnikowy hamulec hydrauliczny typu D-630E firmy Schenck,
system masowego pomiaru zużycia powietrza firmy AVL,
system masowego pomiaru zużycia paliwa firmy AVL,
system pomiaru spalin firmy AVL - Micro Soot Sensor (rys. 7.3),
system do indykowania silnika firmy AVL,
komputerowy system rejestracji wielkości szybkozmiennych (m.in. napięcia
sterującego pracą wtryskiwacza, prądu w obwodzie wtryskiwacza, sygnałów
czujników położenia wału rozrządu i prędkości obrotowej silnika, ciśnień
bezwzględnych powietrza w układzie dolotowym silnika).
6
19
24
0
26
4
7
5
25
21
20 22
0
15
23
0
13
27
ECM
12
9
10
8
18
5
16
11
3
2
28
14
17
1
Rys. 7.4. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 – silnik badawczy SB3.1/CR5, 2 – hamulec
hydrauliczny, 3 – pulpit sterowniczy hamulca hydraulicznego, 4 – układ poboru
próbki spalin systemu pomiaru AVL Micro Soot Sensor, 5 – komputer sterujący
systemem pomiaru spalin AVL Micro Soot Sensor, 6 – filtr powietrza, 7 –
przepływomierz powietrza ze zbiornikami kompensacyjnymi, 8 – system pomiaru
zużycia paliwa, 9 – pompa zasilająca, 10 – zespół filtrów, 11 – pompa wysokiego
ciśnienia CR, 12 – zasobnik ciśnienia CR, 13 – wtryskiwacz CR, 14 – silnik
elektryczny napędzający pompę wysokiego ciśnienia, 15 – tłumik wydechu, 16 –
czujnik indukcyjny pomiaru GMP, 17 – czujnik indukcyjny pomiaru położenia
wału rozrządu, 18 – czujnik indukcyjny pomiaru prędkości obrotowej silnika, 19,
20 – czujniki ciśnienia bezwzględnego 21 – czujnik ciśnienia w zasobniku CR,
22 – czujnik piezokrystaliczny ciśnienia w cylindrze, 23 – czujnik ciśnienia
w przewodzie paliwowym łączącym zasobnik ciśnienia z wtryskiwaczem, 24 –
wzmacniacze ładunku elektrycznego, 25 – kondycjoner sygnału, 26 – komputer
rejestrujący szybkozmienne sygnały elektryczne, 27 – elektroniczny sterownik
układu CR, 28 – komputer sterujący parametrami układu CR
75
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Po przeprowadzeniu testów wstępnych na silniku, mających na celu ustalenie punktów
pomiarowych, w badaniach zasadniczych do analizy przyjęto jedną prędkość obrotową silnika
SB3.1/CR wynoszącą 1600 obr/min, odpowiadającą maksymalnemu momentowi
obrotowemu. Ustalono stały kąt wyprzedzenia wtrysku dawki paliwa, który wynosił
18°OWK, natomiast za parametry zmienne wybrano ciśnienie oraz czas wtrysku.
Badania realizowano dla jednej dawki wtrysku oraz trzech wartości ciśnień
wtryskiwanego paliwa ( 60, 80 oraz 100 MPa) i dla każdego ciśnienia przyporządkowano pięć
czasów wtrysku w zakresie od 1800 do 2600 μs ze skokiem 200 μs. Przyjęty minimalny czas
wtrysku wynoszący 1800 μs, (przy ciśnieniu w zasobniku 60 MPa) wynikał z minimalnej
dawki paliwa, przy której silnik stabilnie pracował z zadaną prędkością obrotową. Natomiast
maksymalny przyjęty czas wtrysku wynoszący 2600 μs (przy ciśnieniu w zasobniku
100 MPa) wynikał z maksymalnej dawki paliwa na granicy dymienia silnika.
W każdym punkcie pomiarowym mierzono:
prędkość obrotową silnika n [obr/min],
siłę na ramieniu hamulca F [N],
godzinowe zużycie powietrza Ge [kg/h],
temperaturę powietrza na wlocie do przepływomierza Tpp [ C],
temperaturę spalin Ts [ C],
temperaturę cieczy chłodzącej dopływającej do silnika Tcd [ C],
temperaturę cieczy chłodzącej w korpusie silnika Tck [ C],
temperaturę cieczy chłodzącej odpływającej z silnika Tco [ C],
temperaturę otoczenia To [ C],
ciśnienie atmosferyczne pa [Pa].
Rejestrowano także następujące parametry szybkozmienne:
ciśnienie w komorze spalania pc,
ciśnienie powietrza w układzie dolotowym przy głowicy silnika puds,
ciśnienie powietrza w układzie dolotowym przy przepływomierzu pudc,
ciśnienie paliwa w zasobniku ciśnienia (szynie paliwowej) psz,
ciśnienie paliwa w przewodzie przy wtryskiwaczu pwtr,
napięcie na stykach cewki wtryskiwacza Uw,
prąd płynący w cewce wtryskiwacza Iw.
Badania doświadczalne prowadzono po ustabilizowaniu się stanu cieplnego silnika
i systemów pomiarowych, zgodnie z przyjętą procedurą przedstawioną powyżej, poczynając
od zasilania ONH, a następnie zmieniając na kolejne paliwa przyjęte do testowania
(podrozdział 7.1).
Pomiary wszystkich parametrów i przebiegów dokonywano równocześnie. Przebiegi
czasowe wielkości szybkozmiennych (ciśnienie w cylindrze silnika, położenie kątowe wałka
rozrządu, ciśnienie bezwzględne w układzie dolotowym, sygnały prądowe i napięciowe
sterujące wtryskiwaczem, ciśnienie w zasobniku ciśnienia CR i przewodzie doprowadzającym
paliwo do wtryskiwacza) rejestrowano przy pomocy komputerowego systemu pomiarowego
z kartą pomiarową National Instruments NI PCI-6229. Parametry rejestracji dobierano w ten
sposób, aby odwzorować 5 pełnych cykli pracy silnika z dokładnością kątową odpowiadającą
1ºOWK. Za końcowy wynik pomiaru przebiegów czasowych przyjmowano przebieg jednego
pełnego cyklu, będącego średnią z 5 cykli. Uśrednienie przebiegów uzyskano wykorzystując
76
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
program komputerowy autorstwa pracowników Katedry Silników Spalinowych i Transportu
Politechniki Rzeszowskiej [5,48]. Za pomocą programu komputerowego zostały określone
także rzeczywiste kąty wyprzedzenia i czasy trwania sygnałów elektrycznych sterujących
wtryskiwaczem. Określono również rzeczywisty kąt początku wtrysku na podstawie
przebiegu sygnału elektrycznego z czujnika ciśnienia usytuowanego w przewodzie
doprowadzającym paliwo do wtryskiwacza elektromagnetycznego. Wygląd okna programu
do rejestracji sygnałów szybkozmiennych przedstawiono na rys. 7.5.
Rejestracja wymienionych parametrów szybkozmiennych miała na celu bieżącą
weryfikację pracy układu wtryskowego. Wybrane wyniki badań przebiegów parametrów
szybkozmiennych (uśrednionych) zawarto w załączniku nr 1 dołączonym do pracy.
Rys. 7.5. Wygląd okna programu do rejestracji przebiegów szybkozmiennych
Dla każdego punktu pomiarowego dokonywany był pobór próbki spalin przez system
pomiaru stężenia sadzy w spalinach AVL Micro Soot Sensor. Warunkiem prawidłowego
przeprowadzenia tego pomiaru było ustabilizowanie temperatury w tunelu rozcieńczającym
spaliny powietrzem na poziomie 52 1 C [89]. Na rys. 7.6 przedstawiono widok okna
programu do rejestracji stężenia sadzy w spalinach.
Dodatkowo, wykonano także charakterystyki zewnętrzne, których przebieg jest jedną
z ocen porównawczych i funkcjonalnych silników spalinowych, wyznaczając parametry
operacyjne i emisyjne dla trzech rodzajów paliw o wartościach krańcowych (ONH, B100)
oraz wartościach lokujących się w przybliżeniu w środkowej części dla badanych paliw
(OR40).
Dla silnika badawczego kryterium, jakie przyjęto za wyznacznik maksymalnego
obciążenia silnika, gdzie stałe było ciśnienie wtrysku (100 MPa) oraz kąt wyprzedzenia
wtrysku (18°OWK), zostało ustalone zadymienie równe 25 HRT. Poszczególne punkty
pomiarowe wybrano dla prędkości obrotowych w zakresie 1200 1600 obr/min ze skokiem co
100 obr/min. Dobieranym parametrem był czas wtrysku (czas impulsu sterującego
wtryskiwaczem).
77
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Ustalenie w/w parametrów polegało na tym, że dla zadanej prędkości obrotowej tak
dobierano czas wtrysku, aby siła odczytywana na hamulcu osiągała wartość maksymalną przy
założonym zadymieniu spalin wynoszącym 25 HRT. Wyznaczenie czasów wtrysku
przeprowadzono dla oleju napędowego ONH. Ustalone punkty pomiarowe przedstawiono
w tabeli 7.2.
Rys. 7.6. Widok okna programu do rejestracji stężenia sadzy w spalinach
Tabela 7.2.
Parametry sterowania silnika badawczego wyznaczone w trakcie badań
L.p.
Prędkość obrotowa silnika
n [obr/min]
Czas wtrysku
tis [μs]
1.
1200
3150
2.
1300
3000
3.
1400
2750
4.
1500
2600
5.
1600
2600
Jak wcześniej wspomniano, badania silnikowe zostały przeprowadzone na stanowisku
badawczym (rys. 7.2) w laboratorium KSSiT. Wyniki tych badań zostały przedstawione
w formie wykresów. Na rys. 7.7 7.30 przedstawiono zarejestrowane oraz obliczone wyniki
badań takich parametrów, jak: moc, moment obrotowy, godzinowe i jednostkowe zużycie
paliwa, sprawność ogólna silnika oraz stężenia węglowodorów, tlenków azotu i sadzy
w spalinach. Wyniki badań weryfikacji końcowej dotyczące charakterystyk zewnętrznych
zaprezentowano na rys. 7.31 7.38.
78
Krzysztof Lew
11,5
Ne [kW]
11,0
10,5
10,0
9,5
9,0
Rozprawa doktorska
ONH
ONHB15E5
B20
B50
B100
OR20
OR40
60 MPa
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
tis [μs]
5,0
4,5
1800
2000
2200
2400
2600
Rys. 7.7. Przebieg krzywej mocy efektywnej Ne w funkcji czasu wtrysku przy ciśnieniu
wtrysku 60 MPa
80
75
Mo [Nm]
70
65
60
ONH
ONHB15E5
B20
B50
B100
OR20
OR40
60 MPa
55
50
45
40
35
30
tis [μs]
25
1800
2000
2200
2400
2600
Rys. 7.8. Przebieg krzywej momentu obrotowego Mo w funkcji czasu wtrysku przy
ciśnieniu wtrysku 60 MPa
79
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
15,5
Ne [kW]
15,0
14,5
ONH
80 MPa
ONHB15E5
14,0
B20
13,5
B50
13,0
B100
12,5
OR20
12,0
OR40
11,5
11,0
10,5
10,0
9,5
9,0
8,5
tis [μs]
8,0
7,5
1800
2000
2200
2400
2600
wtrysku 80 MPa
90
85
Mo [Nm]
80
75
ONH
ONHB15E5
B20
B50
B100
OR20
OR40
80 MPa
70
65
60
55
50
tis [μs]
45
1800
2000
2200
2400
2600
80
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
18,5
Ne [kW]
17,5
16,5
15,5
ONH
ONHB15E5
B20
B50
B100
OR20
OR40
100 MPa
14,5
13,5
12,5
11,5
10,5
tis [μs]
9,5
1800
2000
2200
2400
2600
wtrysku 100 MPa
105
Mo [Nm]
100
ONH
100 MPa
ONHB15E5
B20
95
B50
B100
90
OR20
OR40
85
80
75
70
65
60
tis [μs]
55
1800
2000
2200
2400
2600
81
Krzysztof Lew
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
Rozprawa doktorska
60 MPa
Ge [kg/h]
ONH
ONHB15E5
B20
B50
B100
OR20
OR40
tis [μs]
1800
2000
2200
2400
2600
Rys. 7.13. Godzinowe zużycie paliwa silnika badawczego zasilanego badanymi paliwami
przy ciśnieniu wtrysku 60 MPa
4,2
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
Ge [kg/h]
ONH
80 MPa
ONHB15E5
B20
B50
B100
OR20
OR40
tis [μs]
1800
2000
2200
2400
2600
4,8
4,6
4,4
4,2
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
100 MPa
Ge [kg/h]
ONH
ONHB15E5
B20
B50
B100
OR20
OR40
tis [μs]
1800
2000
2200
2400
2600
82
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
500
480
ge [g/kWh]
ONH
60 MPa
ONHB15E5
460
B20
440
B50
420
B100
400
OR20
380
OR40
360
340
320
300
280
260
240
tis [μs]
220
1800
2000
2200
2400
2600
Rys. 7.16. Jednostkowe zużycie paliwa silnika badawczego zasilanego badanymi paliwami
50
48
ηe [%]
60 MPa
ONH
46
ONHB15E5
44
B20
42
B50
40
B100
38
OR20
36
OR40
34
32
30
28
26
24
22
20
18
tis [μs]
16
14
1800
2000
2200
2400
2600
Rys. 7.17. Sprawność ogólna silnika badawczego zasilanego badanymi paliwami przy
83
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
400
390
ONH
ge [g/kWh]
80 MPa
ONHB15E5
380
B20
370
B50
360
B100
350
OR20
340
OR40
330
320
310
300
290
280
tis [μs]
270
260
1800
2000
2200
2400
2600
50
48
80 MPa
ηe [%]
ONH
ONHB15E5
46
B20
44
B50
42
B100
40
OR20
OR40
38
36
34
32
30
28
26
24
tis [μs]
22
20
1800
2000
2200
2400
2600
84
Krzysztof Lew
380
370
ge [g/kWh]
360
350
340
330
320
310
300
290
280
270
260
250
240
230
220
210
200
1800
Rozprawa doktorska
ONH
100 MPa
ONHB15E5
B20
B50
B100
OR20
OR40
tis [μs]
2000
2200
2400
2600
50
48
ηe [%]
ONH
ONHB15E5
46
B20
44
B50
42
B100
40
38
100 MPa
OR20
OR40
36
34
32
30
28
26
24
tis [μs]
22
20
1800
2000
2200
2400
2600
85
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
80
70
HC [ppm]
60 MPa
ONH
60
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
50
40
30
20
10
tis [μs]
0
1800
2000
2200
2400
2600
Rys. 7.22. Stężenie węglowodorów HC dla różnych czasów wtrysku przy ciśnieniu wtrysku 60 MPa
80
70
80 MPa
HC [ppm]
60
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
50
40
30
20
10
tis [μs]
0
1800
2000
2200
2400
2600
Rys. 7.23. Stężenie węglowodorów HC dla różnych czasów wtrysku przy ciśnieniu wtrysku 80 MPa
80
70
100 MPa
HC [ppm]
ONH
60
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
50
40
30
20
10
tis [μs]
0
1800
2000
2200
2400
2600
Rys. 7.24. Stężenie węglowodorów HC dla różnych czasów wtrysku przy ciśnieniu wtrysku
100 MPa
86
Krzysztof Lew
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Rozprawa doktorska
NOx [ppm]
60 MPa
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
tis [μs]
1800
2000
2200
2400
2600
Rys. 7.25. Stężenie tlenków azotu NOx dla różnych czasów wtrysku przy ciśnieniu wtrysku 60 MPa
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
NOx [ppm]
80 MPa
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
tis [μs]
1800
2000
2200
2400
2600
1300
1200
100 MPa
NOx [ppm]
ONH
1100
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
tis [μs]
100
0
1800
2000
2200
2400
2600
87
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Stężenie sadzy w spalinach
[mg/m³]
55
50
45
40
35
30
25
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
60 MPa
20
15
10
5
tis [μs]
0
1800
2000
2200
2400
2600
[mg/m³]
Rys. 7.28. Stężenie sadzy w spalinach dla różnych czasów wtrysku przy ciśnieniu wtrysku 60 MPa
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
80 MPa
tis [μs]
1800
2000
2200
2400
2600
55
[mg/m³]
50
45
40
35
30
25
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
100 MPa
20
15
10
5
tis [μs]
0
1800
2000
2200
2400
2600
88
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
19
18
Ne [kW]
ONH
B100
OR40
17
16
15
14
13
12
n [obr/min]
11
1200
1300
1400
1500
1600
Rys. 7.31. Przebieg krzywej mocy efektywnej Ne w funkcji prędkości obrotowej wału
korbowego silnika badawczego
140
Mo [Nm]
130
ONH
B100
120
OR40
110
100
90
80
70
60
1200
n [obr/min]
1300
1400
1500
1600
Rys. 7.32. Przebieg krzywej momentu obrotowego Mo w funkcji prędkości obrotowej wału
korbowego silnika badawczego
89
Krzysztof Lew
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Rozprawa doktorska
Ge [kg/h]
ONH
B100
OR40
n [obr/min]
1200
1300
1400
1500
1600
Rys. 7.33. Godzinowe zużycie paliwa silnika badawczego zasilanego paliwami wybranymi do
oceny porównawczej
340
330
ge [g/kWh]
320
310
300
290
280
270
260
250
240
230
220
1200
ONH
B100
OR40
n [obr/min]
1300
1400
1500
1600
Rys. 7.34. Jednostkowe zużycie paliwa silnika badawczego zasilanego paliwami wybranymi
do oceny porównawczej
36
ηe [%]
ONH
35
B100
OR40
34
33
32
31
n [obr/min]
30
1200
1300
1400
1500
1600
Rys. 7.35. Sprawność ogólna silnika badawczego zasilanego paliwami wybranymi do oceny
porównawczej
90
Krzysztof Lew
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Rozprawa doktorska
HC [ppm]
ONH
B100
OR40
n [obr/min]
1200
1300
1400
1500
1600
Rys. 7.36. Stężenie węglowodorów HC silnika badawczego dla charakterystyki zewnętrznej
2000
ONH
1800
B100
NOx [ppm]
1600
OR40
1400
1200
1000
800
600
400
n [obr/min]
200
0
1200
1300
1400
1500
1600
Rys. 7.37. Stężenie tlenków azotu NOx silnika badawczego dla charakterystyki zewnętrznej
55
ONH
[mg/m3]
50
B100
OR40
45
40
35
30
25
20
15
10
5
n [obr/min]
0
1200
1300
1400
1500
1600
Rys. 7.38. Stężenie sadzy w spalinach silnika badawczego dla charakterystyki zewnętrznej
91
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Na rys, 7.7 7.12 przedstawiono przebiegi zmian mocy i momentu obrotowego
w funkcji czasu wtrysku dla ciśnień wtrysku 60, 80 i 100 MPa. Przy ciśnieniu wtrysku
pw=60 MPa silnik uzyskiwał największą moc oraz moment obrotowy przy zasilaniu paliwem
ONH, następnie mniejszą dla paliw B20, B100 oraz ONHB15E5, natomiast najniższe
wartości odnotowano dla mieszanek rzepakowych. Przy ciśnieniu wtrysku p w=80 MPa
zaobserwowano wyraźny wzrost mocy i momentu obrotowego silnika zasilanego paliwem
OR20, natomiast niewielki przyrost tych parametrów zarejestrowano dla paliwa ONHB15E5
(w odniesieniu do pozostałych to paliwo uzyskało wyraźnie gorsze wyniki). Przy
pw=100 MPa zbliżone wartości do oleju napędowego ONH uzyskały paliwa OR20, B20,
B100 oraz OR40, natomiast największą różnicę, szczególnie przy większych czasach wtrysku,
odnotowano dla ONHB15E5. Odpowiednio korelacja uzyskanych wyników krzywych mocy
i momentu obrotowego przełożyła się na jednostkowe zużycie paliwa.
Godzinowe zużycie paliwa dla różnych ciśnień i czasów wtrysku ilustrują
rys. 7.13 7.15. Widać jednoznacznie, że wzrost ciśnienia wtrysku w połączeniu
z wydłużeniem czasu wtrysku wpływają dla wszystkich paliw na zwiększenie Ge.
Na rys. 7.16 7.21 zaprezentowano wyniki jednostkowego zużycia paliwa oraz
sprawności efektywnej silnika, podobnie jak w przypadku Ge, w funkcji czasu wtryskiwanego
paliwa dla przyjętych ciśnień wtrysku. Jak wiadomo, im mniejsze jednostkowe zużycie
paliwa osiąga silnik, tym lepszą uzyskuje sprawność. Na podstawie uzyskanych wyników
widać, że dla ciśnienia wtrysku pw=60 MPa silnik zasilany paliwem ONHB15E5, jak również
ONH, osiągnął najmniejsze jednostkowe zużycie paliwa i jednocześnie uzyskał najlepszą
sprawność. Podobne wartości uzyskano przy wyższych czasach wtrysku dla paliwa B20. Przy
ciśnieniu wtrysku pw=80 MPa, zbliżone wartości do ONH odnotowano dla paliwa B20
i ONHB15E5 oraz przy wyższych czasach wtrysku, również dla OR20 i OR40. Z kolei
znacznie większe jednostkowe zużycie osiągnięto dla paliw B100 oraz B50. Dla ciśnienia
wtrysku pw=100 MPa, z wyjątkiem paliwa B100, dla wszystkich rozpatrywanych paliw
uzyskano wartości jednostkowego zużycia oraz sprawności efektywnej zbliżone do ONH.
W przypadku tego paliwa, pomimo że zużycie jednostkowe było największe w odniesieniu do
pozostałych paliw, to sprawność ogólna B100 w całym analizowanym zakresie była wyższa.
Wynika to przede wszystkim z różnych wartości opałowych dla tych paliw. Przykładowo, dla
B100 wynosi ona Wd=37417 kJ/kg, a dla ONH Wd=43037 kJ/kg.
Na rys. 7.22 7.24 zaprezentowano wyniki stężenia węglowodorów HC w spalinach
dla poszczególnych paliw i punktów pomiarowych. Jak widać na wykresach, dla większości
punktów pomiarowych największe stężenie HC w odniesieniu do pozostałych przebadanych
paliw zarejestrowano dla oleju napędowego ONH. Przy ciśnieniu wtrysku pw=100 MPa oraz
od czasów wtrysku 2000 μs i większych, nieco większe stężenia HC odnotowano dla paliwa
ONHB15E5.
Stężenie tlenków azotu NOx pokazano na rys. 7.25 7.27. W przypadku stężenia NOx,
odnosząc się do oleju napędowego ONH, wyraźny wzrost stężenia tlenków azotu
zarejestrowano dla paliw ONHB15E5 i OR20 przy ciśnieniu wtrysku 100 MPa. Natomiast dla
pozostałych paliw to stężenie było podobne do oleju napędowego ONH.
Ciekawe rezultaty uzyskano w pomiarze stężeń sadzy w spalinach, których wyniki
przedstawiono na rys. 7.28 7.30. Wyraźny wzrost stężenia sadzy w spalinach można
zaobserwować prawie dla wszystkich paliw przy czasach wtrysku 2400 i 2600 μs. Dla
wszystkich przyjętych ciśnień wtrysku dla paliw ONH i B20 oraz przy ciśnieniu wtrysku
60 MPa dla paliwa ONHB15E5 uzyskano również istotny wzrost. W przypadku paliwa
ONHB15E5 wzrost ciśnienia wtrysku (80 i 100 MPa) powoduje wyraźne obniżenie stężenia
sadzy w spalinach. W odniesieniu do oleju napędowego ONH prawie wszystkie przebadane
paliwa uzyskały mniejsze stężenia sadzy w spalinach. Pewne minimalne odstępstwa wystąpiły
w nielicznych przypadkach.
92
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Na rys. 7.31 7.38 przedstawiono wyniki badań weryfikacji końcowej odnośnie
charakterystyk zewnętrznych dla trzech rodzajów paliw o dwóch wartościach krańcowych
i jednej pośredniej, gdzie określono te same parametry jak w badaniach dotychczasowych, tj.:
moc, moment obrotowy, godzinowe i jednostkowe zużycie paliwa, sprawność ogólną silnika
oraz stężenia węglowodorów, tlenków azotu i sadzy w spalinach. Uzyskane wyniki badań
weryfikacyjnych, potwierdzają rezultaty osiągnięte w części zasadniczej badań silnikowych.
Największe różnice, w przypadku parametrów operacyjnych silnika, zauważono
w jednostkowym zużyciu paliwa. Porównując np. sprawność ogólną silnika zasilanego olejem
napędowym i paliwem B100, pomimo znacznie wyższej wartości ge dla paliwa B100
w stosunku do ON, sprawność ogólna dla silnika zasilanego B100 w całym analizowanym
zakresie była wyższa, co zauważono również w części zasadniczej badań silnikowych.
Analizując wyniki związane z emisyjnością, zauważono znaczny przyrost stężenia tlenków
azotu w miarę zmniejszania prędkości obrotowej silnika. Wynika to z faktu, że zmniejszając
prędkość obrotową silnika zwiększano obciążenie, co z kolei powodowało wzrost temperatury
spalin a tym samym większą emisję tlenków azotu.
Na rys. 7.38 widać jednoznacznie założenia, jakie przyjęto dla wyznaczenia
weryfikacyjnych charakterystyk zewnętrznych. Dla zadanej prędkości obrotowej dobierano
czas wtrysku w taki sposób, aby siła na hamulcu osiągała wartość maksymalną przy
założonym zadymieniu spalin na poziomie 25 HRT oraz stężeniu sadzy w spalinach
wynoszącym ok. 42 mg/m³ (co widać wyraźnie na rys. 7.38). Wyznaczenie tego parametru
przeprowadzono dla oleju napędowego ONH, który stanowił paliwo bazowe. Przy tych
przyjętych założeniach stężenie sadzy w spalinach dla pozostałych dwóch paliw było
mniejsze, choć zróżnicowane w zależności od prędkości obrotowej silnika.
93
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
8. BADANIA WIZUALIZACYJNE PROCESU WTRYSKU PALIW
WYBRANYCH DO ANALIZY NA STANOWISKU BADAWCZYM
Podstawowym celem przeprowadzenia badań wizualizacyjnych na stanowisku
badawczym było określenie geometrii strug rozpylanych paliw przyjętych do analizy. Badania
wizualizacyjne prowadzono według tych samych punktów pomiarowych, jakie przyjęto
w badaniach silnikowych. Pozwoliło to na znalezienie korelacji pomiędzy tymi dwoma
rodzajami badań, co z kolei umożliwiło opracowanie kryterium związanym z geometrią
strugi. Jak wiadomo, wykorzystanie stanowiska do badań wizualizacyjnych nie pozwala na
jednoznaczne odwzorowanie warunków panujących w komorze spalania silnika, ale
przyjmując określone założenia należy stwierdzić, że istnieje związek pomiędzy wynikami
dotyczącymi budowy strug na stanowisku pozasilnikowym, a ich faktycznym kształtem
w komorze spalania. Dodatkową korzyścią badań pozasilnikowych jest możliwość ich
przeprowadzenia relatywnie niskim kosztem, co nie jest bez znaczenia przy pracach
wymagających dużej ilości testów silnikowych.
Badania przeprowadzono dla dwóch wtryskiwaczy, z których jeden był taki sam, na
jakim prowadzono badania silnikowe (w dysertacji został oznaczony jako W189 wtryskiwacz typu Bosch 0445110189), natomiast drugi ma zastosowanie między innymi do
zasilania jednostek napędowych wykorzystywanych w autobusach miejskich (w dysertacji
został oznaczony jako W219 - wtryskiwacz typu Bosch 0445120219).
Według założonego programu poddano badaniom wizualizacyjnym paliwa, które
wcześniej testowano na stanowisku silnikowym (ONH, B20, B50, B100, OR20, OR40,
ONHB15E5) oraz paliwo OR80 cechujące się parametrami znacznie odbiegającymi od w/w
paliw, a przede wszystkim znacznie większą lepkością oraz gęstością.
8.2.1. STANOWISKO BADAWCZE
Do wyznaczenia geometrii strugi rozpylanego paliwa wykorzystano stanowisko
badawcze układów wtryskowych typu Common Rail zbudowane w oparciu o stół probierczy
firmy Bosch EPS-815, z którego zaadoptowany został napęd pompy wysokociśnieniowej.
Stanowisko to umożliwia prowadzenie badań dla różnego rodzaju paliw ciekłych [4,41].
Widok oraz schemat tego stanowiska przedstawiono odpowiednio na rys. 8.1 i 8.2.
Podstawowe układy wchodzące w skład stanowiska to:
obwód niskiego ciśnienia,
obwód wysokiego ciśnienia,
sterownik,
komputer nadzorujący.
Układ niskociśnieniowy umieszczony został w mobilnej konstrukcji wraz
z elementami systemu chłodzenia paliwa oraz przepływomierzami (rys. 8.3). Paliwo ze
zbiornika za pomocą elektrycznej pompy paliwa podawane jest do pompy wysokiego
ciśnienia. Ciśnienie na dolocie do pompy wysokociśnieniowej jest regulowane zaworem
nastawnym i mierzone manometrem o odpowiednim zakresie pomiarowym, podobnie jak
ciśnienie przelewu pompy, które również ustalane jest za pomocą zaworu nastawnego
i kontrolowane za pomocą manometru. Paliwo z przelewu powraca do zbiornika poprzez
94
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
chłodnicę, przez którą przepływ cieczy chłodzącej jest regulowany za pomocą zaworu
elektromagnetycznego na podstawie informacji o temperaturze powracającego paliwa [4].
Rys. 8.1. Widok ogólny stanowiska wykorzystanego do badań wizualizacyjnych
Rys. 8.2. Schemat badawczego układu wtryskowego typu Common Rail do testowania paliw
ciekłych: T1-T6 – termopary; Z1, Z2 – zawory sterujące ciśnieniem zasilania i przelewu
pompy wysokociśnieniowej; Z3 – zawór redukcyjny ciśnienia wody; Ch1, Ch2, Ch3 –
elektrozawory sterujące przepływem cieczy chłodzącej
95
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 8.3. Rozmieszczenie elementów części niskociśnieniowej układu wtryskowego:
1 - chłodnica paliwa, 2 - zawór regulacyjny, 3 - przepływomierz CMF 025,
4 - przepływomierz CMF 010, 5 - zbiornik paliwa, 6 - pompa paliwa, 7 - pokrywa
zbiornika, 8 - filtr paliwa, 9, 10 - wspornik filtra paliwa, 11 - manometr, 12 - trójnik, 13 końcówka przewodu elastycznego, 14 - reduktor do wody z manometrem, 15 rama, 17 - kółko ramy mobilnej, 21 - złączka, 22 - zaślepka, 23 - elektrozawór,
24 - końcówka przewodu elastycznego
Układ wysokociśnieniowy umieszczony jest na stanowisku probierczym, które
wykorzystywane jest do napędu pompy wysokiego ciśnienia. W skład tego układu wchodzą:
pompa wysokiego ciśnienia, zasobnik paliwa, wtryskiwacz (który zamontowany jest
w komorze wizualizacyjnej) oraz przewody wysokociśnieniowe.
Pompa tłoczy paliwo do zasobnika, w którym następuje pomiar ciśnienia, na
podstawie którego sterowane są modulatory ciśnienia w pompie i szynie. Z zasobnika paliwo
tłoczone jest do wtryskiwacza, który wtryskuje je do specjalnie zaprojektowanej dla potrzeb
stanowiska komory wizualizacyjnej z systemem oświetlenia stroboskopowego. Proces
rozwoju strugi wtryskiwanego paliwa do komory rejestrowany jest za pomocą systemu
wizualizacyjnego AVL Visioscope. Do rejestracji przebiegów szybkozmiennych zastosowano
system akwizycji danych oparty na karcie pomiarowej AT-MIO-16E-1 firmy National
Instruments.
Systemem Visioscope i systemem akwizycji przebiegów szybkozmiennych, sterowany
za pomocą nadajnika impulsów AVL 365C, zapewnia filmowanie rozwoju strugi
z rozdzielczością kątową wynoszącą 0,1° obrotu wałka pompy (OWP). Impulsy z tego
nadajnika wykorzystywane były także jako sygnały sterujące elektronicznym sterownikiem
96
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
wtryskiwacza. W tym wypadku rozdzielczość kątowa wynosiła 720 impulsów na obrót, co
zapewniało bardzo dużą precyzję sterowania początkiem wtrysku [4].
Do pomiaru przepływu wtryskiwanego paliwa oraz wielkości przelewu zastosowano
przepływomierze z czujnikami Coriolisa typu MicroMotion firmy Emmerson.
Przepływomierze te pozwalają również na pomiar gęstości przepływającego paliwa.
Sterowanie przepływem wody w chłodnicach odbywa się za pomocą elektrozaworów
kontrolowanych przez sterownik stanowiska badawczego.
Funkcjonalny układ sterowania i akwizycji danych stanowiska badawczego, którego
schemat przedstawiono na rys. 8.4, oparty jest na trzech mikrokontrolerach umożliwiających
realizację następujących funkcji:
sterowanie układem wtryskowym,
sterowanie elektrozaworami poszczególnych chłodnic paliwa poprzez moduły mocy
i przekaźniki,
odczyt temperatur z określonych punktów stanowiska, z których część stanowi
informację dla układu sterowania chłodnicami paliwa.
Poszczególne podzespoły układu wtryskowego zasilane są podobnie jak w pojeździe
z akumulatora, natomiast elektrozawory układu chłodzenia zasilane są prądem zmiennym
o napięciu 24 V. Z kolei podzespoły elektroniczne układu sterowania zasilane są napięciem
12 V za pomocą zasilacza sieciowego, a komputer zasilany jest z sieci 220 V.
Nadzór nad pracą stanowiska realizowany jest za pomocą komputera wyposażonego
w oprogramowanie umożliwiające wprowadzanie do sterownika nastawów i zapisywanie na
dysk parametrów całego układu. Odczyt informacji z przepływomierzy odbywa się za
pomocą portów RS485, a pozostałe informacje przekazywane są za pomocą portów RS232.
Widok komory wizualizacyjnej na stanowisku przedstawiono na rys. 8.5 [4,41].
Stanowisko badawcze, w połączeniu z systemem wizualizacyjnym oraz systemem
pomiarowym przebiegów szybkozmiennych, pozwala na prowadzenie badań procesu wtrysku
i pomiar oraz rejestrację następujących parametrów:
dawki wtryskiwanego paliwa,
wielkości przelewu z wtryskiwacza,
gęstości paliwa,
temperatury paliwa w różnych punktach układu,
ciśnienia w szynie,
parametrów sygnału sterującego wtryskiwaczem,
przebiegów szybkozmiennych:
- ciśnienia za szyną oraz w przewodzie wtryskowym przed wtryskiwaczem,
- wzniosu iglicy wtryskiwacza (z wykorzystaniem wtryskiwacza z czujnikiem
wzniosu),
- sygnałów sterujących wtryskiwaczem,
- napięcia i prądu wtryskiwacza,
makrostruktury strugi poprzez filmowanie procesu jej rozwoju, co pozwala na
określenie:
- rzeczywistego początku i końca wtrysku,
- zasięgu i kąta strug wtryskiwanego paliwa.
97
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 8.4. Schemat funkcjonalny układu sterowania i akwizycji danych zaprojektowanego
stanowiska badawczego układów wtryskowych typu Common Rail do testowania
różnego rodzaju paliw ciekłych
98
Krzysztof Lew
Rys. 8.5. Widok komory wizualizacyjnej z
stroboskopowego na stole probierczym
Rozprawa doktorska
zamontowanym
systemem
oświetlenia
W badaniach pozasilnikowych, podobnie jak w testach silnikowych, na stanowisku
badawczym przyjęto prędkość obrotową 800 obr/min, co odpowiada 1600 obr/min silnika,
natomiast zmiennymi parametrami było ciśnienie oraz czas wtrysku. Ustalono trzy wartości
ciśnień wtrysku ( 60, 80 oraz 100 MPa) i dla każdego ciśnienia przyporządkowano pięć
czasów wtrysku (w zakresie od 1800 do 2600 μs ze skokiem 200 μs), co odpowiadało również
przyjętych kryterium dla badań silnikowych.
Program badań realizowanych na stanowisku badawczym wyposażonym w komorę
wizualizacyjną oraz kamerę do filmowania przebiegu rozwoju strugi wtryskiwanego paliwa
wykonywano według następującej kolejności:
napełnienie układu badanym paliwem,
zamontowanie pierwszego wtryskiwacza (W189) do komory testowej (rys. 8.6):
- nagrzanie wtryskiwacza i paliwa do temp. 40±2°C,
- sprawdzenie wydatku paliwa dla wyznaczonych punktów badawczych,
- zdemontowanie wtryskiwacza z komory testowej,
zamontowanie w/w wtryskiwacza do komory wizualizacyjnej, następnie
przeprowadzenie badań rozpylenia paliwa dla wyznaczonych punktów badawczych,
powtórzenie badania dla drugiego wtryskiwacza (W219) wg powyższej kolejności,
po przeprowadzeniu badań opróżnienie układu z testowanego paliwa.
Zgodnie z założonym programem przeprowadzono badania dla 8 rodzajów paliw
poddanych analizie.
Badania doświadczalne na stanowisku wyposażonym w komorę wizualizacyjną
przeprowadzono dla dwóch wtryskiwaczy, z których jeden był taki sam, na jakim realizowano
badania silnikowe (w pracy oznaczony jako W189 - wtryskiwacz typu Bosch 0445110189),
99
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
natomiast drugi ma zastosowanie między innymi do zasilania jednostek napędowych
wykorzystywanych w autobusach miejskich (oznaczony w pracy jako W219 - wtryskiwacz
typu Bosch 0445120219). Wspomniano o tym w podrozdziale 8.1. Zarejestrowane przebiegi
rozwoju strug wtryskiwanych paliw pozwoliły określić ich makrostrukturę, w naszym
przypadku dotyczyło to zasięgu oraz kąta wierzchołkowego.
Rys. 8.6. Widok wtryskiwaczy zamontowanych do komór testowych
Badania wizualizacyjne zostały przeprowadzone zgodnie z przyjętym programem. Dla
wytypowanych paliw zarejestrowane zostały filmy przebiegu rozwoju wtryskiwanych strug
do komory wizualizacyjnej, na podstawie których, przy wykorzystaniu oprogramowania AVL
Visioscope, określono kąty oraz zasięgi strug. Wybrane zdjęcia z wizualizacji rozpylenia
niektórych paliw, przy ciśnieniu 60 i 100 MPa dla dwóch wtryskiwaczy (W189, W219)
zaprezentowano na rys. 8.7 8.12. Dla pozostałych paliw materiał zdjęciowy z badań
wizualizacyjnych zawarto w załączniku nr 2 dołączonym do pracy. W wyniku realizacji
badań zostały ponadto określone dawki paliwa dla w/w wtryskiwaczy we wszystkich
punktach pomiarowych (rys. 8.13 8.18). Wybrane wyniki parametrów strug dla badanych
paliw zaprezentowano na rys. 8.19 8.48. Podczas badań system sterujący utrzymywał cały
czas temperaturę paliwa na poziomie 40±2°C.
W wyniku przeprowadzonych badań otrzymano szereg plików, na podstawie których
została obliczona średnia wartość dawki paliwa w każdym punkcie pomiarowym. Na rys.
8.13 8.18 zaprezentowano wyniki pomiaru dawki wtryskiwanego paliwa w funkcji czasu
wtrysku dla trzech ciśnień wtrysku (60, 80 oraz 100 MPa) i dwóch wtryskiwaczy (W189
i W219). Wyniki wskazują, że przebieg zmian dawki dla wszystkich paliw w funkcji czasu
i ciśnienia wtrysku proporcjonalnie ulega zmianie. Dla wtryskiwacza W219 dawka jest ok.
trzy razy większa we wszystkich punktach pomiarowych, niż w przypadku wtryskiwacza
W189. Wynika to z większej liczby oraz średnicy otworków rozpylacza.
100
Krzysztof Lew
ONH
Rozprawa doktorska
W189
ONH
3°OWP
W219
3°OWP
Rys. 8.7. Widok rozpylenia paliwa ONH (3°OWP od początku wtrysku), przy ciśnieniu
wtrysku 60 MPa dla dwóch wtryskiwaczy (odpowiednio W189 i W219)
ONHB15E
5
W189
ONHB15E
5
3°OWP
W219
3°OWP
Rys. 8.8. Widok rozpylenia paliwa ONHB15E5 (3°OWP od początku wtrysku), przy
ciśnieniu wtrysku 60 MPa dla dwóch wtryskiwaczy (odpowiednio W189 i W219)
OR40
W189
3°OWP
OR40
W219
3°OWP
Rys. 8.9. Widok rozpylenia paliwa OR40 (3°OWP od początku wtrysku), przy ciśnieniu
101
Krzysztof Lew
ONH
Rozprawa doktorska
W189
ONH
3°OWP
W219
3°OWP
Rys. 8.10. Widok rozpylenia paliwa ONH (3°OWP od początku wtrysku), przy ciśnieniu
ONHB15E
5
W189
ONHB15E
5
3°OWP
W219
3°OWP
Rys. 8.11. Widok rozpylenia paliwa ONHB15E5 (3°OWP od początku wtrysku), przy
ciśnieniu wtrysku 100 MPa dla dwóch wtryskiwaczy (odpowiednio W189 i W219)
OR40
W189
3°OWP
OR40
W219
3°OWP
102
Dawka paliwa [mg/wtrysk]
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
60 MPa
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
OR80
W189
1800
2000
2200
Czas wtrysku, twtr [μs]
2400
2600
Rys. 8.13. Zestawienie wydatków wtryskiwacza W189 w zależności od czasu trwania wtrysku dla
ciśnienia wtrysku 60 MPa
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
80 MPa
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
OR80
W189
1800
2000
2200
2400
2600
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100 MPa
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
OR80
W189
1800
2000
2200
2400
2600
103
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
220
60 MPa
200
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
OR80
180
160
140
120
W219
100
1800
2000
2200
2400
2600
260
80 MPa
240
220
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
OR80
200
180
160
140
120
W219
100
1800
2000
2200
2400
2600
300
100 MPa
280
260
ONH
B20
B50
B100
ONHB15E5
OR20
OR40
OR80
240
220
200
180
160
140
120
W219
100
1800
2000
2200
2400
2600
104
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
23
60 MPa
ONH
21
B100
B20
19
OR80
Kąt strugi [°]
17
OR20
B50
15
ONHB15E5
13
OR40
11
9
7
twtr=1800 [μs], W189
5
0,5
1,0
1,5
2,0
Kąt od początku wtrysku,
2,5
[°OWK]
3,0
3,5
Rys. 8.19. Porównanie średnich kątów strug dla badanych paliw w funkcji kąta OWP dla
wtryskiwacza W189 (pwtr=60 MPa, twtr=1800 μs)
22
ONH
60 MPa
21
B100
20
B20
19
OR80
OR20
Kąt strugi [°]
18
B50
17
ONHB15E5
16
OR40
15
14
13
12
twtr=1800 [μs], W219
11
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
105
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
27
ONH
80 MPa
25
B100
Kąt strugi [°]
23
B20
21
OR80
19
OR20
B50
17
ONHB15E5
15
OR40
13
11
9
7
twtr=1800 [μs], W189
5
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
29
ONH
80 MPa
27
B100
25
B20
OR80
Kąt strugi [°]
23
OR20
21
B50
ONHB15E5
19
OR40
17
15
13
twtr=1800 [μs], W219
11
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
106
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
26
ONH
100 MPa
24
B100
22
B20
OR80
Kąt strugi [°]
20
OR20
18
B50
16
ONHB15E5
OR40
14
12
10
8
twtr=1800 [μs], W189
6
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
29
ONH
100 MPa
27
B100
B20
25
OR80
Kąt strugi [°]
23
OR20
B50
21
ONHB15E5
19
OR40
17
15
13
twtr=1800 [μs], W219
11
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
107
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
23
ONH
60 MPa
21
B100
19
B20
OR80
Kąt strugi [°]
17
OR20
15
B50
13
ONHB15E5
OR40
11
9
7
twtr=2600 [μs], W189
5
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
24
60 MPa
23
ONH
22
B100
21
B20
OR80
Kąt strugi [°]
20
OR20
19
B50
18
ONHB15E5
17
OR40
16
15
14
13
twtr=2600 [μs], W219
12
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
108
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
25
80 MPa
23
ONH
B100
21
Kąt strugi [°]
B20
19
OR80
17
OR20
B50
15
ONHB15E5
13
OR40
11
9
7
twtr=2600 [μs], W189
5
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
28
80 MPa
26
ONH
B100
B20
24
Kąt strugi [°]
OR80
22
OR20
B50
20
ONHB15E5
OR40
18
16
14
twtr=2600 [μs], W219
12
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
109
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
26
100 MPa
24
ONH
B100
22
B20
Kąt strugi [°]
20
OR80
OR20
18
B50
16
ONHB15E5
14
OR40
12
10
8
twtr=2600 [μs], W189
6
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
30
100 MPa
28
ONH
B100
B20
26
OR80
Kąt strugi [°]
24
OR20
B50
22
ONHB15E5
20
OR40
18
16
14
twtr=2600 [μs], W219
12
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
[°OWK]
110
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
90,0
60 MPa
ONH
80,0
Zasięg, Z [mm]
B100
70,0
B20
60,0
OR80
OR20
50,0
B50
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
10,0
twtr=1800 [μs], W189
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
Rys. 8.31. Porównanie średnich zasięgów strug dla badanych paliw w funkcji kąta OWP dla
80,0
ONH
70,0
60 MPa
B100
B20
60,0
Zasięg, Z [mm]
OR80
OR20
50,0
B50
40,0
ONHB15E5
OR40
30,0
20,0
10,0
twtr=1800 [μs], W219
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
111
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
90,0
80 MPa
ONH
80,0
B100
B20
70,0
OR80
Zasięg, Z [mm]
60,0
OR20
B50
50,0
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
10,0
twtr=1800 [μs], W189
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
90,0
80 MPa
ONH
80,0
B100
70,0
B20
OR80
Zasięg, Z [mm]
60,0
OR20
50,0
B50
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
twtr=1800 [μs], W219
10,0
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
112
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
100,0
100 MPa
ONH
90,0
B100
80,0
B20
OR80
70,0
OR20
Zasięg, Z [mm]
60,0
B50
50,0
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
10,0
twtr=1800 [μs], W189
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
100,0
ONH
90,0
100 MPa
B100
80,0
B20
Zasięg, Z [mm]
70,0
OR80
OR20
60,0
B50
50,0
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
10,0
twtr=1800 [μs], W219
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
113
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
90,0
ONH
80,0
60 MPa
B100
B20
70,0
OR80
Zasięg, Z [mm]
60,0
OR20
B50
50,0
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
10,0
twtr=2200 [μs], W189
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
80,0
60 MPa
ONH
70,0
B100
B20
Zasięg, Z [mm]
60,0
OR80
OR20
50,0
B50
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
twtr=2200 [μs], W219
10,0
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
114
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
100,0
80 MPa
ONH
90,0
B100
80,0
B20
Zasięg, Z [mm]
70,0
OR80
OR20
60,0
B50
50,0
ONHB15E5
OR40
40,0
30,0
20,0
10,0
twtr=2200 [μs], W189
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
90,0
80 MPa
ONH
80,0
B100
70,0
B20
OR80
Zasięg, Z [mm]
60,0
OR20
B50
50,0
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
10,0
twtr=2200 [μs], W219
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
115
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
100,0
100 MPa
ONH
90,0
B100
80,0
B20
Zasięg, Z [mm]
70,0
OR80
60,0
OR20
50,0
B50
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
10,0
twtr=2200 [μs], W189
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
100,0
ONH
90,0
100 MPa
B100
B20
80,0
OR80
Zasięg, Z [mm]
70,0
OR20
B50
60,0
ONHB15E5
50,0
OR40
40,0
30,0
20,0
10,0
twtr=2200 [μs], W219
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
116
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
100,0
B100
80,0
Zasięg, Z [mm]
60 MPa
ONH
90,0
B20
70,0
OR80
60,0
OR20
B50
50,0
ONHB15E5
OR40
40,0
30,0
20,0
10,0
twtr=2600 [μs], W189
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
80,0
75,0
ONH
70,0
B100
65,0
B20
60,0
OR80
Zasięg, Z [mm]
55,0
60 MPa
OR20
50,0
B50
45,0
ONHB15E5
40,0
OR40
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
twtr=2600 [μs], W219
5,0
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
117
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
100,0
80 MPa
ONH
90,0
B100
Zasięg, Z [mm]
80,0
B20
70,0
OR80
60,0
OR20
B50
50,0
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
twtr=2600 [μs], W189
10,0
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
90,0
80 MPa
ONH
80,0
B100
70,0
B20
60,0
OR80
Zasięg, Z [mm]
OR20
50,0
B50
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
10,0
twtr=2600 [μs], W219
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
118
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
100,0
100 MPa
ONH
90,0
B100
80,0
B20
Zasięg, Z [mm]
70,0
OR80
60,0
OR20
50,0
B50
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
10,0
twtr=2600 [μs], W189
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
100,0
100 MPa
ONH
90,0
B100
Zasięg, Z [mm]
80,0
B20
70,0
OR80
60,0
OR20
50,0
B50
ONHB15E5
40,0
OR40
30,0
20,0
twtr=2600 [μs], W219
10,0
0,0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
[°OWK]
119
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Po przeprowadzeniu badań wizualizacyjnych polegających na zarejestrowaniu strug
rozpylanego paliwa, dla wszystkich przyjętych punktów pomiarowych oraz po dokonaniu
analizy uzyskanych wyników stwierdzono, że czas wtrysku nie ma zasadniczego wpływu na
kąt wierzchołkowy strugi. Dlatego też został on wyznaczony dla dwóch skrajnych czasów
wtrysku (1800 i 2600 μs) i trzech ciśnień wtrysku (60, 80 i 100 MPa). Natomiast dla zasięgów
strug uwzględniono wszystkie czasy wtrysku (1800, 2200,2600 μs).
Zaprezentowane wyniki wyznaczonych kątów wierzchołkowych oraz zasięgów strug
rozpylanego paliwa stanowią uśrednioną wartość dla wszystkich strug wtryskiwacza (liczba
otworków w rozpylaczu).
Wyniki wyznaczonych kątów wierzchołkowych strug w funkcji kąta OWP od
początku wtrysku zaprezentowano na rys. 8.19 8.30. Przykładowo, analizując rys. 8.19
i 8.20, na których zostały przedstawione wykresy kątów wierzchołkowych strug dla czasu
twtr=1800 [μs] i ciśnienia pw=60 [MPa], w przypadku wtryskiwacza W189 widać wyraźną
różnicę w kątach wierzchołkowych dla poszczególnych paliw (wartość od 11 21°). Głównym
powodem tej różnicy jest lepkość paliw [27,70], ponieważ im paliwo ma większą lepkość, to
w trakcie rozpylania struga jest bardziej zwarta, a tym samym kąt strugi jest mniejszy.
Natomiast w przypadku wtryskiwacza W219, którego wydatek jest ok. trzy razy większy
w porównaniu do wtryskiwacza W189, różnica w kątach wierzchołkowych jest mniejsza
(wartość 18 22°), a nawet w przypadku paliw ONH i B20 oraz pomiędzy B100 i OR20,
prawie niezauważalna. Można to uzasadnić tym, że dla wtryskiwacza o większym wydatku,
przy stosunkowo niedużym ciśnieniu wtrysku, zbyt mała różnica w lepkościach paliw
w nieznacznym stopniu wpływa na kąt wierzchołkowy rozpylanej strugi paliwa. Przy
wyższych ciśnieniach ta różnica jest bardziej zauważalna.
W przypadku, gdy ciśnienie wtrysku wynosiło 100 MPa oraz czas wtrysku 2600 μs,
dla wtryskiwacza W189 paliwo o najmniejszej lepkości osiągało kąt wierzchołkowy strugi ok.
25°, a o największej lepkości ok. 13° (rys. 8.29). W przypadku wtryskiwacza W219 uzyskane
kąty wierzchołkowe strug odpowiednio wyniosły: dla paliwa o najmniejszej lepkości nieco
poniżej 28°, a dla paliwa o największej lepkości nieco ponad 18° (rys. 8.30).
Na rys. 8.31 8.48 przedstawiono wyniki wyznaczonych zasięgów strug rozpylanych
paliw. Z analizy wykresów wynika, że im paliwo posiada większą lepkość, tym ma większy
zasięg. Na wykresach (rys. 8.31 i 8.32), gdzie przedstawione zostały wyniki dla
najmniejszych przyjętych wartości czasu i ciśnienia wtrysku, zaobserwowano znaczną różnicę
w zasięgu strug pomiędzy wtryskiwaczami W189 i W219. W przypadku wtryskiwacza W219
te wartości były mniejsze, natomiast przy wyższych ciśnieniach różnice są minimalne.
120
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
9. KRYTERIA DOBORU PALIW DO SPALINOWYCH ŚRODKÓW
NAPĘDU AUTOBUSÓW MIEJSKICH
Na podstawie analizy literaturowej, wyszczególnionej w wykazie niniejszego
opracowania i dotychczasowych prac własnych oraz przeprowadzonych badań w zakresie
niniejszej dysertacji (rozdziały 6,7,8), wyznaczono kryteria, które w wystarczającym stopniu
mogą posłużyć w doborze paliw do spalinowych środków napędów wykorzystywanych
w autobusach miejskich. Kryteria te i odpowiadające im właściwości przedstawiono
w tabeli 9.1.
Tabela 9.1. Wykaz proponowanych i przyjętych kryteriów podczas badań w doborze paliw
Lp
WŁAŚCIWOŚĆ
KRYTERIUM
1.
PARAMETRY
FIZYKOCHEMICZNE
I JAKOŚCIOWE
gęstość,
temp. zapłonu,
temp. blokady zimnego filtra paliwa,
lepkość kinematyczna,
górna wartość opałowa,
wartość pochodnej liczby cetanowej
(determinująca właściwości
samozapłonowe),
smarność,
skład frakcyjny,
2.
GEOMETRIA STRUGI
ROZPYLONEGO PALIWA
zasięg czoła strugi,
kąt wierzchołkowy strugi,
3.
EMISYJNOŚĆ
stężenie sadzy,
stężenie węglowodorów,
stężenie tlenków azotu,
4.
PARAMETRY
OPERACYJNE SILNIKA
moc,
sprawność ogólna,
jednostkowe zużycie paliwa.
9.1. KRYTERIA DOTYCZĄCE WYMAGAŃ ODNOŚNIE WŁAŚCIWOŚCI
FIZYKOCHEMICZNYCH I JAKOŚCIOWYCH
Pierwszym etapem analizy przyjętych kryteriów było określenie, czy właściwości
badanych paliw spełniają wymagania, jakie stawiane są paliwom przeznaczonym do
pojazdów samochodowych napędzanych silnikami o ZS i są określone w normach
[98,100,112]. Jednocześnie zwrócono uwagę, czy badane paliwa spełniają zalecenia określone
w rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 9 grudnia 2008 r. w sprawie wymagań
jakościowych dla paliw ciekłych z uwzględnieniem poprawki z dnia 2 lutego 2012 r. [91].
Sposób i wyniki oceny parametrów paliw zostały przedstawione w tabeli 9.2. W przypadku,
gdy dany parametr spełniał wymaganie normatywne oznaczano liczbą 1, a w przypadku
niespełnienia oznaczano liczbą 0. Według tego kryterium, najniżej zostało ocenione paliwo
ONHB15E5 oraz OR40, których dwa parametry nie spełniły wymagań normatywnych.
Jednego parametru nie spełniło paliwo OR20. Parametry pozostałych paliw spełniają kryteria
dotyczące wymagań dla paliw ciekłych. Według przyjętej metodyki badań smarności paliw
121
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
(rozdział 6), paliwo ONHB15E5 nie spełniło tego kryterium, gdyż uzyskana wartość siły
obciążenia zacierającego dla tego paliwa była mniejsza niż dla oleju napędowego
stanowiącego paliwo bazowe. Ponadto do określenia kryterium parametrów
fizykochemicznych wyznaczono wartość opałową dla badanych paliw, która nie jest
parametrem normatywnym, ale stanowi cenną informację o paliwie (pozwala sformułować
wymagania dla konfiguracji układu zasilania). Założono, że to wymaganie zostało spełnione
przez rozpatrywane paliwa.
Tabela 9.2. Wyniki oceny paliw według proponowanych właściwości dla kryterium parametrów
fizykochemicznych
PALIWO
PARAMETR
ONH
B20
B50
B100
OR20
OR40
ONHB15E5
gęstość
1
1
1
1
1
1
1
temp. zapłonu
1
1
1
1
1
1
0
temp. zablokowania
zimnego filtra paliwa
1
1
1
1
1
1
1
lepkość kinematyczna
1
1
1
1
1
0
1
wartość opałowa
1
1
1
1
1
1
1
DCN
1
1
1
1
0
1
0
smarność
1
1
1
1
1
1
0
skład frakcyjny
1
1
1
1
1
0
1
0 – nie spełnia wymagań dla paliw
1 – spełnia wymagania dla paliw
Na rys. 9.1 i 9.2 przedstawiono zależność pochodnej liczby cetanowej (DCN) od
opóźnienia samozapłonu (rys. 9.1) oraz od opóźnienia spalania (rys. 9.2). Analizując te
rysunki można wnioskować, że dominujący wpływ na wartość pochodnej liczby cetanowej ma
okres opóźnienia spalania. Wzrost tego opóźnienia powoduje obniżanie DCN. Okres opóźnienia
60
58
DCN
56
54
52
50
48
46
44
42
ID [ms]
40
3,0268
3,1778
3,2361
3,2452
3,2799
3,2959
3,4541
ONH
OR40
ONHB15E5
B20
OR20
B50
B100
Rys. 9.1. Zależność pochodnej liczby cetanowej (DCN) od okresu opóźnienia samozapłonu (ID)
122
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
55
54
DCN
53
52
51
50
49
48
CD [ms]
47
4,54
4,6505
4,6795
4,6939
4,7022
4,7716
4,8846
ONH
B50
B20
B100
OR40
OR20
ONHB15E5
Rys. 9.2. Zależność pochodnej liczby cetanowej (DCN) od okresu opóźnienia spalania (CD)
samozapłonu oraz spalania zależy m.in. od składu chemicznego paliwa, jak również jego
właściwości fizycznych, takich jak: lepkość, gęstość, lotność oraz napięcie powierzchniowe,
które są funkcją temperatury [3,39,50,54,71,79,82]. Ponadto, na okres opóźnienia
samozapłonu i spalania zasadniczy wpływ wywiera jakość rozpylenia paliw, tj.: ciśnienie
wtrysku, średnica otworków rozpylacza, lepkość paliwa, ciśnienie powietrza w cylindrze,
prędkość parowania paliwa i mieszania z powietrzem (wymiar kropel, rozkład i prędkość
kropel w strudze, ciepło parowania i lotność paliwa, temperatura powietrza, konstrukcja
komory spalania), jak również penetracja strugi (ciśnienie wtrysku, średnica kropel,
koncentracja paliwa w powietrzu, gęstość powietrza) [3,53,54,71,73,79,82].
Badania potwierdziły, że wybrane parametry odnośnie kryterium właściwości
fizykochemicznych są wystarczające do oceny paliwa pod względem jego przydatności do
zasilania jednostek napędowych wykorzystywanych w komunikacji miejskiej.
9.2. KRYTERIA ZWIĄZANE Z GEOMETRIĄ STRUGI ROZPYLONEGO PALIWA
Przeprowadzone badania wizualizacyjne miały przede wszystkim na celu określenie
geometrii strugi rozpylanego paliwa na podstawie kąta wierzchołkowego i zasięgu tej strugi.
Ta część badań posłużyła do przyjęcia wystarczających kryteriów związanych z geometrią
strugi, która jest istotna ze względu na kształt i wielkość komór spalania silników
wykorzystywanych w komunikacji miejskiej.
Na kąt wierzchołkowy oraz zasięg strugi paliwa decydujący wpływ ma jego lepkość,
napięcie powierzchniowe oraz gęstość (wzrost tych parametrów powoduje zwiększenie
zasięgu i zmniejszenie kąta wierzchołkowego strugi) [9,21,22,27,38,47,59,71,77], co
potwierdziły uzyskane wyniki badań, które przedstawiono w rozdziale 8. Paliwo o zbyt dużej
lepkości jest przyczyną gorszego rozpylenia (większe średnice kropel), co może powodować
osiąganie ścianek cylindra i denka tłoka i następnie, nie ulegając spaleniu, przemieszczać się
do komory silnikowej, co skutkuje pogorszeniem własności smarnych oleju silnikowego.
Niewłaściwe rozpylenie paliwa może mieć decydujący wpływ na pogorszenie parametrów
silnika,
jak
również
zwiększenie
emisji
toksycznych
składników
spalin
[3,8,28,33,39,44,71,72,75]. Polepszenie procesu rozpylenia paliw o dużej lepkości można
uzyskać zwiększając ciśnienie wtrysku, stosując rozpylacze o mniejszej średnicy i większej
liczbie otworków oraz podwyższając temperaturę wtryskiwanego paliwa.
Uzyskane wartości kątów wierzchołkowych oraz zasięgów strug dla paliw, które
również testowano na silniku, można przyjąć za spełniające kryterium związane z geometrią
123
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
strugi rozpylanego paliwa. Jako uzasadnienie spełnienia tego kryterium, posłużono się
wynikami badań emisyjności dla tych paliw uzyskanymi na silniku. W badaniach tych,
odnosząc się do oleju napędowego (ONH), paliwa te osiągnęły mniejsze stężenie sadzy
w spalinach, natomiast stężenie węglowodorów było na zbliżonym poziomie. W przypadku
tlenków azotu większe stężenie zarejestrowano dla paliwa ONHB15E5 oraz OR20 przy
ciśnieniu wtrysku 80 i 100 MPa, dla pozostałych paliw to stężenie było podobne jak dla oleju
napędowego ONH.
Na podstawie przeprowadzonych badań wizualizacyjnych stwierdzono, że przyjęcie
kryterium związanego z geometria strugi rozpylonego paliwa jest zasadne w doborze paliw do
spalinowych środków napędów.
9.3. KRYTERIA DOTYCZĄCE EMISYJNOŚCI
Na podstawie przeprowadzonych badań silnikowych dla paliw wybranych do analizy,
podczas których zarejestrowano m.in. stężenie sadzy, węglowodorów oraz tlenków azotu
w spalinach, wyznaczono kryteria dotyczące emisyjności. Określenie, czy dane paliwo
spełnia kryterium emisyjności, czy też nie, dokonano na zasadzie porównawczej, odnosząc się
do oleju napędowego, który stanowił paliwo bazowe. Sposób tej oceny polegał na tym, że
jeżeli wartości stężeń sadzy, węglowodorów oraz tlenków azotu w spalinach badanych paliw
były mniejsze bądź równe wartościom uzyskanym dla oleju napędowego, przyjmowano, że to
kryterium zostało spełnione. Wyniki oceny przedstawiono w tabeli 9.3.
Tabela 9.3. Wyniki oceny emisyjności badanych paliw
PARAMETR
PALIWO
ONH
B20
B50
B100
OR20
OR40
ONHB15E5
stężenie sadzy
1
1
1
1
1
1
1
stężenie węglowodorów
1
1
1
1
1
1
1
stężenie tlenków azotu
1
1
1
1
0
1
0
0 – nie spełnia wymagań emisyjności
1 – spełnia wymagania emisyjności
Na rys. 9.3 9.11 zostały zaprezentowane zależności wpływu okresu opóźnienia
samozapłonu (ID), okresu opóźnienia spalania (CD) oraz wartości pochodnej liczby
cetanowej (DCN) na emisję węglowodorów, tlenków azotu oraz sadzy. Przedstawione na tych
rysunkach wyniki odnoszą się do postawionej w niniejszej dysertacji tezy pomocniczej tzn.,
że kryterium emisyjności może być przyjęte na podstawie właściwości samozapłonowych
i wartości pochodnej liczby cetanowej. Zaprezentowane charakterystyki wyznaczono dla
trzech różnych ciśnień wtrysku (60, 80 i 100 MPa) oraz dla czasu wtrysku wynoszącego
2600 μs. Wyznaczenie ID oraz CD przeprowadzono na aparacie CID 510 (rys. 6.6), według
którego, zgodnie z procedurą badawczą, wyznaczona była pochodna liczba cetanowa dla
paliw wybranych do analizy. Dodatkowo, w trakcie wyznaczania pochodnej liczby cetanowej
zarejestrowany został czas, jaki upłynął od pojawienia się sygnału sterującego wtryskiwaczem
do momentu, gdy ciśnienie w komorze wzrosło o 0,02 MPa powyżej ciśnienia początkowego
p0, który przyjęto jako okres opóźnienia samozapłonu (ID). Ponadto, zarejestrowano również
czas, jaki upłynął od pojawienia się sygnału sterującego wtryskiwaczem do momentu, gdy
ciśnienie w komorze uzyskało wartość równą połowie sumy ciśnienia początkowego p0
w komorze i ciśnienia maksymalnego pmax w cyklu, który przyjęto jako okres opóźnienia
spalania (CD) (rys.6.14).
124
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Zakres przyjętych na wykresach czasów opóźnień samozapłonu oraz spalania wynika
z czasów, jakie zarejestrowano w trakcie wyznaczania pochodnej liczby cetanowej (DCN) dla
wytypowanych paliw.
60
HC -ID
HC [ppm]
50
40
30
60 MPa
80 MPa
20
100 MPa
10
ID [ms]
0
3,0268
3,1778
3,2361
3,2452
3,2799
3,2959
3,4541
ONH
OR40
ONHB15E5
B20
OR20
B50
B100
Rys. 9.3. Zależność stężenia węglowodorów HC od okresu opóźnienia samozapłonu ID
60
50
HC [ppm]
HC - CD
40
30
60 MPa
20
80 MPa
100 MPa
10
CD [ms]
0
4,54
4,6505
4,6795
4,6939
4,7022
4,7716
4,8846
ONH
B50
B20
B100
OR40
OR20
ONHB15E5
Rys. 9.4. Zależność stężenia węglowodorów HC od okresu opóźnienia spalania CD
60
50
HC [ppm]
HC - DCN
40
30
60 MPa
80 MPa
20
100 MPa
10
DCN
0
53,10
52,40
52,27
51,92
51,06
50,56
49,57
ONH
B50
B100
B20
OR40
OR20
ONHB15E5
Rys. 9.5. Zależność stężenia węglowodorów HC od pochodnej liczby cetanowej DCN
125
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
1100
1000
NOx [ppm]
NOx - ID
900
60 MPa
80 MPa
100 MPa
800
700
600
500
400
ID [ms]
300
3,0268
3,1778
3,2361
3,2452
3,2799
3,2959
3,4541
ONH
OR40
ONHB15E5
B20
OR20
B50
B100
Rys. 9.6. Zależność stężenia tlenków azotu NOx od okresu opóźnienia samozapłonu ID
1100
1000
NOx - CD
NOx [ppm]
900
60 MPa
80 MPa
100 MPa
800
700
600
500
400
CD [ms]
300
4,54
4,6505
4,6795
4,6939
4,7022
4,7716
4,8846
ONH
B50
B20
B100
OR40
OR20
ONHB15E5
Rys. 9.7. Zależność stężenia tlenków azotu NOx od okresu opóźnienia spalania CD
1100
1000
NOx [ppm]
NOx - DCN
900
60 MPa
80 MPa
100 MPa
800
700
600
500
400
DCN
300
53,10
52,40
52,27
51,92
51,06
50,56
49,57
ONH
B50
B100
B20
OR40
OR20
ONHB15E5
Rys. 9.8. Zależność stężenia tlenków azotu NOx od pochodnej liczby cetanowej DCN
126
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
[mg/m³]
60
Sadza - ID
50
60 MPa
80 MPa
100 MPa
40
30
20
10
ID [ms]
0
3,0268
ONH
3,1778
3,2361
OR40 ONHB15E5
3,2452
3,2799
3,2959
3,4541
B20
OR20
B50
B100
Rys. 9.9. Zależność stężenia sadzy od okresu opóźnienia samozapłonu ID
[mg/m³]
60
Sadza - CD
60 MPa
80 MPa
100 MPa
50
40
30
20
10
CD [ms]
0
4,54
4,6505
4,6795
4,6939
4,7022
4,7716
4,8846
ONH
B50
B20
B100
OR40
OR20 ONHB15E5
Rys. 9.10. Zależność stężenia sadzy od okresu opóźnienia spalania CD
[mg/m³]
60
Sadza - DCN
50
60 MPa
80 MPa
100 MPa
40
30
20
10
DCN
0
53,10
52,40
52,27
51,92
51,06
50,56
49,57
ONH
B50
B100
B20
OR40
OR20 ONHB15E5
Rys. 9.11. Zależność stężenia sadzy od pochodnej liczby cetanowej DCN
127
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Na temat wpływu okresu opóźnienia samozapłonu oraz wartości liczby cetanowej na
emisję toksycznych składników spalin istnieje wiele opracowań literaturowych
[65,71,73,80,82], w których opisane wyniki prac badawczych różnią się od przedstawionych
w niniejszym opracowaniu. Należy jednak zauważyć, że duża część zaprezentowanych
w literaturze wyników badań została wykonana z wykorzystaniem silników starszej
generacji, pracujących w oparciu o konwencjonalne układy wtryskowe, natomiast rozwój
silników o ZS sukcesywnie cechował się powiększaniem ciśnień wtrysku oraz
przechodzeniem wyłącznie na wtrysk bezpośredni. W publikacjach prezentujących wyniki
badań, uzyskanych z wykorzystaniem silników badawczych wyposażonych w systemy CR
otrzymano podobne rezultaty [3,13,33,39,51,79].
Przedstawione na rys. 9.3 9.11 wyniki wykazują, że wzrost okresu opóźnienia
samozapłonu i spalania oraz zmniejszanie w niewielkim zakresie pochodnej liczby cetanowej,
powodują obniżenie stężenia węglowodorów oraz sadzy w spalinach. W przypadku stężenia
tlenków azotu zwiększanie okresu opóźnienia samozapłonu powoduje nieznaczny jego
przyrost. Większy wpływ na przyrost stężenia tlenków azotu ma wzrost okresu opóźnienia
spalania oraz obniżanie wartość pochodnej liczby cetanowej.
Zaprezentowane wyniki potwierdzają założoną tezę pomocniczą, że dobór paliw do
silników o ZS, uwzględniający kryterium emisyjności, może być realizowany na podstawie
ich właściwości samozapłonowych i wartości pochodnej liczby cetanowej.
9.4. KRYTERIA ZWIĄZANE Z PARAMETRAMI OPERACYJNYMI SILNIKA
Przyjęcie adekwatnych kryteriów związanych z parametrami operacyjnymi silnika
dokonano na podstawie najbardziej znaczących wskaźników, określając moc, sprawność
ogólną i jednostkowe zużycie paliwa na zasadzie porównawczej, odnosząc się do wartości
opałowej testowanych paliw. Badania przeprowadzono na silniku SB3.1/CR. Wyniki
przedstawiono odpowiednio dla mocy efektywnej i sprawności ogólnej na rys. 9.12 9.17,
natomiast dla jednostkowego zużycia paliwa w podrozdziale 7.3 (rys. 7.16, 7.18 i 7.20).
14
Ne [kW]
12
10
8
6
60 MPa
4
80 MPa
2
100 MPa
Wd [kJ/kg]
0
43037
41956
41581
41466
40516
39981
37417
ONH
B20
ONHB15E5
OR20
OR40
B50
B100
Rys. 9.12. Wpływ wartości opałowej paliwa Wd na moc efektywną silnika Ne dla czasu
wtrysku wynoszącego 1800 μs
128
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
40
35
ηe [%]
30
25
20
15
60 MPa
10
80 MPa
100 MPa
5
Wd [kJ/kg]
0
43037
41956
41581
41466
40516
39981
37417
ONH
B20
ONHB15E5
OR20
OR40
B50
B100
Rys. 9.13. Wpływ wartości opałowej paliwa Wd na sprawność ogólną silnika ηe dla
czasu wtrysku wynoszącego 1800 μs
16
15
Ne [kW]
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
60 MPa
4
80 MPa
3
100 MPa
2
Wd [kJ/kg]
1
0
43037
41956
41581
41466
40516
39981
37417
ONH
B20
ONHB15E5
OR20
OR40
B50
B100
129
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
40
ηe [%]
35
30
25
20
15
60 MPa
10
80 MPa
100 MPa
5
Wd [kJ/kg]
0
43037
41956
41581
41466
40516
39981
37417
ONH
B20
ONHB15E5
OR20
OR40
B50
B100
18
Ne [kW]
16
14
12
10
8
60 MPa
6
80 MPa
4
100 MPa
2
Wd [kJ/kg]
0
43037
41956
41581
41466
40516
39981
37417
ONH
B20
ONHB15E5
OR20
OR40
B50
B100
130
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
40
ηe [%]
35
30
25
20
15
60 MPa
10
80 MPa
100 MPa
5
Wd [kJ/kg]
0
43037
41956
41581
41466
40516
39981
37417
ONH
B20
ONHB15E5
OR20
OR40
B50
B100
Wartość opałowa określa ilość energii zawartej w paliwie, która może służyć do
prognozowania zużycia paliwa, osiąganej mocy przez jednostkę napędową, jej sprawności
oraz ilości emitowanych gazów spalinowych [3,8,28,33,50,54,71,72,79]. Dlatego też
przedstawione na rys. 9.12 9.17 zależności mocy oraz sprawności ogólnej odniesiono do
wartości opałowej paliwa. Wyniki zaprezentowano dla trzech wartości ciśnień wtrysku
i trzech czasów wtrysku. Uzyskane wyniki dowodzą, że wartość opałowa ma znaczący
wpływ na moc silnika, która we wszystkich przedstawionych przypadkach obniża się w miarę
zmniejszania wartości tego parametru paliwa. Jednocześnie wzrasta odpowiednio
jednostkowe zużycie paliwa, co obrazują rys. 7.16, 7.18 i 7.20. Z kolei, w przypadku
sprawności ogólnej zaobserwowano, że dla ciśnienia wtrysku 60 MPa oraz dla wszystkich
przyjętych czasów wtrysku, spadek wartości opałowej powodował obniżenie tej sprawności.
Natomiast przy wyższych ciśnieniach wtrysku (80 oraz 100 MPa) zarejestrowano nieznaczny
przyrost sprawności. Niektóre publikacje sygnalizują, że ten niewielki przyrost może wynikać
ze zmniejszenia strat energii na tarcie, związane z lepszymi właściwościami smarnymi paliw
[3,39]. W rozpatrywanym przypadku to stwierdzenie może mieć potwierdzenie, gdyż paliwo
cechujące się najwyższą wartością opałową (ONH) miało najniższą smarność w odniesieniu
do pozostałych testowanych paliw.
Podsumowując należy stwierdzić, że kryterium związane z parametrami operacyjnymi
silnika powinno stanowić niezbędną weryfikację końcową w doborze paliw do silników
o ZS, w tym do środków napędowych wykorzystywanych w komunikacji miejskiej.
131
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
10. WNIOSKI KOŃCOWE
W komunikacji miejskiej coraz powszechniej wprowadza się do zasilania jednostek
napędowych autobusów miejskich paliwa alternatywne, którymi są najczęściej produkty
ciekłe pochodzenia roślinnego, zwane biopaliwami lub biodieslem, jak również z innych
źródeł, np. powstałe w wyniku przetworzenia różnego typu odpadów, a także paliwa gazowe.
Właściwości każdego paliwa zastępczego, jego zastosowanie i porównanie w prowadzonych
badaniach i analizach, zawsze odnoszą się do oleju napędowego.
Problematyka niniejszej rozprawy dotyczy wyznaczenia kryteriów doboru paliw do
specyfiki napędów wykorzystywanych w komunikacji miejskiej. W tym celu przeprowadzono
szereg badań związanych z wyznaczeniem właściwości fizykochemicznych paliw,
eksperymentalnych na silniku oraz wizualizacyjnych. W wyniku tak przyjętej koncepcji
realizacyjnej sformułowane cele dysertacji zostały w pełni osiągnięte. Również założone tezy
rozprawy zostały potwierdzone w analizie teoretycznej oraz w badaniach doświadczalnych.
Przedstawiona w rozdziałach 2 4 analiza dostępnych publikacji i opracowań
literaturowych, dotycząca środków napędu wykorzystywanych w komunikacji miejskiej,
metod oceny procesu rozpylania paliw, a także wymagań dla paliw do środków
transportowych, pozwoliła na wytypowanie kryteriów, względem których może być
prowadzony dobór paliw do poprawnej eksploatacji autobusów.
Uzyskanie zamierzonych celów było możliwe dzięki przeprowadzonym badaniom
doświadczalnym, polegającym na określeniu właściwości fizykochemicznych paliw
i następnie przetestowaniu ich na stanowisku silnikowym według założonego programu.
Ponadto, wykonano stanowiskowe badania wizualizacyjne zgodnie z założeniami i punktami
pomiarowymi odpowiadającymi tym, które realizowano na stanowisku silnikowym, celem
wyznaczenia geometrii strugi rozpylanego paliwa. Wyniki tak przeprowadzonych
kompleksowych badań eksperymentalnych wykorzystano do określenia niezbędnych
kryteriów odnośnie doboru paliw do specyfiki napędów stosowanych w autobusach
miejskich.
10.1. WNIOSKI O CHARAKTERZE POZNAWCZYM
Realizacja tematyki rozprawy oraz analiza uzyskanych wyników niezbędnych
obliczeń i szerokiego zakresu badań eksperymentalnych pozwala na sformułowanie
następujących wniosków o charakterze uogólnionym i poznawczym:
określenie właściwości fizykochemicznych paliw przyjętych do analizy pozwoliło na
określenie ich przydatności odnośnie wymagań normatywnych (PN-EN 14078, PNEN 590 oraz Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 9 grudnia 2008 r. w sprawie
wymagań jakościowych dla paliw ciekłych),
realizacja badań na stanowisku z komorą wizualizacyjną, które prowadzono dla
parametrów wtrysku (ciśnienie, czas wtrysku) przyjętych w badaniach silnikowych,
pozwoliła na opracowanie kryterium związanego z geometrią strugi rozpylanego
paliwa (wyznaczenie zasięgu oraz kąta wierzchołkowego strugi).
przeprowadzone badania silnikowe umożliwiły określenie kryteriów związanych
z emisyjnością oraz parametrami operacyjnymi silnika, w których testowane paliwa
odnoszono do oleju napędowego (ONH),
udowodniono przyjętą główną tezę rozprawy, że „dobór paliw do specyfiki napędów
wykorzystywanych w komunikacji miejskiej w wystarczającym stopniu może być
prowadzony w oparciu o następujące kryteria: wymagania normatywne dla paliw,
132
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
geometrię strugi rozpylanego paliwa, emisyjność i parametry operacyjne silnika”,
potwierdzono tezę pomocniczą, że „dobór paliw do silników o ZS uwzględniający
kryterium emisyjności, może być prowadzony na podstawie ich właściwości
samozapłonowych i wartości pochodnej liczby cetanowej”.
Poza twierdzeniami natury ogólnej przeprowadzone badania pozwoliły określić
również wnioski bardziej szczegółowe, a mianowicie:
spośród paliw wytypowanych do badań silnikowych, dla których zostały określone
właściwości fizykochemiczne, paliwo ONHB15E5 nie spełniło dwóch parametrów
(temperatura zapłonu, DCN) określonych w wymaganiach dla paliw, dwóch
parametrów nie spełniło również paliwo OR40 (lepkość kinematyczna, skład
frakcyjny) oraz OR20 jednego parametru (DCN); dodatkowo, według przyjętej
metodyki badań smarności paliw (rozdział 6), paliwo ONHB15E5 nie spełniło tego
kryterium, gdyż uzyskana wartość siły obciążenia zacierającego dla tego paliwa była
mniejsza niż dla oleju napędowego stanowiącego paliwo bazowe,
ważnym parametrem paliw jest ich lepkość, która ma znaczący wpływ na proces
rozpylania paliwa, a tym samym na przebieg procesu spalania; wśród paliw
poddanych testom silnikowym OR40 nie spełniło wymagań normatywnych (lepkość
wynosi 7,8408 mm²/s),
dla paliwa OR40, przy najniższym przyjętym w badaniach ciśnieniu wtrysku
wynoszącym 60 MPa, odnotowano najmniejsze w odniesieniu do pozostałych paliw
wartości mocy oraz momentu obrotowego, natomiast przy najwyższym przyjętym
ciśnieniu wtrysku wynoszącym 100 MPa, parametry te uzyskały wartości jedne
z najwyższych (spowodowane to było przede wszystkim lepszym rozpyleniem tego paliwa),
jednym z kryteriów oceny smarności paliw jest trwałość smarowej warstwy
granicznej, która jest tym mniejsza, im mniejsza jest wartość siły obciążenia
zacierającego; przeprowadzone badania porównawcze smarności testowanych paliw
wykazały, że paliwa pochodzenia roślinnego odznaczają się lepszą zdolnością do
tworzenia trwałej smarowej warstwy granicznej w obrębie testowego węzła tarcia, co
wynika głównie z ich większej lepkości,
dodatek biokomponentów spowodował obniżenie wartości opałowych badanych paliw
(rys. 6.22) w odniesieniu do oleju napędowego (ONH), co skutkowało obniżeniem
mocy efektywnej silnika i jednoczesnym wzrostem jednostkowego zużycia paliwa we
wszystkich punktach pomiarowych (aby zrównoważyć energetycznie dawki paliwa
w relacji do oleju napędowego wymagana jest korekta czasu wtrysku),
zaprezentowane na rys. 9.3 9.11 wyniki wykazują, że wzrost okresu opóźnienia
samozapłonu i spalania oraz zmniejszenie w niewielkim zakresie pochodnej liczby
cetanowej powodują obniżenie stężenia węglowodorów HC oraz sadzy w spalinach;
w przypadku stężenia tlenków azotu NOx zwiększanie okresu opóźnienia samozapłonu
powoduje nieznaczny ich przyrost (większy wpływ na zwiększenie stężenia tlenków
azotu ma wzrost okresu opóźnienia spalania oraz obniżanie wartość pochodnej liczby
cetanowej),
uzyskane wartości kątów wierzchołkowych oraz zasięgów strug dla paliw ONH,
B100, B20, OR20, które testowano na silniku, można w przybliżeniu przyjąć za
spełniające kryterium związane z geometrią strugi rozpylanego paliwa (jako
uzasadnienie spełnienia tych wymagań posłużono się wynikami badań emisyjności dla
tych paliw w odniesieniu do oleju napędowego ONH; paliwa B100, B20 oraz OR20
osiągnęły mniejsze stężenie węglowodorów oraz sadzy, natomiast stężenie tlenków
azotu było na zbliżonym poziomie).
133
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
10.2. WNIOSKI O CHARAKTERZE UTYLITARNYM
Rezultaty wynikające z opracowania problematyki rozprawy pozwalają również na
sformułowanie wniosków o charakterze aplikacyjnym:
opracowane kryteria mogą posłużyć w doborze paliw do wymaganej specyfiki
napędów wykorzystywanych w autobusach miejskich, jak również mogą być
przydatne na etapie projektowania nowych systemów zasilania,
wyniki badań fizykochemicznych mogą być przydatne do komponowania mieszanin
paliw o poszukiwanych właściwościach,
wiedza o wybranych parametrach różnych paliw zastępczych, jak również ich
mieszanin, może być wykorzystana do konfigurowania elementów aparatury
paliwowej w aspekcie parametrów geometrycznych i materiałowych,
wyniki badań uzyskane w czasie prób na hamowni silnikowej i skorelowane
z badaniami wizualizacyjnymi pozwalają na zoptymalizowanie, przy wybranych
kryteriach (np. maksymalizacja mocy, minimalizacja emisji toksycznych składników
spalin), parametrów makro- i mikrostruktury strugi wtryskiwanego paliwa.
10.3. WNIOSKI O CHARAKTERZE ROZWOJOWYM
Uzyskany w wyniku zrealizowania niniejszej rozprawy bogaty materiał badawczy,
zarówno w zakresie teoretycznym jak i eksperymentalnym, wzbogacił niewątpliwie wiedzę
o elementy poznawcze i szczegółowe w zakresie tematu. Powinno się mieć świadomość, że
rozpatrywana problematyka jest niezwykle trudna i jest w nieustannej fazie rozwoju.
Kontynuacja dalszych prac w najbliższym czasie powinna obejmować:
badania modelowe ukierunkowane na optymalizowanie parametrów związanych
z rozpylaniem oraz spalaniem paliw w oparciu o kryteria związane z parametrami
operacyjnymi silnika i jego emisyjnością,
rozszerzenie badań wizualizacyjnych w celu określenia parametrów mikrostruktury
rozpylanych paliw,
identyfikację przebiegów procesów wtrysku oraz spalania ładunku poprzez
wizualizację zachodzących zjawisk w cylindrze silnika,
określenie okresu opóźnienia samozapłonu oraz spalania dla różnych testowanych
paliw na podstawie zarejestrowanych przebiegów szybkozmiennych w silniku celem
określenia wpływu tych parametrów na emisyjność silnika,
przeprowadzenie badań eksploatacyjnych na obiektach rzeczywistych (autobusy
komunikacji miejskiej) z uwzględnieniem opracowanych kryteriów.
Perspektywiczne kierunki badań teoretycznych i doświadczalnych są zasadne ze
względu na możliwości ich zastosowania do bezpośredniego wdrożenia w przemyśle
motoryzacyjnym, a w szczególności dotyczącym środków transportu miejskiego.
Zastosowanie paliw alternatywnych w spalinowych środkach napędu, w tym szczególnie
pochodzących ze źródeł odnawialnych, staje się perspektywiczną koniecznością.
134
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
Arcoumanis C., Kamimoto T.: Flow and combustion in reciprocating engines. Springer,
Berlin 2009.
Baczewski K., Biernat K., Machel M.: Leksykon – samochodowe paliwa, oleje i smary.
WKŁ, Warszawa 1993.
Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym. WKŁ,
Warszawa 2008.
Balawender K., Lejda K., Ustrzycki A.: Stanowisko badawcze wtryskowych układów
Common Rail zasilanych paliwami różnego typu. Międzynarodowa Konferencja
Naukowa w Kijowie, BICHИK №23, s. 37-43, Kijów 2011.
Balawender K.: Wpływ wybranych parametrów regulacyjnych procesu wtrysku na
emisję cząstek stałych w silniku wysokoprężnym typu DI. Rozprawa doktorska.
Rzeszów 2007.
Biernat K.: Biopaliwa – definicje i wymagania obowiązujące w Unii Europejskiej.
Czysta Energia, nr 10/2010, str. 25-28.
Bocheński C. I., Kruczyński S. W., Orliński R., Ślęzak M.: Wpływ zastosowania
biopaliw na właściwości eksploatacyjne silników spalinowych. Zeszyty Naukowe
Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej, nr 3/2007.
Bocheński C. I.: Biodiesel. Paliwo rolnicze. Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2003.
Bocheński C., Jankowski A., Sandel A., Siemińska-Jankowska B.: Investigation of the
fuel spray atomization spectrum in Common-Rail system for diesel engines. Journal of
KONES-Combustion Engines, Warszawa-Gdańsk, Vol. 9, No. 1-2, 2002, s. 311-322.
Bocheński C., Bocheńska A., Oleszczak P.: The appraisal of the combustion process in
the research chamber for the rapeseed oil and gasoline mixtures. Journal of KONESPowertrain and Transport, Vol. 15, No. 4/2008, s. 41-47.
Chłopek Z.: Tendencje rozwojowe w napędach autobusów miejskich. EiN, nr 1/2006,
s. 3-9.
Das L.M.: Hydrogen engines: a view of the past and a look into the future. International
Journal of Hydrogen Energy 1990.
Demirbas A.: Biodiesel. A Realistic fuel alternative for diesel engines. Springer,
London 2008.
Demirbas A.: Progress and recent trends in biofuels. Progress in Energy and
Combustion Science. 33, 2007, s. 1-18.
Dudek S.: Możliwości zastosowania skroplonego gazu ziemnego LNG jako paliwa
silnikowego. Materiały VI Międzynarodowej Konferencji Naukowej-Silniki gazowe
2003, Częstochowa-Szczyrk 2003 (Zeszyty Naukowe Politechniki Częstochowskiej,
nr 155, Mechanika 25).
Flekiewicz M.: Systemy zasilania paliwem gazowym w samochodach ciężarowych
i autobusach. Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji, nr 66, 1999, s.37-40.
Gis W., Menes E., Waśkiewicz J.: The analysis of the potential for the use of gaseous
fuels in the municipal bus transport in Poland – part 1. Combustion Engines, Nr 1/2012
(148), s. 82-88.
Gis W., Menes E., Waśkiewicz J.: The analysis of the potential for the use of gaseous
fuels in the municipal bus transport in Poland – part 2. Combustion Engines, Nr 3/2012
(150), s. 17-26.
Górska K., Górski W.: Napędy lotnicze. Materiały pędne i smary. WKŁ, Warszawa
1986.
135
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
[20] Gwo-Hshiung Tzeng, Cheng-Wei Lin, Serafim Opricovic: Multi-criteria analysis of
alternative-fuel buses for public transportation. Energy Policy, Vol. 33, 2005, s. 13731383.
[21] Hiroyasu H., Arai M.: Structures of Fuel Sprays In Diesel Engines. SAE Transactions
1990.
[22] Idzior M., Lijewski P.: Possibilities of description of spraying fuel quality with CI
engines injectors with investigation method of the stream parameters of atomizing fuel.
Journal of KONES-Combustion Engines, Warszawa-Gdańsk, Vol. 9, No. 3-4, 2002,
s. 104-112.
[23] Jakubowski M.: Parametry operacyjne i ekologiczne silnika wysokoprężnego zasilanego
paliwem pochodzącym z opon. Rozprawa doktorska, Rzeszów 2012.
[24] Janiszewski T., Mavrantzas S.: Elektroniczne układy wtryskowe silników
wysokoprężnych. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2001.
[25] Jastrzębska G.: Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne. Wydawnictwo
Naukowo-Techniczne. Warszawa 2009.
[26] Jaworski A., Kuszewski H., Lew K., Ustrzycki A.: Ocena przydatności paliw
zastępczych do silników o ZS autobusów miejskich na podstawie wybranych
parametrów wtrysku. Systemy i Środki Transportu Samochodowego. Monografia pod
redakcją naukową Kazimierza Lejdy, TRANSPORT’12, Nr 3, s. 143-148, Rzeszów
2012.
[27] Jaworski A., Kuszewski H., Ustrzycki A.: Badanie zasięgu strugi oleju napędowego
i wybranych paliw zastępczych. Prace Zachodniego Centrum Akademii Transportu
Ukrainy, Żurnal nr 20, s. 274-279, Lwów 2012.
[28] Jaworski A., Kuszewski H., Ustrzycki A.: Wpływ biododatków na parametry
energetyczne paliw stosowanych w spalinowych napędach środków transportu.
Międzynarodowa Konferencja Naukowa w Kijowie, BICHИK №23, s. 95-100, Kijów
2011.
[29] Jęczmionek Ł. i inni: Biopaliwa drugiej generacji. Przemysł chemiczny 85/12, 2006,
s. 1570-1574.
[30] Kabat M., Sobański R.: Wodór – perspektywiczny nośnik energii, Gospodarka
Paliwami i Energią, nr 3, 1998.
[31] Kneba Z., Makowski S.: Zasilanie i sterowanie silników. Wydawnictwo Komunikacji
i Łączności, Warszawa 2004.
[32] Koo J., Martin J.K.: Comparisons of Measured Drop Sizes and Velocities in a Transient
Fuel Spray with Stability Criteria and Computed PDF’s. SAE Transactions 1991.
[33] Koszałka G., Hunicz J, Kordos P.: Porównanie własności użytkowych i ekologicznych
silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego olejem napędowym i bioestrem. MOTROL
2009, s. 86-94.
[34] Kowalewicz A.: Systemy spalania szybkoobrotowych tłokowych silników spalinowych.
Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1990.
[35] Kuszewski H.: Wpływ zmiennych przekrojów wylotowych wtryskiwacza z obrotową
iglicą na rozpylanie oleju napędowego. Rozprawa doktorska, Kraków 2002.
[36] Kuszewski H., Jaworski A., Ustrzycki A.: Badania właściwości samozapłonowych
mieszanin oleju rzepakowego i napędowego. Międzynarodowa Konferencja Naukowa
w Kijowie, BICHИK №27, s. 169-174, Kijów 2013.
[37] Kuszewski H., Lejda K., Lew K.: Wpływ temperatury na smarność wybranych paliw
zastępczych stosowanych w transporcie samochodowym. Systemy i Środki Transportu
Samochodowego. Monografia pod redakcją naukową Kazimierza Lejdy,
TRANSPORT’13, Nr 4, s. 55-68, Rzeszów 2013.
136
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
[38] Kuszewski H., Lejda K., Szlachta Z.: Analiza parametrów strugi paliw o różnych
lepkościach rozpylonych przez wtryskiwacz klasyczny i z obrotowo-zwrotnym ruchem
iglicy. Silniki Spalinowe, Nr 2/2004 (119).
[39] Lapuerta M., Armas O., Rodriguez-Fernandez J.: Effect of biodiesel fuels on diesel engine
emissions. Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 34, 2008, s. 198-223.
[40] Lejda K.: Selected problems of fuel supply in high-speed Diesel engines. Published by
Meta” Lvov (pp. 225), ISBN 966-7947-11-2, Lvov 2004.
[41] Lejda K., Balawender K., Jaworski A., Kuszewski H., Ustrzycki A., Woś P.:
Sprawozdanie z projektu badawczego własnego nr N N509 256637 nt. Analiza
determinantów dokładności procesu wtrysku paliwa w wysokociśnieniowych systemach
zasilania spalinowych napędów środków transportu. Rzeszów 2012.
[42] Lejda K., Lew K.: Charakterystyka czynników determinujących parametry rozpylenia
paliwa w silnikach wysokoprężnych. Prace Zachodniego Centrum Akademii Transportu
Ukrainy, Żurnal nr 16, Lwów 2009.
[43] Lejda K., Lew K.: Tendencje rozwojowe aparatury wtryskowej silników
wysokoprężnych. Prace Zachodniego Centrum Akademii Transportu Ukrainy, Żurnal
nr 15, Lwów 2008.
[44] Lejda K., Lew K.: Wpływ rozpylenia paliwa na proces spalania we współczesnych
silnikach wysokoprężnych. Międzynarodowa Konferencja Naukowa w Kijowie,
BICHИK №16, s. 78-83, Kijów 2008.
[45] Lejda K., Lew K.: Wpływ wybranych parametrów wtrysku na jakość rozpylenia paliw
ciekłych do zasilania silników o ZS. Międzynarodowa Konferencja Naukowa
w Kijowie, BICHИK №23, s. 147-154, Kijów 2011.
[46] Lejda K., Lew K.: Źródła napędu i paliwa możliwe do zastosowania w autobusach
komunikacji miejskiej. Materiały IV Międzynarodowej Konferencji „Probliemi
Chimmotologij”, Odessa, wrzesień 2012.
[47] Lejda K., Lew K., Jakubowski M.: Badania symulacyjne możliwości zastosowania
paliw alternatywnych do zasilania jednostek napędowych w komunikacji miejskiej.
Monografia pod redakcją naukową Kazimierza Lejdy, TRANSPORT’11, Nr 2.
Rzeszów 2011.
[48] Lejda K., Ustrzycki A.: Skomputeryzowane stanowisko badawcze do analizy przebiegu
wtrysku w aparaturze wtryskowej silników wysokoprężnych. Mat. III Sympozjum
Naukowego nt. „Automatyzacja pracy silników spalinowych – Automasil’96”, Politechnika
Poznańska, Poznań 1996.
[49] Lotko W.: Studium zastosowań paliw alternatywnych do silników o zapłonie
samoczynnym. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom 2001.
[50] Lotko W.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami węglowodorowymi
i roślinnymi. Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa 1997.
[51] Merkisz J., Kozak M., Pielecha J., Andrzejewski M.: The influence of application of
different diesel fuel-RME blends on PM emissions from a diesel engine. Combustion
Engines, Nr 1/2012 (148), s. 35-39.
[52] Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo Politechniki
Poznańskiej, Poznań 2006.
[53] Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne paliwa i układy napędowe pojazdów.
Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004.
[54] Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych. Tom II, Wydawnictwo Politechniki
Poznańskiej, Poznań 1999.
[55] Muskała P.: Kierunki rozwoju komunikacji miejskiej. Samochody Specjalne.
Nr 9/2013, s. 22-26.
137
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
[56] Mysłowski J.: Zanieczyszczenie powietrza przez pojazdy samochodowe. Wydawnictwo
Komunikacji i Łączności, Warszawa 2011.
[57] Nowe technologie wytwarzania biokomponentów i biopaliw pierwszej i drugiej
generacji, Instytut Paliwa i Energii Odnawialnej, Polska Platforma Technologiczna
Biopaliw i Biokomponentów. Dostępne online: http://www.pptbib.pl/aktualnosci/
[58] Ochęduszko S.: Termodynamika stosowana. WNT, Warszawa 1974.
[59] Orzechowski Z., Prywer J.: Rozpylanie cieczy w urządzeniach energetycznych.
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1994.
[60] Orzechowski Z., Prywer J.: Wytwarzanie i zastosowanie rozpylonej cieczy.
[61] Pfeil J., Velji A., Spicher U.: High speed photography – possibilities and barriers.
Combustion Engines, Nr 4/2010 (143), s. 15-22.
[62] Prochowski L., Żuchowski A.: Samochody ciężarowe i autobusy. Wydawnictwo
[63] Romaniszyn K.M.: Alternatywne zasilanie samochodów benzyną oraz gazami LPG
i CNG. Badania porównawcze dynamiki rozpędzania i emisji spalin. Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007.
[64] Rutkowski M.: Polskie silniki i pojazdy wodorowe. Przem. Chem. 2005.
[65] Rychter T., Teodorczyk A.: Teoria silników tłokowych. Wydawnictwo Komunikacji
i Łączności, Warszawa 2006.
[66] Sinbeck D., Chang E.: Hydrogen Supply: Cost Estimate for Hydrogen Pathways, US.
Dep. of Energy Report, July 2002.
[67] Sitnik L.J.: Ekopaliwa silnikowe. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,
Wrocław 2004.
[68] Soo-Young No: Inedible vegetable oils and their derivatives for alternative diesel fuels
in CI engines. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, s. 131-149.
[69] Surygała J.: Wodór jako paliwo. WNT, Warszawa 2008.
[70] Szczerek M., Tuszyński W.: Badania tribologiczne – zacieranie. Wydawnictwo Instytutu
Technologii Eksploatacji, Radom 2000.
[71] Szlachta Z.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi. Wydawnictwa
[72] Uzdowski M.: Problematyka wykorzystania paliw alternatywnych do zasilania silników
trakcyjnych. MOTROL 2008, s. 143-146.
[73] Wajand J.A., Wajand J.T.: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe.
[74] Wandrasz J.W., Wandrasz A.J.: Paliwa formowane. Biopaliwa i paliwa z odpadów
w procesach termicznych. Wydawnictwo „Seidel-Przywecki” Sp. z o.o., Warszawa
2006.
[75] Wiślicki B.: Eksploatacja silników Diesla w aspektach ochrony środowiska w Polsce.
Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji, nr 73/2000, s. 34-38.
[76] Wisłocki K., Pielecha I., Czajka J., Maslennikov D.: The qualitative spray analysis of
liquid fuel in high-pressure piezoelectric injection system. Combustion Engines,
Nr 4/2010 (143), s. 31-44.
[77] Wisłocki K.: Studium wykorzystania badań optycznych do analizy procesów wtrysku
i spalania w silnikach o zapłonie samoczynnym. Rozprawa nr 387, Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004.
[78] Worldwide Fuel Charter, September 2006.
[79] Woś P.: Wpływ przebiegu wtrysku paliwa w silniku wysokoprężnym na spalanie
i emisję NOx. Oficyna wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2008.
138
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
[80] Yamazaki N., Miyamoto N., Murayama T.: The Effects of Flash Boiling Fuel Injection
on Spray Characteristics, Combustion and Engine Performance in DI and IDI Diesel
Engines. SAE Transactions 1985.
[81] Zabaniotou A., Ioannidou O., Skoulou V.: Rapeseed residues utilization for energy and
2nd generation biofuels. Fuel, 87, 2008, s. 1492-1502.
[82] Zabłocki M.: Wtrysk i spalanie paliwa w silnikach wysokoprężnych. Wydawnictwo
[83] Zając M.: Układy przeniesienia napędu samochodów ciężarowych i autobusów.
Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2003.
[84] Zator S.: Możliwości i perspektywy laserowych przepływomierzy dopplerowskich.
Pomiary, Automatyka, Kontrola, Nr 4/2005.
[85] Dyrektywa 2009/28/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 kwietnia 2009 r.
w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca
i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE.
[86] Dyrektywa 2009/30/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 kwietnia 2009 r.
zmieniająca dyrektywę 98/70/WE odnoszącą się do specyfikacji benzyny i olejów
napędowych oraz wprowadzającą mechanizm monitorowania i ograniczania emisji
gazów cieplarnianych oraz zmieniającą dyrektywę Rady 1999/32/WE odnoszącą się do
specyfikacji paliw wykorzystywanych przez statki żeglugi śródlądowej oraz uchylająca
dyrektywę 93/12/EWG.
[87] Informatory Techniczne Bosch, lata 2005-2009.
[88] Instrukcja obsługi aparatu OptiDist.
[89] Instrukcja obsługi AVL Micro soot sensor. Graz-Austria 2012.
[90] Instrukcja obsługi kalorymetru IKA C200.
[91] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 9 grudnia 2008 r. w sprawie wymagań
jakościowych dla paliw ciekłych.
[92] Rynek Polskiej Nafty i Gazu, Raport Instytutu Nafty i Gazu w Krakowie, nr 6/2011.
[93] Strategia rozwoju energetyki odnawialnej. Ministerstwo Środowiska 2000.
[94] UITP 2004: SORT - Standardised On-Road Test Cycles. UITP - International
Association of Public Transport, Brussels 2004.
[95] UITP 2009: UITP Project ‘SORT’ Standardised On-Road Test Cycles. UITP International Association of Public Transport, Brussels 2009.
[96] Ustawa z dnia 25 sierpnia 2006 r. o biokomponentach i biopaliwach ciekłych.
[97] Ustawa z dnia 27 maja 2011 r. o zmianie ustawy o systemie monitorowania
i kontrolowania jakości paliw oraz niektórych innych ustaw.
[98] PN-EN 116:2001 „Oleje napędowe i oleje opałowe lekkie. Oznaczanie temperatury
zablokowania zimnego filtru".
[99] PN-EN 12662:2009 „Ciekłe przetwory naftowe. Oznaczanie zanieczyszczeń w średnich
destylatach".
[100] PN-EN 14078:2011 „Ciekłe przetwory naftowe. Oznaczanie estrów metylowych kwasów
tłuszczowych (FAME) w średnich destylatach. Metoda spektroskopii w podczerwieni”.
[101] PN-EN 14214:2012 „Paliwa do pojazdów samochodowych. Estry metylowe kwasów
tłuszczowych (FAME) do silników o zapłonie samoczynnym (Diesla). Wymagania i metody
badań”.
[102] PN-EN 15195:2009 „Ciekłe przetwory naftowe. Oznaczanie opóźnienia zapłonu i pochodnej
liczby cetanowej (DCN) paliw ze średnich destylatów przez ich spalanie w komorze o stałej
objętości”.
[103] PN-EN 589:2006 „Paliwa do pojazdów samochodowych – LPG – Wymagania i metody
badań”.
139
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
[104] PN-EN 590:2011 „Paliwa do pojazdów samochodowych. Oleje napędowe. Wymagania
i metody badań”.
[105] PN-EN ISO 1160:2008 „Instalacje i urządzenia do skroplonego gazu ziemnego –
Ogólna charakterystyka skroplonego gazu ziemnego”.
[106] PN-EN ISO 12156-1:2008 „Oleje napędowe. Ocena smarności z zastosowaniem
aparatu o ruchu posuwisto-zwrotnym wysokiej częstotliwości (HFRR). Część 1:
Metoda badania”.
[107] PN-EN ISO 12185:2002 „Ropa naftowa i przetwory naftowe. Oznaczanie gęstości. Metoda
oscylacyjna z U- rurką”.
[108] PN-EN ISO 12937:2005 „Przetwory naftowe. Oznaczanie wody. Miareczkowanie
kulometryczne metodą Karla Fischera”.
[109] PN-EN ISO 15403:2007 „Gaz ziemny - określanie jakości gazu ziemnego stosowanego
jako sprężone paliwo do pojazdów”.
[110] PN-EN ISO 2719:2007 „Oznaczanie temperatury zapłonu. Metoda zamkniętego tygla
Pensky’ego Martensa”.
[111] PN-EN ISO 3104:2004 „Przetwory naftowe. Ciecze przezroczyste i nieprzezroczyste.
Oznaczanie lepkości kinematycznej i obliczanie lepkości dynamicznej".
[112] PN-EN ISO 3405:2012 „Przetwory naftowe. Oznaczanie składu frakcyjnego metodą
destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym”.
[113] PN-EN ISO 4259:2009 „Przetwory naftowe - Wyznaczanie i stosowanie precyzji metod
badania”.
[114] PN-ISO 4406:2005 „Napędy i sterowania hydrauliczne. Ciecze robocze. Metoda
kodowania poziomu zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych".
[115] Strony internetowe z zakresu paliw węglowodorowych i alternatywnych w aplikacjach
środków transportu.
140
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Tytuł: OPRACOWANIE KRYTERIÓW DOBORU PALIW DO SPECYFIKI NAPĘDÓW
WYKORZYSTYWANYCH W KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ
STRESZCZENIE
Tematyka rozprawy dotyczy paliw zastępczych, które jako alternatywne dla paliw
ropopochodnych mogłyby stanowić źródło napędu w autobusach miejskich. Paliwami tymi są
najczęściej produkty ciekłe pochodzenia roślinnego, zwane biopaliwami lub biodieslem, jak również
wytworzone z innych źródeł, np. powstałe w wyniku przetworzenia różnego typu odpadów, a także
paliwa gazowe. Właściwości paliw zastępczych, możliwych do zastosowania w silnikach o ZS,
najczęściej porównuje się z olejem napędowym.
Celem pracy było opracowanie kryteriów doboru paliw do specyfiki napędów
wykorzystywanych w komunikacji miejskiej. Rozpoznanie tematu dokonano na podstawie studium
dostępnego materiału opublikowanego oraz badań własnych i konsultacji w przedsiębiorstwach
przewozowych, dzięki czemu sformułowano tezy rozprawy. Uznano, że dobór paliw do napędów
wykorzystywanych w komunikacji miejskiej w wystarczającym stopniu może być prowadzony
w oparciu o następujące kryteria: wymagania normatywne dla paliw, geometrię strugi rozpylonego
paliwa, emisyjność i parametry operacyjne silnika. Ponadto założono, że dobór paliw do silników
o ZS, uwzględniający kryterium emisyjności, może być realizowany na podstawie ich właściwości
samozapłonowych i wartości pochodnej liczby cetanowej.
Weryfikację założonych tez zrealizowano w trzech etapach badań. W pierwszej kolejności
przeprowadzono szereg badań związanych z wyznaczeniem właściwości fizykochemicznych paliw
wybranych do analizy, które następnie przetestowano na stanowisku silnikowym według założonego
programu. W trzecim etapie wykonano badania wizualizacyjne, zgodnie z założeniami i punktami
pomiarowymi realizowanymi na stanowisku silnikowym. Dodatkowo, dla weryfikacji końcowej,
wyznaczono parametry operacyjne i emisyjne dla trzech rodzajów paliw o wartościach krańcowych.
Wyznaczenie właściwości fizykochemicznych paliw oraz badania eksperymentalne
przeprowadzone na stanowisku silnikowym posłużyły do wyznaczenia kryteriów związanych
z wymaganiami normatywnymi dla paliw, emisyjnością, jak również odnośnie parametrów
operacyjnych silnika. Z kolei badania wizualizacyjne miały przede wszystkim na celu określenie
geometrii strugi rozpylanych paliw na podstawie kąta wierzchołkowego i zasięgu tej strugi. Ta część
badań posłużyła do wyznaczenia kryteriów związanych z geometrią strugi, która stanowi ważny
czynnik w doborze paliw do silników spalinowych o zapłonie samoczynnym.
Uzyskany w wyniku zrealizowania niniejszej rozprawy obszerny materiał badawczy
wzbogacił niewątpliwie wiedzę o elementy poznawcze i szczegółowe w zakresie tematu. Opracowane
kryteria mogą posłużyć w doborze paliw do specyfiki napędów wykorzystywanych w autobusach
miejskich, jak również mogą być przydatne na etapie projektowania nowych systemów zasilania.
Wyniki badań fizykochemicznych mogą być natomiast przydatne do komponowania mieszanin paliw
o poszukiwanych właściwościach. Wyniki uzyskane w czasie prób na hamowni silnikowej oraz badań
wizualizacyjnych pozwalają na zoptymalizowanie, przy wybranych kryteriach (np. maksymalizacja
mocy, minimalizacja emisji toksycznych składników spalin), parametrów wtrysku paliwa.
Powinno się mieć świadomość, że rozpatrywana problematyka jest niezwykle trudna i jest
w nieustannej fazie rozwoju. Stąd też bezsporne pozostaje kontynuowanie prac w niniejszym temacie.
Poznanie dogłębne wszelkich zjawisk i mechanizmów odnośnie wpływu właściwości paliw
zastępczych na wskaźniki użytkowe jednostki napędowej i powstawanie związków toksycznych,
pozwoli na rozszerzenie wiedzy o charakterze naukowym oraz wykorzystanie wyników do
bezpośredniego wdrożenia w przemyśle motoryzacyjnym, a w szczególności dotyczącym środków
transportu miejskiego.
141
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Title: DEVELOPMENT OF CRITERIA OF SELECTION FUELS FOR SPECIFIC DRIVES
USED IN CITY TRANSPORT
SUMMARY
Subject dissertation relates to alternative fuels, which as an alternative to petroleum-based
fuels could be a source of power in city buses. These fuels are mostly liquid products of plant origin,
called biofuels or biodiesel, as well as are derived from other sources, eg. from the processing of
various types of waste and gaseous fuels. Properties of alternative fuels that can be used in diesel
engines, are most often compared with diesel.
The aim of the study was to develop criteria for selection of fuel to the specific drives used in
public transport. The identification of subject was based on the theme study of available material
published and own research and consultation in enterprises of transport, so on that base the dissertation
thesis were formulated. It was considered that the choice of fuels to the specific drives used in public
transport sufficiently can be carried out based on the following criteria: normative requirements for
fuel, the jet fuel spray geometry, emissivity and the engine energy output parameters. In addition, it
was assumed that the selection of fuels for Diesel engines, takes into account the emissivity criterion,
can be implemented based on the properties of self-ignition and derived values of cetane number.
Verification of the adopted theses was realized in three stages of research. In the first step,
a number of studies related to the determination of physical-chemical properties of fuels selected for
analysis have been done; then were tested on the engine test stand according to the established
schedule. In the third stage visualization tests in accordance with assumptions and measuring points
implemented on the engine stand were performed. In addition, for final verification, operating and
emission parameters for the three types of fuels of boundary values have been set.
Determination of physicochemical properties of fuels and experimental research carried out on
an engine were used in the designation criteria related to the normative requirements for fuels
emissivity as well as the energy parameters of the engine. In turn, visualization research were first of
all aimed to determine the geometry of the jet fuel spray based on the angle of the apex and within the
jet. This part of the study was used to determine the criteria related to the geometry of the stream,
which is an important factor in the selection of fuels for internal combustion compression ignition
engines.
Obtained by realization of this dissertation wide range research material undoubtedly enriched
the knowledge of cognitive elements and details regarding the topic. The developed criteria can be
used in the selection of fuels for existing specificities of drives used in city buses, they can also be
useful in the design of new fuel systems. The results of the physicochemical tests can be useful to
formulate mixtures of fuels of seeking properties. The research results obtained during engine and
visualization tests allow for optimizing selected criteria (e.g. maximize power, minimize the toxic
exhaust emissions) of fuel injection parameters.
It should be aware that the present issue is extremely difficult and is under constant
development. Hence the indisputable remains continuing the work on this topic. Understanding
profound of all phenomena and mechanisms of the parameters influence of alternative fuels on utility
indicators of the drive unit and the formation of toxic compounds, will allow the increase knowledge
of the a scientific character and use the results to direct implementation in the automotive industry,
and in particular concerning public transport.
142
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
ZAŁĄCZNIK 1 – WYBRANE
WYNIKI PRZEBIEGÓW SZYBKOZMIENNYCH
ZAREJESTROWANYCH NA SILNIKU BADAWCZYM
Na rys. 7.39 7.53 zaprezentowano wyniki uśrednionych przebiegów szybkozmiennych
ciśnienia w komorze spalania oraz w zasobniku paliwa dla wszystkich przyjętych punktów
pomiarowych zarejestrowanych podczas realizacji badań na stanowisku silnikowym (rozdział 7).
Rys. 7.39. Uśrednione przebiegi ciśnienia w komorze spalania oraz w zasobniku paliwa dla
ciśnienia wtrysku 60 MPa i czasu wtrysku 1800 μs
143
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
144
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
145
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
146
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
147
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
148
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
149
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
150
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
Rys. 7.47. Uśrednione przebiegi ciśnienia w komorze spalania oraz w zasobniku paliwa
dla ciśnienia wtrysku 80 MPa i czasu wtrysku 2400 μs
151
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
152
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
153
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
154
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
155
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
156
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
157
Krzysztof Lew
Rozprawa doktorska
ZAŁĄCZNIK 2 - MATERIAŁ ZDJĘCIOWY Z BADAŃ WIZUALIZACYJNYCH
Materiał zdjęciowy z badań wizualizacyjnych pozostałych paliw (B20, B50, B100,
OR20, OR80), nie ujętych w rozdziale ósmym, zrealizowanych przy ciśnieniu wtrysku 60, 80
i 100 MPa oraz dla dwóch wtryskiwaczy (W189, W219) zaprezentowano na rys. 8.49 8.63.
B20
W189
B20
3°OWP
W219
3°OWP
Rys. 8.49. Widok rozpylenia paliwa B20 (3°OWP od początku wtrysku), przy ciśnieniu
B20
W189
B20
W219
3°OWP
3°OWP
B20
W189
3°OWP
B20
W219
3°OWP
158
Krzysztof Lew
B50
Rozprawa doktorska
W189
B50
3°OWP
W219
3°OWP
B50
W189
B50
3°OWP
W219
3°OWP
B50
W189
3°OWP
B50
W219
3°OWP
159
Krzysztof Lew
B100
Rozprawa doktorska
W189
B100
3°OWP
W219
3°OWP
B100
W189
B100
3°OWP
W219
3°OWP
B100
W189
3°OWP
B100
W219
3°OWP
160
Krzysztof Lew
OR20
Rozprawa doktorska
W189
OR20
3°OWP
W219
3°OWP
OR20
W189
OR20
3°OWP
W219
3°OWP
OR20
W189
3°OWP
OR20
W219
3°OWP
161
Krzysztof Lew
OR80
Rozprawa doktorska
W189
OR80
3°OWP
W219
3°OWP
OR80
W189
OR80
3°OWP
W219
3°OWP
OR80
W189
3°OWP
OR80
W219
3°OWP
162

Show publication content!

Transkrypt

Podobne dokumenty

Wpływ czynników wynikających z jakości paliwa na proces spalania

oferta handlowa - Unimot Express