Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Wysokociśnieniowy wtrysk paliwa gazowego w silniku ZI - problemy zapłonu

Kośmicki T., Bocian P., Rychter T.

Journal of KONES

|

1999

|

Vol. 6, No. 3-4

151-155

PL

Na świecie istnieje wiele konstrukcji silników tłokowych, do których jako paliwo stosuje się różnego rodzaju gazy. Najpopularniejsze z paliw gazowych to mieszanina propanu i butanu oraz metan lub gaz ziemny wysokometanowy. O szerokim zainteresowaniu paliwami gazowymi decydują ich istotne zalety, z których najważniejsze wynikają z uwarunkowań ekonomicznych. Poważną, coraz częściej docenianą zaletą gazowych silników spalinowych, zwłaszcza w przypadku pojazdów miejskiej komunikacji zbiorowej, jest niski poziom emisji toksycznych składników spalin, szczególnie węglowodorów oraz całkowity brak emisji cząstek stałych i sadzy [1]. Cechą wspólną produkowanych obecnie silników zasilanych gazem oraz silników dostosowanych do zasilania gazem w trakcie eksploatacji jest to, że proces tworzenia palnej mieszaniny gaz-powietrze zachodzi w układzie dolotowym, przed wprowadzeniem do cylindrów. Wynika stąd istotna wada tego rodzaju konstrukcji - niewielka gęstość mieszaniny palnej sprawia, że sprawność napełnienia cylindrów jest stosunkowo niska (w stosunku do silników benzynowych niższa o około 10%). Większość z proponowanych obecnie środków wyeliminowania tej niedogodności, na przykład stosowanie wyższych stopni sprężania, niesie ze sobą wiele ujemnych skutków. Z tego powodu bardzo obiecująca wydaje się metoda zasilania polegająca na wtrysku gazu pod wysokim ciśnieniem bezpośrednio do komory spalania. Rozwiązanie takie posiada szereg zalet w stosunku do powszechnie produkowanych obecnie silników zasilanych paliwem ciekłym, natomiast nie ma najistotniejszej wady tradycyjnie zasilanych silników gazowych tj. niskiej sprawności napełnienia cylindrów. Praktyczne stosowanie tej metody napotyka jednak szereg trudności technicznych [2], głównie związanych z wysokociśnieniową aparaturą wtrysku gazu [3] oraz z zapewnieniem odpowiedniego mieszania się gazu palnego z powietrzem w cylindrze i uzyskaniem skutecznego zapłonu. W artykule zaprezentowane zostaną sposoby rozwiązania jednego z powyższych problemów, mianowicie uzyskania pewnego zapłonu w tłokowym silniku badawczym zasilanym przez bezpośredni wtrysk paliwa gazowego do cylindra.

EN

There are many constructions of piston engines supplied by various gas fuels. The most popular of them are LPG (propane-butane mixture), methane and natural gas. The basic advantages of these fuels are connected with economy and environmental protection (no PM and low emission of HC). The common feature of actual engines supplied by gas fuel is conventional way of gas fuel delivering i.e. through intake manifold. This solution has some disadvantages which do not allow to obtain all the potential in engine efficiency (low volumetric efficiency - about 10 % less in comparison to the gasoline engine). Because of this reason the concept of the direct, high-pressure gas fuel injection into engine combustion chamber seems to be very promising. The main difficulties in development of such solution are presented in the paper. The results of successful experiments with direct injection of LPG into the combustion chamber of the single cylinder research engine with visualisation of the combustion process are described and showed at figures.

2

Głowice do silnika badawczego umożliwiające wizualizację procesu spalania

Kośmicki T., Bocian P., Leżański T., Rychter T.

Journal of KONES

|

1999

|

Vol. 6, No. 3-4

147-155

PL

Powszechnie znaną i bardzo często stosowaną metodą wizualizacji procesów spalania w silniku tłokowym jest tzw. metoda smug [1]. Założenia tej metody wymagają, aby wiązka laserowa pozwalająca utrwalić obraz spalania na taśmie filmowej przechodziła przez komorę spalania na przestrzał. Jeśli intencją badacza jest rejestracja procesu w płaszczyźnie prostopadłej do osi cylindra, to szklane wzierniki umożliwiające wizualizację muszą znajdować się w denku tłoka oraz w górnej części głowicy. Skonstruowanie tłoka ze szklanym wziernikiem w denku praktycznie nie nastręcza trudności. Pewne problemy występują natomiast w odpowiednim zamontowaniu wziernika w głowicy. Przeszkodą są zawory układu rozrządu silnika. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest zastosowanie głowicy o tzw. dolnozaworowym układzie rozrządu [1], Rozwiązanie takie przedstawiono na rys. 1. Uzyskana w ten sposób swoboda jeśli chodzi o zamontowanie szklanego wziernika jest okupiona pewnymi wadami całej konstrukcji. Przede wszystkim rozwiązanie takie uniemożliwia objęcie procesem wizualizacji całej komory spalania (przestrzeń nad zaworami pozostaje niewidoczna), co z punktu widzenia badań może być w pewnych warunkach dość poważną niedogodnością. Ponadto dolnozaworowy układ rozrządu utrudnia uzyskanie większych stopni sprężania i na ogół wymusza stosowanie płaskich komór spalania, co z kolei jest niekorzystne przy badaniu różnych kierunków propagacji płomienia. Opisanych wyżej wad nie posiada badawcza głowica kolejnej generacji, która wykorzystuje tzw. boczny układ zaworów. Głowica taka została niedawno zaprojektowana oraz wykonana w ITC PW i z powodzeniem wykorzystano ją w prowadzonych ostatnio eksperymentach.

EN

Schlieren system is widely known and very often used method for visualisation of combustion process. The principles of this method require laser beam (allowing to register process onto film) to go across combustion chamber. For that reason quartz glasses must be installed in piston crown and in upper part of cylinder head. Glass installation in piston crown seems to be rather easy, while glass installation in cylinder head can cause some problems, especially connected with valves mechanism which was described in the paper. One of the ways of dissolving this problem is to apply side valves cylinder head. Construction of such head is presented in the paper. Examples of numerous combustion process visualisations with usage of this head are presented at the Figures. The head can be successfully used to study different combustion systems.

3

Shaping combustion process in SI engine by air injection

Kośmicki T., Rychter T.

Archiwum Motoryzacji

|

1999

|

Nr 3

99-119

EN

A number of methods was proposed during last decades for shaping the combustion process in SI piston engines [1, 2, 4, 10, 12]. All of them were developed aiming at the decrease of fuel consumption and the search for reduction of pollutant emissions. None of those methods however was effective enough to be widely applied and to stop the need for farther research in that direction. One of the methods recently was the attempt to influence the combustion process initiated by the conventional spark ignition with the air jet introduced in the combustion chamber from outside [11]. The method, known as the Jet Dispersed Combustion (JDC), was intensively investigated during recent years with the use of the model experimental set-ups (combustion bombs, single compression machines and single cylinder research engines) as well as the actual production car engine [3, 5-9]. The results of the studies have shown that the air injection to the combustion chamber after the combustion process was initiated has a potential to stimulate combustion and to utilize the heat released in a more efficient way. The JDC method allows for the intensification of the heat release process and increase by that the peak cycle pressure and the work of the cycle. The air injection can be used for shaping of the pressure profile increasing significantly magnitude of the cycle mean effective pressure, improving engine cycle-per-cycle variability and postively influencing the pollutant emissions.

PL

W okresie ostatnich kilkunastu lat zaproponowano wiele metod kształtowania procesu spalania w silnikach tłokowych o zapłonie iskrowym [1, 2, 4, 10, 12]. Podstawowe cele tych działań to zmniejszenie zużycia paliwa ( wzrost sprawności cieplnej, w której tkwią stosunkowo duże rezerwy) oraz zmniejszenie emisji podstawowych składników toksycznych. Żadna z dotychczas przedstawionych metod nie okazała się jednak na tyle skuteczna, aby można było zastosować ją powszechnie i aby zniknęła potrzeba dalszych poszukiwań w tym kierunku. Jednym ze sposobów oddziaływania na zainicjowany wyładowaniem iskrowym proces spalania jest zastosowanie wtrysku wprowadzonej z zewnątrz do komory spalania strugi niepalnego gazu [11]. Metoda ta, opisana w niektórych źródłach pod nazwą Jet Dispersed Combustion (JDC), została w ciągu ostatnich kilku lat przebadana zarówno na urządzeniach modelowych, takich jak komora o stałej objętości, maszyna pojedynczego sprężu czy jednocylindrowy silnik badawczy, jak i na obiektach rzeczywistych, takich jak produkcyjny silnik samochodowy [3, 5, 6, 7, 8, 9]. Badania wykazały, że wtrysk strugi niepalnego gazu, na przykład powietrza, jest skutecznym narzędziem kształtowania spalania i może przynieść rezultaty w postaci efektywniejszego wykorzystania ciepła potencjalnie zawartego w paliwie. W szczególności może przyspieszać cały proces wywiązywania ciepła, co zazwyczaj owocuje większą prędkością narastania ciśnienia oraz większą szczytową wartością ciśnienia spalania. W tłokowym silniku spalinowym o zapłonie iskrowym, za pomocą tej metody można wpływać na kształt wykresu indykatorowego, istotnie zwiększyć wartość średniego ciśnienia indykowanego, wpływać na twardość i równomierność biegu silnika, a także dość istotnie zmniejszyć koncentrację w spalinach podstawowych składników toksycznych.

4

Wpływ strugi gazu na proces wywiązywania ciepła w silniku o zapłonie iskrowym

Kośmicki T., Rychter T.

Journal of KONES

|

1998

|

Vol. 5, No. 1

159-166

PL

Kształtowanie procesu spalania za pomocą strugi gazu polega na wtryskiwaniu z zewnątrz do komory spalania silnika o zapłonie iskrowym niewielkiej dawki niepalnego gazu [1,2]. W zależności od relacji czasowej między chwilą wtrysku, a chwilą wyładowania iskrowego na świecy zapłonowej, wtryśnięta w odpowiednim kierunku struga bądź turbulizuje ładunek (jeśli następuje przed zapłonem), bądź (jeśli występuje po zapłonie) przebija obszar objęty spalaniem i przenosi aktywne chemicznie produkty spalania w dalsze rejony komory. Jak wykazały dotychczasowe badania, w obu przypadkach wtrysk strugi może intensyfikować silnik o zapłonie iskrowymi powodować istotny wzrost średniego ciśnienia indykowanego oraz wzrost maksymalnej wartości ciśnienia w obiegu [3,4,5]. Może także wpływać na spalanie stukowe i na równomierność biegu silnika oraz przyczyniać się do obniżenia emisji podstawowych składników toksycznych spalin [6,7]. Dzięki dotychczasowym badaniom, mechanizm większości wywołanych przez wtrysk strugi gazu zjawisk wyjaśniono, między innymi na podstawie wizualizacji procesu spalania. Niemniej interpretacja części wyników badań, na przykład powodu obniżania temperatury spalin, dotąd wciąż pozostawała w sferze przypuszczeń. Przeprowadzenie analizy wywiązywania ciepła w procesie spalania kształtowanego za pomocą wtrysku strugi gazu pozwoliło wiele z tych problemów wytłumaczyć. Ponadto dzięki analizie wywiązywania ciepła potwierdzono słuszność wcześniej wysnutych wniosków, na przykład dotyczących powodu wzrostu średniego ciśnienia indykowanego. Uzyskano też, między innymi, ilościowe oszacowanie wielkości wzrostu prędkości wywiązywania ciepła, jaki może wywołać wtrysk strugi gazu.

EN

The principle of the combustion Stimulation by the gas jet is to inject from outside into the SI engine combustion chamber a small amount of the incombustible gas [1,2]. Dependently on the moment of the gas jet injection with respect to the moment of the spark ignition, the jet (in the right direction) turbulizes unburned charge (injection before ignition) or goes through the flame kernel (injection after ignition) and removes chemically active combustion products into farther parts of the chamber. The previous investigations revealed that in both cases the jet can result in combustion intensifying, in increase of the indicated mean effective pressure (IMEP) and in significant increase of the cycle peak pressure [3,4,5]. Besides the action of the gas jet can effect on knocking combustion, cyclic variability and can decrease the pollutant emission [6,7]. The previous investigations explained, among others by means of the visualisation of the combustion process, the mechanism of the most phenomenons caused by gaś jet. However explanation of some test results, for example the decressing of exhaust gas temperaturs, was still supposed. The heat release analysis of the gas jet stimulated combustion allows to elucidate many of such problems. Apart from this the heat release analysis confirmed that the previous conclusions, for example those related to indicated mean effective pressure increasing, were quite proper. Besides the value of the heat release velocity in both cases (without injection and with injection) was estimated.