Idzior - TENDENCJE ZMIAN KONSTRUKCYJNYCH WTRYSKIWACZY.pdf - Techniczne - pedagog107

MOTROL, 2006, 8, 81Î91

TENDENCJEZMIANKONSTRUKCYJNYCHWTRYSKIWACZY

SILNIKÓWOZAPŁONIESAMOCZYNNYM

MarekIdzior

InstytutSilnikówSpalinowychiTransportu,PolitechnikaPoznańska

Streszczenie.Wartykuleprzedstawionowynikianalizdotyczącychzmiankonstrukcyjnychwtry

skiwaczysilnikówozapłoniesamoczynnymstymulowanychprzedewszystkimwymogamiekolo

gii.Omówionotendencjezmiankonstrukcyjnychoraztechnologicznomateriałowych.Przedsta

wionotakŜewybranewynikiemisjitoksycznychskładnikówspalinorazwskaźnikówakustycz

nychzwiązanezanalizowanymitendencjamizmian.

Sþowakluczowe:zmianykonstrukcyjne,toksyczneskładnikispalin,wskaźnikiakustyczne

WSTĘP

Silnik spalinowy jest jednym z głównych emiterów zanieczyszczeń środowiska,

zwłaszczajegoatmosfery.Źródłotychzanieczyszczeń–emisjatoksycznychskładników

spalin – w głównej mierze zaleŜy od efektywności spalania paliwa, uwarunkowanej

przygotowaniemistanemmieszankipalnej.

Rosnącewymaganiadotycząceograniczeniaemisjitoksycznychskładnikówspalin

orazCO 2 spowodowałyzainteresowaniesilnikamiozmniejszonymzuŜyciupaliwa,czyli

silnikami ZS z wtryskiem bezpośrednim, zuŜywającymi około 20% mniej paliwa w

stosunkudosilnikówzdzielonymikomorami.Zprognozrynkowychwynika,Ŝewroku

2005samochodowesilnikiZSbędąstanowić60%liczbywszystkichsilnikówwpojaz

dachiniemal100%tychsilnikówbędziezwtryskiembezpośrednim.

Oznaczatozatem,Ŝesilnikizkomoramidzielonymiprzestanąbyćpodstawowymi

jednostkami napędowymi samochodów osobowych i będą zastępowane przez nowe

systemybezpośredniegowtryskupaliwa–zasobnikoweCRipompowtryskiwacze.

Nadchodzizatemkresznanejodlatklasycznejpompywtryskowejczywtryskiwa

cza.Jednymzelementówukładuwtryskowego,któryjednakpozostaniebędzierozpy

laczwtryskiwacza.

Prawidłowedziałanierozpylaczajestkoniecznedlaosiągnięciaprzezsilnikodpo

wiednich wskaźników pracy, wpływa on równieŜ zasadniczo na ilość toksycznych

składnikówemitowanychprzezsilnik.

MarekIdzior

ZMIANYKONSTRUKCYJNEWTRYSKIWACZY

Zasadniczywpływnawskaźnikipracysilnikaorazemisjęspalinmaciśnieniewtry

skuizwiązanaztymprędkośćwypływupaliwa.Zwiększanieciśnieniawtryskupowo

dujeznaczneobniŜenieemisjizwiązkówtoksycznych,główniecząstekstałychitlenków

azotu. Przy zachowaniu omówionych ograniczeń konstrukcyjnych i wytrzymałościo

wychzaleŜnośćtapowoduje,Ŝewobecnieprodukowanychsilnikachwyraźniewidać

tendencjedozwiększaniaciśnieniawtrysku.Corazpowszechniejszesąukładyzmak

symalnym ciśnieniem wtrysku 200 MPa i więcej. Są to głównie silniki z wtryskiem

bezpośrednim,charakteryzującesięmniejszymzuŜyciempaliwawporównaniuzsilni

kamizkomoramidzielonymi.

Aparaturapaliwowowtryskowawprzypadkusilnikówzwtryskiembezpośrednim

stawia–zuwaginaodmiennyprzebiegtworzeniamieszaninypalnejizwiązaneztym

konsekwencje–wyŜszewymaganiatechnologiczneieksploatacyjne.Chęćograniczenia

poziomuhałasu,emisjitlenkówazotu,tlenkuwęgla,węglowodoróworazcząsteksta

łychprowadziczęstodowzajemnieprzeciwstawnychrozwiązań.

OgólniemoŜnastwierdzić,iŜwokreślonychwarunkachwtryskuorazprzydanej

komorzespalaniaszybkośćnarastaniaciśnieniaspadawrazzezmniejszaniemkątawy

przedzeniawtrysku.Równocześnieulegazmniejszeniumaksymalneciśnienieoraztem

peratura, czego konsekwencją jest zmniejszona emisja tlenków azotu. Jednak krótszy

czasspalaniawiąŜesięprzedewszystkimzpodwyŜszonąemisjącząstekstałych.Chcąc

tegouniknąć,naleŜystworzyćlepszewarunkidomieszaniaispalaniapaliwaprzezod

powiednie ukształtowanie komory spalania, bądź teŜ przez modyfikacje układu wtry

skowego.Takiewarunkizapewniazwiększoneciśnieniewtrysku.RównocześnieumoŜ

liwia ono dalsze opóźnienie wtrysku (skrócony czas opóźnienia samozapłonu). Samo

zwiększenieciśnieniawtryskudajelepszerozpyleniepaliwatylkonakrawędzistrugi,

powodując równocześnie głębszą penetrację strumienia, który dociera aŜ do ścianek

komoryspalania,wyraźniezwiększającstopieńdymienia,bądźteŜprzystałejjegowar

tościobniŜamaksymalneśrednieciśnienieuŜyteczne.

Natomiastzmniejszenieśrednicyotworkówrozpylaczawpołączeniuzezwiększo

nymciśnieniem wtryskupoprawiarozpyleniecałejstrugi paliwa,zmniejszającgłębo

kość penetracji, a tym samym nie powodując wzrostu dymienia. Dalsze zwiększenie

ciśnieniawtryskunarzucakoniecznośćstosowaniawiększejliczbyotworkówwrozpyla

czuoodpowiedniomniejszejśrednicy.

Narysunku1pokazanowpływliczbyotworkówrozpylaczawdanejkomorzespa

lanianaemisjętlenkówazotuorazjednostkowezuŜyciepaliwa. Komorabyłaprzysto

sowana do współpracy z rozpylaczem sześciootworkowym. W przypadku rozpylacza

czterootworkowego uzyskano zbyt silne zawirowanie, co odbiło się na gwałtownym

wzrościeemisjitlenkówazotu.

StwierdzićmoŜnazatem,Ŝe:

1) zpunktuwidzeniaograniczeniazuŜyciapaliwa(g e =g emin )istniejekorzystne

ciśnieniewtrysku,którezaleŜyoddawkiwtryskiwanegopaliwaorazprędkościobroto

wej–ciśnienietowynosidlaobecnieprodukowanychpojazdówok.90–200MPa,

2) przezdalszezwiększenieciśnieniawtryskujestmoŜliwe,przyzachowaniusta

łejwartościemisjitlenkówazotu,obniŜenieemisjicząstekstałych;wiąŜesiętojednak

zezwiększonymdp/dα,

TENDENCJEZMIANKONSTRUKCYJNYCHWTRYSKIWACZY...

3) istnieje wzajemny ścisły związek pomiędzy emisją cząstek stałych, tlenków

azotu oraz jednostkowym zuŜyciem paliwa i nie jest moŜliwa równoczesna poprawa

wszystkichtychparametrówprzezzwiększanieciśnieniawtrysku(rys.2).

rozpylacz4otworkowy

o podwyŜszonymzawirowaniu

rozpylacz8otworkowy

rozpylacz10otworkowy

rozpylacz6otworkowy

230

250

270

290

g e [g/kWh]

Rys.1.Przykładowywpływliczbyotworkówrozpylaczanaemisjęjednostkowątlenkówazotu

izuŜyciepaliwa(g e )[Birch2003]

Fig.1.Anexampleofaninfluenceofinjectorholesnumberonunitaryemissionofnitrogenoxides

andfuelconsumption(ge)

P wtr

NO x

późny

początek

wtrysku

NO x

wzrost

ciśnienia

wtrysku

n[min –1 ]

wzrost

ciśnieniawtrysku

późny

początek

wtrysku

ilośćwtryśniętegopaliwa

przez1otworek

g e

Rys.2.ZaleŜnośćemisjicząstekstałychoraztlenkówazotuodwybranychwskaźników[Birch2003]

Fig.2.Thedependencyofsolidparticlesandnitrogenoxidesemissiononselectedcoefficients

Poszukiwania coraz doskonalszych systemów wtrysku paliwa, nadających się do

zastosowaniarównieŜwsamochodachosobowych,awięczapewniającychniskipoziom

hałasu, doprowadziły do rozwoju koncepcji wtrysku dwufazowego. Dla złagodzenia

przebieguspalaniawykorzystanowstępnywtryskpewnejilościpaliwa(Pilot Injection),

któraulegasamozapłonowi,anastępniepoprawiawarunkizapłonuzasadniczejdawki.

Ograniczonaprzytymzostajeszybkośćnarastaniaciśnieniawcylindrze,przyczym,aby

spalaniegłównejdawkinienastępowałozbytpóźno,naleŜyprzyspieszyćniecopoczątek

wtrysku.WskazanyjestwtryskpoddośćduŜymciśnieniem,któreograniczacałkowity

MarekIdzior

czas jego trwania oraz poprawia rozpylenie paliwa. Przez ograniczenie gwałtownego

spalaniawpierwszejjegofaziezmniejszeniuulegamaksymalnatemperatura,awięci

emisjatlenkówazotu,bądźteŜprzyzachowaniu stałej wartościemisjitlenków azotu

obniŜyć moŜna emisję innych składników toksycznych (węglowodory, cząstki stałe).

Konstrukcjęorazistotędziałaniatakiegowtryskiwaczapokazanonarysunku3.

Rys.3. SchematbudowywtryskiwaczadwuspręŜynowego

Fig.3.Adraftofatwospringinjectorconstruction

WkorpusiewtryskiwaczaumieszczonodwiespręŜynyoróŜnejsztywnościidoci

skuwstępnym.Geometriękonstrukcjidobranotak,Ŝeiglicawtryskiwaczajestdociskana

początkowoprzezspręŜynęomniejszejsilenacisku(1).Wtryskwstępnynastępujepod

działaniemciśnieniapaliwa,poniewielkimuniesieniuiglicypokonującejnaciskspręŜy

nysłabszejiopierającejsięnaspręŜyniesztywniejszej(2).Paliwowypływawtedymałą

szczelinąidalejprzezotworkirozpylacza(3).Dalszywzrostciśnieniapowodujepoko

nanie nacisku drugiej spręŜyny i wtrysk dawki zasadniczej. Przebieg wzniosu iglicy,

ciśnieniewtryskuorazciśnieniepanującewcylindrzedlaróŜnychprędkościobrotowych

ilustrująwykresyprzedstawionenarysunku4.

n=1000min –1

n=2000min –1

n=4000min –1

h i

p c

p wtr

α [ o OKW]

Rys.4. Przebiegwzniosuiglicy(h i ),ciśnieniawtrysku(p wtr )orazciśnieniapanującegowcylindrze

(p c )dlaróŜnychprędkościobrotowych[Krieger1999]

Fig.4.Thecourseofaneedle’srise(h i ),oftheinjection’spressure(p wtr ),andofthepressureinthe

cylinder(p c )fordifferentrotationalspeeds

WwynikuzastosowaniawtryskiwaczydwuspręŜynowychwsilnikuoV s =2,5dm 3 ,

pięciocylindrowym, doładowanym, o mocy 88 kW (Audi) uzyskano w porównaniu z

konwencjonalnymwtryskiwaczemzmniejszeniehałasuorazwęglowodorówo15–20%

itlenkówazotuo10–15%,przyniecozwiększonejemisjicząstekstałych(5–10%)–rys.5.

TENDENCJEZMIANKONSTRUKCYJNYCHWTRYSKIWACZY...

n=1000min –1

n=2000min –1

n=1500min –1

n=2500min –1

p e [bar]

Rys.5. PorównaniehałaśliwościwtryskiwaczastandardowegozwtryskiwaczemdwuspręŜyno

wym: ÎÎ wtryskiwaczstandardowy, Î ß Î wtryskiwaczdwuspręŜynowy[Basshuyseni in.1990]

Fig.5.Acomparisonofastandardinjector’snoisetoatwospringinjector’snoise: ÎÎ astandard

injector, Î ß Î atwospringinjector

Zprzedstawionychwykresówwynika,iŜwmiaręrosnącejprędkościobrotowejma

lejeskutecznośćpodwójnegowtrysku.Jednakwzakresiewiększychprędkościobroto

wychsilnikidoładowane(ategłównieznajdująobecniezastosowanie)niemająproble

mów akustycznych, poniewaŜ doładowanie w swojej naturze powoduje wolniejszy

wzrostciśnienia.IstniejąrównieŜinnetechnicznemoŜliwościrealizacjiwtryskudwufa

zowego,nadającesiędopraktycznegozastosowania.

Klasyczna aparatura paliwowowtryskowa, z pompami wtryskowymi, nie jest w

stanieobecniespełnićwymogówekologii.Wpływobjętościszkodliwychpompy,przewo

dów,wtryskiwaczy,występowaniezjawiskfalowychpowodują,ŜeniemoŜnawpełnikon

trolowaćprzebieguwtrysku,szczególnieprzyduŜychciśnieniach.Wzwiązkuztympojawiła

siękoncepcjazintegrowaniapompyiwtryskiwaczawjednejobudowie,copozwalanawy

eliminowanie,bądźznaczneograniczenie,wspomnianychniekorzystnychzjawisk.Powstało

wielerozwiązańpompowtryskiwaczy,przyczymdogłównychmoŜnazaliczyć:

– pompowtryskiwacz z regulacją dawki i początku wtrysku za pomocą nacięć na

tłoczku,

– pompowtryskiwacz z elektromagnetycznym zaworem umoŜliwiającym regulację

powyŜszychparametrów,

– pompowtryskiwacz Cummins PT ze zmianą wartości dawki przez regulowaną

zmianę ciśnienia w przewodzie zasilającym i zdolnością samoregulacji początku

wtrysku.

WprzypadkupompowtryskiwaczyjestmoŜliwarównieŜrealizacjadwufazowego

wtryskupaliwairegulacjaelektromagnetyczna.

Bardzoistotnymczynnikiemwarunkującymprzedewszystkimwielkośćemisjiwę

glowodorów, cząstek stałych oraz jednostkowego zuŜycia paliwa jest ukształtowanie

końcówkirozpylacza.OgólniemoŜnastwierdzić,Ŝezmniejszeniestudzienkirozpylacza

orazskrócenieotworkówpoprawiaparametrysilnika.Narysunku6pokazanozaleŜność

emisji węglowodorów, intensywności osadzania sadzy oraz jednostkowego zuŜycia

Idzior - TENDENCJE ZMIAN KONSTRUKCYJNYCH WTRYSKIWACZY.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: