a Diesel La Temperaturi Scazute

8/6/2019 a Diesel La Temperaturi Scazute

1/13

30

SERVICE

Autotehnica - septembrie 2008

1 Introducere

Noile sisteme de combustie prezint` unprogres semnificativ n mbun`t`]ireanivelurilor de gaze de e[apament evacu-ate. n acest sens, combustia omogen`

promite foarte mult. Pentru a generatimpi de ntrziere ai aprinderii suficientde mari astfel nct mixtura s` fie ctmai omogen`, sistemele par]ial omo-gene necesit` mic[orarea ratelor decompresie. Datorit` temperaturii [i pre-siunii compresiei mai sc`zute , attevaporarea ct [i aprinderea com-bustibilului sunt ntrziate, n special latemperaturi ambientale foarte sc`zute[1, 2, 3, 4]. n consecin]`, comporta-

mentul motoarelor la pornire are desuferit astfel c` emisiile sunt mai ridi-cate. n Figura 1, sunt reprezentatecurbele de pornire la rece a dou`motoare diesel, porniri efectuate la -27

C. Motoarele pornite au ratele de com-presie de 18:1 [i respectiv 16:1. Motorulcu rata de compresie mai mare a atinstura]ia de relanti n 7s. n cazul motoruluicu rata de compresie de 16:1 dateleob]inute difer` substan]ial, acestaavnd nevoie de aproape de dou` orimai mult timp s` se stabilizeze la tura]iade relanti. Mai mult, fluctua]iile de tura]iiau fost mult mai mari la motorul cu ratade compresie 18:1 ceea ce conduce la

varia]ii mari ale presiunii efective.

2 Metoda de Investigare

Pentru investigarea pornirii la rece, attvase de presiune ct [i motoare optice

diesel mono-cilindru au fost folosite.Camera de presiune este alimentat`continuu cu aer sub presiune, 6Mpa [i]inut` la o temperatur` de maxim550C. Pentru vizualizarea injec]iei [i aprocesului de combustie, au fost folositecamere video cu posibilitatea de nregis-trare a unui num`r mare de cadre pesecund` n combina]ie cu tehnicaSchlieren. Tehnica Schlieren are la bazaurm`toarele principii: lumina paralel` ce

Aprinderea Diesel la Temperaturi Sc`zuteStudierea detaliat` a pozi]iei bujiei incandescente

Ca parte a proiectului finan]at de Asocia]ia Cercet`torilor Combustiei Motoarelor (FVV), injec]ia diesel la temperaturi sc`zute a

fost studiat` la Institutul Motoarelor cu Combustie (VKA) al Universit`]ii RWTH Aachen.

Motivarea ini]ierii acestui proiect este reprezentat` de faptul c` noile genera]ii de motoare diesel au tendin]a s` lucreze cu rate

de compresie mai mici. Pentru a studia stabilitatea [i comportamentul la relanti al motoarelor diesel n condi]ii de temperaturi

sc`zute, institutul VKA a efectuat investiga]ii optice folosind un vas de combustie precum [i un motor diesel accesibil optic.


2/13


3/13

32

SERVICE


trece printr-un mediu de test esteumbrit` de lichid sau deviat` de densi-tatea combustibilul sub form` de gaz.Zonele ntunecate din imagini pot fi

atribuite combustibilului lichid, n timpce combustibilul pulverizat este indicatde tiparele Schlieren. Motorul mono-cilindru al celor de la VKA are la bazacilindrul unui motor diesel produs nserie cu cilindreea de 1.9l. O construc]ieintermediar` ntre capul cilindrului modi-ficat [i blocul cilindrului faciliteaz` ope-rarea unui piston lungit cu capul dinsticl` quartz (necesar pentru a puteavizualiza forma [i aprinderea com-bustibilului pulverizat). Precum este ilus-trat n Figura 2, cu ajutorul unei oglinzi,procesele din camera de combustie potfi nregistrate de camer` digital` demare vitez`.

2.1 Aplicarea Sistemelor de R`cirePuterea de r`cire necesar` pentru acestexperiment att n camera de combustie

ct [i n motorul mono-cilindru a fostfurnizat` de o unitate de r`cire, vezi Nr.11 n Figura 3. Mai mult, pentru procesulde r`cire, un dezumidificatoare a fostnecesar pentru a colecta ap` conden-sat`. O diagram` schematic` a ntregu-lui circuit de r`cire pentru motorul mono-cilindru diesel este reprezentat` nFigura 3. De la unitatea de r`cire [irecipient, dou` circuite, ambele alimen-tate cu pompe de circulare, furnizeaz`bancul de probe cu refrigeratorul nece-sar (Nr. 2 [i Nr. 7). Un circuit de r`cire

furnizeaz` refrigerator intercooler-ului(nr. 14), intercooler-ului dispozitivului denc`rcare (Nr. 15) [i dispozitivului pre-

cooler (Nr. 16). Cel`lalt circuit furnizeaz`refrigerant capului cilindrului. De aseme-nea conectat la acest circuit sunt rezer-vorul (Nr. 1) [i rampa de combustibil

(Nr. 6). Pentru a ob]ine temperatur` de -20 C, un al treilea intrecooler a fostpozi]ionat lng` galeriile de admisie (Nr.10). Pentru experimentele efectuate latura]ii sc`zute ale motorului, a fost insta-lat` o transmisie planetar` (Nr.12).Pentru experimentele startului la recefolosind vasul de combustie, adaptorul,rampa de injec]ie precum [i rezervorulau fost conectate la unitatea de r`cire.Refrigeratorul a fost furnizat de c`trepomele de circulare.

2.2 Aplicarea Bujiilor Incandescente

Pentru acest experiment, bujii incandes-cente de o]el au fost folosite, produse de

Figura1: Startul la rece cu diferite rate de compresie

Figura2: Motorulmono-cilindru diesel - setup-ul pentru m`sur`torile optice


4/13


5/13

34

SERVICE


Beru, ceea ce a f`cut posibil m`surareatemperaturii de incandescen]` n timpultestului. n timpul investiga]iilor, acestetemperaturi ale bujiilor incandescentes-au dovedit a fi esen]iale, din moment

ce transferul de c`ldur` a fost afectat devarierea condi]iilor de curgere a aerului,iar voltajul bujiilor incandescente a tre-buit s` fie ajustat pentru a compensaacest efect.

Figura 4 arat` curbele voltajului dar [iale curentului [i temperaturii bujiilorincandescente cu termocupla (Ni-Cr-Ni)tip K integrat` pe o perioad` de 30s.Mai nti, sistemul de start a furnizat un

voltaj de 11V. Dup` 1.9s, bujia quick-start[5] a atins temperatura maxim` de1100C la suprafa]`. Dup` aceste 1.9s,voltajul a fost redus la 4.4V.

Temperatura de suprafa]` la nivelul

maxim a bujiei incandescente nu esteconstant`. Temperatura maxim`reprezint` un punct fierbinte a c`rui tem-peratur` este mai mare dect asuprafe]ei nvecinate a bujiei. n afar` de

m`sur`torile efectuate cu bujia incan-descen]` de o]el, investiga]ii au mai fostf`cute folosind o bujie incandescentaceramic`. ns`, folosind voltajul nominaltemperatura nominal` necesar` nu afost atins`. Astfel, rezultatele investig`riifolosind acest tip de bujie incan-descen]a nu au fost luate n considerare.

2.3 Programul de M`surareDimensiunile [i unghiurile prezentate nFigur` 5, pot fi n]elese numai dac` se ia

n calcul [i desenul al`turat tabelului. ncamera de combustie, presiunea gazului[i temperatura pot fi ajustate independ-ent una fa]` de cealalt`. Presiunea [itemperatura atunci cnd pistonul ajungela punctul mort superior, pe de alt`parte, sunt determinate de densitatea ngaleriile de admisie dar [i de ra]` decompresie. Pentru experimentele efectu-ate cu motorul mono-cilindru, s-a pusaccent mai mult pe varierea a trei para-

Figura 3: Circuitele sistemului de r cire pentru motorulmono-cilindru

Figura 4: Traseele curentului, voltajului [i ale temperaturii bujiilor incandescente


6/13

Dup` SatuMare, Bac`u, Tg.Mure[ [iConstan]a urm`torul eveniment va fiorganizat laORADEA laUNIVERSITATEADINORADEA \n datade18 octombrie2008.Conferin]a va fi sus]inut` deProf.Univ.Dr.Nagyszokolyai Ivan Universitatea din Budapesta coordona-torul publica]iilor Auto Tehnica [i AutoTehnika. Tema conferin]ei va fiCONSTRUC}IA, FUNC}IONAREA {IREPARAREA INJECTOARELOR.


7/13

36

SERVICE


metrii: tura]ia motorului, unghiul derotire a injectorului GK [i dGK, dis-tan]a de introducere n camere a bujieiincandescente.

3 Rezultate

n rndurile urm`toare sunt prezentaterezultatele experimentelor att cu cam-era de combustie separat`/indepen-dent` ct [i cu motorul mono-cilindru,

dar de asemenea [i descrierea

fenomenului de combustie cu ajutorulbujiei incandescente.

3.1 Camera de combustie

Figura 6 prezint` o serie de cadre nreg-istrate cu ajutorul camerei de marevitez` n timpul procedeului de injec]ie [icombustie cu ajutorul bujiei incandes-cente. Imaginile f`cute n prima milise-cund` nu sunt ar`tate deoarece injec-

torul rece ce con]ine de asemenea com-

bustibil rece se deschide foarte ncet.Dup` o milisecund`, pn` la 3.7 milise-cunde, fiecare al zecelea cadru esteprezentat. Dup` aceea, pn` la aproxi-mativ t=4.7ms, fiecare al cincilea cadrueste ar`tat. La 3 ms de la pornireainjec]iei, o zon` de reac]ie este vizibil`pentru prima dat`, precum se vede nFigur` 6. Dup` mai multe experimentes-a tras concluzia c` aceast` zon` de

reac]ie difer` ca timp de apari]ie. Maimult, dimensiunea zonei de reac]ie -care se ntinde de la bujia incandes-cent` pn` la vrful acului injectorului -variaz` de asemenea.Pentru a complementa procesul devizualizare a injec]iei, sub fiecare cadrueste reprezentat grafic printr-o bar`nivelul de ridicare al acului injectorului.Rezultatele imaginilor f`cute cu camerade mare vitez` s-au axat pe geometriaspray-ului [i zona de reac]ie.Dimensiunea zonei de reac]ie este indi-cat` de suma tuturor pixelilor acoperi]i.

Figura 7 prezint` valorile medii aleridic`rii acului, nc` de la nceputul pro-cesului de injec]ie. Valorile medii core-spunz`toare m`rimii suprafe]ei fl`c`riisunt reprezentate ntr-o scar` logarit-mic`. Bara de erori att pentru ridicareaacului injectorului ct [i pentru suprafa]afl`c`rii arat` minimul [i maximul absolutob]inut n zece m`sur`tori consecutivecu aceia[i parametrii externi.

Figura 5: Varierea parametrilor din tabel [i m`sur`torile geometrice

Figura 6: M`sur`tori \n camera de combustie


8/13


9/13

38

SERVICE


Pentru a investiga efectul varierii para-metrilor asupra procesului de com-bustie, trei caracteristici au fost calcu-late:1. Suprafa]a fl`c`rii A, ca medie pe operioad` de timp2. Timpul t50% necesar suprafe]eifl`c`rii pentru a atinge jum`tate din va-loarea maxim`3. Varierea , propagarea fl`c`riiO dat` cu cre[terea timpului de injec]ie

[i cantit`]ii injectate, aria fl`c`rii seextinde rapid. Pe de alt` parte, cantit`]imici de combustibil ard mai repede, dar,devia]ia relativ` standard cre[te. Atuncicnd temperatura gazului este maimare, att suprafa]a zonei de reac]ie ct[i viteza de propagare a fl`c`rii cresc. nacela[i timp, devia]ia medie standarddescre[te. O dependent` analog esteobservat` atunci cnd temperatura com-bustibilului [i presiunea n ramp` sunt

variate.n afar` de ace[ti parametrii discuta]imai sus, influen]a diferi]ilor combustibili[i strategiilor de injec]ie precum [i dis-tan]e diferite de introducerea a bujiei ca[i temperatura acesteia au fost exami-nate. O dat` cu o distan]` de introdu-cere mai mare a bujiei n camera deardere dar [i o temperatur` mai mare,aprindere [i combustia sunt

mbun`t`]ite. n camera de combustie,

Figura 7: Evaluarea rezultatelor din camera de combustie

Figura 8: M`sur`tori \n motorul mono-cilindru


10/13


11/13

40

SERVICE


injectoare cu dou` duze nu au prezentatmbun`t`]iri semnificative fa]` de injec-torul cu o singur` duz`.

Diferen]a dintre combustibilul arctic [idieselul de iarn` s-a dovedit a fiinsignifiant`, a[a c` n investiga]iile ulte-rioare numai combustibil arctic a fostfolosit, deoarece are un punct de nfun-dare la rece mai sc`zut.

3.2 Motorul Optic

Figura 8 prezint` [ase nregistr`ri f`cutecu camera de mare vitez` la momentul

n care tura]ia nominal` a motoruluin=1000 rot/min. n afar` dem`sur`torile optice, date asupra presiu-

nii pot fi calculate pentru a descrie com-bustia n timpul startului la rece [i oper-area motorului la relanti. Pentru a

n]elege mai bine, n Figur` 9 suntprezentate m`sur`torile efectuateasupra degaj`rii de c`ldur` [i intensit`]iiluminii pentru motorul mono-cilindruatunci cnd func]ioneaz` la 500 rot/min[i la 1000rot/min. La viteza nominal` de500rot/min se observ` c` procesul decombustie ncepe n timp ce acul injec-torului deschide duza, [i nivelul dec`ldura degajat` r`mne constant pn`

n momentul ridic`rii maxime acului.

Cnd acul coboar`, nivelul de c`lduradegajat` scade pentru scurt timp, darcre[te din nou dup` ce procesul deinjec]ie este ncheiat. Ulterior atingemaximul [i apoi descre[te pe parcursulmi[c`rii de expansiune. Mai mult, sepoate observ` c` sc`derea temporar` ntemperatur` este mai proeminent` atun-ci cnd combustibilul intr` n contact cubujia incandescent`. Este de asemeneainteresant c` n cazul unei distan]e mari

ntre conul format de spray [i bujiaincandescent`, sc`derea n temperatur`nu are loc imediat cum acul injectorului

se ridic`, ci cu o anumit` ntrziere.Curba degaj`rii de c`ldur` la 1000rot/min difer` fa]` de curba degaj`rii dec`ldur` la 500 rot/min. La prima vedere,nu exist` nici o leg`tur` ntre semnalulde ridicare al acului [i curba de degajarea c`ldurii la tura]ii mai mari ale motoru-lui, ceea ce se explic` prin ntrziereaaprinderii. Evident, la aceast` vitez` derota]ie a motorului, procesul de com-bustie nu este determinat de spray-ul cecombustibil ci mai degrab` de curentulturbionar. n cazul n care combustibilul

este pulverizat direct asupra bujieiincandescente, nc` o dat`, sc`derilecaracteristice n temperatur` pot fiobservat` o dat` cu terminarea procesu-lui de injec]ie. O corelare ntre ntrzierileaprinderii [i durata de timp pn` laprima apari]ie a fumului pentru treiunghiuri de instalare ale injectoruluiarat` faptul c` exist` o rela]ie linear`

ntre curba intensit`]ii luminii [i curbadegaj`rii de c`ldur`.

3.3 Descrierea Fenomenului de

Combustie cu Ajutorul Bujiei

IncandescentePe baza rezultatelor vizuale din camerade combustie [i motorul mono-cilindru,urm`toarele concluzii pot fi trase: oinjec]ie de combustibil cu un nalt coefi-cient de siguran]` n timpul pornirii larece necesit` o ajustare atent` a spray-ului de combustibil fa]` de bujia incan-descent`. Dac` combustibilul este pul-verizat pe bujia incandescent` atunciaprinderea are loc la o temperatur` mai

sc`zut` a bujiei. Dac` injectorul esterotit astfel nct s` nu existe contact

ntre combustibilul pulverizat [i bujie, se

ajunge la o pozi]ie optim` astfel nct s`se ob]in` o presiune efectiv` maxim`. Obujie incandescent` uzual` n momentulaprinderii este prezentat` n Figur` 10ca o succesiune de imagini a aprinderii[i propag`rii fl`c`rii. Se poate observac` nucleul fl`c`rii se dezvolt` n imedia-ta apropiere a bujiei. Aprinderea extrem-it`]ilor, fa]` de nucleu, are loc cu o anu-mit` ntrziere.

n urm`toarele rnduri problema esteabordat` din punct de vedere fenome-nologic, mai nti fiind descrise pro-

cedeele, iar ulterior sunt explicate teore-tic. Partea dreapt` a Figurii 10 arat`zona dintre vrful injectorului [i bujie, nmomentul aprinderii, combustibilul pul-verizat poate fi descris cu ajutorul teoriei

jetului turbulent liber, din moment ceprocesul de injec]ie sta]ioneaz` n acesttimp (vezi Figura 7). n Figur` 10, liniilede curgere sunt eviden]iate (liniilenegre). ntre marginile jetului (liniilepunctate) se poate calcula distribu]iacombustibilului conform teoriilor luiAbramovich [10]. De asemenea, zonelecolorate gri ale figurii reprezint`

amestecul de combustibil/aer aflat nlimitele de aprindere (rAFR=0.48 pn`la 1.35). Centrul zonei de reac]ie estelocalizat pe linia dintre centrul bujiei [iaxa spray-ului (reprezentat n Figur` 10cu linie punctat`). De la 3.4 pn` la 4.4ms cre[terea diametrului zonei dereac]ie are loc propor]ional cu coborreaacului injectorului.La sfr[itul injec]iei, la t=4.6ms, flac`rase propag` rapid. Ca rezultat se con-

Figura 9: Evaluarea rezultatelor ob]inute cu ajutorul motoruluimono-cilindru: (stnga: 500 rot/min; dreapta: 1000 rot/min)


12/13


13/13

SERVICE

stat` o expansiune mare a zonei dereac]ie. Per total, se poate trage con-cluzia c` injec]ia este constituit` din maimulte faze cu dinamici distincte [i foartediferite. Acest lucru poate fi observatdac` ne uit`m atent la t impii procesului.La nceput, n timpul injec]iei, nu este

vizibil` combustia, nici chiar atunci cndtemperatura gazului este destul de ridi-cat`. O dat` cu nchiderea acului injec-torului, curen]ii jetului sunt opri]i astfelc` zona de reac]ie se m`re[te foarterapid.

4 Sumar

La Institutul Motoarelor cu Combustie(VKA) al Universit`]ii RWTH Aachen,cercet`ri fundamentale cu privire laaprinderea motorinei cu ajutorul bujieiincandescente la temperaturi foarte

sc`zute, de -20C. Aprinderea a fost stu-diat` atta n cilindrul unui motor dieselct [i ntr-un vas de combustie inde-pendent de motor. M`sur`torile efectu-ate n vasul de combustie au fost efectu-ate pentru a fi studiat` penetrareaspray-ului de combustibil precum [i pro-cesul de combustie. Prin analizareafl`c`rii la diferite cantit`]i de combustibilinjectate s-a eviden]iat c` o cantitatemai mic` de combustibil arde mairepede, dar n acela[i timp prezint` o

deviere mai mare a mpr`[tierii com-bustibilului n cilindru, ceea ce poatereprezenta o problem` a aprinderii.Distan]a de introducere a bujiei incan-descente dGK variind ntre 4.7 mm [i6.3 mm, unghiuri adecvate ale injec-torului n combina]ie cu durata de

injectare a combustibilului pot avea carezultat injectarea unei cantit`]i maimare de combustibil tangen]ial pe bujie,evitnd astfel problemele de aprindere.Ca rezultat, se creaz` o zon` de reac]iecapabil` s` ini]ieze combustia imediatcum procesul de injec]ie este terminat.Pentru interpretarea rezultatelor ob]inutecu ajutorul motorului mono-cilindru,cadrele prinse de camera de mare vitez`precum [i curbele presiunii vor fi folosite.Evaluarea devierii a presiunii efectivedemonstreaz` faptul c` probabilitateade a da rateu la aprindere cre[te o dat`cu m`rirea distan]ei dintre jetul de com-bustibil [i bujie dar [i cu sc`derea dis-tan]ei de introducere a bujiei n camerade ardere.Lund n seam` cele spuse mai sus, unaranjament optim bujii/injector pentruporniri la rece se poate crea.

Bibliografie[1] Blanc, M.; Geiger, S.; Houben, H.; Hovestadt,T.; Toedter, O.: Diesel-Kaltstartsystem ISS derzweiten

Generation mit Ansaugluft-Vorwrmung. In: MTZ 65(2006), Nr. 5, S. 352-359[2] Lin, H.; Henein, N. A.; Bryzik, W.: Simulation ofDiesel-Engines Cold-S tart. In: SAE 2003-01-0080(2003)[3] H an, Z.; Henein, N. A.; Bryzik, W.: Diesel EngineCold Start Combustion Instability and ControlStrategy. In: SAE 2001-01-1237 (2001)[4] Zahdeh, A.; Henein, N. A.; Bryzik, W.: DieselCold Starting: Actual Cycle Analysis Under Border-lineConditions. In: SAE 900441 (1990)[5] H ouben, H.; Uhl, G.; Schmitz, H.-G.; Endler, M.:Daselektronisch gesteuerte Glhsystem ISS frDieselmotoren. In: MTZ 61 (2000), Nr. 10, S. 668-675[6] Kern, C.; Dressler, W.; Lindemann, G.;Rothacker, V.:An Innovative Glow System forModern Diesel Engines. In: SAE 1999-01-1240(1999)[7] Osuka, I.; Nishimura, M.; Tanaka, Y.; Miyaki,M.:Benefits of New Fuel Injection SystemTechnology on Cold Startability of Diesel. In: SAE940586 (1994)[8] Naber, D.; Dohle, U.; Krger, M.; Schuhmacher,H.; Hondros, Ch.: Kaltstart undKaltlaufuntersuchungenan direkt einspritzenden

Pkw-Dieselmotoren. In:15. Aachener KolloquiumFahrzeug- und Motorentechnik (2006), S. 315-334[9] Pope, S. B.: Turbulent Flows. CambridgeUniversity Press, 1st Edition, New York (USA ),2000[10] A bramovich, G. N.: The Theory of TurbulentJets. M. I. T. Press, Cambridge, Mass. (USA ), 1963[11] Peters, N.: Turbulent Combustion. CambridgeUniversity Press, 1st Edition, New York (USA ),2000

Adaptare: Colibaba Claudiu

Sursa: ATZ WorldWide

Figura 10: Interac]iuneamotorinei pulverizat` cu bujia incandescent`

a Diesel La Temperaturi Scazute

Documents

Transcript of a Diesel La Temperaturi Scazute