Bio-motorhajtóanyagok befecskendezési jellemz=inek optimálása Optimization of Injection Parameters for Biofuel Jet Dr. BARABÁS István, Dr. TODORU- Adrian, Dr. CSIBI VENCEL-József Kolozsvári M szaki Egyetem, Mechanika Kar
Abstract In terms of energy savings and protection of global environment against air pollution is a very important problem. Vegetables oil is an interesting alternative to fossil diesel fuel, as they are renewable source of energy, have a low sulfur content, and are safe to store. However, using vegetable oils in order to fuel direct injection diesel engines creates problems due to their low heat energy, low volatility and high viscosity. These problems are reduced to minimum by subjecting the vegetable oils to the process of tranesterification. Same problems remain, like as spray parameters – injection velocity, injection cone angle, spray penetration, droplets size – modified by different fuel properties. In this paper, using a numerical analysis, which was used to understand the phenomena of fuel injection process and the help the development of the srpay specifications, is described. Bevezetés Az alternatív motorhajtó-anyagok szükségességének két legfontosabb szempontja a környezetszennyezés és a hagyományos – többnyire fosszilis eredet6 – energiahordozók természetes tartaléknak végessége. Biomasszából el állított motorhajtó-anyagokkal részben vagy egészben kiválthatók a hagyományos hajtóanyagok, azonban széleskör6 alkalmazásuk még várat magára. Új típusú motorhajtó-anyagok bevezetése feltételezi a bels égés6 motor és a hajtóanyag egymáshoz való illesztését. Ennek megvalósítására három megoldás kínálkozik: a hajtóanyag illesztése a motorhoz, a motor illesztése a hajtóanyaghoz és az el bbi kett kompromisszumos megoldása. Írásunk a biodízel típusú motorhajtóanyagok illeszthet ségének vizsgálatát t6zte ki célul, a motorikus folyamatokat nagyban befolyásoló befecskendezés min ségének elméleti kutatásával.
1. A biodíezel típusú motorhajtó-anyagok a befecskendezés min=ségét befolyásoló fontosabb tulajdonságai A biodízel alapanyaga lehet növényi olaj, állati zsiradék, valamint különböz termokémiai úton el állított biomassza alapú szénhidrogén termék. Napjainkban a legszélesebb kör6 felhasználásnak a növényi olajok metilészterei örvendenek. Bár a növényi olajok metilészterei nagyban megközelítik a gázolaj fizikai és kémiai tulajdonságait, mégis maradnak olyan paraméterek, amelyek a motor keverékképzését nagyban befolyásolják. Összehasonlításként, a legfontosabb növényi olajból nyert metilészterek fizikai tulajdonságait az 1. táblázatban foglaltuk öszsze. A Romániában szabványosított gázolaj (SR EN 590) valamint az Európai Unió biodízelre vonatkozó el írásai (EN 14214) a táblázatban összehasonlítás céljából szerepelnek.
8
M szaki Szemle • 36
1. Táblázat A biodízel típusú motorhajtóanyagok fontosabb tulajdonságai Tulajdonság
Jelölés Mértékegység
Cetánszám S6r6ség 15 °C-on Kinematikai viszkozitás 40°C-on Dinamikai viszkozitás 40°C-on Felületi feszültség
CC b `
– kg/ m3 m2/s
Repceolaj metil észter (RME) 54,4 874 6,2.10-6
W
N.s/ m2
5,42.10-3
3,22.10-3
3,3.10-3
_
N/m
25,4.10-3
28,8.10-3
28,2.10-3
Alsó f6t érték
Qi
MJ/kg
37,77
37,19
37,04
Zavarodáspont
tt
°C
-2
2
0
Fagypont
tî
°C
-9
-3
-2
Égési h mérséklet
ta
°C
179
188
Lobbanáspont
taa
°C
210
204
Napraforgóolaj metil észter (NFME) 39,9 873 3,66.10-6
Szójaolaj metil észter (SZME) 46,2 884 3,8.10-6
Biodízel, EN 14214
nincs meghat. nincs meghat. nincs meghat. nincs meghat. nincs meghat. nincs meghat. 101
min. 51 860-900 5,5-5.10-6
Gázolaj, SR EN 590 47,8 852 3,2.10-6 2,73.10-3 22,5.10-3 (42,50) -12 -16 74 88
A táblázatban bemutatott értékeket összehasonlítva megállapíthatók a következ k: – növényi olajokból nyert biodízel típusú hajtóanyagok s6r6sége bár magasabb a gázolajénál, beilleszkedik a biodízel szabványban el írt intervallumba; – a bio-motorhajtóanyagok 40°C-on mért kinematikai viszkozitása magasabb a gázolajéhoz képest, azonban csupán a RME esetében észlelhet a szabványban javasolt értékek enyhe túllépése; – a felületi feszültséget vizsgálva megállapítható, hogy a biohajtóanyagok esetében ennek értéke jóval magasabb a gázolajénál, ami nagyban befolyásolja a befecskendezés min ségét; – a biodízel f6t értéke alacsonyabb a gázolajénál, ami o motor teljesítményének a csökkenéséhez és a tüzel anyag-fogyasztás növekedéséhez vezet; – alacsony h mérséklet-tartományban a biodízel hajlamosabb zavarodásra, a fagypontja pedig 8-14 °C-kal magasabb a gázolajénál. 2. A befecskendezési folyamat modellezése A bels égés6 motorok keverékképz rendszerében a tüzel anyag befecskendezése a porlasztó csúcs furatán nyomáskülönbség hatására létrejöv er által átpréselt tüzel anyag porlasztásával jön létre (1-es ábra). A porlasztási kép két jól elkülönül részt mutat be: az 1-el jelölt folyékony halmazállapotú folytonos tüzel anyag-sugarat és az ezt körülvev 2-es jelölés6 apró cseppekb l alakult, ködszer6 burkot.
1. ábra Egyszer"sített porlasztási kép
M szaki Szemle • 36
9
A folyékony halmazállapotú hajtóanyagok égéséhez elengedhetetlen a tüzel anyag aprózódása és az égéstérben történ szétszórása. Befecskendezéssel a folyékony halmazállapotú tüzel anyag a leveg vel kapcsolatba kerül felülete megközelít leg az ezerszeresére növekszik, el segítve az el bbi gyorsabb párolgását és az oxidációs kémiai reakciók elindulását és lefolyását. Ugyanakkor, a befecskendezett sugarat úgy irányítja az égéstérbe, hogy a rendelkezésre álló leveg -mennyiség maximálisan kihasználódjon. A befecskendezés min sége a befecskendez sugár négy fontosabb jellemz jével értékelhet : porlasztási finomság, porlasztás egynem6sége, szórási távolság (mélység), szórási szög. A porlasztás finomsága és egynem6sége f ként a tüzel anyag párolgási folyamatát, míg a szórási távolság és a szórási szög a keverékképzés min ségét határozza meg. A porlasztási finomság a tüzel anyag-sugár aprózódásával létrejöv cseppek méretével írható le. A dízel motorok esetében magas porlasztási min ségre van szükség, ami 10-20 µm-es cseppméretet jelent. Mivel a porlasztás eredményeként létrejöv cseppek méretének szórása meglehet sen nagy, meghatározásukra, különböz egyszer6sít feltételek figyelembe vételével több képletet is javasoltak [2, 3, 4, 5]. Ezek közül a párolgási folyamatok számításánál használt Sauter féle átlagátmér t használtuk, ami a cseppek össztérfogatának és összfelületük hányadosának a hatszorosa [4]:
d csS
V = 6 cs = Scs
*n *n
cs
dcs3
cs
dcs2
= 1, 445
d00,667 ( ta0,1927
0,1466 ta 0,532 0
)l0,226 )l0,0733 w
(1)
ahol: d0 – a porlasztócsúcs furatának az átmér je; (ta – a tüzel anyag felületi feszültsége; ta – a tüzel anyag dinamikai viszkozitása; )l – a leveg s6r6ség; )ta – a tüzel anyag s6r6sége; w0 – a tüzel anyag áthaladási sebessége a porlasztócsúcs furatán. A porlasztás egynem sége akkor a legnagyobb, ha minden befecskendezett csepp azonos átmér j6. Mivel a gyakorlatban ez nem kivitelezhet , ezért egy elosztási függvénnyel kell megközelíteni, ami egy adott átmér -tartományban beilleszked cseppek gyakoriságát írja le az átlagos átmér höz viszonyítva [5]:
F = , + d prob
(2)
ahol n az elosztási függvény, d prob a várható cseppátmér átlagmérete. A szórási távolság (S) a befecskendezett tüzel anyag által o id alatt megtett út, ami a következ összefüggéssel számítható [5]: .
S = - wx d .
(3)
0
ahol wx – a tüzel anyag a fúvókafurat irányában, ett l S távolságra es sebessége. A szórási távolság akkor optimális, ha a tüzel anyag a befecskendezés ideje alatt áthalad a teljes égéskamrán, anélkül hogy ennek szemközti falára csapódna. Ha a szórási távolság túl nagy, a tüzel anyag az égéstér hideg falára csapódva lassú kémiai folyamatokon megy át, ami tökéletlen égéshez, az égéstér elkoszosodásához és a motor er s, kék szín6 füstöléséhez vezet. Túl rövid szórás a porlasztócsonk környezetében okoz hasonló jelenségeket, emellett mivel a falak közelében lev leveg nem vesz részt az égésben, így ez tökéletlen marad, ami a motor fekete szín6 füstölésével jár. A szórási távolság meghatározható, ha ismerjük a befecskendezési sugár szétesésének a porlasztócsúcstól mért Ssze távolságát [2, 3]:
S sze = w0 . sze / k1
)ta d0 )l
(4)
ahol .sze a befecskendezési sugár szétesésének pillanatáig eltelt id , Ssze – a befecskendezési sugár szétesésének a porlasztócsúcstól mért távolsága, k1 = 15,8 – kísérleti úton megállapított állandó. A w0 sebességet az energiamérleg egyenletéb l kapott képlettel lehet kiszámolni [1, 5]:
10
M szaki Szemle • 36
2 +p
w0 = µ0
)ta
(5)
ahol µ0 állandó a porlasztócsúcs furatában létrejöv veszteségeket veszi figyelembe, +p – pedig a befecskendezési nyomás és az égéstéri nyomás különbsége. A el bbi két összefüggésb l kifejezhet a befecskendezési sugár szétesésének pillanatáig eltelt id [2]:
c1 )ta d 0
. sze =
2 µ02 )l +p
(6)
Abból a feltételb l kiindulva, hogy a befecskendezési sugár szétesésének pillanatától a szórási távolság egyenesen arányos a befecskendezési sugár szétesésének pillanatáig eltelt id nek a négyzetgyökével, e pillanattól kezdve a szórási távolságot a következ egyenlet írja le:
. sze
S = k2
(x.10)
ahol a c2 állandó értékét az S = Ssze és . = .sze feltételekb l lehet kifejezni:
k1 µ0 d 0
k2 = 4 2
4
+p
)l
(7)
A hidraulikus veszteségeket figyelembe vev együttható kísérleti úton meghatározott értéke µ0 = 0,39, amivel a szórási távolságot a következ képpen lehet felírni [4, 5]:
1 20,39 2 2 S =3 22,95 2 24
2 +p
)l 4
+p
.
0 < . < . sze
d0 .
)l
. > . sze
(8)
ahol
. sze = 28, 65
)ta d0 )l +p .
(9)
A szórási távolság egyenesen arányos a d0, w0, bta, Wta, o, és fordítottan a bl, _ta paraméterekkel, vagyis a porlasztás egynem6ségét és a szórási távolságot ugyanazok a tényez k határozzák meg. A szórási szög (5 5) a porlasztási kép körvonalára érint legesen, a porlasztócsonk furatából kiindulva szerkesztett kúp központi szöge. Kísérleti úton bizonyított, hogy a szórási szög id ben változó paraméter, aminek értéke csupán a befecskendezési id vége felé állandósul. A szórási szög a szórási távolsággal együtt a tüzel anyag égéstéri eloszlását jellemzi. Értékének meghatározására több tapasztalati összefüggést is javasoltak. Ezek közül az egyik [2]:
5 = k3
)ta )l
m1
2 +p d 0 )ta
)ta
m2
µl
(10)
ahol 0l a leveg kinematikai viszkozitása, k3 = 0,00413; m1 = - 0,25; m2 = 0,5 tapasztalati állandók. Behelyettesítve az el bbi összefüggésbe, a szórási szög értéke a következ képpen alakul [2]:
5 = 0, 05
4
d 02 )l +p
µl2
.
(11)
Egy másik tapasztalati összefüggés a szórási szög meghatározására [2, 5]:
M szaki Szemle • 36
11
tan(5 ) =
1 4 A
)ta 3 )l 6
(12)
l0 d0
(13)
ahol A = 3 + 0 ,28
3. Számítási eredmények A modell alapján elvégzett számítások eredményeit a 2. ábrán mutatjuk be. Megállapítható, hogy a cseppméret növekszik a biohajtóanyagok esetében, els sorban a magasabb viszkozitásuk és felületi feszültségük eredményeképpen. A megnövekedett cseppméret egyenes következménye, hogy kevésbé egynem6 lesz a keverék, az alacsonyabb párolgási sebesség pedig lassúbb keverékképzést eredményez. Egyidej6leg megn a tüzel anyag-sugár széteséséig eltelt id , ezzel együtt pedig a porlasztási távolság, aminek következtében a tüzel anyag rácsapódik az égéstér falára. Mindezek a körülmények a tüzel anyag tökéletlen égéséhez vezet. A lecsökkent befecskendezési sebesség miatt az égéstérbe juttatott tüzel anyag mennyisége csökken, ami, az alacsonyabb f6t érték mellett, tovább rontja a motorba fecskendezett energia mennyiséget. Megállapítható, hogy a szórási szög lényegesen nem változik.
Cseppméret, 10-6m
39
1,71E-01
1,72E-01
40
40 38
38
38 37 36
35
35 34 33
Sétesésig eltelt id=, s
41
32
1,70E-01
1,70E-01 1,69E-01
1,68E-01 1,66E-01
1,64E-01
1,64E-01 1,62E-01 1,60E-01
RME
FSME
SZME
Gázolaj
RME
FSME
Hajtóanyag
Gázolaj
b) 10,300
145
10,245
10,250 Szórási szög, °
Befecskendezési sebesség, m/s
a) 146 145 145 144 144 143 143 142 142 141 141
SZME
Hajtóanyag
143 142
142
10,200 10,150
10,116
10,100
10,042
10,050
10,059
10,000 9,950 9,900
RME
FSME
SZME
Gázolaj
RME
FSME
Hajtóanyag
c)
SZME
Gázolaj
Hajtóanyag
d)
2. ábra A befecskendezés fontosabb min'ségi mutatói: a – cseppméret, b – szétesésig eltelt id', c – befecskendezési sebesség, d – szórási szög
12
M szaki Szemle • 36
A fentiekb l megállapítható, hogy ahhoz, hogy a motor teljesítménye ne csökkenjen, meg kell növelni a motor-ciklusonként befecskendezett tüzel anyag-adagot. A szórási távolság lecsökkentéséhez valamint a porlasztás egynem6ségének javításához pedig le kell csökkenteni a cseppméretet. Ezeknek megvalósításához meg kell növelni a porlasztócsúcs furatának átmér jét (3. ábra) és a befecskendezési nyomást (4. ábra).
3. ábra A befecskendezett tüzel'anyag energiatartalmának változása a porlasztócsúcs furatának függvényében
4. ábra A befecskendezési nyomás optimalizálása a megfelel' cseppméret eléréséhez.
Összefoglalás A bio-hajtóanyagok motorikus felhasználásával középtávon kiválthatók a hagyományos motorhajtó anyagok. Mivel a bio-motorhajtóanyagok fizikai tulajdonságai különböznek a gázolajétól, ezek alkalmazása megköveteli a motor egyes paramétereinek módosítását. A porlasztócsúcs furatának növelésével megvalósítható a motor teljesítményének megtartása, a befecskendezési nyomás növelésével pedig elérhet a porlasztás min ségének megtartása.
Felhasznált irodalom [1] [2] [3] [4] [5]
Christopher von Kuensberg Sarre, Song-Charng Kong, Rolf D. Reitz: Modeling the Effects of Injector Nozzle Geometry on Diesel Sprays, SAE Paper 1999-01-0912. Hiroyasu, H., Arai, M.: Fuel Spray Penetration and Spray Angle of Diesel Engines, Trans. of JSAE, Vol. 21, pp. 5-11, 1980. Jung, D., Assanis, D. N.: Multi-Zone DI Diesel Spray Combustion Model for Cycle Simulation Studies of Engine Performance and Emissions. SAE Paper 2001-01-1246. MariaNiu, F.: Modelarea injec:iei de combustibil la motoare cu aprindere prin comprimare. Cluj-Napoca, Sincron könyvkiadó, 2001. MariaNiu, F., B8:aga, N., Barabás, I.: Modelarea curgerii hidrodinamice a combustibilului prin orificiul unui injector. PiteNti, 2000.
M szaki Szemle • 36
13
