Wpływ wilgotności powietrza na parametry pracy silnika samochodowego o zapłonie samoczynnym

Piotr Haller*

Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny,

Abstrakt

Głównym problemem w spalinowych silnikach o zapłonie samoczynnym jest nierównomierny rozkład temperatury i mieszanki paliwowo powietrznej wewnątrz komory spalania. Sprzyja to powstawaniu punktów o wysokiej i niskiej koncentracji tlenu w komorze spalania silnika. W miejscach o wysokiej koncentracji tlenu, proces spalania wytwarza bardzo szkodliwe tlenki azotu NOx, a w miejscach o niskim stężeniu tlenu, w wyniku niekompletnego spalania paliwa powstają cząsteczki stałe w postaci sadzy. To nierówne rozłożenie temperatury i mieszanki paliwowo powietrznej w komorze spalania wpływa także na ograniczone maksymalne osiągi silnika w każdym jego cyklu roboczym. Jedną z metod mającą na celu  ulepszenie procesu spalania jest podawanie do silnika powietrza o dużej wilgotności.
Badania przeprowadzono na hamowni podwoziowej w Katedrze Inżynierii Pojazdów Politechniki Wrocławskiej. Na potrzeby prowadzonych badań wyznaczono charakterystyki zewnętrzne silnika o zapłonie samoczynnym przy różnych wartościach wilgotności powietrza. Analiza wyników prowadzonych badań pozwala stwierdzić, że woda pozytywnie wpływa na parametry pracy silnika o zapłonie samoczynnym.

 Słowa kluczowe: woda, para wodna, silniki spalinowe, hamownia podwoziowa

 
Wstęp

Jednym ze sposobów na zmniejszenie zużycia paliwa przez silniki spalinowe, a co za tym idzie zmniejszenie emisji szkodliwych substancji do atmosfery jest zwiększenie sprawności silników spalinowych. Można to osiągnąć podając do kolektora dolotowego powietrze o zwiększonej wilgotności. Woda w powietrzu wpływa pozytywnie na parametry pracy silnika poprzez lepsze rozprowadzenie tlenu wewnątrz jego komory spalania. Para wodna działa jako nośnik tlenu podczas procesu spalania a jednocześnie powoduje przyspieszenie tego procesu. W procesie spalania, każda para wodna uwalnia oraz przekazuje swój powierzchniowy ładunek tlenu co powoduje szybsze jego wymieszanie z paliwem. W rezultacie uzyskujemy wyższe stężenie oraz bardziej jednorodną dyspersję tlenu, co daje szybsze i bardziej efektywne oraz kompletne spalanie. Ostatecznie, działanie to objawia się większą sprawnością silnika, co daje zwiększoną moc przy mniejszym zużyciu paliwa.

Rys. 1. Budowa samochodowego silnika spalinowego z zapłonem samoczynnym


Wilgotnością względną powietrza nazywamy stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu wilgotnym o danej temperaturze t do ciśnienia nasycenia pary wodnej w tej samej temperaturze. Wilgotność względna jest wyrażana w procentach. Wilgotność względna równa 0% oznacza powietrze suche, zaś równa 100% oznacza powietrze całkowicie nasycone parą wodną.

Rys. 2.  Maksymalna zawartość wody w zależności od temperatury

Stanowisko pomiarowe

Hamownia jest stacjonarnym stanowiskiem pomiarowym umożliwiającym pozyskanie niezbędnych danych do wyznaczenia charakterystyki silnika. Hamownie podwoziowe nie mierzą bezpośrednio parametrów silnika, lecz jego osiągi i dopiero na podstawie uzyskanych danych określana jest jego moc czy moment obrotowy [4]. W przeciwieństwie do hamowni silnikowych, hamownie podwoziowe są proste i szybkie w obsłudze (nie trzeba wyjmować silnika), a jednocześnie ich precyzja pomiaru parametrów pojazdu jest wysoka, podobnie jak powtarzalność przeprowadzanych testów. Podczas pomiaru mocy, hamownia daje dokładne  wyniki pomiaru mocy silnika i momentu obrotowego. Hamownie podwoziowe nie mierzą bezpośrednio parametrów silnika, lecz jego osiągi i dopiero na podstawie uzyskanych danych określana jest jego moc czy moment obrotowy. Wyliczanie tych wartości pomiarowych na wartości normatywne zgodne z międzynarodowymi normami przebiega automatycznie. Hamownia podwoziowa pozwala na dokładne zasymulowanie warunków rzeczywistych panujących podczas jazdy pojazdem na drodze.

Wyniki

Badania właściwe prowadzone były na hamowni podwoziowej w Katedrze Inżynierii Pojazdów Politechniki Wrocławskiej przy wykorzystaniu pojazdu wyposażonego w silnik VW 1.9 SDI. Na potrzeby badań zostały wykonane charakterystyki zewnętrzne silnika, które obrazują główne parametry pracy silnika. Badania przebiegały przy stałej temperaturze powietrza wynoszącej około 20^oC i przy zmiennej względnej wilgotności powietrza wynoszącej od 35% do 75%.
Charakterystyka zewnętrzna silnika to wykresy przebiegu momentu obrotowego i mocy silnika spalinowego przy pełnym otwarciu przepustnicy (w funkcji obrotów). Charakterystyka zewnętrzna silnika jest wykresem przedstawiającym zależności mocy N i momentu obrotowego M od prędkości obrotowej n w czasie, gdy silnik pracuje z całkowitą otwartą przepustnicą lub pompą wtryskową ustawioną na maksymalną wydajność. Obrazuje on maksymalne wartości momentu i mocy jakimi dany silnik dysponuje i przy jakich obrotach ma to miejsce.
W wyniku pomiarów maksymalnej mocy silnika zasilanego poszczególnymi paliwami przy poszczególnych prędkościach obrotowych wału korbowego uzyskano charakterystyki zewnętrzne przedstawione na rysunku 3 i 4.

Rys. 3. Charakterystyka zewnętrzna silnika przy wilgotności względnej powietrza 35%.

Rys. 4.  Porównanie charakterystyk mocy silnika przy różnej wilgotności względnej powietrza

Wnioski

Z przedstawionych danych wynika, że osiągi silnika pracującego w różnych warunkach atmosferycznych nie różnią się istotnie. Można stwierdzić co prawda, że silnik zasilany mieszaniną oleju napędowego i powietrza o wilgotności względnej 75% osiąga większą moc i większy moment obrotowy wału korbowego, niż w przypadku względnej wilgotności powietrza sięgającej tylko 35%.   
Praca silnika w warunkach większej wilgotności względnej powietrza wpływa na zwiększenie mocy silnika i momentu obrotowego wału korbowego silnika. Pozytywny wpływ zwiększonej wilgotności powietrza na pracę silnika spalinowego najbardziej widać w górnych prędkościach obrotowych wału korbowego. Tam różnice sięgają nawet do 10%. W pozostałym przedziale obrotów wału korbowego silnika różnice są niewielkie i podczas normalnej eksploatacji pojazdu mogą nie być wcale odczuwalne przez kierowcę.

1. Chłopek Z., Danilczyk W., Kruczyński S. Ocena możliwości zmniejszenia emisji tlenków azotu przez dodatek wody do układu zasilania silnika o zapłonie samoczynnym. Zeszyty Instytutu Pojazdów 3/94. Warszawa 1994.

2. Gronowski K. Z dziejów motoryzacji. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa 1963.

3. Haller P., Jankowski A., Kolanek C., Walkowiak W. Microemulsions as fuel for diesel engine. Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 19, No. 4. 2012.

4. Jankowski A. Influence of chosen parameters of water fuel microemulsion on combustion processes, emission level of nitrogen oxides and fuel consumption of ci engine; Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 18, No. 4. 2011.

5. Kardasz P. Wpływ wybranych własności paliw na parametry procesu spalania. Politechnika Wrocławska. Wrocław. 2014.

6. Sitnik L., Dworaczyński M., Haller P. Skawitowane emulsje węglowodorowowodne do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. The Archives of Automotive Engineering Vol. 60, No.2. 2013.