Bio-motorhajtóanyagok befecskendezési jellemz=inek optimálása Optimization of Injection Parameters for Biofuel Jet

Átírás

1 Bio-motorhajtóanyagok befecskenezési jeemz=inek optimáása Optimization of Injection Parameters for Biofue Jet Dr BARABÁS István, Dr TODORU- Arian, Dr CSIBI VENCEL-József Koozsvári Mszaki Egyetem, Mechanika Kar Abstract In terms of energy savings an protection of goba environment against air poution is a very impornt probem Vegebes oi is an interesting aternative to fossi iese fue, as they are renewabe source of energy, have a ow sufur content, an are safe to store However, using vegebe ois in orer to fue irect injection iese engines creates probems ue to their ow heat energy, ow voatiity an high viscosity These probems are reuce to minimum by subjecting the vegebe ois to the process of tranesterification Same probems remain, ike as spray parameters injection veocity, injection cone ange, spray penetration, ropets size moifie by ifferent fue properties In this paper, using a numerica anaysis, which was use to unersn the phenomena of fue injection process an the hep the eveopment of the srpay specifications, is escribe Bevezetés Az aternatív motorhajtó-anyagok szükségességének két egfontosabb mpontja a környezetnnyezés és a hagyományos többnyire fossziis ereet6 energiahorozók termétes réknak végessége Biomasszábó eáított motorhajtó-anyagokka részben vagy egészben kiváthatók a hagyományos hajtóanyagok, azonban széeskör6 akamazásuk még várat magára Új típusú motorhajtó-anyagok bevezetése fetéteezi a beségés6 motor és a hajtóanyag egymáshoz vaó iesztését Ennek megvaósítására három megoás kínákozik: a hajtóanyag iesztése a motorhoz, a motor iesztése a hajtóanyaghoz és az ebbi kett kompromisszumos megoása Írásunk a bioíze típusú motorhajtóanyagok ieszthetségének vizsgáatát t6zte ki céu, a motorikus foyamatokat nagyban befoyásoó befecskenezés minségének eméeti kutásáva 1 A bioíeze típusú motorhajtó-anyagok a befecskenezés min=ségét befoyásoó fontosabb tuajonságai A bioíze aapanyaga ehet növényi oaj, áati zsiraék, vaamint küönböz termokémiai úton eáított biomassza aapú szénhirogén termék Napjainkban a egszéesebb kör6 fehasznáásnak a növényi oajok metiészterei örvenenek Bár a növényi oajok metiészterei nagyban megközeítik a gázoaj fizikai és kémiai tuajonságait, mégis maranak oyan paraméterek, ameyek a motor keverékképzését nagyban befoyásoják Öshasonításként, a egfontosabb növényi oajbó nyert metiészterek fizikai tuajonságait az 1 tábázatban fogatuk ösz A Romániában szabványosított gázoaj (SR EN 59 vaamint az Európai Unió bioízere vonatkozó eírásai (EN 1414 a tábázatban öshasonítás céjábó repenek 8 Mszaki Szeme 36

2 1 Tábázat A bioíze típusú motorhajtóanyagok fontosabb tuajonságai Tuajonság Jeöés Mértékegység Repceoaj meti észter (RME Napraforgóoaj meti észter (NFME Szójaoaj meti észter (SZME Bioíze, EN 1414 Gázoaj, SR EN 59 Cetánszám CC 54,4 39,9 46, min 51 47,8 S6r6ség 15 C-on b kg/ m Kinematikai viszkozitás ` m /s 6, 1-6 3, , , , C-on Dinamikai viszkozitás W N s/ m 5, , 1-3 3,3 1-3 nincs, C-on Feüeti feszütség _ N/m 5, , , 1-3 nincs,5 1-3 Asó f6térték Q i MJ/kg 37,77 37,19 37,4 nincs (4,5 Zavaroáspont t t C - nincs -1 Fagypont t î C nincs -16 Égési hmérséket t a C nincs 74 Lobbanáspont t aa C A tábázatban bemutott értékeket öshasonítva megáapíthatók a következk: növényi oajokbó nyert bioíze típusú hajtóanyagok s6r6sége bár magasabb a gázoajéná, beieszkeik a bioíze szabványban eírt intervaumba; a bio-motorhajtóanyagok 4 C-on mért kinematikai viszkozitása magasabb a gázoajéhoz képest, azonban csupán a RME esetében éhet a szabványban javasot értékek enyhe túépése; a feüeti feszütséget vizsgáva megáapítható, hogy a biohajtóanyagok esetében ennek értéke jóva magasabb a gázoajéná, ami nagyban befoyásoja a befecskenezés minségét; a bioíze f6tértéke aacsonyabb a gázoajéná, ami o motor tejesítményének a csökkenéséhez és a tüzeanyag-fogyasztás növekeéséhez vezet; aacsony hmérséket-rtományban a bioíze hajamosabb zavaroásra, a fagypontja peig 8-14 C-ka magasabb a gázoajéná A befecskenezési foyamat moeezése A beségés6 motorok keverékképz renrében a tüzeanyag befecskenezése a porasztó csúcs furatán nyomásküönbség hatására étrejöv er á átpréset tüzeanyag porasztásáva jön étre (1-es ábra A porasztási kép két jó eküönü részt mut be: az 1-e jeöt foyékony hamazáapotú foytonos tüzeanyag-sugarat és az ezt körüvev -es jeöés6 apró cseppekb aakut, kör6 burkot 1 ábra Egyr"sített porasztási kép Mszaki Szeme 36 9

3 A foyékony hamazáapotú hajtóanyagok égéséhez eengeheteten a tüzeanyag aprózóása és az égéstérben történ szétszórása Befecskenezésse a foyékony hamazáapotú tüzeanyag a evegve kapcsoatba kerü feüete megközeíteg az ezerresére növekszik, esegítve az ebbi gyorsabb párogását és az oxiációs kémiai reakciók einuását és efoyását Ugyanakkor, a befecskenezett sugarat úgy irányítja az égéstérbe, hogy a renekezésre áó eveg-mennyiség maximáisan kihasznáójon A befecskenezés minsége a befecskenez sugár négy fontosabb jeemzjéve értékehet: porasztási finomság, porasztás egynem6sége, szórási távoság (méység, szórási szög A porasztás finomsága és egynem6sége fként a tüzeanyag párogási foyamatát, míg a szórási távoság és a szórási szög a keverékképzés minségét határozza meg A porasztási finomság a tüzeanyag-sugár aprózóásáva étrejöv cseppek méretéve írható e A íze motorok esetében magas porasztási minségre van szükség, ami 1- µm-es cseppméretet jeent Mive a porasztás ereményeként étrejöv cseppek méretének szórása megehetsen nagy, meghatározásukra, küönböz egyr6sít fetéteek figyeembe véteéve több képetet is javasok [, 3, 4, 5] Ezek közü a párogási foyamatok számításáná hasznát Sauter fée ágátmért hasznátuk, ami a cseppek össztérfogatának és összfeüetük hányaosának a hatszorosa [4]: * 3,667,197,1466 V ncs cs cs ( css = 6 = = 1,445,6,733,53 Scs * ncs cs w (1 aho: a porasztócsúcs furatának az átmérje; ( a tüzeanyag feüeti feszütsége; a tüzeanyag inamikai viszkozitása; a eveg s6r6ség; a tüzeanyag s6r6sége; w a tüzeanyag áthaaási sebessége a porasztócsúcs furatán A porasztás egynemsége akkor a egnagyobb, ha minen befecskenezett csepp azonos átmérj6 Mive a gyakoratban ez nem kiviteezhet, ezért egy eosztási függvénnye ke megközeíteni, ami egy aott átmér-rtományban beieszke cseppek gyakoriságát írja e az ágos átmérhöz viszonyítva [5]: F =, + prob ( aho n az eosztási függvény, prob a várható cseppátmér ágmérete A szórási távoság (S a befecskenezett tüzeanyag á o i aatt megtett út, ami a következ ösfüggésse számítható [5]: S = - wx (3 aho w x a tüzeanyag a fúvókafurat irányában, ett S távoságra es sebessége A szórási távoság akkor optimáis, ha a tüzeanyag a befecskenezés ieje aatt áthaa a tejes égéskamrán, anékü hogy ennek mközti faára csapóna Ha a szórási távoság tú nagy, a tüzeanyag az égéstér hieg faára csapóva assú kémiai foyamatokon megy át, ami tökéeten égéshez, az égéstér ekoszosoásához és a motor ers, kék szín6 füstöéséhez vezet Tú rövi szórás a porasztócsonk környezetében okoz hasonó jeenségeket, emeett mive a faak közeében ev eveg nem vesz részt az égésben, így ez tökéeten mara, ami a motor fekete szín6 füstöéséve jár A szórási távoság meghatározható, ha ismerjük a befecskenezési sugár szétesésének a porasztócsúcstó mért S távoságát [, 3]: S = w / k 1 aho a befecskenezési sugár szétesésének pianatáig etet i, S a befecskenezési sugár szétesésének a porasztócsúcstó mért távosága, k 1 = 15,8 kíséreti úton megáapított áanó A w sebességet az energiaméreg egyenetéb kapott képette ehet kiszámoni [1, 5]: (4 1 Mszaki Szeme 36

4 w = µ + p aho µ áanó a porasztócsúcs furatában étrejöv veszteségeket veszi figyeembe, +p peig a befecskenezési nyomás és az égéstéri nyomás küönbsége A ebbi két ösfüggésb kifejezhet a befecskenezési sugár szétesésének pianatáig etet i []: c1 = µ + p (6 Abbó a fetéteb kiinuva, hogy a befecskenezési sugár szétesésének pianatátó a szórási távoság egyenesen arányos a befecskenezési sugár szétesésének pianatáig etet inek a négyzetgyökéve, e pianattó kezve a szórási távoságot a következ egyenet írja e: S = k aho a c áanó értékét az S = S és = fetéteekb ehet kifejezni: k = k µ p (5 (x1 A hirauikus veszteségeket figyeembe vev együttható kíséreti úton meghatározott értéke µ =,39, amive a szórási távoságot a következképpen ehet feírni [4, 5]: aho 1 + p,39 < < S = 3 + p,95 4 > 4 = 8, 65 + p (9 A szórási távoság egyenesen arányos a, w, b, W, o, és forítotn a b, _ paraméterekke, vagyis a porasztás egynem6ségét és a szórási távoságot ugyanazok a tényezk határozzák meg A szórási szög (5 a porasztási kép körvonaára érintegesen, a porasztócsonk furatábó kiinuva rkesztett kúp központi szöge Kíséreti úton bizonyított, hogy a szórási szög iben vátozó paraméter, aminek értéke csupán a befecskenezési i vége feé áanósu A szórási szög a szórási távoságga együtt a tüzeanyag égéstéri eoszását jeemzi Értékének meghatározására több paszati ösfüggést is javasok Ezek közü az egyik []: m 1 + p 5 = k3 µ (1 aho a eveg kinematikai viszkozitása, k 3 =,413; m 1 = -,5; m =,5 paszati áanók Beheyettesítve az ebbi ösfüggésbe, a szórási szög értéke a következképpen aaku []:,5 4 µ 5 = + p m (7 (8 (11 Egy másik paszati ösfüggés a szórási szög meghatározására [, 5]: Mszaki Szeme 36 11

5 aho 1 3 n( 5 = 4 A 6 8 A +=, 3 (1 (13 3 Számítási eremények A moe aapján evégzett számítások ereményeit a ábrán mutjuk be Megáapítható, hogy a cseppméret növekszik a biohajtóanyagok esetében, essorban a magasabb viszkozitásuk és feüeti feszütségük ereményeképpen A megnövekeett cseppméret egyenes következménye, hogy kevésbé egynem6 esz a keverék, az aacsonyabb párogási sebesség peig assúbb keverékképzést ereményez Egyiej6eg megn a tüzeanyag-sugár széteséséig etet i, ezze együtt peig a porasztási távoság, aminek következtében a tüzeanyag rácsapóik az égéstér faára Minezek a körümények a tüzeanyag tökéeten égéséhez vezet A ecsökkent befecskenezési sebesség miatt az égéstérbe juttott tüzeanyag mennyisége csökken, ami, az aacsonyabb f6térték meett, tovább rontja a motorba fecskenezett energia mennyiséget Megáapítható, hogy a szórási szög ényegesen nem vátozik Cseppméret, 1-6 m RME FSME SZME Gázoaj Sétesésig etet i=, s 1,7E-1 1,7E-1 1,68E-1 1,66E-1 1,64E-1 1,6E-1 1,6E-1 1,71E-1 1,7E-1 1,69E-1 1,64E-1 RME FSME SZME Gázoaj a b Befecskenezési sebesség, m/s RME FSME SZME Gázoaj Szórási szög, 1,3 1,5 1, 1,15 1,1 1,5 1, 9,95 9,9 1,45 1,116 1,4 1,59 RME FSME SZME Gázoaj c ábra A befecskenezés fontosabb min'ségi mutói: a cseppméret, b szétesésig etet i', c befecskenezési sebesség, szórási szög 1 Mszaki Szeme 36

6 A fentiekb megáapítható, hogy ahhoz, hogy a motor tejesítménye ne csökkenjen, meg ke növeni a motor-cikusonként befecskenezett tüzeanyag-aagot A szórási távoság ecsökkentéséhez vaamint a porasztás egynem6ségének javításához peig e ke csökkenteni a cseppméretet Ezeknek megvaósításához meg ke növeni a porasztócsúcs furatának átmérjét (3 ábra és a befecskenezési nyomást (4 ábra 3 ábra A befecskenezett tüze'anyag energiarmának vátozása a porasztócsúcs furatának függvényében 4 ábra A befecskenezési nyomás optimaizáása a megfee' cseppméret eéréséhez Ösfogaás A bio-hajtóanyagok motorikus fehasznáásáva középtávon kiváthatók a hagyományos motorhajtó anyagok Mive a bio-motorhajtóanyagok fizikai tuajonságai küönböznek a gázoajétó, ezek akamazása megkövetei a motor egyes paramétereinek móosítását A porasztócsúcs furatának növeéséve megvaósítható a motor tejesítményének megrtása, a befecskenezési nyomás növeéséve peig eérhet a porasztás minségének megrtása Fehasznát iroaom [1] Christopher von Kuensberg Sarre, Song-Charng Kong, Rof D Reitz: Moeing the Effects of Injector Nozze Geometry on Diese Sprays, SAE Paper [] Hiroyasu, H, Arai, M: Fue Spray Penetration an Spray Ange of Diese Engines, Trans of JSAE, Vo 1, pp 5-11, 198 [3] Jung, D, Assanis, D N: Muti-Zone DI Diese Spray Combustion Moe for Cyce Simuation Stuies of Engine Performance an Emissions SAE Paper [4] MariaNiu, F: Moearea injec:iei e combustibi a motoare cu aprinere prin comprimare Cuj-Napoca, Sincron könyvkiaó, 1 [5] MariaNiu, F, B8:aga, N, Barabás, I: Moearea curgerii hiroinamice a combustibiuui prin orificiu unui injector PiteNti, Mszaki Szeme 36 13