VSTŘIKOVÁNÍ KAPALNÉHO LPG - MODERNÍ ZPŮSOB TVOŘENÍ SMĚSI PRO VOZIDLOVÉ ZÁŽEHOVÉ MOTORY

INTERNATIONAL SYMPOSIUM MF-2513 9th International Symposium Tatranské Matliare, June, 14-17, 2010 Slovak Republic Summary LIQUID LPG INJECTION - MODERN WAY OF FUEL MIXTURE FORMATION FOR SPARK IGNITION ENGINES Ondřej DRÁB, Stanislav BEROUN, Martin HOŠEK Technical University of Liberec Czech Republic This paper shows LPG as a quality fuel mixture and explains adventures and problems connected with liquid LPG fuel mixture creation. Requirements to arrangement of LPG fuel system are determined on the basis of our own experiences with LPG injection, theoretical analysis of this problem and results of an experimental research. Representative results of this project, focused on technical solutions of engines and conducted in the engine laboratory, Department of Vehicles and Engines TUL are purposed in this report as well. 1 ISBN 978-80-969710-5-3

VSTŘIKOVÁNÍ KAPALNÉHO LPG - MODERNÍ ZPŮSOB TVOŘENÍ SMĚSI PRO VOZIDLOVÉ ZÁŽEHOVÉ MOTORY Ing. Ondřej DRÁB, prof. Ing. Stanislav BEROUN, CSc., Martin HOŠEK Technická univerzita v Liberci Česká Republika Souhrn Příspěvek ukazuje LPG jako kvalitní motorové palivo a vysvětluje výhody i problémy tvoření směsi vstřikováním kapalného LPG. Na základě vlastních zkušeností se vstřikováním kapalného LPG, teoretické analýzy problému a výsledků experimentálního výzkumu jsou stanoveny požadavky na uspořádání palivového systému pro vstřikování kapalného LPG. V příspěvku jsou prezentovány vybrané výsledky prací výzkumného programu zaměřeného na technická řešení motorů na alternativní paliva, který je realizován v laboratoři motorů Katedry vozidel a motorů na strojní fakultě Technické univerzity v Liberci (KVM TUL). 1. Úvod Pro zážehové pístové spalovací motory je klasickým palivem benzin, velmi kvalitní vlastnosti motorového paliva mají ale i tekuté rafinérské plyny, označované podle jejich anglického pojmenování Liquified Petroleum Gas zkratkou LPG. LPG je již delší dobu považován jako užitečná alternativa k benzinu pro vozidlové zážehové motory. Vedle ekonomických důvodů poskytuje LPG jako motorové palivo i významné ekologické efekty. Pro snížení emisí výfukových emisí je důležité, že u LPG je hmotnostní podíl uhlíku na 1 kg paliva pro LPG (60/40) 0,825 kg uhlíku. Při porovnání s hmotnostním obsahem uhlíku u benzinu nebo nafty, který je cca 0,86 0,87 kg je zřejmé, že při optimálním seřízení motoru pro provoz na LPG se dosáhne nižší produkce CO 2, nižší jsou i emise plynných výfukových škodlivin a emise pevných částic ve výfukových plynech (pozitivní vliv na snížení emisí výfukových škodlivin mají jednodušší molekuly propanu a butanu proti složitým molekulám uhlovodíků v benzinu). Na obr.1 je uvedeno porovnání vybraných složek výfukových plynů moderního vozidlového motoru při provozu na BA-95 a na LPG: výkonové parametry motoru při provozu na LPG (vícebodový vefuk plynného LPG do sání motoru) byly o 4-6% nižší proti provozu motoru na BA-95. Nižší koncentrace NO x za katalyzátorem jsou důsledkem vhodnějšího seřízení bohatosti směsi při provozu motoru na LPG, které vede ke zvýšení účinnosti katalyzátoru. LPG jako alternativa k benzinu se používá pro nepřeplňované i přeplňované vozidlové zážehové motory: motor je vybaven dvěma palivovými systémy a je provozován buď na benzin, nebo na LPG. Palivové systémy pro benzin i LPG jsou zpravidla postaveny pro vnější tvoření směsi s přívodem plynného (odpařeného LPG) paliva do nasávaného (plnicího) vzduchu pomocí směšovače nebo vefukovače (injektoru). U moderních zážehových motorů, které jsou vybaveny elektronickou regulací bohatosti směsi, je elektronická řídící jednotka palivového systému pro LPG připojena k původní elektronické řídící jednotce pro benzinový provoz. Nejjednodušším řešením úpravy zážehového motoru pro provoz na LPG je tvoření směsi ve směšovači, tato koncepce je dnes stále používaná u plynových motorů pro motorové vozíky a pro nevozidlové aplikace. Dalším vývojovým stupněm této koncepce je řízené jednobodové MF-2513 2 ISBN 978-80-969710-5-3

vefukování plynu. Moderní vozidlové různopalivové motory na benzin i LPG pro kategorii osobních automobilů používají ke tvoření plyno-vzdušné směsi řízené vícebodové vefukování plynu do sacího potrubí před sacími kanály v hlavě válců. Vefukovací ventily (někdy označované jako injektory) jsou umístěny buď jednotlivě na sacích trubkách jednotlivých válců, nebo jsou sesazeny do bloku a plynné palivo je do sacích trubek jednotlivých válců přiváděno hadičkami. 35 NOX CO2 15 30 14 25 13 NOx [ppm] 20 15 10 5 12 11 10 9 CO2 [%] 0 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 n [1/min] Obr.1 Koncentrace CO 2 a NO x (měření ve vzorku suchých výfukových plynů za katalyzátorem) moderního zážehového motoru při provozu na BA-95 a na LPG (tenké čáry jsou pro BA-95, silné pro LPG). Významným efektem provozu na LPG jsou nižší koncentrace CO 2 ve výfukových plynech. 8 U nepřeplňovaných motorů s vnější tvorbou směsi se při přechodu provozu z benzinu na LPG poněkud sníží výkonové parametry motoru. To je dáno snížením hmotnosti nasávaného vzduchu do válce motoru v důsledku většího objemu plynného paliva ve směsi. Objem paliva v čerstvé náplni válce ovlivňuje teplota čerstvé směsi na konci plnění válce, která se od teploty vzduchu na začátku sání liší v důsledku ohřevu vzduchu od stěn sacího kanálu, stěn uvnitř válce motoru a především smícháním se zbytkem spalin ve válci motoru. Na teplotu směsi na konci plnění válce má vliv i odpařování paliva během sání. Při nástřiku benzinu na sací ventil se může odpařit až 100% paliva a s ohledem na destilační křivku BA probíhá velká část odpařování při teplotách nad 100 0 C (účinkem vysoké teploty talířku sacího ventilu). Palivové páry BA budou ve stavu plynném (přehřáté páry) a tepelný obsah odpařeného BA může zvýšit teplotu čerstvé směsi (k odpařování se neodebírá teplo z nasávaného vzduchu, ale ze stěn sacího kanálu a stěny talářku sacího ventilu). Hmotnostní naplnění válce čerstvým vzduchem je tedy i při provozu motoru na BA nepříznivě ovlivněno objemem benzinových par (úplné odpaření BA během sání ale má pozitivní vliv na kvalitu vytvořené směsi a na spalovací proces). Pokus je při provozu na LPG vytvářena směs pomocí směšovače, pokles výkonu motoru je významný, až 10%. Při tvoření směsi vefukováním plynného LPG je pokles výkonu menší (4-6%), neboť při expanzi z tlaku vefukovaného plynu na tlak v sacím traktu se teplota plynného LPG snižuje a to může přispívat k určitému snížení teploty nasávané směsi a to poněkud eliminuje pokles hmotnosti vzduchové náplně válce, ke kterému dochází přítomností plynného paliva v nasávané směsi. Provoz zážehových různopalivových motorů na benzin nebo LPG, založených na koncepci tvoření směsi směšováním plynného paliva se vzduchem, je často vystaven riziku MF-2513 3 ISBN 978-80-969710-5-3

častějších problémů, způsobených nespolehlivou kvalitou LPG (přítomností těžko odpařitelných složek a dalších nežádoucích příměsí v LPG). Prakticky bezproblémovou koncepcí různopalivového motoru na benzin i LPG (vzhledem k obtížím spojených s odpařeným LPG) se ukazuje vstřikování kapalného LPG. Při tvoření směsi vstřikováním kapalného LPG do sání dojde k intenzivnímu odpařování LPG v sacím kanále a tím se snižuje teplota nasávané směsi. Výkonové parametry motoru při provozu na benzin a na LPG jsou při použití tohoto způsobu tvoření směsi potom srovnatelné. Při přestavbě moderních zážehových motorů pro provoz na BA nebo na LPG je zapotřebí upravit řízení doby otevření vefukovacích ventilů LPG (s ohledem na rozdílné průtokové vlastnosti ventilů pro BA a LPG i rozdílnou hustotu BA a LPG). Řídicí jednotka LPG přepočítává velikost dávky vefukovaného LPG podle naprogramované mapy pro dávkování BA v původní řídící jednotce (vč. obohacování směsi při vyšších zatíženích motoru). V moderních benzínových motorech se v poslední době prosazují systémy přímého vstřiku paliva do spalovacího prostoru motoru. Této systém vstřikování lze využít i pro vstřikování kapalného LPG přímo do válce motoru. K dopravě LPG z nádrže do palivového systému se stejně jako u vstřikování kapalného LPG do sání motoru používá membránové čerpadlo, které zvýší tlak paliva. Srdcem systému je jednotka pro volbu paliva, označena pod anglickým pojmenováním Fuel Selector Unit (FSU), která umožňuje bezproblémové přepínání pro BA nebo LPG. FSU zajišťuje dodávku LPG k originálnímu vysokotlakému čerpadlu pro BA, které zvýší tlak paliva až na 100 bar a jeho přivedení k původním vstřikovačům. Všechny funkce benzinové řídicí jednotky zůstávají zachovány. Výhodou přímého vstřikování BA nebo LPG je velice přesné dávkování paliva a plné využití všech funkcí motormanagementu, které zajišťují splnění požadavků na extrémně nízké výfukové emise (norma Euro 5). 2. Palivový systém pro vstřikování kapalného LPG do sacího potrubí motoru Pro spolehlivé udržení LPG v kapalném stavu v potrubí před vstřikovači LPG při všech provozních podmínkách musí být palivový systém LPG vybaven čerpadlem, které zvyšuje tlak LPG na přívodu ke vstřikovačům (tlak LPG v nádrži závisí na teplotě LPG), neboť v motorovém prostoru se zvyšuje teplota LPG v potrubí palivového systému a bez dostatečného tlaku při větším ohřátí paliva v palivovém potrubí by mohlo dojít k přeměně kapalné fáze LPG na plynnou. Provoz zážehového motoru se vstřikováním kapalného LPG musí být konstrukčně zajištěn takovým řešením vstřikovače LPG do sacího potrubí, které zabrání vzniku námrazy v oblasti vstřikovače nebo v nasávaném vzduchu. Známá řešení využívají vstřikovačů LPG, sestavených z elektromagneticky ovládaného vstřikovacího ventilu, ze kterého je LPG přiváděno v jednotlivých dávkách na pracovní oběh (tlakem, který je v přívodním potrubí LPG k elektromagnetickému ventilu) a koncové části vstřikovače s kanálkem, ve kterém dochází k expanzi se současným odpařováním LPG a z tohoto kanálku je potom LPG (zčásti již odpařené jako mokrý plyn) vstřikováno do nasávaného vzduchu. K odpařování LPG v kanálku koncové části vstřikovače dochází při teplotě, která závisí na tlaku LPG v tomto kanálku. Pokud po přívodu LPG ze vstřikovacího ventilu do koncové části vstřikovače poklesne v kanálku tlak pod 3 bar, změna skupenství LPG probíhá při teplotě pod 0 0 C a na vnějším povrchu koncové části vstřikovače se začne vytvářet námraza (namrzání vlhkosti z atmosférického vzduchu). Zvýšení tlaku LPG v kanálku koncové části vstřikovače vypařování LPG v kanálku zpomaluje a tím se omezuje riziko lokálního podchlazení se vznikem námrazy. Uspořádání celého vstřikovače kapalného LPG (tj. elektromagnetického vstřikovacího ventilu a koncové části vstřikovače) ukazuje obr.2. MF-2513 4 ISBN 978-80-969710-5-3

Tělo vstřikovače LPG Vstup paliva Výstup paliva Pouzdro vstřikovače Sestavený vstřikovač LPG Vstřikovací tryska LPG Příruba na sacím potrubí Obr.2 Levá strana obrázku zobrazuje detailní pohled na jednotlivé části vstřikovače. Hlavní částí je tělo vstřikovače LPG, které obsahuje elektromagnetický ventil pro regulaci množství vstřikovaného paliva do koncové části vstřikovače (vstřikovací trysky). Tělo vstřikovače je vsazeno do pouzdra a těsnícími kroužky zajištěno proti úniku kapalného paliva do okolního prostředí. Na rozdíl od vstřikovačů na BA, které jsou zapojeny paralelně (palivo je přivedeno z tlakového potrubí do slepé větve ke vstřikovači a zpět do nádrže se navrací přepadem z tlakového potrubí), jsou vstřikovače na LPG zapojeny do série (palivo prochází jednotlivě přes všechny vstřikovače od prvního až k poslednímu a následně se vrací do hlavní nádrže). Sériové zapojení má zajistit udržení teploty LPG (při ohřátí paliva by mohlo dojít k vytváření parních bublin odpařováním kapalného LPG v palivovém systému). Příruba je nesnímatelně připevněna na jednotlivých kanálech sacího traktu motoru a slouží pro uložení elektromagnetického ventilu a koncové části vstřikovače s tryskou. Na pravé straně je umístěn sestavený vstřikovač připravený na montáž (koncová část vstřikovače s výtokovou tryskou je jiného typu než na levém snímku rozloženého vstřikovače). 3. Teoretický rozbor problému Tvoření směsi vstřikováním kapalného LPG do sacího potrubí motoru vyžaduje správně řešenou zástavbu vstřikovače LPG do sacího tarktu jednotlivých válců a především aplikaci opatření, která zabrání (nebo alespoň výrazně omezí) vzniku námrazy v sacím traktu. Velký vliv má konstrukční provedení samotného vstřikovače a řešení koncovkové části vstřikovací trysky. MF-2513 5 ISBN 978-80-969710-5-3

Možnosti zamezení tvorby námrazy na vnější stěně koncové části vstřikovače jsou: a) Přivedením dostatečné množství tepla, tak aby nedocházelo k ochlazení vnějšího povrchu koncové části vstřikovače pod bod mrazu, které má za následek vznik námrazy. To by bylo možné zajistit umístěním celého vstřikovače do hlavy válců (s výstupem vstřikovaného LPG do sacího kanálu). K tomuto řešení však jsou potřeba značné konstrukční úpravy hlavy válců. b) Provedení změn v geometrii vnitřního kanálku koncové části vstřikovače tak, aby v kanálku neklesl tlak pod hodnotu, při které dochází k intenzivnímu odpařování kapalného LPG a teploty klesají pod bod mrazu. Hodnota tohoto tlaku závisí na složení LPG (poměru složek propanu a butanu ve směsi) a pokud bude tlak LPG v kanálku vyšší než tlak nasycených par při 0 C (pro dané složení LPG), námraza na těle koncové části vstřikovače by se neměla tvořit. Nelze však vyloučit vznik námrazy kolem partie výtokového otvoru, neboť po výstupu LPG (kapaliny nebo mokré páry) z výtokového otvoru dojde k velmi intenzivnímu přechodu LPG do stavu přehřáté páry a tato změna, která bude probíhat od nejtěsnější blízkosti ústí výtokového otvoru vyvolá výrazný pokles teploty a v důsledku toho začne kolem výtokového otvoru vznikat námraza. Závislosti tlaku nasycených par na teplotě a složení směsi LPG ukazují křivky v grafu na obr. 3. Obr. 3 Stav LPG v nádrži je vyznačen bodem 1, palivovým čerpadlem se tlak zvyšuje o 5 bar na tlak vstřikovací (bod 2). Ze vstřikovacího ventilu je LPG přivedeno do vstřikovací trysky, ve které tlak výrazně klesne. Pokud klesne tlak v kanálku trysky na tlak cca atmosférický (bod 3), bude teplota vypařování -28 C. Pokud se (hypoteticky) tlak sníží na 2 bar (1 bar přetlak bod 4), začne intenzivní vypařování při teplotě cca -14 0 C (bod 4). Při poklesu tlaku na 4 bary (bod 5) zvýší se teplota vypařování na 8 C. Znázorněné schéma současně naznačuje i možné opatření proti vzniku námrazy. MF-2513 6 ISBN 978-80-969710-5-3

c) Zvýšení tlaku LPG na vstupu do elektromagnetického ventilu a koncepční změna v řešení palivového systému zážehového motoru pro BA i LPG, která umožní vstřikování LPG vstřikovači pro BA (řešení s přepínáním paliva do stejných vstřikovačů buď BA, nebo LPG). Hodnota tlaku LPG a uspořádání palivového systému LPG musí zajistit udržení kapalného stavu LPG i při ohřevu vstřikovače na vyšší teplotu. Charakter vstřiku LPG se při vyšším vstřikovacím tlaku změní (proti řešení současných provedení vstřikovačů LPG), výtok LPG ze vstřikovače probíhá vyšší rychlostí a vznik námrazy je výrazně potlačen. Ověření možnosti této varianty vstřikování kapalného LPG bylo v laboratoři KVM TUL provedeno vizualizací vstřiku LPG výsledek je zřejmý z fotografií na obr. 4. Obr. 4 Vstřikování LPG zvýšeným vstřikovacím tlakem (18 bar) benzinovým vstřikovačem. Při volnoběhu (vlevo) nedochází na vstřikovači ke vzniku námrazy, ve 100% zatížení (vpravo) se tvoří pod vstřikovačem námraza ve výrazně menším rozsahu než u obvyklých řešení vstřikovačů (a vstřikovacích tlaků) LPG. 4. Experimentální výzkum vstřikování kapalného LPG do nasávaného vzduchu Výzkumný program v laboratoři KVM TUL se zaměřením na vstřikování kapalného LPG do nasávaného vzduchu je veden především experimentálně, studium řešeného problému výpočty je využíváno jako podpůrný nástroj a s ohledem na složitost vyšetřovaných dějů zatím nedává očekávaný výsledek. Experimentální práce byly orientovány na variantu b) uvedenou v předcházející kapitole. K zajištění dostatečného tlaku v kanálku trysky je nutné provézt konstrukční úpravy tak, aby teplota odpařování paliva byla během hlavní fáze vstřiku nad bodem mrazu. V okrajových fázích vstřiku (otevření a zavření vstřikovacího ventilu) není možné zajistit dostatečný tlak v palivu a dojde vždy k odpařování LPG. V oblasti výtokového otvoru trysky bude také vždy docházet k odpařování LPG, jelikož tlak v místě výtokového otvoru je rovný tlaku v sacím potrubí motoru. Je tedy nutné docílit dostatečného tlaku v kanálku trysky a minimalizovat ovlivnění koncové části trysky v místě výtoku, která je pro tvorbu icingu nejnáchylnější. Experimentální výzkum s měřením teplot a vizualizací vstřikování LPG bylo prováděno na modelovém sacím potrubí, ve kterém byl umístěn vstřikovač LPG a dále termočlánky k měření teplot na koncové části vstřikovače a v nasávaném vzduchu. Uspořádání celého pracoviště ukazuje fotografie na obr. 5. MF-2513 7 ISBN 978-80-969710-5-3

Ovládací panel vstřikováni Vstřikovač LPG Modelové sací potrubí Měřící ústředna HBM Motor Daewoo - Avia Obr. 5 Uspořádání modelového měřícího stanoviště. Motor Daewoo Avia (D A) je využíván k simulaci reálného proudění v modelovém sacím potrubí motoru a zároveň spaluje vytvořenou směs vzduchu s LPG (motor D-A přitom pracuje jako dvoupalivový, spaliny z motoru jsou odváděny odsávacím potrubím mimo laboratoř). Ovládací panel vstřikování umožňuje nastavování velikosti vstřikované dávky LPG (doba otevření elektromagnetického ventilu možnost nastavení od 1ms do 22ms) a také frekvence vstřikování (otáčky motoru pro 4dobý motor od 1000 1/min do 12000 1/min). V modelovém sacím potrubí jsou umístěné termočlánky (plášťované, průměr pláště 0,35 mm) k měření teplot nasávaného vzduchu. Termočlánky jsou upevněny také na vstřikovacích tryskách. Slouží ke sledování teplot na vnějším povrchu trysky - lze tak posoudit ve kterých místech a s jakou intenzitou dochází k odpařování paliva již v kanálku koncové části vstřikovací trysky. Termočlánky jsou připojeny ke sběrové kartě měřicí ústředny HBM. Výsledky experimentálního výzkumu (měření teplot, vizualizace vstřiku LPG) prováděného s různými typy koncových částí vstřikovačů (vstřikovacích trysek) kapalného LPG a jejich různým uspořádáním a umístěním v sacím traktu motoru a teoretická analýza problému vede k následujícím závěrům: 1. Z elektromagnetického vstřikovacího ventilu LPG vytéká palivo v kapalném stavu, který je zajištěn tlakem na přívodu LPG do vstřikovacího ventilu. 2. Po vstupu LPG do vedení paliva k výstřikovému otvoru (trysce, resp. konci trubičky, kanálku, kterým se LPG přivádí do nasávaného vzduchu) se tlak ve vedení paliva (kanálku) rychle snižuje a v určitém místě kanálku, při poklesu tlaku na hodnotu tlaku nasycených par LPG pro danou teplotu paliva začíná v kanálku (trubičce) vypařování paliva. 3. Na konci kanálku (v ústí výtokového otvoru) je tlak paliva prakticky shodný s tlakem v sacím potrubí a z výtokového otvoru vystupuje palivo (LPG) ve stavu mokré páry. K fázové přeměně (vypařování) paliva, která probíhá od místa v kanálku, kde poklesne tlak paliva na MF-2513 8 ISBN 978-80-969710-5-3

hodnotu tlaku nasycených par až do volného (výtokového) konce kanálku, se teplota vypařování paliva snižuje a intenzita vypařování roste. 4. Teplo, potřebné k vypařování paliva, se odebírá ze stěny kanálku, teplota stěny se snižuje a na vnějším povrchu stěny kanálku (trubičky) vzniká námraza ze zkondenzované vlhkosti atmosférického vzduchu. 5. Postupným poklesem tlaku paliva protékajícího kanálkem a účinkem velmi intenzivního vypařování se bude výtoková rychlost LPG zvyšovat úměrně zvyšování měrného objemu LPG (výtok LPG probíhá ve stavu mokré páry). K velmi intenzivnímu vypařování potom dochází na konci kanálku v ústí výtokového otvoru a tím se zvyšuje tvoření námrazy v partii kolem výtokového otvoru. 6. Výsledky měření 1 2 Obr. 6 Původní koncová část vstřikovače s trubičkovou tryskou je vyrobena z ocelové trubky s vnitřním průměrem kanálku 1 mm a vnějším průměrem 3 mm. První termočlánek (1) je připevněn cca 5 mm nad ohybem. Druhý termočlánek (2) je připevněn v koncové části vstřikovací trysky. Naměřené teploty jsou zobrazeny na obr. 9. 1 2 Obr. 7 Tryska krátká vyrobena z ocelové trubičky s vnitřním průměrem kanálku 0.4 mm a vnějším průměrem 0.6 mm. První termočlánek (1) je připevněn v ohybu trysky. Druhý termočlánek (2) je připevněn cca 3 mm před vyústěním trysky. Teploty na povrchu trysky popisuje obr. 10. MF-2513 9 ISBN 978-80-969710-5-3

1 2 Obr. 8 Tryska dlouhá je vyrobena z ocelové trubičky s vnitřním průměrem kanálku 0.6 mm a vnějším průměrem 0.8 mm. První termočlánek (1) je připevněn v ohybu trysky. Druhý termočlánek (2) je připevněn cca 4 mm před vyústěním trysky z důvodu možného ovlivnění teplot vznikem lokální námrazy na koncové části trysky (při výstupu z trysky dochází k intenzivnímu opařování kapalného LPG vlivem vyrovnání tlaku s okolním prostředím a následnému výraznému snížení teplot). Naměřená data jsou zpracována v obr. 11. 20 15 10 Termočlánek 1_1000 ot/min Termočlanek 1_2000 ot/min Termočlanek 1_3000 ot/min Termočlanek 1_4000 ot/min Termočlanek 1_5000 ot/min Termočlanek 2_1000 ot/min Termočlanek 2_2000 ot/min Termočlanek 2_3000 ot/min Termočlanek 2_4000 ot/min Termočlanek 2_5000 ot/min Teplota [ C] 5 0-5 -10-15 -20 1 2 4 6 8 10 12 14 15 Doba otevření vstřikovače [ms] Obr. 9 Z grafu je viditelný průběh odpařování kapalného LPG. Díky velkému vnitřnímu průměru kanálku vstřikovací trysky dojde k postupnému snižování tlaku a následně k intenzivnějšímu odpaření v celé části kanálku trysky. Odvod tepla má za následek snížení teploty na vnějších stěnách trysky a následnou tvorbou námrazy. Při velice nízkých dávkách paliva (volnoběžné otáčky) je zajištěno přestupem tepla z okolního prostředí dostatečné množství energie k úplnému odpaření paliva v trysce. Se zvyšující se dávkou paliva a otáček dochází k intenzivnímu odpařování paliva v celém objemu vstřikovací trysky. Z okolní prostředí není možno přivést dostatečné množství energie (dochází ke tvorbě námrazy). MF-2513 10 ISBN 978-80-969710-5-3

30 25 20 Termočlánek 1_1000 ot/min Termočlanek 1_2000 ot/min Termočlanek 1_3000 ot/min Termočlanek 1_4000 ot/min Termočlanek 1_5000 ot/min Termočlanek 2_1000 ot/min Termočlanek 2_2000 ot/min Termočlanek 2_3000 ot/min Termočlanek 2_4000 ot/min Termočlanek 2_5000 ot/min Teplota [ C] 15 10 5 0-5 -10-15 1 2 4 6 8 10 12 14 15 Doba otevření vstřikovače [ms] Obr. 10 Naměřené hodnoty na vstřikovací trysce o průměru 0.6 mm naznačují výrazné zvýšení teplot na povrchu trysky. Teploty pod bodem mrazu se vyskytují pouze pří nízkých dávkách paliva. V kanálku trysky nedochází k výraznému snížení tlaku, tím je zajištěno částečné odpaření paliva (k odpaření zbytku paliva dojde při vyrovnání tlaku v sacím potrubím motoru). 30 Termočlánek 1_1000 ot/min Termočlanek 1_2000 ot/min Termočlanek 1_3000 ot/min Termočlanek 1_4000 ot/min Termočlanek 1_5000 ot/min Termočlanek 2_1000 ot/min Termočlanek 2_2000 ot/min Termočlanek 2_3000 ot/min Termočlanek 2_4000 ot/min Termočlanek 2_5000 ot/min 25 20 15 Teplota [ C] 10 5 0-5 -10-15 1 2 4 6 8 10 12 14 15 Doba otevření vstřikovače [ms] MF-2513 11 ISBN 978-80-969710-5-3

Obr. 11 Zobrazuje naměřené teploty na povrchu vstřikovací trysky s vnitřním průměrem kanálku 0.8 mm. Ke snížení teploty pod bod mrazu na povrchu trysky dochází v nižších otáčkových režimech a nízkých vstřikovacích dávkách paliva. Při vyšších dávkách paliva je zajištěn dostatečný tlak v kanálku trysky a k odpařování LPG dochází nad bodem mrazu. K tvorbě námrazy dochází pouze v oblasti výtokového otvoru z trysky. V této oblasti dochází k velmi intenzivnímu odpařování paliva při tlaku okolního prostředí a teploty tedy klesají až na -30 C. 6. Závěr Cílem výzkumu je dosáhnout snížení vzniku námrazy na koncových částech vstřikovače pro vstřikování kapalného LPG do nasávaného vzduchu zážehového motoru. Navržené varianty vstřikovacích trysek byly měřeny na modelovém měřícím stanovišti, které simulovalo reálné podmínky v sacím traktu motoru. První výsledky měření na původním provedení koncových částí vstřikovačů ukázaly problémy s odpařováním kapalného LPG ve vnitřním kanálku vstřikovací trysky: intenzivním odpařováním paliva docházelo ke snížení teplot pod bod mrazu na povrchu trysky a v důsledku toho se na vnějším povrchu vstřikovací trubky vytvářela námraza z vlhkosti v atmosférickém vzduchu. Změnou geometrie koncové části vstřikovače a především zmenšením výtokového průřezu vstřikovací trysky se dosáhlo zvýšení tlaku v kanálku trysky. Varianty koncových částí vstřikovačů jsou připraveny k ověřovacím zkouškám a měřením na vozidlovém motoru, při kterých budou kromě sledování dějů v sacím traktu (měření teplot, vizualizace vstřiku) zjišťovány všechny běžné i nadstandardní vlastnosti zážehového motoru (vč. výfukových emisí) při provozu na LPG s tvořením směsi vstřikováním kapalného LPG do nasávaného vzduchu. Poděkování Acknowledgement Published results were acquired using the subsidization of the Ministry of Education of the Czech Republic; project 1M0568 Josef Božek Research Centre for Engine and Vehicle Technologies II. MF-2513 12 ISBN 978-80-969710-5-3