The evaluation of conditions of turbocharger interaction with compression ignition combustion engine at partial loads

Celem artykułu było dokładniejsze rozpoznanie procesów i ilościowa ocena warunków współpracy silnika o zapłonie samoczynnym z turbosprężarką, w zakresie małych i średnich obciążeń i prędkości obrotowych silnika. Analizę taką przeprowadzono dla obciążeń częściowych na przykładzie turbosprężarki KKK KP35 i jednostki napędowej typu Fiat 1.3 JTD w oparciu o bilans masy spalin i powietrza oraz bilans mocy turbiny i sprężarki. W obszarze charakterystyki ogólnej korzyści wynikające ze zwiększonej gęstości czynnika dostarczanego do cylindra są istotnie umniejszone stratami wywołanymi przez zwiększone przeciwciśnienie wylotu spalin, co skutkuje większym polem powierzchni dolnej pętli wykresu indykatorowego silnika. Ponieważ są to typowe warunki eksploatacyjne trakcyjnych silników spalinowych, pożądana jest taka poprawa parametrów współpracy turbo-sprężarki i silnika, która prowadzi do zmniejszenia zużycia paliwa w założonym zakresie obciążeń, a także do zapewnienia pracy silnika przy możliwie najmniejszych wskaźnikach emisyjnych.The paper main aim was the more precise identification of the processes and the quantitative evaluation of the reciprocal compression ignition engine and turbocharger influence in terms of partial loads and low engine speeds. The analysis was conducted for KKK KP35 turbocharger and Fiat 1.3 JTD engine on the base of air and exhaust gasses balance and the power balance of turbine and compressor. In the discussed engine operational conditions the gain coming from the higher charge air density is relevantly reduced by the higher exhaust backpressure and therefore lower loop of gas exchange on the indicator diagram. These conditions are typical in exploitation, so preferred is such kind of parameters improvement, which leads to the reduction of fuel consumption in established operating points and also emissions reduction

Use of the gas ionization signal for combustion process diagnostics in the cylinder of a spark ignition engine

The running diagnostics of the combustion process in an internal combustion engine is essential for increasing its efficiency and to improving its performance indicators. The modern diagnostics of this process no longer concerns only measurements of fast-changing thermodynamic variables, but also measurements of other parameters allowing for its evaluation. The use of electrical or optical methods in diagnostics enables the evaluation of local process parameters, such as occurrence of the flame and its temperature distribution. Actually, there are some new methods under investigation which are proposed for this kind of diagnostic. This article focuses on demonstrating the potential for using an electric signal from the gas ionization to estimate the maximum combustion pressure in a cylinder of an SI engine. This is a comparative analysis of the gas ionization current signal in the cylinder and the fast-changing pressure at fixed operating points of a 4-stroke natural gas powered engine. The study was carried out on a one-cylinder 4-stroke SI engine equipped with a cylinder pressure recording system and monitoring of the cylinder ionization current using appropriate measuring systems. The influence of engine operating conditions on the ability to determine cylinder pressure based on the ionization current signal was analyzed. This impact assessment was analyzed statistically and a strong correlation was found between the analyzed signals. The obtained results point in the potential direction of development of this type of measuring system

Optical tests as the basis for formulating mathematical models of the opening delay of CIDI injectors

The main objective of this research was an attempt to evaluate the delay times of the actual needle opening of the diesel injectors in relation to the time of triggering the current control signals opening the solenoid and piezoelectric high-pressure injectors of diesel engines. The conducted tests take into account the variability of fuel injection pressure and backpressure prevailing in the operational chamber of the engine. To determine accurately the time of actual injection start, the optical tests analysing the image of the injector tip were used. Such high resolution images were obtained by high-speed recording with a frequency of 250 kHz (Dt = 0.004 ms). Based on a comparison of the results obtained, it was found that the maximum delay time of fuel injection for a piezoelectric diesel injector is about 12% shorter than for a solenoid injector. Experimentally obtained results of the injection time delay were used as a basis to formulate mathematical models describing the delay of the real fuel injection in relation to the signal controlling the opening of the diesel injectors. These models take into account the dependence of the injector reaction from the injection pressure and the backpressure in the operational chamber of the engine. The correctness of the obtained models is confirmed by acceptable values of the determination coefficient (for solenoid injector – 0.6, for piezoelectric injector – above 0.8 – for correlation of injection delay and backpressure)

Modele matematyczne opóźnienia otwarcia wtryskiwaczy SIDI sformułowane na podstawie badań optycznych

An appropriate moment of the fuel injection start is one of the parameters determining the characteristics of fuel flow from the injector and preparation of fuel-air mixture for combustion. However, knowledge of the characteristics of signals controlling the beginning of the injector opening does not provide enough information about the time of the actual fuel injection, which often leads to incorrect conclusions and decisions in relation to the required changes in the map of injection control. What was undertaken in this research was an attempt to evaluate the delay times of the actual opening of the high-pressure injectors of gasoline in relation to the time of triggering the current control signals opening the solenoid and piezoelectric injectors. The conducted tests take into account the variability of fuel injection pressure and backpressure prevailing in the operational chamber of the engine. To accurately determine the time of actual start of injection, the optical tests analysing the optical image of the tip of the dispenser were used. Such high resolution images were obtained thanks to high-speed filming with a frequency of 250 kHz (Δt = 0.004 ms). Correlation of the results of these analyses with the records of parameters of the fast-varying processes (voltage and current in the injector) allowed determining the times of the electric and hydraulic delay of the injection for piezoelectric and solenoid fuel injectors. Based on a comparison of the results obtained, it was found that the delay time of fuel injection for a piezoelectric injector of gasoline is about 3.5 times shorter than for a solenoid injector. It was also found that for the injection pressure above 10 MPa the delay is constant and does not depend on the pressure of fuel and the medium. Experimentally obtained results of the injection time delay were a basis to formulate mathematical models describing the delay of the actual fuel injection in relation to the signal controlling the opening of the injectors. These models take into account the dependence of the injector reaction on the injection pressure and the backpressure in the operational chamber of the engine. The correctness of the obtained models is confirmed by high values of the coefficient of determination (above 0.84).Odpowiednia chwila początku wtrysku paliwa jest jednym z parametrów decydujących o przebiegu wypływu paliwa z wtryskiwacza oraz o przegotowaniu mieszanki paliwowo-powietrznej do spalania. Jednak znajomość przebiegu sygnałów sterujących początkiem otwarcia wtryskiwacza nie dostarcza wystarczających informacji o chwili rzeczywistego wtrysku paliwa, co często staje się przyczyną błędnych wniosków i decyzji w odniesieniu do wymaganych zmian w mapie sterowania wtryskiem. W tej pracy podjęto próbę oceny czasów opóźnienia rzeczywistego otwierania wtryskiwaczy wysokociśnieniowych benzyny w stosunku do czasów wyzwolenia prądowych sygnałów sterujących otwarciem wtryskiwaczy elektromagnetycznych i piezoelektrycznych. W przeprowadzonych badaniach uwzględniono zmienność ciśnienia wtrysku paliwa oraz przeciwciśnienia panującego w komorze roboczej silnika. Do dokładnego określenia chwili rzeczywistego początku wtrysku wykorzystano badania optyczne polegające na analizie obrazu końcówki rozpylacza. Obrazy takie o dużej rozdzielczości uzyskano dzięki szybkiemu filmowaniu z częstotliwością 250 kHz (Δt = 0,004 ms). Skorelowanie wyników tych analiz z wynikami rejestracji parametrów procesów szybkozmiennych (napięcia i natężenia prądu we wtryskiwaczu) pozwoliło na wyznaczenie czasów opóźnienia elektrycznego i hydraulicznego wtrysku paliwa dla wtryskiwaczy piezo- i elektromagnetycznych. Na podstawie porównania uzyskanych wyników stwierdzono, że czas opóźnienia wtrysku paliwa dla wtryskiwaczy piezoelektrycznych benzyny jest około 3,5-krotnie krótszy niż dla wtryskiwaczy elektromagnetycznych. Stwierdzono także, że powyżej ciśnienia wtrysku 10 MPa opóźnienie to jest stałe i nie zależy od wartości ciśnienia paliwa i ośrodka. Eksperymentalnie uzyskane wyniki opóźnienia czasu wtrysku stanowiły podstawę do sformułowania modeli matematycznych opisujących opóźnienie rzeczywistego wtrysku paliwa w stosunku do sygnału sterującego otwarciem wtryskiwaczy. Modele te uwzględniają zależność reakcji wtryskiwacza od ciśnienia wtrysku oraz przeciwciśnienia w przestrzeni roboczej silnika. O poprawności otrzymanych modeli świadczą duże wartości współczynnika determinacji (powyżej 0,84)

Research-based assessment of the influence of hydrocarbon fuel atomization on the formation of self-ignition spots and the course of pre-flame processes

W artykule omówiono zagadnienia wpływu kształtowania się strugi wtryskiwanego paliwa na tworzenie ognisk samozapłonu oraz rozwój procesów przedpłomiennych w przestrzeni roboczej modelowego silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym. Badania wykonano wykorzystując 8-otworkowe wtryskiwacze piezoelektryczne dla standardowego oleju napędowego oraz dla 3 innych paliw, które stanowiły mieszaniny: etanolu, butanolu i benzyny w różnych proporcjach. Stosując optyczne metody analizy określano wskaźniki geometryczne powstającej strugi wtryskiwanego paliwa oraz rozkład masy paliwa w przekroju podłużnym i poprzecznym strugi w trakcie trwania procesu wtrysku. Miejsce i liczbę powstających ognisk samozapłonu w przestrzeni spalania oceniano porównawczo w warunkach braku zawirowania ładunku oraz przy jego występowaniu.The paper discusses the issues of the influence of the fuel spray formation on the formation of self-ignition spots and the development of pre-flame processes inside a model diesel engine. The investigations were carried out with 8-hole piezoelectric injectors for a standard diesel fuel and three other types of fuel that were mixtures of: ethanol, butanol and gasoline in a variety of proportions. By applying optical methods of analysis the authors determined the geometrical indexes of the forming fuel spray and the fuel mass distribution in the longitudinal and transverse cross-section of the fuel spray during the injection process. The location and number of the self-ignition spots in the combustion chamber were evaluated on the basis of a comparison under the swirl vs. no swirl conditions

Badanie wtrysku i rozpylenia paliwa z wykorzystaniem oświetlenia laserowego

The paper presents some aspects of the application of selected methods of optical research whose aim is to obtain information on the course of the atomization and evaporation processes in the combustion chamber. The paper shows images of a gasoline fuel spray when injected to a high-pressure chamber. These images have been recorded using conventional sources of light and laser illumination. Research with the use of a YAG pulsed laser of high illumination pulse energy enabled an assessment of the fuel distribution in the transverse cross-section of the fuel spray. The paper describes such a possibility of modification of the experiment using laser illumination as to obtain information on the spatial distribution of both the liquid and gaseous phase of the injected fuel.W artykule omówiono niektóre aspekty stosowania wybranych metod badań optycznych, których celem jest uzyskanie informacji o przebiegu procesu rozpylenia i odparowania paliwa w komorze spalania silnika spalinowego. Przedstawione zostały obrazy strugi benzyny wtryskiwanej do komory ciśnieniowej zarejestrowane przy wykorzystaniu konwencjonalnych źródeł światła i oświetlenia laserem. Badania z wykorzystaniem lasera impulsowego typu YAG o dużej energii impulsu oświetlającego umożliwiły ocenę rozkładu paliwa w poprzecznym przekroju strugi paliwa. Opisano możliwość takiej modyfikacji eksperymentu prowadzonego z oświetleniem laserowym, aby uzyskać informację zarówno o przestrzennym rozkładzie fazy ciekłej, jak i fazy gazowej wtryskiwanego paliwa

Badawcza ocena wpływu rozpylenia paliw węglowodorowych na tworzenie się ognisk samozapłonu oraz przebieg procesów przedpłomiennych

The paper discusses the issues of the influence of the fuel spray formation on the generation of self-ignition spots and the development of pre-flame processes in the cylinder of a model diesel engine. The investigations were carried out with the use of 8-hole piezoelectric injectors for a standard diesel fuel and three other types of fuel that were mixtures of: ethanol, butanol and gasoline in a variety of proportions. By applying optical methods of analysis the authors determined the geometrical indexes of the forming of fuel spray and of fuel mass distribution in the longitudinal and transverse cross-section of the fuel spray during the injection process. The location and number of the self-ignition spots in the combustion chamber were evaluated on the basis of a comparison under the swirl vs. no swirl conditions.W artykule omówiono zagadnienia wpływu kształtowania się strugi wtryskiwanego paliwa na tworzenie ognisk samozapłonu oraz rozwój procesów przedpłomiennych w przestrzeni roboczej modelowego silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym. Badania wykonano wykorzystując 8-otworkowe wtryskiwacze piezoelektryczne dla standardowego oleju napędowego oraz dla 3 innych paliw, które stanowiły mieszaniny: etanolu, butanolu i benzyny w różnych proporcjach. Stosując optyczne metody analizy określano wskaźniki geometryczne powstającej strugi wtryskiwanego paliwa oraz rozkład masy paliwa w przekroju podłużnym i poprzecznym strugi w trakcie trwania procesu wtrysku. Miejsce i liczbę powstających ognisk samozapłonu w przestrzeni spalania oceniano porównawczo w warunkach braku zawirowania ładunku oraz przy jego występowaniu

Wyznaczanie parametrów strugi paliwa ciekłego na podstawie badań eksperymentalnych i symulacyjnych dla wtryskiwaczy piezoelektrycznych

The paper presents an attempt to apply a simulation method in the investigations into liquid fuel atomization generated from piezoelectric gasoline injectors used in modern high-pressure injection systems. Individual stages of the simulation research have been discussed and an experimental verification of the method has been carried out. The results of the simulation and experimental research of the injection of liquid fuel have been presented in the form of influence of air backpressure on the fuel spray atomization and fuel propagation.W artykule przedstawiono wyniki wykorzystania metody symulacyjnej do badania zasięgu strugi wtryskiwanego paliwa ciekłego z wtryskiwaczy piezoelektrycznych benzyny wykorzystywanych w nowoczesnych układach wtrysku wysokociśnieniowego. Omówiono budowę modelu i przebieg badania symulacyjnego. Weryfikację uzyskanych wyników przeprowadzono na podstawie badań eksperymentalnych prowadzonych na stanowisku wyposażonym w kamerę do szybkiego filmowania i cyfrowej analizy obrazu. W procedurze weryfikacyjnej uwzględniono wpływ przeciwciśnienia ośrodka na zasięg i prędkość rozprzestrzeniania się strugi

Thermodynamic indexes of Atkinson cycle combustion engine operation under transient conditions

W artykule omówiono wyniki badań indykatorowych nieustalonych warunków pracy silnika spalinowego pracującego z wykorzystaniem obiegu Atkinsona. Warunki takie w znacznym stopniu odpowiadają za pracę jednostki napędowej i stanowią obecnie jeden z głównych kierunków prac badawczych. Badania wykonano wykorzystując układ do akwizycji sygnałów szybkozmiennych z wykorzystaniem czujników prędkości obrotowej wału korbowego oraz czujnika ciśnienia zamontowanego w świecy zapłonowej. Analizę wykonano w warunkach rozruchu silnika, a także podczas zmiany prędkości obrotowych przy zróżnicowanych obciążeniach. Określono podstawowe termodynamiczne wskaźniki procesu w warunkach nieustalonych i zestawiono je ze wskaźnikami wynikającymi z warunków ustalonych.The paper discusses the results of indicator research of transient states of an engine operating in the Atkinson cycle. Such states are the most frequently observable ones during engine operation and are a subject of many research and development works. The investigations were carried out using a fast varying data acquisition system using engine speed sensor and the pressure sensors fitted in the spark plug. The analysis was performed under the conditions of engine start and its changing speeds at different loads. The basic thermodynamic indexes of the process under transient states were determined and compared with the indexes obtained under steady states