Charakterystyka gęstości czasowej silników spalinowych maszyn eksploatowanych w kopalniach węgla kamiennego

Transkrypt

1 dr inż. Krzysztf Kaczmarczyk Instytut Techniki Górniczej KOAG Charakterystyka gęstści czaswej silników spalinwych maszyn eksplatwanych w kpalniach węgla kamienneg S t r e s z c z e n i e S u m m a r y Charakterystyka TD (Time Density, pracwana dla napędów spalinwych eksplatwanych w kpalniach węgla kamienneg, pzwala na sklasyfikwanie silnika i kreślenie reprezentatywneg cyklu badawczeg raz wagi pszczególnych faz teg cyklu. W artykule przedstawin metdę sprządzania charakterystyk gęstści czaswej TD maszyn z silnikiem spalinwym raz metdy pśrednieg i bezpśrednieg kreślenia mmentu brtweg niezbędneg d sprządzenia charakterystyki TD. Słwa kluczwe: silnik spalinwy, charakterystyka gęstści czaswej, górnictw Keywrds: diesel engine, time density characteristics, mining industry Time Density Characteristics (TD, deelped fr diesel engines perating in hard cal mines enables classificatin f engine and determining the representatie testing cycle and weight f each phase f the cycle. The methd fr preparatin f TD characteristics f diesel engines as well as indirect r direct determinatin f trque indispensable fr deelpment f TD characteristics, is presented. 1. Wstęp Silniki spalinwe eksplatwane w maszynach transprtwych charakteryzuje zmiennść zarówn bciążenia, jak i prędkści brtwej. Jest t uzależnine d prfilu trasy jezdnej, wymagań dtyczących ruchu, jak i subiektywnych zachwań kierwców prwadzących śrdek transprtwy. Charakterystyka gęstści czaswej TD (Time Density stanwi mapę rzkładu czasu pracy silnika w pszczególnych punktach współpracy z układem przeniesienia napędu w bszarze charakterystyki uniwersalnej silnika. Charakterystyka TD wiąże właściwści silnika ze spsbem jeg eksplatacji, pzwala na sklasyfikwanie silnika i kreślenie dpwiednieg cyklu badawczeg testu hmlgacyjneg. Dla silników zastswaniu pzadrgwym przeprwadza się test stacjnarny NRSC (nn rad stactinary cycle zgdnie z nrmą ISO Opracwanie lub dbór testu hmlgacyjneg zgdneg z nrmą ISO 8178, dedykwaneg d maszyn pracujących w wyrbiskach pdziemnych, wymaga kreślenia charakterystyki gęstści czaswej, na pdstawie której mżna kreślić wagi pszczególnych faz cyklu badawczeg. Badania pisane w pracy [7] dtyczącej kmbajnów zbżwych wykazują, że w dniesieniu d tych maszyn test NRSC nie dpwiada rzeczywistym warunkm eksplatacyjnym. Charakter eksplatacji silników kmbajnów zbżwych pzwala stwierdzić, że test badawczy NRSC mógłby w swjej najprstszej pstaci składać się z dwóch faz (rys.1 [7]. Rys. 1. Analiza wyników pracy silników kmbajnów zbżwych w aspekcie testu NRSC [7] Na pdstawie wyników prac [7] i [8] mżna dmniemywać, że hmlgacyjny test badawczy silników eksplatwanych w wyrbiskach węgla kamienneg dbiega d rzeczywistych warunków ich pracy. 2. Charakterystyka gęstści czaswej TD Charakterystykę TD mżna zidentyfikwać na pdstawie przebiegu w czasie dwóch zmiennych charakteryzujących pracę silnika (1: n n(t i (t dla n prędkść brtwa silnika, mment brtwy silnika, te czas kresu eksplatacji. t ( 0, te (1 0 ASZYNY GÓRNICZE 2/2015

2 Ple pracy silnika, które brazuje wykres charakterystyki zewnętrznej bciążenia w funkcji prędkści brtwej n dzieli się na prstkątne elementy wymiarach (rys. 2: n n n N max min max min N, liczba przedziałów na siach n i. Ple pwierzchni elementu numerach (i, j gęstści czaswej TD zdefiniwan zależnścią (: TD ( i, j t ( i, j t(i, j czas pracy silnika w plu pracy współrzędnych i j. t e (2 ( Taka zabudwa eliminuje wpływ zakłóceń wywływanych przez pdzespły układu napędweg. W lkmtywach z mechanicznym przeniesieniem napędu i przekładnią hydrkinetyczną, mżliwa jest zabudwa mmentmierza w miejscu płączenia kłnierzy wałów napędwych z przekładnią rewersyjną (rys. []. Rys.. Schemat układu napędweg lkmtywy wraz prpnwanymi miejscami zabudwy mmentmierza I i II [] Rys. 2. Pdział pla pracy silnika na elementy [1] Określenie prędkści brtwej silnika nie stanwi większeg prblemu. Prblemem technicznym jest natmiast kreślenie mmentu brtweg na wale krbwym silnika. ment brtwy mżna kreślić w spsób bezpśredni za pmcą jeg pmiaru mmentmierzem zabudwanym w układzie napędwym lub w spsób pśredni na pdstawie inneg parametru pracy silnika.. Określenie mmentu brtweg pprzez bezpśredni pmiar mmentmierzem zabudwanym w układzie napędwym Bezpśredni pmiar mmentu brtweg silnika napędweg maszyn dłwych wymaga ingerencji w układ napędwy maszyny. Najkrzystniejszym miejscem zabudwy mmentmierza jest płączenie wału krbweg z pzstałą częścią układu napędweg. W takim przypadku, w celu kreślenia mmentu brtweg na kle zamachwym silnika, należy uwzględnić przełżenie dynamiczne przekładni hydrkinetycznej zabudwanej na silniku spalinwym, zgdnie ze wzrem (4: i mment brtwy na kle zamachwym, u mment brtwy w układzie napędwym, d id przełżenie dynamiczne przekładni hydrkinetycznej. We wzrze (4 należy uwzględnić zmiennść przełżenia dynamiczneg id d przełżenia kinematyczneg ik: i d f ( i k 4. Pśrednie kreślenie mmentu brtweg ment brtwy w spsób pśredni mżna kreślić na pdstawie danych chwilwym zużyciu paliwa, temperaturze spalin lub pprzez infrmacje wysterwaniu urządzeń zasilających Określenie mmentu brtweg na pdstawie pmiaru zużycia paliwa Niezbędny d wyznaczenia charakterystyki gęstści czaswej mment brtwy mże być wyznaczny metdą pśrednią pprzez pmiar zużycia paliwa przy u (4 (5 ASZYNY GÓRNICZE 2/2015 1

3 danej prędkści brtwej. żna g wyznaczyć ze wzru na pdstawie zależnści (6 [2]: B Q (6 B stała, specyficzna d badaneg silnika [N/m 2 ], c - sprawnść cieplna, Q - dawka paliwa na cykl [m ]. c ment brtwy silnika mżna również wyznaczyć, uwzględniając zużycie paliwa, wg wzru (7 [5]: 2 a b c d a, b, c, d charakterystyczne współczynniki dla daneg silnika, g - zużycie paliwa na 1000 brtów [dm /1000 br] W celu wyznaczenia współczynników pdanych we wzrze (7 należy skrzystać z wykresu uniwersalneg daneg silnika raz wzru (8 [5]: g 2 g e pal g e - jednstkwe zużycie paliwa [g/(kw*h], pal - gęstść paliwa [kg/dm ]. Na pdstawie charakterystyki uniwersalnej silnika mżna kreślić zużycie paliwa. Dla każdej prędkści brtwej wału krbweg pwstaje uszeregwany ciąg liczb twrzących funkcję wielmianwą. Na rysunku 4 przedstawian charakterystykę uniwersalną silnika spalinweg, mcy 81 kw, który zastswan, między innymi, w dłwych lkmtywach spalinwych knstrukcji ITG KOAG. (7 ( Określenie mmentu brtweg na pdstawie wysterwania urządzeń zasilających Infrmacja wysterwaniu urządzenia zasilająceg silnik, np.: płżeniu zadajnika prędkści, płżeniu listwy pmpy zasilającej, czy czasu twarcia wtryskiwacza pzwala na kreślenie dawki (zużycia paliwa. W tym przypadku pmiar zużycia paliwa realizwany jest pśredni. W przypadku wykrzystania infrmacji wychyleniu zadajnika prędkści graniczeniem jest rdzaj zastswaneg w silnika regulatra. Regulatr wielzakreswy uniemżliwia pprawne kreślenie dawki paliwa, pnieważ ma n zdlnść regulacji w całym zakresie prędkści (regulatr ma mżliwść zmiany dawki paliwa pd wpływem bciążenia. Regulatr dwuzakreswy dpwiada za regulację biegu jałweg raz prędkści maksymalnej. W pzstałym zakresie prędkści, w którym dawka paliwa jest niezależna d bciążenia silnika, dawka ta jest prprcjnalna d wychylenia zadajnika prędkści, c umżliwia jej kreślenie. 4.. Określenie mmentu brtweg na pdstawie temperatury spalin Wartść średnieg użyteczneg mmentu brtweg silnika spalinweg mżna wyznaczyć na pdstawie wzru (9 [9]: V s i Vs i p 2 - bjętść skkwa cylindra, - liczba cylindrów, - współczynnik uwzględniający liczbę suwów, 1-silnik dwusuwwy, 2-silnik cztersuwwy, p e - średnie ciśnienie użyteczne. Uwzględniając, że średnie ciśnienie użyteczne jest wartścią zmienną, wartść mmentu brtweg jest wprst prprcjnalna d wartści średnieg ciśnienia użyteczneg. Wartść pe prprcjnalna d zaptrzebwania na mment w trakcie pracy silnika, siągana jest pprzez dstarczenie ciepła czynnikwi termdynamicznemu. Ciepł t pzyskane jest w wyniku spalania paliwa. Jeg ilść, zgdnie z biegiem termdynamicznym Sabathe, jest równa (10 [9]: e (9 Q Q p c ( T c p ( Tp - ciepł dprwadzne przy V=cnst - ciepł dprwadzne przy p=cnst (10 Rys. 4. Charakterystyka uniwersalna silnika spalinweg stswaneg w spalinwym napędzie górniczym [4] Wartść temperatury infrmuje w spsób pśredni wartści mmentu brtweg na wale silnika. Ze względów technicznych najkrzystniejszym miejscem pmiaru temperatury jest jej pmiar na wylcie z klektra wyltweg lub, w przypadku 2 ASZYNY GÓRNICZE 2/2015

4 silników dładwanych, za turbiną. W przypadku przeciwwybuchwych napędów spalinwych należy uwzględnić wpływ chłdzneg klektra wyltweg wraz z krpusem turbsprężarki. Na rysunku 5 przestawin przebieg izterm silnika spalinweg mcy 81 kw, stswaneg między innymi w napędach spalinwych lkmtywy dla kpalń węgla kamienneg knstrukcji ITG KOAG. Rys. 5. Przebieg izterm temperatury na wykresie -n. [Źródł: pracwanie własne] Na pdstawie ww. charakterystyki mżna, dla pszczególnych prędkści brtwych, kreślić przebieg zmian mmentu brtweg w funkcji temperatury spalin. Jest t funkcja dwrtna, pnieważ w rzeczywistych warunkach temperatura spalin jest wynikiem bciążenia silnika. Na rysunku 6 przedstawin wartści mmentu brtweg dla temperatury spalin dla stałej prędkści brtwej n=1400 br/min. Rys. 6. Charakterystyka mmentu brtweg w funkcji temperatury spalin przy stałej prędkści brtwej 1400 br/min [Źródł: pracwanie własne] ment brtwy mżna kreślić na pdstawie zależnści (11: at bt 2 ct d a, b, c, d współczynniki charakterystyczne dla daneg silnika, T - temperatura spalin. (11 Pdbnie jak w metdzie plegającej na pmiarze zużycia paliwa, funkcję f (t pisuje wielmian trzecieg stpnia. Wyznaczne współczynniki a, b, c i d dla załżnych przedziałów prędkści brtwych przedstawin w tabeli 1. Wartść współczynników a, b, c, d funkcji =f(t [Źródł: pracwanie własne] Prędkść brtwa silnika [Obr/min] Współczynnik a b c d Tabela 1 Pniżej 900-1*10-7 0,0005 0,55-20, * *10-5 0,69-24, * ,0014 1, , * ,005 2, , * ,001 1, , *10-6 0,0074,194-62, * ,052 2, , * ,0045 2,212-16,57 5. nitrwanie parametrów pracy maszyny spalinwej w kpalniach węgla kamienneg w aspekcie sprządzenia charakterystyk TD aszyny transprtwe pracujące w wyrbiskach zagrżnych atmsferą wybuchwą, wypsażne w silnik spalinwy wraz z układem dltw-wyltwym specjalnej knstrukcji, pwinny spełniać dpwiednie wymagania bezpieczeństwa eksplatacyjneg. Jednym z najważniejszych z nich, stanwiącym isttne graniczenie w stswaniu silników spalinwych, jest warunek nieprzekrczenia maksymalnej temperatury pwierzchni zewnętrznych napędu, wynszącej 150 C. Napęd spalinwy pwinien również spełniać wymagania dtyczące budwy przeciwwybuchwej silnika, przyrządwania elektryczneg i elektrniczneg sterująceg nim raz systemu mnitrująceg stan jeg pracy. W celu sprządzenia charakterystyki czaswej wymagana jest znajmść przebiegu w czasie parametrów prędkści brtwej raz mmentu brtweg silnika spalinweg. Przedstawin kilka metd pzwalających na kreślenie mmentu brtweg na wale silnika spalinweg. Bezpśredni pmiar mmentu brtweg pwduje trudnści w jeg zabudwie. Uwzględniając knstrukcje maszyn eksplatwanych w wyrbiskach pdziemnych, zdaniem autra, pmiar pśredni na pdstawie temperatury spalin jest najbardziej uzasadniny. Wymaga n jednak znajmści charakterystyki uniwersalnej badaneg silnika, którą wyknuje się na ASZYNY GÓRNICZE 2/2015

5 hamwni. Na rysunku 7 przedstawin składniki systemu rejestrująceg parametry pracy silnika spalinweg, który pzwala na wyznaczenie charakterystyk gęstści czaswych na pdstawie pmiaru temperatury spalin. Charakterystyka gęstści czaswej pzwala, między innymi na kreślenie wielkści emisji spalin d śrdwiska. Skład chemiczny spalin jest ściśle związany ze spsbem eksplatacji napędu spalinweg. Na pdstawie charakterystyki TD raz charakterystyki emisji substancji tksycznych daneg silnika mżna kreślić ilściwy raz jakściwy skład spalin. Jest t szczególnie isttne w przypadku maszyn eksplatwanych w wyrbiskach pdziemnych, pnieważ emisja spalin realizwana jest d granicznej przestrzeni wyrbiska. Literatura 1. Cichy.: Nwe teretyczne ujęcie charakterystyki gęstści czaswej. Silniki Spalinwe 2-/1987. Rys. 7. Składniki systemu rejestracji parametrów pracy silnika spalinweg [Źródł: pracwanie własne] Przedstawiny na schemacie system pwinien pzwlić na rejestrację: - prędkści brtwej silnika spalinweg, - temperatury spalin, - prędkści liniwej maszyny, - parametrów pwietrza na dlcie d silnika. Pmiar temperatury spalin pwinien być przeprwadzny w pczątkwej części układu wyltweg, za turbsprężarką. Pnieważ układ wyltwy maszyn dłwych jest budwy przeciwwybuchwej, zabudwa czujnika temperatury, jak również pzstałych zespłów mnitrujących parametry pracy maszyny pwinny spełniać wymagania budwy przeciwwybuchwej. 6. Pdsumwanie Charakterystyka gęstści czaswych dstarcza infrmacji czasie pracy maszyny w pszczególnych punktach pracy w bszarze charakterystyki uniwersalnej silnika spalinweg. W celu sprządzenia charakterystyki gęstści czaswej wymagana jest znajmść przebiegu w czasie, parametrów prędkści brtwej raz mmentu brtweg silnika spalinweg. W niniejszej pracy przedstawin kilka metd pmiaru mmentu brtweg, który mżna kreślić w spsób bezpśredni lub pśredni na pdstawie inneg parametru pracy silnika. Pmiar pśredni mmentu brtweg na pdstawie zużycia paliwa lub temperatury spalin wymaga znajmści charakterystyki uniwersalnej badaneg silnika, którą wyknuje się na hamwni. Pmiary pśrednie nie wymagają dużej ingerencji w układ napędwy jednak barczne są większym błędem w prównaniu z pmiarem bezpśrednim mmentu brtweg. 2. De Suza E.G., ilanez L.F.: Indirect Ealuatin f the Trque f Diesel Engines. Transactins f the ASAE 5 (1, Dbrzaniecki P.: Prpzycja wykrzystania mmentmierza d analizy układu napędweg lkmtywy typu LDS-100K-EA. asz. Gór nr 4 s Dbrzaniecki P., ężyk A.: Kształtwanie cech eksplatacyjnych górniczych pjazdów spalinwych. ITG KOAG, Gliwice Kniuszy A.: etda sprządzania charakterystyki gęstści czaswej silników ciągnikwych. Silniki Spalinwe 2/ Kaczmarczyk K.: etda dstswania silnika d wymagań stawianych górniczym napędm spalinwym, Praca Dktrska, Plitechnika Krakwska, Gliwice erkisz J., Lijewski P., Wasalik S.: Analiza charakterystyk gęstści czaswej silników zbżwych w aspekcie bwiązujących przepisów dtyczących emisji spalin. Jurnal f Research and Applicatins in Agricultural Engineering, 2010, Vl. 55(1. 8. erkisz J., Lijewski P., Wasalik S.: Analiza warunków pracy silników pjazdów zastswaniach pzadrgwych w aspekcie przepisów dtyczących emisji związków tksycznych spalin. Eksplatacja i niezawdnść nr 1/ Wajand A. J.: Trakcyjne silniki z zapłnem samczynnym. WNT, Warszawa 197. Artykuł wpłynął d redakcji w maju 2015 r. 4 ASZYNY GÓRNICZE 2/2015