ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA EXPLO-SHIP 2006 Karol Franciszek Abramek Zmiana stopnia sprężania i jej wpływ na właściwości rozruchowe silników z zapłonem samoczynnym Słowa kluczowe: stopień sprężania, tłokowy silnik spalinowy, właściwości rozruchowe W referacie przedstawiono wyniki badań zmiany stopnia sprężania na właściwości rozruchowe oraz na średnie ciśnienie końca suwu sprężania i temperaturę sprężonego ładunku dla badawczego, jednocylindrowego silnika SB-3.1. Pomiarów dokonano dla temperatury otoczenia 285 K. Change of the Compression Ratio and its Effect on the Start-up Properties of Compression-Ignition Engines Key words: compression ratio, piston combustion engine, start-up properties This paper discusses the results of tests on the effect of compression ratio changes on engine start-up properties, the mean pressure of the compression stroke end and on the temperature of the compressed charge for the tested one cylinder SB-3.1 engine. The measurements were carried out at the ambient temperature 285 K. 11

2 Karol Franciszek Abramek Wstęp Skuteczne uruchomienie i łatwy rozruch tłokowego silnika spalinowego z zapłonem samoczynnym (ZS) jest jednym z podstawowych warunków niezbędnych dla zagwarantowania prawidłowej eksploatacji środków transportu, maszyn i urządzeń wykorzystujących tego rodzaju silniki jako źródło napędu. Dla zainicjowania pracy silnika wysokoprężnego niezbędne jest wytworzenie w przestrzeni roboczej, w końcu suwu sprężania, odpowiednio wysokiej temperatury umożliwiającej samozapłon wtryśniętego paliwa. Rozruch współczesnych trakcyjnych silników ZS powszechnie dokonywany jest za pomocą rozrusznika elektrycznego. W zasadzie sposób ten jest najdogodniejszy i najłatwiejszy. Trzeba także pamiętać, że rozruch może być dokonany również przy pomocy innych systemów np.: pneumatyczny system rozruchu, czyli rozruch sprężonym powietrzem (najczęściej stosowany w silnikach wysokoprężnych o średnicy tłoka powyżej 180 mm); system rozruchu z rozrusznikiem hydro-pneumatycznym; system rozruchu z silnikiem benzynowym; pirotechniczny system rozruchu; bezwładnościowy system rozruchu; ręczny system rozruchu. Niezależnie, jaki typ systemu poddać analizie, geometryczny stopień sprężania ε jako czynnik konstrukcyjny jest wskaźnikiem, którego zwiększenie poprawia sprawność obiegu cieplnego i właściwości rozruchowe silnika. W silnikach ZS stopień sprężania ε zmienia się w zakresie od 12 do 24. Zmiana sprawności cieplnej w zakresie takich zmian stopnia sprężania jest w zasadzie niewielka, niemniej uzyskuje się poprawę sprawności mechanicznej. Główną przeszkodą zwiększania stopnia sprężania jest wzrost obciążeń mechanicznych. Stąd wybiera się stopień sprężania będący kompromisem pomiędzy dobrymi właściwościami rozruchowymi a niewysokimi obciążeniami mechanicznymi. Wielkość ε ściśle związana jest z temperaturą końca suwu sprężania. Przy wzroście ε rośnie także temperatura końca suwu sprężania, która powinna przekraczać temperaturę zapłonu paliwa przynajmniej o 200 K [4, 5]. 1. Obiekt badań Badawczy, jednocylindrowy silnik SB-3.1 jest konstrukcją prototypową, wykorzystującą elementy konstrukcyjne z sześciocylindrowego silnika SW-680, tłok z pierścieniami (skok tłoka 146 mm), tuleję cylindrową (średnica cylindra 12

3 Zmiana stopnia sprężania i jej wpływ na właściwości rozruchowe silników mm), korbowód z panewką, zawory, wtryskiwacz i inne. Głowica silnika SB-3.1 stanowi wycinek jednego cylindra silnika SW-680. SB-3.1 to czterosuwowy silnik o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa do otwartej komory spalania w tłoku [3]. Ogólny widok silnika przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Ogólny widok badawczego silnika SB-3.1 Fig. 1. The general view of the tested SB-3.1 engine W silniku SB-3.1 istnieje możliwość zmiany geometrycznego stopnia sprężania ε w zakresie od 13,75 do 17,25 przez zastosowanie podkładki odpowiedniej grubości, znajdującej się pod kołnierzem głowicy. Wpływ zmiany stopnia sprężania od grubości podkładki przedstawiono w tabeli 1, natomiast widok kompletu podkładek przedstawiono na rysunku 2. Na rysunku 3 widać fragment wystającej podkładki zamontowanej na silniku SB

4 Karol Franciszek Abramek Wpływ zmiany grubości podkładki na stopień sprężania dla silnika SB-3.1 The effect of the washer thickness change on the compression ratio in a SB-3.1 engine Grubość podkładki g [mm] Stopień sprężania ε 7,64 13,75 7,22 14,25 6,82 14,75 6,45 15,25 6,10 15,75 5,77 16,25 5,47 16,75 5,19 17,25 Tabela 1 Rys. 2. Widok podkładek do zmiany stopnia sprężania dla silnika SB-3.1 Fig. 2. The view of washers for changing the compression ratio in the SB-3.1 engine 14

5 Zmiana stopnia sprężania i jej wpływ na właściwości rozruchowe silników... Rys. 3. Fragment wystającej podkładki zamontowanej na silniku SB-3.1 Fig. 3. A fragment of the protruding washer mounted on the SB-3.1 engine 2. Wyniki badań Wstępne badania wpływu stopnia sprężania na właściwości rozruchowe doświadczalnego silnika SB-3.1 wykonano dla temperatury otoczenia 285 K (12ºC). W zasadzie prędkość obrotowa wału korbowego silnika zmieniała się w niewielkim zakresie w wyniku zmiany stopnia sprężania, stąd uznano, że była stała i przyjęto średnią wartość, która wynosiła n = 289 min 1. Na rysunku 4 przedstawiono wyniki pomiarów wpływu zmian geometrycznego stopnia sprężania na ciśnienie końca suwu sprężania, która ściśle związana jest z temperaturą panującą w przestrzeni roboczej przy końcu sprężania [3]. Temperatura ta wpływa z kolei na łatwość uzyskania szybkiego rozruchu. Pomiar ciśnienia suwu sprężania został przeprowadzony dla różnych wartości stopnia sprężania możliwych do ustawienia na silniku SB-3.1. Średnie ciśnienie końca suwu sprężania przy danych stopniach sprężania otrzymano biorąc pod uwagę kilka kolejnych suwów (nie mniej niż osiem). Na rysunku 4 widać, że zmiana stopnia sprężania z 13,75 do 17,25 spowodowała wzrost średniego ciśnienia końca suwu sprężania o 0,86 MPa. 15

6 Karol Franciszek Abramek 3,5 p k śr [MPa] 3,25 3 2,75 2,5 2, ε (stopień sprężania) Rys. 4. Wpływ stopnia sprężania ε na ciśnienie końca suwu sprężania p k przy prędkości 289 min 1 dla silnika SB-3.1 [3] Fig. 4. The influence of compression ratio ε on the pressure at the end of compression stroke p k at 289 rpm for a SB-3.1 engine [3] Wzrost średniego ciśnienia końca suwu sprężania spowodował także wzrost temperatury sprężonego ładunku, co przedstawiono na rysunku 5. W zakresie zmian stopnia sprężania od 13,75 do 17,25 osiągnięto niemal liniową zależność wzrostu temperatury sprężonego ładunku. Wzrost temperatury sprężonego ładunku wpłynął na skrócenie czasu rozruchu. Geometryczny stopień sprężania może być stosowany jako wskaźnik porównawczy. W rzeczywistości, jak to wykazano w publikacjach [1, 5], na czas rozruchu w danej temperaturze, oprócz geometrycznego stopnia sprężania, ma wpływ rzeczywisty stopień sprężania, który uwzględnia wielkość strat ładunku wynikających z późniejszego zamknięcia zaworu ssącego oraz strat ładunku powodowanych przedmuchami gazów do skrzyni korbowej w wyniku nieszczelności w grupie tłok pierścienie cylinder. Na czas rozruchu w danej temperaturze ma wpływ prędkość obrotowa wału korbowego silnika [2]. 16

7 Zmiana stopnia sprężania i jej wpływ na właściwości rozruchowe silników T [K] ε (stopień sprężania) Rys. 5. Zależność temperatury sprężonego ładunku od stopnia sprężania dla silnika SB-3.1 Fig. 5. Dependence of the compressed charge temperature on the compression ratio for a SB-3.1 engine Próbę rozruchu silnika SB-3.1 wykonano w pięciu seriach pomiarowych, obliczając średni czas rozruchu. Wyniki pomiarów rozruchu w funkcji stopnia sprężania przedstawiono na rysunku 6. W temperaturze 285 K zmiana stopnia sprężania z 13,75 do 17,25 spowodowała skrócenie czasu rozruchu o około 1,5 sekundy. 8 t [s] 7,5 7 6, ε (stopień sprężania) Rys. 6. Czas rozruchu w funkcji stopnia sprężania dla silnika SB-3.1 Fig. 6. The start-up time as a function of the compression ratio for SB-3.1 engine 17

8 Karol Franciszek Abramek Podsumowanie Przeprowadzone wstępne badania wpływu zmiany geometrycznego stopnia sprężania na średnie ciśnienie końca suwu sprężania oraz na właściwości rozruchowe badawczego silnika SB-3.1 wykazują, że zmiana stopnia sprężania w temperaturze 285 K z 13,75 do 17,25 spowodowała wzrost średniego ciśnienia końca suwu sprężania od 2,45 MPa do 3,31 MPa, który wpłynął na podwyższenie temperatury sprężonego ładunku w przestrzeni roboczej od 584 K do 621 K. Taki wzrost temperatury spowodował skrócenie czasu rozruchu. Autor zdaje sobie sprawę, że przedstawione wyniki pomiarów są wstępne i dotyczą jedynie pierwszej części szerszych badań wpływu zmian geometrycznego stopnia sprężania na właściwości rozruchowe tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym w ujemnych temperaturach otoczenia (gdy występują trudności rozruchowe). Dalsze badania będą dotyczyć wyznaczenia granicznej temperatury rozruchu w funkcji stopnia sprężania w ujemnych temperaturach oraz stwierdzenia, czy trudności rozruchowe związane są z niższym ciśnieniem końca suwu sprężania, czy ze zmniejszoną prędkością obrotową silnika w czasie rozruchu (wynikającą m in. ze wzrostu oporów i spadku pojemności akumulatorów). Literatura 1. Abramek K. F., Effect of scavenging of gases to crankcase on actual compression ratio during start-up, Problems of Applied Mechanics International Scientific Journal. Georgian Committee of The International Federation For The Promotion of Mechanism And Machine Science. Tbilisi. Nr 2(19)/2005, s Abramek K. F., Wpływ prędkości obrotowej na właściwości rozruchowe silników z zapłonem samoczynnym, Materiały V Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej nt. Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa. Komisja Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa Polskiej Akademii Nauk Oddział w Lublinie. Lublin Odessa 2005, Tom VIII, s Abramek K. F., Wpływ zmiany geometrycznego stopnia sprężania na zjawisko przedmuchów gazów do skrzyni korbowej, Zeszyty Naukowe nr 68 Wyższej Szkoły Morskiej w Szczecinie, I Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Obsługiwanie Maszyn i Urządzeń Okrętowych, Szczecin 2003, s Mysłowski J., Doładowanie bezsprężarkowe silników z zapłonem samoczynnym, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1995, s Mysłowski J., Rozruch silników samochodowych z zapłonem samoczynnym, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1996, s

9 Zmiana stopnia sprężania i jej wpływ na właściwości rozruchowe silników... Recenzent prof. dr hab. inż. dr n. hum. Jan Gronowicz Adres Autora dr inż. Karol Franciszek Abramek Politechnika Szczecińska Wydział Mechaniczny Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych Szczecin, al. Piastów 19 tel. (091) , fax. (091) karol.abramek@ps.pl Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r. 19