Układ regulacji i stabilizacji stanu cieplnego silnika spalinowego w warunkach hamowni silnikowej

Transkrypt

1 ISKRA Antoni 1 BABIAK Maciej WRÓBLEWSKI Emil Układ regulacji i stabilizacji stanu cieplnego silnika spalinowego w warunkach hamowni silnikowej WSTĘP Badania silników spalinowych, szczególnie silników trakcyjnych zainstalowanych na hamowni silnikowej, odgrywają ważną rolę w poznaniu zjawisk zachodzących w silniku, takich jak np. straty tarcia w grupie tłokowo-cylindrowej. Straty tarcia w układzie tłokowo-cylindrowym w dużej mierze zależą od stanu cieplnego silnika. Montaż silnika spalinowego na hamowni silnikowej znacząco zmienia warunki pracy, co skutkuje zmianami konstrukcyjnymi wprowadzanymi między innymi w układzie chłodzenia silnika. Należy jednak pamiętać, że wszelkie zmiany mają charakter adaptacyjny i nie powinny zmienić przebiegu zjawisk w stosunku do tych, które zachodzą w silniku napędzającym pojazd. Szczególnie ważną role odgrywa układ chłodzenia silnika zamontowanego na hamowni. Od laboratoryjnego układu chłodzenia wymaga się nie tylko zdolności do odprowadzenia nadmiaru ciepła w każdych warunkach pracy silnika, ale również możliwości uzyskania precyzyjnej stabilizacji temperatury. Straty tarcia to ważny problem w pracach prowadzonych nad rozwojem silników spalinowych. Ich redukcja wpływa na zmniejszenie zużycia paliwa oraz emisję związków toksycznych i szkodliwych. Straty tarcia mają szczególnie istotne znaczenie w przypadku nierozgrzanego do optymalnej temperatury pracy silnika spalinowego. W warunkach zimnego rozruchu silnika, a co za tym idzie wysokiej lepkości oleju, straty tarcia są duże, co wpływa na zwiększenie zużycia paliwa. Ponieważ pojazdy samochodowe wyposażone w silniki spalinowe bardzo często użytkowane są na krótkich dystansach, temperatura silnika jest niedostateczna dla uzyskania minimalnych strat tarcia. Zatem prowadzenie prac badawczych nad poprawą sprawności mechanicznej silnika w warunkach zimnego rozruchu jest zasadnym problemem rozwoju współczesnych silników spalinowych. Oprócz skojarzenia tłok-cylinder do całkowitych strat tarcia silnika spalinowego porównywalny udział wnoszą łożyska główne i korbowe wału korbowego silnika. Jednak o stanie cieplnym łożysk wału korbowego nie stanowi temperatura cieczy chłodzącej, lecz temperatura oleju, która jest mierzona np. w misce olejowej. Autorzy artykułu przedstawili modyfikacje stanowiska badawczego, których celem była poprawa funkcjonalności i dokładności warunków pomiarowych badań strat tarcia prowadzonych w warunkach hamowni silnikowej. 1. STANOWISKO SILNIKOWE Stanowisko silnikowe zamontowane na hamowni wyposażone jest w silnik, wyprodukowany przez koncern Volkswagen. Silnik ten ze względu na konstrukcję może być traktowany jako miarodajny przykład przeciętnego współczesnego silnika o zapłonie samoczynnym. Jago podstawowe parametry zostały przedstawione w tabeli 1. 1 Prof. dr hab. inż. A. Iskra, dr inż. M. Babiak, mgr inż. E. Wróblewski, Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Politechnika Poznańska. 1858

2 Tab.1. Dane silnika zainstalowanego na stanowisku hamulcowym [4] Budowa pięciocylindrowy, rzędowy Pojemność skokowa 2460 cm 3 Średnica cylindra 81 mm Skok tłoka 95,5 mm Stopień sprężania 18,0:1 Liczba zaworów na cylinder 2 Kolejność zapłonu Moc maksymalna 96 kw przy 3500 obr./min Maksymalny moment obrotowy 340 Nm przy 2000 obr./min Układ sterowania silnika Bosch EDC 16 Prędkość obrotowa biegu jałowego 800 obr. /min Paliwo olej napędowy, LC min. 49 Układ oczyszczania spalin zawór recyrkulacji spalin, katalizator Rys. 1. Ogólny widok stanowiska badawczego poddanego modyfikacji W badaniach prowadzonych na analizowanym stanowisku silnikowym, kluczową rolę odgrywa układ regulacji temperatury czynnika chłodzącego silnik. Układ ten znacząco różni się od oryginalnego układu chłodzenia, który został przedstawiony na rysunku 2, stosowanego w pojazdach, gdzie instalowany był wyżej wymieniony silnik. Badania wykonywane na stanowisku silnikowym przeprowadzane są m.in. w celu oceny wpływu stanu cieplnego silnika na straty tarcia. Dlatego też stanowisko wyposażono w układ chłodzenia, który daje możliwość wariantowania temperatury cieczy chłodzącej i został zaprezentowany na rysunku

3 Rys. 2. Standardowy układ chłodzenia silnika 2.5 TDI w samochodzie użytkowym VW Transporter T5 [5] 1-przednia nagrzewnica, 2-termostat, 3-głowica, 4-chłodnica recyrkulacji spalin, 5-pompa wody, 6-chłodnica, 7-chłodnica oleju, 8-kadłub, 9-przewód odpowietrzający, 10-zbiornik wyrównawczy, 11-zawór odcinający ogrzewania N279, 12-zawór zwrotny, 13- tylna nagrzewnica, 14-agregat ogrzewania dodatkowego, 15-pompa obiegowa Rys. 3. Schemat pierwotnego układu regulacji temperatury czynnika chłodzącego silnik na stanowisku hamownianym 1860

4 Ciecz chłodząca silnik, podobnie jak w przypadku zabudowy w samochodzie, znajduje się w obiegu zamkniętym. Do jej pogrzania wykorzystywane są dwie grzałki o mocy 10 kw. Regulator jaki został zastosowany w układzie to regulator PID. Regulator ten ma za zadanie ustalić i utrzymać na stałym poziomie wartość temperatury cieczy chłodzącej w zmiennych warunkach pracy silnika. Cieczą służącą do chłodzenia czynnika jest woda doprowadzana z sieci wodociągowej. Woda przepływa przez wymiennik ciepła i tym samym zmniejsza temperaturę czynnika chłodzącego. W panelu sterowania silnika możliwe jest ustawienie żądanej temperatury cieczy, która ustalała się po pewnym czasie. Temperatura cieczy po ustabilizowaniu się stanu cieplnego powinna być w przybliżeniu równa temperaturze oleju. W układzie przed przebudową, wartość temperatury cieczy chłodzącej można było znacząco regulować w krótkim odstępie czasu, jednak czas ustabilizowania się cieplnego stanu silnika był stosunkowo długi. Układ smarowania w zasadzie nie różni się budową od standardowego układu zastosowanego w silniku montowanych w pojazdach. Jedyna różnica to czujnik temperatury w misce olejowej oraz manometr mierzący ciśnienie oleju wtryskiwanego do układu znajdujący się za pompą olejową. Do układu zasilania olejowego zastosowano otwory na kotwy widoczne na rysunku 4, przez które przepływa olej do różnych łożysk silnika, a także do przekładni zębatej. Rys. 4. Zasilanie układu olejowego [5] Powrót oleju do miski olejowej z głowicy silnika odbywa się przede wszystkim przez przekładnię zębatą przedstawioną na rysunku 5 oraz kanałami powrotnymi na rysunku 6. Rys. 5. Napęd pompy oleju [5] 1861

5 Rys. 6. Powrót oleju w układzie smarowania [5] 2. MODYFIKACJA STANOWISKA SILNIKOWEGO Głównym celem modyfikacji stanowiska było zbudowanie układu regulacji i stabilizacji stanu cieplnego silnika, którego miarą nie będzie wyłącznie temperatura cieczy chłodzącej silnika, ale również temperatura oleju i temperatura powietrza dolotowego. Modyfikacja stanowiska polegała na zainstalowaniu trzech wymienników ciepła do układu chłodzącego silnik, układu chłodzenia powietrza doładowanego i układu olejowego. Schemat układu został przestawiony na rysunku 7. Rys. 7. Rozbudowane stanowisko silnikowe z wymiennikami ciepła 1862

6 Zastosowanie takiej koncepcji regulacji stanu cieplnego silnika na hamowni przybliża warunki pracy silnika zabudowanego we współczesnym samochodzie, ponieważ współczesnym standardem jest stosowanie dodatkowej chłodnicy oleju i powietrza doładowanego. Jednak w standardowym wyposażeniu samochodów rzadko stosowane są dodatkowe układy ogrzewania poszczególnych mediów. Ponieważ celem modyfikacji stanowiska było osiągnięcie możliwości regulacji i stabilizacji cieplnej silnika, dzięki czemu zwiększa się stabilność warunków pomiarowych, na zmodyfikowanym stanowisku badawczym zastosowano również dodatkowy układ ogrzewania oleju. Układ chłodzenia silnika został zasadniczo przebudowany w celu zapewnienia możliwości wariantowania temperatury cieczy i oleju oraz stabilizacji ustawionych wartości temperatur. W przebudowanym stanowisku zainstalowano nowy wymiennik ciepła, gdzie przepływająca woda doprowadzana z sieci wodociągowej zmniejsza temperaturę cieczy chłodzącej silnik. W układzie nie zmieniony został regulator PID oraz grzałki podgrzewające ciecz chłodzącą. Zmieniony został również układ chodzenia powietrza doładowującego silnika zamontowanego na hamowni. Fabryczna wymiennik ciepła typu powietrze-powietrze został zastąpiony przez wymiennik ciepła typu powietrze-woda. Powietrze ze sprężarki tłoczone jest do wymiennika, gdzie powietrze jest dodatkowo schładzane przez przepływającą przez wymiennik wodę wodociągową. Chłodzenie powietrza doładowującego powoduje wzrost mocy w całym zakresie prędkości obrotowych, gdyż po schłodzeniu powietrze ma większą gęstość i dzięki temu pozwala na doprowadzenie większej ilości tlenu do procesu spalania. Umożliwia to redukcję zużycia paliwa oraz emisji niektórych związków toksycznych. Równocześnie chłodzenie powietrza doładowującego powoduje zmniejszenie obciążenia termicznego silnika i jego podzespołów, a także ma wpływ na uzyskanie bardziej stabilnej temperatury pracy silnika. Również układ smarowania silnika został wyposażony w wymiennik ciepła oraz regulator PID. Czynnikiem chłodzącym olej jest również woda doprowadzona z sieci wodociągowej. Pierwotnie podgrzewanie oleju silnikowego odbywało się poprzez podgrzewanie cieczy chłodzącej silnik. Oprócz zainstalowania wymiennika ciepła do miski olejowej podłączone zostały przewody, w których zainstalowano dwie grzałki rurowe o mocy 1 kw każda, których zadaniem jest podgrzewanie oleju w misce olejowej. Precyzyjne utrzymywanie temperatury oleju w dużej mierze wpływa na straty tarcia. Olej silnikowy poprzez zmianę swojej temperatury zmienia swoją lepkość. Poprzez zwiększanie temperatury oleju jego lepkość zmniejsza się co skutkuje zmniejszeniem strat tarcia w silniku spalinowym. WNIOSKI Stan cieplny silnika ma duży wpływ na straty tarcia i inne opory ruchu silnika spalinowego. Wpływa on znacząco na lepkość oleju, która maleje pod wpływem temperatury. Im większa jest lepkość oleju, tym większe straty w silniku spalinowym. Istotne jest więc utrzymywanie optymalnej temperatury pracy, nie zbyt dużej, ponieważ za mała lepkość oleju może doprowadzić do tarcia mieszanego co wiążę się z przyspieszonym procesem zużywania. Lepkość oleju ma także duże znaczenie dla pracy pompy oleju. W przypadku spadku lepkości pompa generuje wyższe ciśnienie ze względu na opór stawiany przez olej silnikowy przy jego przetłaczaniu. Również temperatura cieczy chłodzącej silnik ma istotny wpływ na stan cieplny silnika. Reguluje ona temperaturę silnika, dlatego wpływa ona pośrednio również na wartość strat tarcia. Podczas zwiększania prędkości obrotowej silnika następuje szybsze nagrzewanie elementów silnika i oleju. Jest to spowodowane większą prędkością ruchomych elementów silnika i wydzielaniu się w związku z tym większej ilości ciepła, które w węzłach tarcia przejmowane jest przez przepływający olej. Ponadto zwiększanie prędkości obrotowej silnika przy względnie stałej temperaturze oleju powoduje wzrost strat oporów mechanicznych. 1863

7 Podsumowując, po rozbudowie stanowiska silnikowego uzyskano możliwość precyzyjnego regulowania stanu cieplnego silnia, przez regulowanie temperatury cieczy chłodzącej silnik, temperatury oleju w misce olejowej oraz powietrza doładowanego. Streszczenie W artykule przedstawiono modyfikację stanowiska silnikowego na hamowni silnikowej poprzez budowę układu regulacji i stabilizacji stanu cieplnego silnika. Stanowisko zostało wyposażone w specjalne układy regulacji temperatury, zapewniające większą stabilność temperatury niż ma to miejsce w standardowych układach. Podstawowym warunkiem przeprowadzania badań na stanowisku silnikowym jest utrzymywanie powtarzalności warunków przeprowadzania eksperymentu. Omówiono przebudowę układu chłodzenia silnia, chłodzenia powietrza doładowanego oraz układu podgrzewania oleju w misce olejowej. Dodatkowo przeanalizowano wpływ tych układów na stan cieplny silnika oraz uzyskaniu dokładniejszych warunków pomiarowych badań przeprowadzanych na stanowisku silnikowym zamontowanym na hamowni. Sformułowane wnioski pozwalają ocenić wpływ temperatury cieczy chłodzącej, powietrza doładowanego i oleju na straty tarcia w głównych węzłach tarcia silnika spalinowego. Słowa kluczowe: wymiennik ciepła, straty tarcia Abstract The paper presents a modification of engine test stand by building control and stabilization system of combustion engine thermal state. Test stand has been equipped with special temperature control, providing greater temperature stability than in the case of standard systems. The basic requirement for carrying out the tests on the engine test stand is to keep the repeatability conditions of the experiment. The paper discusses the reconstruction of the factory cooling system, charge air cooling and heating of the oil in the oil sump. In addition, it analyzes the impact of these systems on the thermal state of the engine and obtaining more accurate measurement conditions of tests carried out on a engine test bench. Conclusions allow to assess the impact of the coolant temperature, charge air and oil on the friction losses in the main engine kinematic pairs. Keywords: heat exchanger, the friction loss BIBLIOGRAFIA 1. A. Iskra, Studium konstrukcji i funkcjonalności pierścieni w grupie tłokowo-cylindrowej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, A. Iskra, J. Kałużny, M. Babiak, Charakterystyka biegu jałowego w fazie nagrzewania silnika, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, A. Iskra, J. Kałużny, M. Babiak, Wpływ temperatury cieczy chłodzącej i oleju na straty tarcia w tłokowym silniku spalinowym, Czasopismo Techniczne, 3-M/2012, Zeszyt 8, Rok 109, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, J. Kałużny, Eksperymentalne zastosowanie nanorurek węglowych w konstrukcji tłokowego silnika spalinowego, R.503, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Zeszyt do samodzielnego kształcenia nr 305, Silnik 2,5 l R5 TDI 1864